基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法
【专利摘要】基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，属于水力机械【技术领域】。本发明针对现有轴流泵导叶体设计方法不能在泵装置中实现与出水流道水力性能相匹配的缺陷，提供了基于试验的轴流泵装置导叶体的水力优化方法。本发明设计和构建了轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置，对一组 7 个方案的试验导叶体出口环量和出水流道水头损失分别进行测试和计算，在研明轴流泵装置导叶体出口环量影响出水流道水头损失规律的基础上，实现对轴流泵装置导叶体的水力优化，使其与出水流道达到最佳匹配、进一步提高轴流泵装置的水力性能。本发明能够适用于由不同型号轴流泵和不同型式出水流道组成的轴流泵装置中的导叶体水力优化。
【专利说明】基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轴流泵装置导叶体的水力优化设计，尤其涉及基于试验的轴流泵装置 导叶体水力优化方法，属于水力机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 大型轴流泵装置广泛应用于我国平原地区，在抗旱排涝、水资源调配和水环境改 善等领域发挥了十分重要的作用。轴流泵装置是由进水流道、出水流道和轴流泵的叶轮、导 叶体组成，其中，进水流道位于叶轮之前，导叶体位于叶轮之后，出水流道位于导叶体之后。 水流在高速旋转的轴流泵叶轮的作用下获得能量，同时导叶体出口的水流还具有很大的速 度环量。常规的轴流泵设计不针对具体的轴流泵装置，导叶体水力设计的目标是调整从叶 轮流入导叶体水流的方向、消除导叶体出口水流的速度环量。近年来的研究发现，在轴流泵 装置中，导叶体出口水流的速度环量对出水流道内流态及水头损失的影响并不是环量愈小 愈好，而是存在使出水流道水头损失最小的最优环量。因此，导叶体的常规设计方法导致其 与出水流道的水力性能不匹配，增大了出水流道的水头损失。出水流道水头损失对轴流泵 装置效率的影响是很大的，特别是对于年运行时数长的大型低扬程泵站，这种影响更须予 以重视。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是针对上述现有方法的缺陷，提供基于试验的大型轴流泵装置导 叶体的水力优化方法。在研明轴流泵装置出水流道水头损失与其导叶体出口平均速度环量 关系的基础上，以轴流泵装置导叶体的出口平均速度环量达到最优环量为目标进行导叶体 优化设计，使其与出水流道达到最佳配合、实现轴流泵装置水力性能的最优化。经检索，尚 未见到根据轴流泵装置出水流道的最优环量对轴流泵导叶体进行水力优化的文献报道及 专利申请，仅有一些学者对轴流泵导叶体进、出口速度环量的分布等进行了研究。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] (1)设计和构建轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模 型试验装置，由模型泵、导叶体、平均速度环量计、出水流道、出水池、闸阀、辅助泵、流量计 通过管道依次连接构成，出水流道进口的管道壁上设有出水流道进口测压孔，出水流道进 口测压孔上安装连接出水流道进口测压管，出水流道出口的出水池侧壁上设有出水流道出 口测压孔，出水流道出口测压孔上安装连接出水流道出口测压管；在该装置中，水流从模型 泵的叶轮流出，依次流经导叶体、平均速度环量计、出水流道进口测压管断面、出水流道、出 水池、出水流道出口测压管断面、闸阀、辅助泵、流量计，最后再回到所述模型泵进口，构成 一个循环系统；
[0006] 所述模型泵与所研究的大型轴流泵装置中的原型泵相似，用于在试验装置中提供 与原型轴流泵装置相似的水流，模型泵叶轮直径为D，单位为m ;
[0007] 所述导叶体为在所述模型泵原配导叶体基础上经过专门设计的一组供试验用的 导叶体方案，用于在试验中提供依次逐步减小的导叶体出口平均速度环量，它们的外形及 安装尺寸相同，因而可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试验更换一个不同方案的 导叶体；所述导叶体出口通过管道与出水流道进口连接，管道长度为8D(D为模型泵叶轮直 径，单位为m，下同）；
[0008] 所述平均速度环量计安装在紧靠导叶体出口的管道中，用于测量导叶体出口水流 的平均速度环量；
[0009] 所述出水流道为所研究的轴流泵装置中的出水流道，其可以有不同型式；
[0010] 所述出水流道进口测压孔设置在所述管道的管壁上，距出水流道进口的距离为 3D ;出水流道出口测压孔设置在出水池侧壁上，距出水流道出口的距离为8D ;
[0011] 所述闸阀为蝶阀，用于调节所述模型泵的工况；
[0012] 所述辅助泵为管道泵，用于帮助所述模型泵克服管道阻力；
[0013] 所述流量计为电磁流量计，用于测量所述模型泵的流量；
[0014] (2)在所述模型泵原配导叶体的基础上，设计制作一组7个供试验用的导叶体方 案，它们的几何特征是导叶片的片数均与模型泵原配导叶体的叶片数相同，但各方案导叶 体的叶片出口角度及长度依次逐步增加，使其出口水流的平均速度环量依次逐步减小；7 个方案导叶体的外形及安装尺寸相同，因而可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试 验更换一个不同方案的导叶体；
[0015] 导叶体方案1的几何特征是，导叶片的片数与模型泵原配导叶体的叶片数相同， 导叶片的进口角度与模型泵叶轮叶片出口水流速度的方向一致，导叶片的长度取为0. 2D， 使其满足支撑模型泵导轴承支座的要求；由于该方案导叶片的角度从进口到出口保持不 变，对流入导叶体水流的流动方向不起调整作用，故其出口与进口的速度环量相等；
[0016] 导叶体方案2是在导叶体方案1的基础上，在每个导叶片的出口各增加1个长度 为0. 05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案1导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线 方向偏转10°，导叶体方案2出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而减小，从而相应 地使其出口水流的速度环量在导叶体方案1的基础上减小；
[0017] 导叶体方案3是在导叶体方案2的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度 为0. 05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案2导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线 方向偏转10°，导叶体方案3出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而再次减小，从而 相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案2的基础上减小；
[0018] 导叶体方案4是在导叶体方案3的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度 为0. 05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案3导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线 方向偏转10°，导叶体方案4出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而又一次减小，从 而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案3的基础上减小；
[0019] 导叶体方案5是在导叶体方案4的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度 为0. 05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案4导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线 方向偏转9.2°，该方案导叶片出口角度达到90° (与导叶体轴线平行），导叶体方案5出 口水流的周向流速受到该小叶片的进一步调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环 量在导叶体方案4的基础上减小；
[0020] 导叶体方案6是在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度 为0. oro的小叶片，并使其出口角度保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案5的基础 上沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案6出口水流的周向流速继续受到新增小 叶片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案5的基础上减小；
[0021] 导叶体方案7是在导叶体方案6的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度 为0. 0?的小叶片，并使其出口角度继续保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案6的 基础上沿导叶体轴线方向又增加了一定长度，导叶体方案7出口水流的周向流速受到新增 小叶片的持续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案6的基础上 减小。
[0022] (3)所述平均速度环量计由环量计轮毂、环量计轴和沿环量计轮毂匀布的4个直 叶片组成；所述环量计轴的轴线与模型泵的轴线一致；所述环量计轮毂的直径与导叶体出 口断面的轮毂体直径相同；所述直叶片边缘至管道内壁的距离为2mm，其长度为管道直径 的0.6倍，在导叶体出口水流周向流速的作用下，直叶片随同水流作旋转运动，在此过程 中，旋转较快的水流推动直叶片旋转、旋转较慢的水流被直叶片推动旋转，直叶片最终达到 与导叶体出口水流同步旋转，直叶片的旋转速度即为导叶体出口水流的平均旋转速度；在 直叶片的侧面贴有金属反光片，在管道上与所述反光片对应的位置设置光电传感器，其头 部与所述管道的内壁齐平，光电传感器发出光束，直叶片在水流作用下每旋转一圈，4个直 叶片上的反光片对该光束各反光1次，光电传感器接收4个光脉冲信号，这些信号传输到与 光电传感器连接的计数器，计数器单位时间内记录的脉冲总数除以4即可得到所述环量计 直叶片每分钟旋转的圈数η;
[0023] (4)进行轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试 验，每次试验更换一个不同方案的导叶体；试验中需测试的物理量包括：所述环量计直叶 片每分钟旋转的圈数η、出水流道进口测压孔静压H 1、出水流道出口测压孔静压H2和模型泵 流量Q ;根据测试结果计算导叶体出口水流的平均速度环量Γ和相应的出水流道水头损失 Ah，根据计算结果绘出尸和Ah之间的关系曲线；
[0024] 经推导，所述平均速度环量Γ的计算式为：
[0025]
【权利要求】
1.基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 设计和构建轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试 验装置，由模型泵、导叶体、平均速度环量计、出水流道、出水池、闸阀、辅助泵、流量计通过 管道依次连接构成，连接出水流道进口的管道壁上设有出水流道进口测压孔，出水流道进 口测压孔上安装连接出水流道进口测压管，连接出水流道出口的出水池侧壁上设有出水流 道出口测压孔，出水流道出口测压孔上安装连接出水流道出口测压管；在该装置中，水流从 模型泵的叶轮流出，依次流经导叶体、平均速度环量计、出水流道进口测压管断面、出水流 道、出水池、出水流道出口测压管断面、闸阀、辅助泵、流量计，最后再回到所述模型泵进口， 构成一个循环系统； 所述模型泵与所研究的大型轴流泵装置中的原型泵相似，用于在试验装置中提供与原 型轴流泵装置相似的水流，模型泵叶轮直径为D，单位为m; 所述导叶体为在所述模型泵原配导叶体基础上经过专门设计的一组7个方案供试验 用的导叶体，用于在试验中提供依次逐步减小的导叶体出口平均速度环量； 所述平均速度环量计安装在紧靠所述导叶体出口的管道中，用于测量导叶体出口水流 的平均速度环量； 所述出水流道为所研究的大型轴流泵装置中的出水流道，其可以有不同型式； 所述导叶体出口通过管道与出水流道进口连接，管道长度为8D;所述出水流道进口测 压管设置在所述管道的管壁上，距出水流道进口的距离为3D;出水流道出口测压管设置在 所述出水池的侧壁上，距出水流道出口的距离为8D; 所述闸阀为蝶阀，用于调节所述模型泵的工况； 所述辅助泵为管道泵，用于帮助所述模型泵克服管道阻力； 所述流量计为电磁流量计，用于测量所述模型泵的流量； (2) 进行轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验，每 次试验更换一个不同方案的导叶体；试验中需测试的物理量包括：所述环量计直叶片每分 钟旋转的圈数η、出水流道进口测压管断面静压氏、出水流道出口测压管断面静压H2和模型 泵流量Q;根据测试结果计算导叶体出口水流的平均速度环量Γ和相应的出水流道水头损 失Λh，根据计算结果绘出Γ和Ah之间的关系曲线； 经推导，所述平均速度环量Γ的计算式为：
式中，η为直叶片每分钟旋转的圈数，r/min成和R2分别为导叶体出口断面叶片和轮 毂体的半径，m; 所述出水流道水头损失Ah根据其进口测压管断面和出口测压管断面的静、动压差进 行计算，其计算式为：
式中，1和4分别为出水流道进口测压管断面的平均轴向流速和平均切向流速，m/s; S为出水流道出口测压管断面的平均流速，m/s 和H2分别为出水流道进口测压管断面 和出口测压管断面的测压管水头，mH20 ;Ahz为出水流道进口测压管断面至出水流道进口 断面之间短直管的水头损失，mH20 ; 所述出水流道进口测压管断面平均轴向流速71￡1的计算式为：
式中，Q为模型泵流量，m3/s夂为出水流道进口测压管断面的面积，m2 ; 所述出水流道进口测压管断面平均切向流速^的计算式为：
所述出水流道出口测压管断面平均流速h的计算式为：
式中，A2为出水流道出口测压管断面的面积，m2 ; 所述出水流道进口测压管断面至出水流道进口断面之间短直管的水头损失的计 算式为：
式中，g为重力加速度，m/s2 ; 在所述的模型试验装置中依次更换导叶体方案1?导叶体方案7,逐次测试并计算各 方案的Γ和相应的Ah; 根据测试及计算结果，绘制所述导叶体出口平均速度环量Γ和所述出水流道水头损 失Λh之间关系的F?ΔΑ曲线，以尸为横坐标、Λh为纵坐标，从该曲线上找到所研究轴流 泵装置中使出水流道水头损失最小的导叶体出口水流平均速度环量，即最优平均速度环量 (3)根据上述户。^找到与其所对应的导叶体方案，该方案的导叶片出口角度β及叶片 长度1即为所述轴流泵装置导叶体最优方案的β及1 ;若^pt在某两个导叶体方案的平均 速度环量之间，则采用线性插值的方法，确定最优方案的β及1。
2.根据权利要求1所述的基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征是，所 述一组7个供试验用的导叶体方案是在所述模型泵原配导叶体的基础上设计制作，导叶片 的片数均与模型泵原配导叶体的叶片数相同，但各方案导叶体的叶片长度及出口角度依次 逐步增加，使其出口水流的平均速度环量依次逐步减小；7个方案导叶体的外形及安装尺 寸相同，可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试验更换一个不同方案的导叶体； 导叶体方案1的几何特征是，导叶片的片数与模型泵原配导叶体的叶片数相同，导叶 片的进口角度与模型泵叶轮叶片出口水流速度的方向一致，导叶片的长度取为〇. 2D，使其 满足支撑模型泵导轴承支座的要求；由于该方案导叶片的角度从进口到出口保持不变，对 流入导叶体水流的流动方向不起调整作用，故其出口与进口的速度环量相等； 导叶体方案2是在导叶体方案1的基础上，在每个导叶片的出口各增加1个长度为 0.0?的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案1导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方 向偏转10°，导叶体方案2出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而减小，从而相应地 使其出口水流的速度环量在导叶体方案1的基础上减小； 导叶体方案3是在导叶体方案2的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为 0. 0?的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案2导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方 向偏转10°，导叶体方案3出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而再次减小，从而相 应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案2的基础上减小； 导叶体方案4是在导叶体方案3的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为 0. 0?的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案3导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方 向偏转10°，导叶体方案4出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而又一次减小，从而 相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案3的基础上减小； 导叶体方案5是在导叶体方案4的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为 0. 0?的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案4导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方 向偏转9.2°，导叶片出口角度达到90°，导叶体方案5出口水流的周向流速受到该小叶 片的进一步调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案4的基础上减 小； 导叶体方案6是在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为 0. 0?的小叶片，并使其出口角度保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案5的基础上 沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案6出口水流的周向流速继续受到新增小叶 片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案5的基础上减小； 导叶体方案7是在导叶体方案6的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为 0. 0?的小叶片，并使其出口角度继续保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案6的基 础上沿导叶体轴线方向又增加了一定长度，导叶体方案7出口水流的周向流速受到新增小 叶片的持续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案6的基础上减 小。
3.根据权利要求1所述的基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征是，所 述平均速度环量计由环量计轮毂、环量计轴和沿环量计轮毂匀布的4个直叶片组成；所述 环量计轴的轴线与模型泵的轴线一致；所述环量计轮毂的直径与导叶体出口断面的轮毂体 直径相同；所述直叶片边缘至管道内壁的距离为2mm，直叶片的长度为管道直径的0. 6倍， 在导叶体出口水流周向流速的作用下，直叶片随同水流作旋转运动，在此过程中，旋转较快 的水流推动直叶片旋转、旋转较慢的水流被直叶片推动旋转，直叶片最终达到与导叶体出 口水流同步旋转，直叶片的旋转速度即为导叶体出口水流的平均旋转速度；在直叶片的侧 面贴有金属反光片，在管道上与所述反光片对应的位置设置光电传感器，其头部与所述管 道的内壁齐平，光电传感器发出光束，直叶片在水流作用下每旋转一圈，4个直叶片上的反 光片对该光束各反光1次，光电传感器接收4个光脉冲信号，这些信号传输到与光电传感器 连接的计数器，计数器单位时间内记录的脉冲总数除以4即可得到所述环量计直叶片每分 钟旋转的圈数η。
【文档编号】F04D15/00GK104454564SQ201410628994
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】陆林广, 徐磊, 陆伟刚, 王海, 李亚楠 申请人:扬州大学