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(shí)現在較寬廣的范圍內調節泵的使用性能。

　　關(guān)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(shí)現在較寬廣的范圍內調節泵的使用性能。泵組結構，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(jiǎn)稱(chēng)VR裝置）目前在國內外水泵上使用不多，這方面的技術(shù)資料和報導很少。為此，作者根據近三年來(lái)對泵的運行情況觀(guān)察及有關(guān)的試驗數據和技術(shù)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(guān)正確的認識，從而對此類(lèi)泵的實(shí)際使用控制提出些參考意見(jiàn)。

　　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(cháng)500mm，裝置通徑1300mm，該裝置由電機驅動(dòng)，通過(guò)裝有萬(wàn)向節的多節傳動(dòng)桿將轉矩傳到裝置輸入軸上，然后通過(guò)裝置內的齒輪系統使各葉片同步轉動(dòng)，實(shí)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(dòng)傾斜方向與泵葉輪旋轉方向一致時(shí)為減角度（即角度變�。�；當葉片傾斜方向與泵葉輪旋轉方向相反時(shí)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。

　�。ㄒ唬┪囱b前置導葉與裝有前置導葉且葉片角度為90o時(shí)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(guān)試驗，作者繪制了裝有前置導葉且葉片在90o時(shí)，與無(wú)前置導葉裝置的泵二者特性曲線(xiàn)對比，我們可以得出以以結論：

　　1.無(wú)前置導葉與前置導葉90^o時(shí)泵的Q—H曲線(xiàn)基本上是兩條平行曲線(xiàn)，有前置導葉的Q——H曲線(xiàn)略低些，這是由于加了前置導葉之后，進(jìn)口液流阻力損失增加而引起揚程下降的緣故。

　　2.從Q一η曲線(xiàn)上看出，兩條曲線(xiàn)基本接近，且有一重合點(diǎn)，此點(diǎn)左側，有前置導葉的Q一η曲線(xiàn)比無(wú)前置導葉的Q一η曲線(xiàn)略高3而此點(diǎn)右側，有前置導葉的Q一η曲線(xiàn)比無(wú)前置導葉的Q——η曲線(xiàn)略低，此重合點(diǎn)正是最優(yōu)工況點(diǎn)。這說(shuō)明，在最優(yōu)工況下，前置導葉的阻力損失對泵來(lái)說(shuō)微乎其微，不造成什么影響；而在小流量時(shí)，由于進(jìn)水管內液流少，流動(dòng)不均勻，加了前置導葉之后，起導流作用，使液流進(jìn)口流動(dòng)均勻性加強，所得效率比原來(lái)有所提高；而在大流量時(shí)，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(jiàn)，當導葉位置在90^o時(shí)，其泵的性能與未裝前置導葉泵的性能基本相近，此時(shí)它對泵的特性影響不大。

　　其次，來(lái)看看導葉在不同角度時(shí)水泵性能的變化。

　�。ǘ�）VR裝置導葉在不同角度時(shí)對泵性能的影響

　　1 對Q—H性能曲線(xiàn)的影響

　　VR裝置的泵在各種導葉角度下的性能曲線(xiàn)。當前置導葉向小于90的方向調節時(shí)，所得到的性能曲線(xiàn)是明顯地向左，并且與90^o角時(shí)的性能曲線(xiàn)基本上平行的移動(dòng)（在連續運行極限范圍內）。這是因為此時(shí)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(gè)正向預旋Vlu（Vlu液流在葉輪進(jìn)口處絕對速度的圓周方向分速度），故v_lu＞0（前置導葉為90o.時(shí)，v_lu＝0）。由歐拉方程式：

　　H_T=（u₂v₂u—ulv_lu）／g

　　得知，當導葉角度向小于90o.方向調節時(shí)，由于v_lu＞0，則泵的理論揚程HT小于導葉在如。時(shí)泵的揚程HT.并且，前置導葉角度取值越小，v_lu值越大，揚程降越大，故Q—H特性曲線(xiàn)向左移。在實(shí)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90^o方向調節，此時(shí)前置導葉液流出口方向與葉輪旋轉方向相反，即產(chǎn)生反向預旋，故v_lu＜0.同樣由歐拉方程可知，此時(shí)泵的揚程H_T大于前置導葉在90^o時(shí)的揚程。而且，前置導葉角度越大，v_lu越小，泵的揚程增加越大，Q—H特性曲線(xiàn)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(shí)踐說(shuō)明，上述作用是明顯的。

　　2 對水泵效率η的影響

　　由于前置導葉向90^o位置兩邊調節，使液流在進(jìn)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(jìn)口邊產(chǎn)生絕對速度Ⅵ的圓周分量v_lu，因而使葉輪進(jìn)口速度三角形發(fā)生變化。實(shí)線(xiàn)為無(wú)預旋時(shí)的速度三角形，虛線(xiàn)分別為產(chǎn)生正向預旋和反向預時(shí)的速度三角形。從上可以看出，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(shí)的相對速度；ω^″₁為液流反向預旋時(shí)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90^o位置時(shí)，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(shí)，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75^o——110^o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75^o——95^o范圍之內調節時(shí)，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95^o方向調節時(shí)，水泵效率將明顯地加速下降。表1是三臺同類(lèi)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

　　對于上述現象產(chǎn)生的原因，可以用歐拉方程和速度三角形來(lái)分析：由前述我們知道， 75^o—110^o.范圍之內當導葉向小于90^o方向調節時(shí)，液流產(chǎn)生正預旋Ⅵ_u，會(huì )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(méi)有明顯下降；相反，在導葉角度向大于90^o方向調節時(shí)，雖然液流產(chǎn)生反預旋Ⅵ_u，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(shí)，將使流量偏離設計流量Q_d，液流沖角。發(fā)生變化，此時(shí)在葉輪葉片的工作面會(huì )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(cháng)時(shí)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的方向調節時(shí)，由于液流產(chǎn)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(chǎn)生撞擊作用，隨著(zhù)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=λ₁V²₀／2_g十λ₂ω₁²／2_g

　　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(xiàn)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(dòng)值也隨著(zhù)導葉角度增大而變大。表2是某臺泵在一定的水位時(shí)，前置導葉角度變化與葉輪處振動(dòng)值的相應數值。

　　表2　　

前置導葉角度與葉輪處振動(dòng)值的相應變化數值

　　三 結束語(yǔ)

　　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(mǎn)足生產(chǎn)使用要求。同時(shí)，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(huì )太大。

　　參考文獻

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　　[2]重慶大學(xué)立君，“泵與風(fēng)機”，水利電力出版社，1986年11月

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