前置導葉調(diào)節(jié)對水泵性能影響及使用控制

1、前置導葉調(diào)節(jié)對水泵性能影響及使用控制    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(nèi)調(diào)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(nèi)調(diào)節(jié)泵的使用性能。泵組結(jié)構(gòu)如圖1所

2、示，其參數(shù)為：流量Q6.5M3S，揚程H15.5M，轉(zhuǎn)速n297rpm，比較數(shù)ns353，效率0.80，軸功率P1400KW。前置導葉裝置(簡稱VR裝置)目前在國內(nèi)外水泵上使用不多，這方面的技術(shù)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(shù)資料，就VR裝置使用調(diào)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，見圖2。該裝置

3、由電機驅(qū)動，通過裝有萬向節(jié)的多節(jié)傳動桿將轉(zhuǎn)矩傳到裝置輸入軸上，然后通過裝置內(nèi)的齒輪系統(tǒng)使各葉片同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)調(diào)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(zhuǎn)動傾斜方向與泵葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致時為減角度(即角度變小)；當葉片傾斜方向與泵葉輪旋轉(zhuǎn)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。(一)未裝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

4、無前置導葉裝置的泵二者特性曲線對比，如圖3。從圖上，我們可以得出以以結(jié)論：    1.無前置導葉與前置導葉90 º時泵的QH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一曲線上看出，兩條曲線基本接近，且有一重合點，此點左側(cè)，有前置導葉的Q一曲線比無前置導葉的Q一曲線略高3而此點右側(cè)，有前置導葉的Q一曲線比無前置導葉的Q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(nèi)液流少，

5、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?？梢?，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。(二)VR裝置導葉在不同角度時對泵性能的影響1 對QH性能曲線的影響    圖4是有VR裝置的泵在各種導葉角度下的性能曲線。由圖4可以看出，當前置導葉向小于90的方向調(diào)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

6、性能曲線基本上平行的移動(在連續(xù)運行極限范圍內(nèi))。這是因為此時前置導葉出口液流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)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Vlu0(前置導葉為90º。時，Vlu0)。由歐拉方程式： HT=(u2v2uulvlu)g 得知，當導葉角度向小于90º。方向調(diào)節(jié)時，由于Vlu0，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，Vlu值越大，揚程降越大，故QH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

7、目的。而當前置導葉大于90º方向調(diào)節(jié)，此時前置導葉液流出口方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，即產(chǎn)生反向預旋，故Vlu0。同樣由歐拉方程可知，此時泵的揚程HT大于前置導葉在90º時的揚程。而且，前置導葉角度越大，Vlu越小，泵的揚程增加越大，QH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 對水泵效率的影響由于前置導葉向90º位置兩邊調(diào)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V1的圓周分量Vlu，因而使葉輪進口速度三角形發(fā)生變化，見圖5所示。實線為無預旋時的速度三角形，虛線分

8、別為產(chǎn)生正向預旋和反向預時的速度三角形。從圖中可以看出，三種狀況下的相對速度1大小不一樣，1為液流正向預旋時的相對速度；1為液流反向預旋時的相對速度。顯然1隨導葉角度值增大而增大。    從圖6中我們可以清楚的看到，前置導葉角度調(diào)節(jié)對水泵效率的影響是明顯的。當導葉處在90º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(diào)節(jié)角度限定在75º110º。范圍之內(nèi)，以使水泵

9、能在75以上的效率范圍內(nèi)安全運行。在75º-110º范圍之內(nèi)，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75º-95º范圍之內(nèi)調(diào)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95º方向調(diào)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)：    表1 不同導葉角度下泵運行效率的測試數(shù)據(jù)    導葉角度 75º 80º 85&

10、#186; 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

11、拉方程和速度三角形來分析：由前述我們知道， 75º110º。范圍之內(nèi)當導葉向小于90º方向調(diào)節(jié)時，液流產(chǎn)生正預旋Vlu，會降低泵的理論能頭HT。但是，由于相對速度1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90º方向調(diào)節(jié)時，雖然液流產(chǎn)生反預旋Vlu，提高了理論能頭HT。但是，由于相對速度1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(diào)節(jié)時，將使流量偏離設計流量Qd，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

12、：前置導葉調(diào)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(diào)節(jié)是有限度的。即使在限定的75º一110º的使用范圍之內(nèi)，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(diào)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1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=1V202g十2122g得知，由于相對速度1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

13、蝕特性曲線以及水位和揚程的變化，調(diào)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(jié)束語 水泵前置導葉調(diào)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(diào)節(jié)，液流方向改變，使液流對葉輪的沖