前置導葉調節(jié)對水泵性能的影響及使用控制

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摘要：上海市黃浦江上游引水二期工程，使用了12臺大型立式混流泵，其葉輪前均裝有德國KSB公司制造的前置導葉裝置（Inlet Vane Conttrol Device VR），目的是為了實現(xiàn)在較寬廣的范圍內調節(jié)泵的使用性能。

　　關鍵詞：前置導葉 水泵性能 導葉角度

　　一　引言

　　上海市黃浦江上游引水二期工程，使用了12臺大型立式混流泵，其葉輪前均裝有德國KSB公司制造的前置導葉裝置（Inlet Vane Conttrol Device VR），目的是為了實現(xiàn)在較寬廣的范圍內調節(jié)泵的使用性能。泵組結構，其參數(shù)為：流量Q＝6.5M³／S，揚程H＝15.5M，轉速n＝297rpm，比較數(shù)ns＝353，效率η＝0.80，軸功率P＝1400KW.前置導葉裝置（簡稱VR裝置）目前在國內外水泵上使用不多，這方面的技術資料和報導很少。為此，作者根據(jù)近三年來對泵的運行情況觀察及有關的試驗數(shù)據(jù)和技術資料，就VR裝置使用調節(jié)對水泵性能的影響及原因作些分析研究，以便對VR裝置有較客觀正確的認識，從而對此類泵的實際使用控制提出些參考意見。

　　二 前置導葉裝置對水泵性能的影響

　　我們使用的這套VR裝置為圓環(huán)形，導葉為直葉式，共17片，葉片長500mm，裝置通徑1300mm，該裝置由電機驅動，通過裝有萬向節(jié)的多節(jié)傳動桿將轉矩傳到裝置輸入軸上，然后通過裝置內的齒輪系統(tǒng)使各葉片同步轉動，實現(xiàn)調節(jié)導葉角度目的。

　　KSB公司設定，以VR裝置導葉片與水平面垂直為90o，當葉片轉動傾斜方向與泵葉輪旋轉方向一致時為減角度（即角度變?。?；當葉片傾斜方向與泵葉輪旋轉方向相反時為增角度（即角度變大）。下面首先就水泵裝與不裝前置導葉，對水泵性能的影響作些分析。

　?。ㄒ唬┪囱b前置導葉與裝有前置導葉且葉片角度為90o時泵性能的比較

　　根據(jù)KSB公司提供的資料以及我們研究人員作的相關試驗，作者繪制了裝有前置導葉且葉片在90o時，與無前置導葉裝置的泵二者特性曲線對比，我們可以得出以以結論：

　　1.無前置導葉與前置導葉90^o時泵的Q—H曲線基本上是兩條平行曲線，有前置導葉的Q——H曲線略低些，這是由于加了前置導葉之后，進口液流阻力損失增加而引起揚程下降的緣故。

　　2.從Q一η曲線上看出，兩條曲線基本接近，且有一重合點，此點左側，有前置導葉的Q一η曲線比無前置導葉的Q一η曲線略高3而此點右側，有前置導葉的Q一η曲線比無前置導葉的Q——η曲線略低，此重合點正是最優(yōu)工況點。這說明，在最優(yōu)工況下，前置導葉的阻力損失對泵來說微乎其微，不造成什么影響；而在小流量時，由于進水管內液流少，流動不均勻，加了前置導葉之后，起導流作用，使液流進口流動均勻性加強，所得效率比原來有所提高；而在大流量時，導流作用消失了，相反因增加前置導葉，阻力損失增加，導致效率有所下降。

　　可見，當導葉位置在90^o時，其泵的性能與未裝前置導葉泵的性能基本相近，此時它對泵的特性影響不大。

　　其次，來看看導葉在不同角度時水泵性能的變化。

　?。ǘ￢R裝置導葉在不同角度時對泵性能的影響

　　1 對Q—H性能曲線的影響

　　VR裝置的泵在各種導葉角度下的性能曲線。當前置導葉向小于90的方向調節(jié)時，所得到的性能曲線是明顯地向左，并且與90^o角時的性能曲線基本上平行的移動（在連續(xù)運行極限范圍內）。這是因為此時前置導葉出口液流方向與葉輪旋轉方向趨向一致，液流在泵葉輪入口前有了一個正向預旋Vlu（Vlu液流在葉輪進口處絕對速度的圓周方向分速度），故v_lu＞0（前置導葉為90o.時，v_lu＝0）。由歐拉方程式：

　　H_T=（u₂v₂u—ulv_lu）／g

　　得知，當導葉角度向小于90o.方向調節(jié)時，由于v_lu＞0，則泵的理論揚程HT小于導葉在如。時泵的揚程HT.并且，前置導葉角度取值越小，v_lu值越大，揚程降越大，故Q—H特性曲線向左移。在實際使用中，正是利用這一特性，在保持揚程基本恒定的情況下，使流量隨VR角度變小而變小，從而達到減少流量的目的。而當前置導葉大于90^o方向調節(jié)，此時前置導葉液流出口方向與葉輪旋轉方向相反，即產(chǎn)生反向預旋，故v_lu＜0.同樣由歐拉方程可知，此時泵的揚程H_T大于前置導葉在90^o時的揚程。而且，前置導葉角度越大，v_lu越小，泵的揚程增加越大，Q—H特性曲線向右移。所以，可以在一定的揚程下，使泵的流量隨導葉角度變大而增加。實踐說明，上述作用是明顯的。

　　2 對水泵效率η的影響

　　由于前置導葉向90^o位置兩邊調節(jié)，使液流在進入泵葉輪前分別產(chǎn)生了正向預旋和反向預旋，在葉輪葉片進口邊產(chǎn)生絕對速度Ⅵ的圓周分量v_lu，因而使葉輪進口速度三角形發(fā)生變化。實線為無預旋時的速度三角形，虛線分別為產(chǎn)生正向預旋和反向預時的速度三角形。從上可以看出，三種狀況下的相對速度ω₁大小不一樣，ω^′₁為液流正向預旋時的相對速度；ω^″₁為液流反向預旋時的相對速度。顯然ω₁隨導葉角度值增大而增大。

　　我們可以清楚的看到，前置導葉角度調節(jié)對水泵效率的影響是明顯的。當導葉處在90^o位置時，水泵運行的高效區(qū)范圍最大，效率最高。當導葉角度逐步增大或逐步減小時，水泵運行效率也逐步下降。并且，導葉角度偏離90o位置越遠，效率下降越大且越明顯，使泵不能正常運行。因此，我們將泵的前置導葉調節(jié)角度限定在75o—110o.范圍之內，以使水泵能在75％以上的效率范圍內安全運行。

　　在75^o——110^o范圍之內，水泵的運行效率變化，根據(jù)我們對所作測試數(shù)據(jù)的分析，有以下規(guī)律：

　　當導葉在75^o——95^o范圍之內調節(jié)時，水泵的運行效率變化較小，而且效率較高；而一旦導葉向大于95^o方向調節(jié)時，水泵效率將明顯地加速下降。表1是三臺同類型泵在不同導葉角度下運行效率的測試數(shù)據(jù)：

 

導葉角度　

75º　

80º　

85º　

90º　

95º　

100º　

105º　

110º　

A泵效率%　

81.82　

82.22　

82.51　

82.70　

81.76　

80.25　

77.89　

76.10　

B泵效率%　

85.62　

85.73　

85.73　

85.01　

84.08　

82.26　

79.83　

77.43　

C泵效率%　

88.50　

87.36　

87.40　

86.92　

85.80　

84.47　

8107　

79.25　

　　對于上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可以用歐拉方程和速度三角形來分析：由前述我們知道， 75^o—110^o.范圍之內當導葉向小于90^o方向調節(jié)時，液流產(chǎn)生正預旋Ⅵ_u，會降低泵的理論能頭HT.但是，由于相對速度ω₁減小，使液流對葉輪的沖擊損失大為減少了，故泵的效率沒有明顯下降；相反，在導葉角度向大于90^o方向調節(jié)時，雖然液流產(chǎn)生反預旋Ⅵ_u，提高了理論能頭HT.但是，由于相對速度ω₁增大，使液流對葉輪的沖擊損失增大了，故效率有相對明顯的下降。如果當導葉角度向極限以外調節(jié)時，將使流量偏離設計流量Q_d，液流沖角。發(fā)生變化，此時在葉輪葉片的工作面會形成旋渦區(qū)，引起更大的沖擊損失，泵的效率更低。

　　綜上所述，我們認為：前置導葉調節(jié)引起水泵效率變化，液流的預旋和對葉輪的沖擊損失是主要因素。因此，前置導葉的調節(jié)是有限度的。即使在限定的75o一110o的使用范圍之內，也應避免水泵長時間在極限角度下運行。

　　3 對水泵汽蝕性能的影響

　　很顯然，當前置導葉向大于90的方向調節(jié)時，由于液流產(chǎn)生反預旋，使液流在泵葉輪入口的相對速度ω1增大，液流對葉輪產(chǎn)生撞擊作用，隨著導葉角度不斷增大，這種撞擊也更趨嚴重，對水泵的汽蝕性能有不利影響。

　　由水泵汽蝕基本方程：

　　NPSHr=λ₁V²₀／2_g十λ₂ω₁²／2_g

　　得知，由于相對速度ω1的增大，使得必需汽蝕余量NPSHr大大增大，從而使水泵的汽蝕性能下降。所以，在操作使用中，要依據(jù)水泵的汽蝕特性曲線以及水位和揚程的變化，調節(jié)導葉角度，以保證有效汽蝕余量NPSHa大于必需汽蝕余量NPSHr.此外，由于液流對葉輪的撞擊作用，水泵葉輪處的振動值也隨著導葉角度增大而變大。表2是某臺泵在一定的水位時，前置導葉角度變化與葉輪處振動值的相應數(shù)值。

　　表2　　

前置導葉角度與葉輪處振動值的相應變化數(shù)值

導葉角度　 75º　 80º　 85º　 90º　 95º　 100º　 105º　 110º　 振動值（mm/s）　 1.87　 1.90　 1.93　 2.01　 2.08　 2.19　 2.24　 2.55　

　　三 結束語

　　水泵前置導葉調節(jié)能有效改變水泵運行工況，在較大程度上滿足生產(chǎn)使用要求。同時，由于導葉調節(jié)，液流方向改變，使液流對葉輪的沖擊和能頭損失增大，造成泵的運行效率下降，并影響水泵的汽蝕性能。但是，只要將導葉調節(jié)范圍限定在適當?shù)膮^(qū)域內，那么其負面作用就不會太大。

　　參考文獻

　　[1]錢錫俊，除弘，“泵和壓縮機”，石油大學出版社，1996年3月

　　[2]重慶大學立君，“泵與風機”，水利電力出版社，1986年11月

　　[3]西安交通大學，“泵與風機”，西安交通大學出版社，1961年7月