离心泵前置导叶的优化设计与实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.23MB 68 页 15积分

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摘要

随着国民经济的发展，工程节能问题越来越受到重视。叶片泵作为一种通用

机械，在我国各个领域都得到了广泛的应用，同时也消耗了大量的能源，因此其

节能意义深远、潜力巨大。针对目前工程中常用的几种离心泵工况调节方式（如

节流调节、变速调节）所存在的各种弊端，已有学者提出前置导叶预旋调节理论，

在此基础上，本文提出一种新的前置导叶设计思路，并从理论分析和实验研究等

方面对离心泵预旋调节的基本规律及调节机理进行了研究。

本文作者设计了符合实际工程运用的前导调节机构。借鉴轴流泵孤立叶片水

力设计方法设计三组单吸离心泵前置导叶，采用诱导轮设计方法完成双吸离心泵

两组不同叶高诱导叶片水力设计。搭建离心泵外特性试验台，通过实验完成以下

工作：

1. 三组不同叶型前置导叶对单吸泵效率、功率、扬程的影响，综合考虑发现

弯叶片型前置导叶调节效果要好于直叶片型、扭叶片型前置导叶；弯叶片型前置

导叶能够改善离心泵在非设计工况的水力性能，与无前置导叶最优工况相比，最

高效率提高 2.34%，功率节省 6.53%，达到为离心泵增效节能的目的。

2. 对前置导叶正负预旋、叶片安装方式两种工况进行对比分析发现：（1）正

预旋能够降低离心泵功率消耗、将离心泵高效区往小流量偏移；负预旋能够提高

离心泵扬程、将离心泵高效区往大流量偏移。（2）前置导叶 A型安装方式要优于

B型安装方式。

3. 带有诱导叶片双吸泵虽然扬程略有降低、在大流量区域效率降低，但是其

功率消耗降低，最大节能 3.34%，而且高效区往小流量偏移。通过对两组不同叶高

诱导叶片对双吸泵外特性的影响，发现 14mm 叶高诱导叶片调节效果要明显好于

20mm 叶高诱导叶片，其能够有效的将双吸泵高效区往小流量偏移，同时降低功率

消耗。

在大量实验结果的基础上，通过从离心泵叶轮进口流动状态、前置导叶导致

的水力损失等方面来分析不同叶型前置导叶调节效果差异的原因，为离心泵前置

导叶预旋调节的研究提供一定的实验参考。

关键词：离心泵前置导叶预旋调节

ABSTRACT

Energy conservation has been taken more and more seriously by the country because of

the development of national economy. As being all-purposed mechanism, pump is wise

used in varied area and consumes a lot of energy sources at present. Therefore, the

energy-saving of pump has profound significance and huge potential. In view of the

drawback of several commonly used operating adjustment way for centrifugal pump

(such as variable speed regulation and throttle regulation) in engineering application ,

some scholar has put forward a new operating adjustment way called the adjustable inlet

guide vane regulation for centrifugal pump ,on this basis, a new design idea of

adjustment mechanism of pre-whirl is raised in this paper, and adjustment mechanism of

pre-whirl regulation were researched by the methods of theoretical analysis and

experimental study.

In this paper, the author has designed an adjustment mechanism of inlet guide vane

which suit for the real project usage. Three groups single pump of adjustment

mechanism of inlet guide vane were raised referencing by the insulate vane hydraulic

design concept, completing double-suction centrifugal pump of two different leaf

hydraulic design of high pre-diffuser by Inducer design method. The experiment

equipment was set up which was used for testing the hydraulic performance of the

centrifugal pump, experimental work done by the following:

1. How to affect the efficiency, power and lift of Single-suction pump by three

different leaf type front guide vanes, and found that, as to adjustment efficiency, the

Curved blades front guide vane was better than the straight blade front guide vane and

twist blade front guide vane. The Curved blades front guide vane can improve the

hydraulic performance of the centrifugal pump at off-design operating conditions. When

compared with the performance of the centrifugal pump without guide vane, the peak

efficiency could be increased by 2.34%、power saving of 6.53%. Therefore, the goal of

the efficiency increasing and the energy saving for centrifugal pump were achieved.

2. Comparing and analyzing two working conditions such as positive and negative

adjustment mechanism of pre-whirl regulation 、the installation of blade, and found

that:(1) The positive pre-whirl regulation can reduce the consumption of Centrifugal

pump power, and make the efficient area move to the small flow set. Similarly, the

negative pre-whirl regulation can raise the head of Centrifugal pump, and make the

efficient area move to the large flow set. (2) As to the installation of the inlet guide

vanes, Type A is superior to Type B.

3. The double suction pump with the induced leaf has lower head slightly, and has

lower efficiency in the large flow area ,but with the reduction of its power

consumption ,so it can save energy of 3.34% mostly, and the high efficiency area will

move to small flow as well. Comparing and analyzing two induced leaf with different

heigh, and found that, as to adjustment efficiency, the size 14mm was obviously better

than the size 20mm. It can migrate the high efficient flow of double suction pump to the

small flow area, at the same time reduce the power.

Based on the numerous experimental results, analysis the positive and negative

pre-whirl regulation principles and the reason of differences in adjustable effect of

different blade guide vane by the centrifugal pump fluid flow at the impeller inlet,

hydraulic loss caused by front guide vane, provide some references for the study of

centrifugal pump adjustment mechanism of inlet guide vane .

Key word: fluid flow, inlet guide vane, pre-whirl regulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...............................................................................................................1

§1.1 选题背景与意义 ...............................................................................................1

§1.2 离心泵常用工况调节方法 ...............................................................................2

§1.2.1 节流调节 .................................................................................................2

§1.2.2 变速调节 .................................................................................................2

§1.2.3 其他工况调节方法 .................................................................................2

§1.3 前置导叶预旋调节应用 ...................................................................................3

§1.3.1 前置导叶调节技术在风机中的应用 .....................................................3

§1.3.2 前置导叶调节技术在水泵中的应用 .....................................................4

§1.4 本文所研究内容 ...............................................................................................5

第二章离心泵前置导叶基本理论 ...............................................................................7

§2.1 表征离心泵性能的基本参数与曲线 ................................................................7

§2.1.1 离心泵性能的基本参数 ..........................................................................7

§2.1.2 离心泵水力损失 ......................................................................................8

§2.1.3 离心泵性能曲线 ....................................................................................10

§2.2 前置导叶预旋调节基本原理 ..........................................................................12

第三章前置导叶对单吸离心泵外特性影响研究 .......................................................16

§3.1 单吸离心泵前置导叶水力设计 ......................................................................16

§3.1.1 单吸离心泵前置导叶叶片设计 ............................................................16

§3.1.2 前置导叶旋转调节机构设计 ................................................................20

§3.1.3 主要实验装置介绍 ................................................................................23

§3.2 直叶片前置导叶对离心泵外特性影响 ..........................................................27

§3.2.1 直叶片前置导叶实验参数 ....................................................................27

§3.2.2 直叶片前置导叶正预旋对离心泵外特性影响 ....................................28

§3.2.3 直叶片前置导叶负预旋对离心泵外特性影响 ....................................30

§3.3 弯叶片前置导叶对离心泵外特性影响 ..........................................................31

§3.3.1 弯叶片前置导叶实验参数 ....................................................................31

§3.3.2 弯叶片前置导叶正预旋对离心泵外特性影响 ....................................32

§3.3.3 弯叶片前置导叶负预旋对离心泵外特性影响 ....................................34

§3.4 扭叶片前置导叶对离心泵外特性影响 ..........................................................36

§3.4.1 扭叶片前置导叶实验参数 ....................................................................36

§3.4.2 扭叶片前置导叶正预旋对离心泵外特性影响 ....................................36

§3.4.3 扭叶片前置导叶负预旋对离心泵外特性影响 ....................................38

§3.5 不同叶型前置导叶对离心泵外特性影响的比较 ..........................................40

§3.5.1 直叶片与弯叶片前置导叶对离心泵外特性影响在工况点对比 ........40

§3.5.2 扭叶片与弯叶片前置导叶对离心泵外特性影响在工况点对比 ........43

§3.6 离心泵前置导叶安装方式比较 ......................................................................46

§3.7 前置导叶引起的水力损失分析 .....................................................................49

§3.7.1 前置导叶水力损失实验装置 ................................................................49

§3.7.2 前置导叶水力损失实验研究 ................................................................49

第四章带有诱导叶片的双吸离心泵外特性实验研究 .............................................52

§4.1 双吸离心泵诱导叶片的设计 ..........................................................................52

§4.2 双吸离心泵诱导叶片的布置 ..........................................................................54

§4.3 诱导叶片对双吸离心泵外特性影响分析 ......................................................56

第五章结论与展望 .......................................................................................................58

§5.1 主要工作和结论 ..............................................................................................58

§5.2 对未来工作的展望 ..........................................................................................58

符号表 .............................................................................................................................60

参考文献 .........................................................................................................................61

在研期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................64

致谢 .................................................................................................................................65

第一章绪论

- 1 -

第一章绪论

§1.1 选题背景与意义

随着国民经济的发展，工程节能问题越来越受到重视。叶片泵作为一种通用

机械[1]，在我国石油化工，农田灌溉，航天航空，城市给排水，水利水电工程和船

舶推进等各个领域都得到了广泛的应用，同时也消耗了大量的能源，更有专家估

计，泵的能耗约占世界总能耗的 20%，在化工行业中高达 26%，而在电力和石油

行业中更是分别高达 50%和55%。离心泵更是由于实用范围广（包括流量、扬程、

及对输送介质的适应性）、体积小、结构简单、操作费用低等诸多优点在工农业等

行业中得到了广泛运用[2]。根据 2004 年调查资料显示[3]，全国工业泵产量约为 329

万台，其中离心泵约占泵总量的 50%，在欧洲其他国家离心泵所占比重甚至高达

80%。因此，在能源日趋紧张的现在，离心泵的节能研究对于我国国民经济的发展

将起到十分重要的作用，其意义深远、潜力巨大、经济效益和社会效益都将十分

显著。

在实际工程中，离心泵的运行效率普遍较低、能耗过大。引起离心泵效率偏

低的原因主要来自以下两个方面：（1）传统设计不能满足日益复杂的生产需要[4]，

现有的传统叶片泵水力设计方法，通常是根据某一使用工况所给定的性能参数来

进行设计，因此在非设计工况，叶片泵的水力性能通常无法保证；然而在多数叶

片泵的使用现场，通常都要求其能够适应较宽的工况范围，即要求叶片泵在偏离

工况运行。由于工况的变化和流体的粘性作用，此时在泵叶轮流道内将产生叶道

涡、回流和脱落，显然这些复杂的流态将会严重影响叶片泵的水力性能。（2）水

泵运行工况点调节方法不当[5]，水泵的经济运行需要建立在合理的泵机组工况调节

和控制的基础上，因此水泵的运行调节问题是水泵节能的关键。泵的运行工况点

由水泵和管网特性共同决定，因此通过改变管网特性或水泵特性都能够达到调节

泵运行工况点的目的。目前在高层建筑居民生活用水系统、中央空调循环水系统

和电站锅炉给水系统等管网中，由于在系统设计时往往对管网负荷压力和阻力难

以准确估算，因此在这些系统中的水泵通常是按照系统所需要的最大流量来进行

选型设计，从而导致离心泵选型过大。为了满足用户的要求，目前通常采用的方

法是通过管道阀门的节流作用来改变管路特性，进而达到调节离心泵运行工况点

的目的[6]。该方式的主要缺点是是容易导致离心泵在偏离最优工况运行，且节流调

节能量损失严重。

研究表明[7]，为了提高离心泵实际运行时的水力性能，除了重视泵自身的节能，

离心泵前置导叶的优化设计与实验研究

- 2 -

既改进现有的离心泵水力设计方法，提高泵自身的效率之外，还更应开展对泵管

网系统运行节能的研究，即寻求一种高效的工况调节方式并深刻的认识其调节机

理，这也显得尤为重要，而且与前者相比，后者更具有节能潜力。

§1.2 离心泵常用工况调节方法

叶片泵的运行调节方式有很多种[8]，比转速不同的泵其调节方式也有所差别。

对于大中型轴流泵和斜流泵，其叶轮叶片通常都设计成转浆式，而离心泵由于自

身结构上的原因无法制成可调叶片。因此离心泵主要的运行调节方式有：（1）节

流调节；（2）变速调节；（3）其他调节方式。

§1.2.1 节流调节

节流调节是通过改变阀门的开度来调节水泵的运行工况[9]，这种调节方法是通

过改变管网系统的特性曲线来实现运行工况调节，由于节流必然导致能量损失，

所以若在吸入管路中安装节流阀可能会造成离心泵叶轮空化、进口流态恶化等，

因而不宜采用。通常所说的节流调节是指在水泵出水管路中安装节流阀进行调节。

节流调节的优点是调节方法比较简单，故获得较为广泛的运用，但是却造成了水

泵能量的额外损失，致使供水效率下降，长期运行很不经济，特别对于功率较大

的水泵机组，其能量浪费更加突出。所以说，这是一种简单但又最不经济的调节

方式。

§1.2.2 变速调节

变速调节就是根据实际所需要的流量大小，通过采用变速电机，变频调速或

液力、电磁耦合器等来调节叶轮转数从而改变水泵特性曲线，实现运行工况点的

调节[10]。变速调节时泵的流量和扬程都会发生变化，而泵的效率在一定的范围内

通常变化不大。变频调速的节能效果虽然较好，但其一个很大的缺点就是调速装

置复杂，技术要求高，设备投资费用大，运行管理成本较高，通常只适用于大型

泵站和耗电量大、装置扬程变化大的泵站。另外，由于变速调节的基本原理是泵

的比例定律，因此对泵的变速范围有一定的限制，通常提高转速一般不超过额定

转速的 5%，否则会引起电机超载，有时甚至会发生空蚀或增加水泵零部件的应力；

降低转速不低于额定转速的 40%，否则会引起泵效率的快速下降。以上因素在一

定程度上也限制了变速调节的使用。

§1.2.3 其他工况调节方法

除去前面所述的节流调节和变速调节以外，离心泵还有两种不常用的工况调

节方法。一种方法是离心泵的串并联工作调节[11]，该方法是通过将离心泵串联或

并联的方式来改变泵的运行工况点，从而实现泵运行工况的调节。该方法主要在

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摘要随着国民经济的发展，工程节能问题越来越受到重视。叶片泵作为一种通用机械，在我国各个领域都得到了广泛的应用，同时也消耗了大量的能源，因此其节能意义深远、潜力巨大。针对目前工程中常用的几种离心泵工况调节方式（如节流调节、变速调节）所存在的各种弊端，已有学者提出前置导叶预旋调节理论，在此基础上，本文提出一种新的前置导叶设计思路，并从理论分析和实验研究等方面对离心泵预旋调节的基本规律及调节机理进行了研究。本文作者设计了符合实际工程运用的前导调节机构。借鉴轴流泵孤立叶片水力设计方法设计三组单吸离心泵前置导叶，采用诱导轮设计方法完成双吸离心泵两组不同叶高诱导叶片水力设计。搭建离心泵外特性试验台，通过实...

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