叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响

第30卷第13期农业工程学报Vol.30No.13602014年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJul.2014叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响苏晓珍1，杨从新1※，黎义斌1，李强2（1.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州730050;2.合肥工业大学化工机械研究所，合肥230009）摘要：为了阐明叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响，该文从速度三角形理论出发，引入进口速度加权平均角度（θ），推导了单级模型泵无压直管叶轮进口条件的最大轴功率，以及相对应的流量的计算公式。在此基础上，研究了串并联离心泵分别应用无压半螺旋和有压半螺旋2种不同叶轮进口条件对无过载性能的影响。结合（computationalfluiddynamics，CFD）技术，对各模型泵外特性曲线进行了数值模拟，并搭建试验台分别对单级模型泵和串并联离心泵进行试验。分析表明：计算结果与试验结果能够较好地吻合，在设计工况下，扬程误差和功率误差均在5%以内，从而验证了数值模拟结果的正确性。结果证明：不同叶轮进口条件下，得到的轴向速度分布均匀度变化不大，均匀度较好；而流动偏移角（γ）值有较大的差异，γ值越大越有利于无过载性能的实现。该研究结果为串并联离心泵的无过载研究和开发提供了一定的依据。关键词：离心泵；数值方法；叶轮；串并联离心泵；进口条件；无过载；试验doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.13.008中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1002-6819(2014)-13-0060-08苏晓珍，杨从新，黎义斌，等.叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响[J].农业工程学报，2014，30(13)：60－67.SuXiaozhen,YangCongxin,LiYibin,etal.Effectofimpellerinletconditiononnon-overloadperformanceofserial-parallelcentrifugalpump[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(13):60－67.(inChinesewithEnglishabstract)0引言串并联离心泵是通过中间换向阀调节实现2种水力性能的一种新型离心泵种[1-2]。与普通离心泵相比，具有占地面积小、成本低等特点，在船舶和消防中广泛应用。但长期使用结果表明，因串并联离心泵结构复杂，且需在多种工况下运行，容易发生过载烧毁电机[3]，给用户使用维修带来很多隐患。为了克服泵过载问题，国内外学者对其进行了大量研究。国内很多学者通过传统正交试验法[4]、面积比原理等[5-8]为离心泵无过载设计与优化提供了比较全面的参考；同时为了优化叶轮参数，计算出离心泵最大轴功率，也推导了一系列数学模型和公式[9-12]，为离心泵无过载设计提供了一些新思路；国外方面，一些学者在理论和试验方面做了大量研究，水力效率与泵过载能力互相矛盾，并指出应忽收稿日期：2014-04-17修订日期：2014-06-04基金项目：“十二五“国家重大装备子项目（00-318-06-04）；国家科技支撑计划（2013BAF01B02）；国家自然科学基金（51369015）作者简介：苏晓珍，女，安徽宿州人，主要从事流体机械优化设计研究。兰州兰州理工大学能源与动力工程学院，730050。Email：493049216@qq.com※通信作者：杨从新（1964－），男，陕西兴平人，教授，工学博士，主要从事各种泵的研究。兰州兰州理工大学能源与动力工程学院，730050。Email：ycxwind@163.com略水力效率来实现泵无过载性能[13-16]。以上研究成果多是通过改变叶片关键性参数实现泵无过载性能，忽略其进水条件对无过载性能的影响。然而研究表明，叶轮进口条件对水泵性能具有重要影响[17-19]，进口速度分布均匀度和加权平均角度是衡量叶轮进口条件分布关键性技术指标[20-21]。本文结合上述指标从理论出发，推导出最大轴功率计算公式及相对应的流量，采用数值计算和试验研究相结合手段，进一步探讨叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能影响。1串并联离心泵无过载理论分析1.1研究对象在进行串并联离心泵无过载设计时，为了减小研制成本，节省工作量，首先进行单级模型泵无过载设计，在单级模型泵满足设计要求后，保证水力部件尺寸基础上，再对串并联离心泵进行结构设计。由于串并联离心泵结构较为复杂，进口吸入条件特殊性，不能采用直管进口管道提供进口吸入条件，使串并联离心泵叶轮