在潛水軸流泵水力模型設(shè)計(jì)中，采用合理的環(huán)量及軸面速度徑向分布規(guī)律。針對(duì)潛水軸流泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出合理的輪轂比、葉片數(shù)、升力系數(shù)及稠密度等葉輪幾何參數(shù)的確定方法。并提出合理的導(dǎo)葉幾何參數(shù)的確定方法。依此設(shè)計(jì)系列高效節(jié)能、抗汽蝕性能好的新型水力模型；經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，潛水軸流泵效率達(dá)到78%～85%，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

一、前言

　　目前，國內(nèi)泵行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的潛水軸流泵，其所用的水力模型，普遍采用比較成熟的ZLB干式軸流泵的水力模型，比轉(zhuǎn)速分為500、700、1 000、1 250和1 400；這些國內(nèi)研制的優(yōu)秀水力模型，其綜合水力性能可與國外同類產(chǎn)品媲美，甚至有些超過了國外產(chǎn)品。但應(yīng)用到潛水軸流泵，綜合水力性能大幅度下降，泵的效率降低10%～20%，自然也浪費(fèi)相應(yīng)數(shù)額的電能，造成了極大的浪費(fèi)。因此針對(duì)潛水軸流泵的結(jié)構(gòu)形式，摸索相應(yīng)水力模型的設(shè)計(jì)方法，專門研制高效節(jié)能的潛水軸流泵水力模型，迫在眉睫。

　　針對(duì)以上的問題，吸收了國外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用國際上最先進(jìn)的變環(huán)量、變軸面速度升力法，獨(dú)立設(shè)計(jì)的高效節(jié)能、抗汽蝕性能好的新型水力模型；經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，潛水軸流泵效率達(dá)到78%～85%，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

二、潛水軸流泵效率低的原因分析

　　如圖1所示，潛水軸流泵的電動(dòng)機(jī)與水泵聯(lián)為一體，電動(dòng)機(jī)在水泵的上方。電動(dòng)機(jī)周圍是液體的環(huán)形流道，電動(dòng)機(jī)的尺寸是根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速確定的，這就限制了導(dǎo)葉體的出口尺寸，即導(dǎo)葉體擴(kuò)散角的大小。為了保證過流面，擴(kuò)散角一般情況下偏大，這勢必增加了擴(kuò)散損失，降低了水泵的效率。另外，電動(dòng)機(jī)的法蘭面太大，幾乎擋住了導(dǎo)葉出水口的一半以上，使出水受阻，水流不暢，增加沖擊損失，降低泵的效率。

圖1 潛水軸流泵

1. 電動(dòng)機(jī) 2.導(dǎo)葉 3.葉片 4. 葉輪輪轂 5.進(jìn)水管

三、潛水軸流泵水力模型的設(shè)計(jì)實(shí)踐

　　1. 水力模型的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法

　　(1)變環(huán)量、變軸面速度升力法設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 升力法源于葉柵理論，用于軸流泵葉片設(shè)計(jì)時(shí)，做了如下假設(shè)：

　　1)流體介質(zhì)經(jīng)過葉片時(shí)，各圓柱面流層之間互不干擾。

　　2)在計(jì)算升力時(shí)，假定葉片為無限翼展，可以利用二元翼型的試驗(yàn)或理論計(jì)算，再加以對(duì)直列翼柵的修訂。

　　3)軸流泵的水力效率或水力損失可以通過已有水力模型效率，可以估算。

　　(2)潛水軸流泵環(huán)量的徑向分布規(guī)律 變環(huán)量設(shè)計(jì)方法的主要著重點(diǎn)是按葉輪機(jī)械的流動(dòng)情況，使環(huán)量分布沿葉片徑向有變化，即根部和葉梢部(外周緣)負(fù)荷較小而中部負(fù)荷較大。因此采用變環(huán)量設(shè)計(jì)，正是適應(yīng)潛水軸流泵內(nèi)實(shí)際流態(tài)的一種有效手段。而這手段運(yùn)用得好壞，關(guān)鍵在于根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，合理選擇環(huán)量分布規(guī)律。

　　在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，結(jié)合理論分析和模型試驗(yàn)的情況看，推薦用筆者統(tǒng)計(jì)回歸的計(jì)算公式：

Γ(r)=ΚrΓ0

　　式中 Γ(r)——環(huán)量分布函數(shù)，r為葉輪半徑；Γ0 ——平均分布環(huán)量；Κr——徑向環(huán)量分布系數(shù)，Κr=-2.83r2i +4.64ri-0.8，ri為各個(gè)圓柱面的半徑。

　　(3)潛水軸流泵軸面速度的分布規(guī)律 在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，結(jié)合理論分析和模型試驗(yàn)的情況看， 軸向環(huán)量分布系數(shù)Κm推薦用計(jì)算公式：

Κm=-1.807r2i +3.037ri-0.215 (2)

　　2. 葉輪葉片幾何參數(shù)的確定及計(jì)算

　　(1)輪轂比dh的確定 在潛水軸流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于電動(dòng)機(jī)與軸流泵的葉輪和導(dǎo)葉體緊密結(jié)合，為使流道順暢，電動(dòng)機(jī)外徑與導(dǎo)葉體外徑相同。那么，葉輪出口的流體勢必直接撞擊導(dǎo)葉體的內(nèi)壁。因此，對(duì)于潛水軸流泵，為了提高水力效率，輪轂比dh需要取得大一些。這是決定dh第一條件。根據(jù)筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證有最佳效率，推薦按表1選取。

表1 輪轂比的確定

　　(2)葉輪外徑D的確定 軸流泵葉輪直徑D是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，目前廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

　　(3)轉(zhuǎn)速n的確定 在決定潛水軸流泵的轉(zhuǎn)速時(shí)，通過計(jì)算汽蝕比轉(zhuǎn)速C和比轉(zhuǎn)速ns，來決定n，因此選擇n有兩個(gè)原則：

　　1)使汽蝕比轉(zhuǎn)速C不超過預(yù)定值，通常C<1 100。

　　2)使比轉(zhuǎn)速ns，盡量落在高效范圍內(nèi)，即ns=850～1 250。也可在更大的范圍內(nèi)，即ns=500～2 000。

　　(4)葉片數(shù)Z的確定 根據(jù)以往的優(yōu)秀水力模型，作為潛水軸流泵，為減小軸向尺寸，葉片數(shù)Z可以適當(dāng)取多一點(diǎn)，Z=4～6，推薦按表2選取。

表2 葉片數(shù)確定

　　(5)升力系數(shù)Cy的選用范圍 翼型的升阻比k標(biāo)志其水力效率。同一翼型，其升阻比隨厚度比δ 、拱度比δ c和沖角而變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足汽蝕性能的前提下，盡量采用較大的升阻比。

　　在潛水軸流泵的實(shí)際設(shè)計(jì)中NACA16和NACA66翼型，這類翼型的最佳Cy值為0.4～0.6，厚度比δ 越大，相應(yīng)Cy值越大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，Cy值可取0.2～0.7，從葉梢到輪轂，取值由小到大，但盡量使多數(shù)半徑圓柱面處于Cy值0.4～0.6。

　　(6)稠密度l/t的選取及計(jì)算 稠密度l/t對(duì)泵的性能影響較大。每一圓柱面的翼型性能取決于l/t的選擇是否恰當(dāng)。l/t過大，則由于摩擦損失增大，水力效率必然降低；l/t過小，則Cy相應(yīng)增大，要求加大翼型拱度或安放角，同時(shí)由于l較小，厚度比加大，此兩者均使汽蝕發(fā)生的危險(xiǎn)加大。所以l/t的選取非常重要。在兼顧效率和汽蝕性能的前提下，根據(jù)試驗(yàn)研究，推薦表3。

表3 稠密度的確定

　　中間各圓柱面的翼型l/t，則應(yīng)盡量使升力系數(shù)Cy落在最佳的范圍內(nèi)，即0.4～0.6。

　　(7)葉片翼型的最大厚度δ max的徑向分布 輪轂處的葉片翼型最大厚度δ max取決于強(qiáng)度要求，而葉梢處的葉片翼型最大厚度δ max則取決于滿足汽蝕性能的厚度比δ =δ max/l。因此葉片翼型的最大厚度δ max，從輪轂到葉梢，在滿足強(qiáng)度和汽蝕性能要求的前提下，從大到小，要有一個(gè)合適的分布規(guī)律，如圖2所示。

圖2 葉片厚度分布規(guī)律

注：圖中，δ hmax為輪轂翼型最大厚度，δ tmax為葉梢翼型最大厚度。

　　(8)葉片安放角β 的計(jì)算 根據(jù)葉片進(jìn)出口的速度三角形可計(jì)算出各個(gè)圓柱面上葉片翼型的相對(duì)來流角β ∞，最終計(jì)算葉片安放角β 。

　　3. 導(dǎo)葉幾何參數(shù)的確定及計(jì)算

　　在潛水軸流泵的設(shè)計(jì)中，因?yàn)榇嬖陔妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)問題。為保證流體的連續(xù)性，減少流體直接撞擊損失，導(dǎo)葉進(jìn)出口邊的位置尤其重要。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：在軸面投影圖上，導(dǎo)葉進(jìn)口邊葉梢半徑大于葉輪葉梢半徑；導(dǎo)葉進(jìn)口邊輪轂半徑小于葉輪輪轂半徑；在平面投影圖上，導(dǎo)葉進(jìn)出口邊應(yīng)接近徑向布置，可有效提高水力效率。

　　(1)葉輪與導(dǎo)葉的軸向間距s 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果一般推薦：s=(0.05～0.1)D，D為葉輪外徑；在一定范圍內(nèi)，軸向間距的改變不影響泵的流量-揚(yáng)程特性，但對(duì)效率性能曲線有明顯的影響。

　　在筆者的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)軸向間距s對(duì)于500～1 000低比轉(zhuǎn)速軸流泵影響較大，對(duì)高比轉(zhuǎn)速軸流泵影響較小。因此筆者推薦按如下計(jì)算式：s=(0.05～0.08)D。

　　(2)導(dǎo)葉稠密度l/t和葉片數(shù)Z3 軸流泵的比轉(zhuǎn)速越高，導(dǎo)葉稠密度l/t應(yīng)越小。導(dǎo)葉片數(shù)Z3=5～9，高比轉(zhuǎn)速軸流泵，應(yīng)取小值。并且最好與葉輪葉片數(shù)互為質(zhì)數(shù)。

　　4. 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

　　潛水軸流泵ZQ1485—2的水力計(jì)算，計(jì)算方法采用升力法，并采用合理的變環(huán)量、變軸面速度分布規(guī)律。已知參數(shù)：Q=1 296m/h，Η=5.8m，n=1 450r/min，ns=849.65，C=1 100。翼型：選用NACA 16。

　　5. 試驗(yàn)結(jié)果

　　最優(yōu)工況點(diǎn)：流量1315m/s，揚(yáng)程6.2m，泵效率81.6%，機(jī)組效率74.2%。超過國家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)效率3%，達(dá)到進(jìn)口水泵的效率標(biāo)準(zhǔn)水平。

四、結(jié)語

　　(1)潛水軸流泵環(huán)量的徑向分布規(guī)律 變環(huán)量設(shè)計(jì)方法的主要著重點(diǎn)是按葉輪機(jī)械的實(shí)際流動(dòng)情況使環(huán)量分布沿葉片徑向有變化，即根部和梢部(外周緣)負(fù)荷較小而中部負(fù)荷較大。實(shí)際上就是沿葉高的不等功設(shè)計(jì)。由于在潛水軸流泵轉(zhuǎn)輪葉片中，輪轂直徑相對(duì)較大，而靠近輪轂部分的做功本領(lǐng)又比輪緣部分差，因此采用變環(huán)量設(shè)計(jì)，正是適應(yīng)潛水軸流泵內(nèi)實(shí)際流態(tài)的一種有效手段。而這手段的運(yùn)用好壞，關(guān)鍵在于根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，合理選擇環(huán)量分布規(guī)律。

　　(2)輪轂比dh的確定 在潛水軸流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于電動(dòng)機(jī)與軸流泵的葉輪和導(dǎo)葉體緊密結(jié)合，為使流道順暢，電動(dòng)機(jī)外徑與導(dǎo)葉體外徑相同。那么，葉輪出口的流體勢必直接撞擊導(dǎo)葉體的內(nèi)壁。因此，對(duì)于潛水軸流泵，為了提高水力效率，輪轂比dh需要取得大一些，這是決定dh的第一條件。根據(jù)筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證有最佳效率，推薦按表1選取。

　　(3)軸向間距s的影響 在筆者的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)軸向間距s，對(duì)于500～1 000低比轉(zhuǎn)速軸流泵影響較大，對(duì)高比轉(zhuǎn)速軸流泵影響較小。因此筆者推薦選�。簊=(0.05～0.08)D。

　　(4)導(dǎo)葉輪轂夾角γ 及進(jìn)出口截面的當(dāng)量擴(kuò)散角ε 在潛水軸流泵的設(shè)計(jì)中，因?yàn)閷?dǎo)葉要 連接在電動(dòng)機(jī)前端，故導(dǎo)葉除了具有消除環(huán)量，轉(zhuǎn)換動(dòng)能為勢能的作用，還必須具有引導(dǎo)流體繞流電 動(dòng)機(jī)外殼的功能。因此合理設(shè)計(jì)導(dǎo)葉輪轂夾角γ 及進(jìn)出口截面的當(dāng)量擴(kuò)散角ε ，直接影響到潛水軸流泵水力效率。