前置导叶调节对水泵性能的影响及使用控制

闵家万
上海市原水股份有限公司

　　一　引言

　　上海市黄浦江上游引水二期工程，使用了12台大型立式混流泵，其叶轮前均装有德国KSB公司制造的前置导叶装置(Inlet Vane Conttrol Device VR)，目的是为了实现在较宽广的范围内调节泵的使用性能。泵组结构如图1所示，其参数为：流量Q＝6.5M³／S，扬程H＝15.5M，转速n＝297rpm，比较数ns＝353，效率η＝0.80，轴功率P＝1400KW。前置导叶装置(简称VR装置)目前在国内外水泵上使用不多，这方面的技术资料和报导很少。为此，作者根据近三年来对泵的运行情况观察及有关的试验数据和技术资料，就VR装置使用调节对水泵性能的影响及原因作些分析研究，以便对VR装置有较客观正确的认识，从而对此类泵的实际使用控制提出些参考意见。

　　二 前置导叶装置对水泵性能的影响

　　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，如图3。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V_lu(V_lu液流在叶轮进口处绝对速度的圆周方向分速度)，故V_lu＞0(前置导叶为90º。时，V_lu＝0)。由欧拉方程式：

　　H_T=(u₂v₂u—ulv_lu)／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：

　　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V_lu，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H_T。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Q_d，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λ₂ω₁²／2_g
　　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。

　　三 结束语

　　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。

参考文献

　　[1]钱锡俊，除弘，“泵和压缩机”，石油大学出版社，1996年3月
　　[2]重庆大学立君，“泵与风机”，水利电力出版社，1986年11月
　　[3]西安交通大学，“泵与风机”，西安交通大学出版社，1961年7月
　　[4] Germany KSB，“Inlet Vane Control Device VR”