前置導葉調節對水泵的作用|資料

引水使用了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(InletVaneConttrolDeviceVR)，目的是為了實現在較寬廣的范圍內調節泵的使用性能。泵組結構如圖1所示，其參數為：流量Q＝6.5M3／S，揚程H＝15.5M，轉速n＝297rpm，比較數ns＝353，效率η＝0.80，軸功率P＝1400KW。前置導葉裝置(簡稱VR裝置)目前在國內外水泵上使用不多，這方面的技術資料和報導很少。為此，作者根據近三年來對泵的運行情況觀察及有關的試驗數據和技術資料，就VR裝置使用調節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。
我們使用的這套VR裝置為圓環形，導葉為直葉式，共17片，葉片長500mm，裝置通徑1300mm，該裝置由電機驅動，通過裝有萬向節的多節傳動桿將轉矩傳到裝置輸入軸上，然后通過裝置內的齒輪系統使各葉片同步轉動，實現調節導葉角度目的。
KSB公司設定，以VR裝置導葉片與水平面垂直為90º，當葉片轉動傾斜方向與泵葉輪旋轉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論：無前置導葉與前置導葉90º時泵的Q—H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。從Q一η曲線上看出，兩條曲線基本接近，且有一重合點，此點左側，有前置導葉的Q一η曲線比無前置導葉的Q一η曲線略高3而此點右側，有前置導葉的Q一η曲線比無前置導葉的Q——η曲線略低，此重合點正是最優工況點。這說明，在最優工況下，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，由于進水管內液流少，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。可見，當導葉位置在90º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。VR裝置導葉在不同角度時對泵性能的影響。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的方向調節時，所得到的性能曲線是明顯地向左，并且與90º角時的性能曲線基本上平行的移動(在連續運行極限范圍內)。這是因為此時前置導葉出口液流方向與葉輪旋轉方向趨向一致，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 速度的圓周方向分速度)，故Vlu＞0(前置導葉為90º。時，Vlu＝0)。由歐拉方程式：
HT=(u2v2u—ulvlu)／g
得知，當導葉角度向小于90º。方向調節時，由于Vlu＞0，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Q—H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目的。而當前置導葉大于90º方向調節，此時前置導葉液流出口方向與葉輪旋轉方向相反，即產生反向預旋，故Vlu＜0。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，Q—H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。
由于前置導葉向90º位置兩邊調節，使液流在進入泵葉輪前分別產生了正向預旋和反向預旋，在葉輪葉片進口邊產生 速度V1的圓周分量Vlu，因而使葉輪進口速度三角形發生變化，見圖5所示。實線為無預旋時的速度三角形，虛線分別為產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ω1大小不一樣，ω′1為液流正向預旋時的相對速度；ω″1為液流反向預旋時的相對速度。顯然ω1隨導葉角度值增大而增大。我們可以清楚的看到，前置導葉角度調節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節角度限定在75º—110º。范圍之內，以使水泵能在75％以上的效率范圍內安全運行。
在75º---110º范圍之內，水泵的運行效率變化，根據我們對所作測試數據的分析，有以下規律：當導葉在75º----95º范圍之內調節時，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方向調節時，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據：表1不同導葉角度下泵運行效率的測試數據導葉角度75º80º85º90º95º100º105º110º
A泵效率%81.8282.2282.5182.7081.7680.2577.8976.10
B泵效率%85.6285.7385.7385.0184.0882.2679.8377.43
C泵效率%88.5087.3687.4086.9285.8084.47810779.25
對于上述現象產生的原因，可以用歐拉方程和速度三角形來分析：由前述我們知道，75º—110º。范圍之內當導葉向小于90º方向調節時，液流產生正預旋Vlu，會降低泵的理論能頭HT。但是，由于相對速度ω1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方向調節時，雖然液流產生反預旋Vlu，提高了理論能頭HT。但是，由于相對速度ω1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節時，將使流量偏離設計流量Qd，液流沖角。發生變化，此時在葉輪葉片的工作面會形成旋渦區，引起更大的沖擊損失，泵的效率更低。
綜上所述，我們認為：前置導葉調節引起水泵效率變化，液流的預旋和對葉輪的沖擊損失是主要因素。因此，前置導葉的調節是有限度的。即使在限定的75º一110º的使用范圍之內，也應避免水泵長時間在極限角度下運行。很顯然，當前置導葉向大于90的方向調節時，由于液流產生反預旋，使液流在泵葉輪入口的相對速度ω1增大，液流對葉輪產生撞擊作用，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=λ1V20／2g十λ2ω12／2g
得知，由于相對速度ω1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，要依據水泵的汽蝕特性曲線以及水位和揚程的變化，調節導葉角度，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值。表2　前置導葉角度與葉輪處振動值的相應變化數值導葉角度75º80º85º90º95º100º105º110º
振動值（mm/s)1.871.901.932.012.082.192.242.55
水泵前置導葉調節能有效改變水泵運行工況，在較大程度上滿足生產使用要求。同時，由于導葉調節，液流方向改變，使液流對葉輪的沖擊和能頭損失增大，造成泵的運行效率下降，并影響水泵的汽蝕性能。但是，只要將導葉調節范圍限定在適當的區域內，那么其負面作用就不會太大。