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水泵知识

调节前置导叶对水泵性能的变化

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     我们使用的这套VR装置为圆环形,导叶为直叶式,共17片,叶片长500mm,装置通径1300mm,见图2。该装置由电机驱动,通过装有万向节的多节传动杆将转矩传到装置输入轴上,然后通过装置内的齿轮系统使各叶片同步转动,实现调节导叶角度目的。


  KSB公司设定,以VR装置导叶片与水平面垂直为90º,当叶片转动倾斜方向与泵叶轮旋转方向一致时为减角度(即角度变小);当叶片倾斜方向与泵叶轮旋转方向相反时为增角度(即角度变大)。下面首先就水泵装与不装前置导叶,对水泵性能的影响作些分析。
  (一)未装前置导叶与装有前置导叶且叶片角度为90º时泵性能的比较
  根据KSB公司提供的资料以及我们研究人员作的相关试验,作者绘制了装有前置导叶且叶片在90º时,与无前置导叶装置的泵二者特性曲线对比。从图上,我们可以得出以以结论:

  1.无前置导叶与前置导叶90 º时泵的Q—H曲线基本上是两条平行曲线,有前置导叶的Q---H曲线略低些,这是由于加了前置导叶之后,进口液流阻力损失增加而引起扬程下降的缘故。
  2.从Q一η曲线上看出,两条曲线基本接近,且有一重合点,此点左侧,有前置导叶的Q一η曲线比无前置导叶的Q一η曲线略高3而此点右侧,有前置导叶的Q一η曲线比无前置导叶的Q——η曲线略低,此重合点正是最优工况点。这说明,在最优工况下,前置导叶的阻力损失对泵来说微乎其微,不造成什么影响;而在小流量时,由于进水管内液流少,流动不均匀,加了前置导叶之后,起导流作用,使液流进口流动均匀性加强,所得效率比原来有所提高;而在大流量时,导流作用消失了,相反因增加前置导叶,阻力损失增加,导致效率有所下降。
  可见,当导叶位置在90 º时,其泵的性能与未装前置导叶泵的性能基本相近,此时它对泵的特性影响不大。
  其次,来看看导叶在不同角度时水泵性能的变化。
  (二)VR装置导叶在不同角度时对泵性能的影响
  1 对Q—H性能曲线的影响

  图4是有VR装置的泵在各种导叶角度下的性能曲线。由图4可以看出,当前置导叶向小于90的方向调节时,所得到的性能曲线是明显地向左,并且与90 º角时的性能曲线基本上平行的移动(在连续运行极限范围内)。这是因为此时前置导叶出口液流方向与叶轮旋转方向趋向一致,液流在泵叶轮入口前有了一个正向预旋Vlu(Vlu液流在叶轮进口处绝对速度的圆周方向分速度),故Vlu>0(前置导叶为90º。时,Vlu=0)。由欧拉方程式:

  HT=(u2v2u—ulvlu)/g

  得知,当导叶角度向小于90º。方向调节时,由于Vlu>0,则泵的理论扬程HT小于导叶在如。时泵的扬程HT。并且,前置导叶角度取值越小,Vlu值越大,扬程降越大,故Q—H特性曲线向左移。在实际使用中,正是利用这一特性,在保持扬程基本恒定的情况下,使流量随VR角度变小而变小,从而达到减少流量的目的。而当前置导叶大于90º方向调节,此时前置导叶液流出口方向与叶轮旋转方向相反,即产生反向预旋,故Vlu<0。同样由欧拉方程可知,此时泵的扬程HT大于前置导叶在90º时的扬程。而且,前置导叶角度越大,Vlu越小,泵的扬程增加越大,Q—H特性曲线向右移。所以,可以在一定的扬程下,使泵的流量随导叶角度变大而增加。实践说明,上述作用是明显的。
  2 对水泵效率η的影响
  由于前置导叶向90º位置两边调节,使液流在进入泵叶轮前分别产生了正向预旋和反向预旋,在叶轮叶片进口边产生绝对速度V1的圆周分量Vlu,因而使叶轮进口速度三角形发生变化,见图5所示。实线为无预旋时的速度三角形,虚线分别为产生正向预旋和反向预时的速度三角形。从图中可以看出,三种状况下的相对速度ω1大小不一样,ω′1为液流正向预旋时的相对速度;ω″1为液流反向预旋时的相对速度。显然ω1随导叶角度值增大而增大。

  从图6中我们可以清楚的看到,前置导叶角度调节对水泵效率的影响是明显的。当导叶处在90º位置时,水泵运行的高效区范围最大,效率最高。当导叶角度逐步增大或逐步减小时,水泵运行效率也逐步下降。并且,导叶角度偏离90º位置越远,效率下降越大且越明显,使泵不能正常运行。因此,我们将泵的前置导叶调节角度限定在75º—110º。范围之内,以使水泵能在75%以上的效率范围内安全运行。
  在75º---110º范围之内,水泵的运行效率变化,根据我们对所作测试数据的分析,有以下规律:

  当导叶在75º----95º范围之内调节时,水泵的运行效率变化较小,而且效率较高;而一旦导叶向大于95º方向调节时,水泵效率将明显地加速下降。表1是三台同类型泵在不同导叶角度下运行效率的测试数据:

表1 不同导叶角度下泵运行效率的测试数据

导叶角度 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

  对于上述现象产生的原因,可以用欧拉方程和速度三角形来分析:由前述我们知道, 75º—110º。范围之内当导叶向小于90º方向调节时,液流产生正预旋Vlu,会降低泵的理论能头HT。但是,由于相对速度ω1减小,使液流对叶轮的冲击损失大为减少了,故泵的效率没有明显下降;相反,在导叶角度向大于90º方向调节时,虽然液流产生反预旋Vlu,提高了理论能头HT。但是,由于相对速度ω1增大,使液流对叶轮的冲击损失增大了,故效率有相对明显的下降。如果当导叶角度向极限以外调节时,将使流量偏离设计流量Qd,液流冲角。发生变化,此时在叶轮叶片的工作面会形成旋涡区,引起更大的冲击损失,泵的效率更低。
  综上所述,我们认为:前置导叶调节引起水泵效率变化,液流的预旋和对叶轮的冲击损失是主要因素。因此,前置导叶的调节是有限度的。即使在限定的75º一110º的使用范围之内,也应避免水泵长时间在极限角度下运行。

  3 对水泵汽蚀性能的影响
  很显然,当前置导叶向大于90的方向调节时,由于液流产生反预旋,使液流在泵叶轮入口的相对速度ω1增大,液流对叶轮产生撞击作用,随着导叶角度不断增大,这种撞击也更趋严重,对水泵的汽蚀性能有不利影响。
  由水泵汽蚀基本方程:
  NPSHr=λ1V20/2g十λ2ω12/2g
  得知,由于相对速度ω1的增大,使得必需汽蚀余量NPSHr大大增大,从而使水泵的汽蚀性能下降。所以,在操作使用中,要依据水泵的汽蚀特性曲线以及水位和扬程的变化,调节导叶角度,以保证有效汽蚀余量NPSHa大于必需汽蚀余量NPSHr。此外,由于液流对叶轮的撞击作用,水泵叶轮处的振动值也随着导叶角度增大而变大。表2是某台泵在一定的水位时,前置导叶角度变化与叶轮处振动值的相应数值。

      水泵前置导叶调节能有效改变水泵运行工况,在较大程度上满足生产使用要求。同时,由于导叶调节,液流方向改变,使液流对叶轮的冲击和能头损失增大,造成泵的运行效率下降,并影响水泵的汽蚀性能。但是,只要将导叶调节范围限定在适当的区域内,那么其负面作用就不会太大。

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