带导叶大型涡壳式泵模型设计与试验研究
摘要：针对国外项比转速226的大泵，设计制造了模型泵，在天津院严格按IEC标准进行了模型试验。介绍试验结果，并对有关技术问题进行探讨。关键词：涡壳泵 导叶 模型试验 水力模型
一、概述
大型涡壳泵过去我国应用较少，近年来由于核电站的增加，为了有效利用核电，夜间用核电抽水到高位水库，白天放水发电，这就是常在核电站附近建的蓄能电站，用的是水泵水轮机。同一个转轮抽水作泵用，放水作水轮机用。目前我国用的水泵水轮机大都由国外进口。专用于提调水大型涡壳式泵有逐年增加的趋势，如万家寨泵站、牛栏江泵站等。
国外这种泵型用的较多，重庆水轮机厂有限公司2018年出口到印度的大型涡壳泵，流量达41.5；杭州江河水电科技有限公司2019年向印度出口的大型涡壳式泵，单泵功率40000KW，是目前我国制造的最大的涡壳式泵。
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图1 流道单线图 图2导叶布置图
三、模型设计和试验结果
目前大型涡壳式泵模型，多由水轮机行业开发和试验研究。在设计理念上多借鉴水泵水轮机。本模型设计是只用于提水的泵，不必考虑水轮机的特点。完全按泵的设计理念和方法进行设计。本次是只换叶轮在已有泵模型装置（有双重导叶）上的试验结果。
四、模型泵设计（外径370mm）
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图3 叶轮截面图 图4叶轮平面图
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图5 叶轮三维图 图6叶轮实物图
五、模型泵试验结果
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图7 模型泵试验曲线
六、按IEC标准进行效率修正
1、IEC标准模型泵效率换算方法----模型和真机修正
推荐的水泵效率修正计算公式，采用两步法。其实质是保证雷诺数达到标准值，试验的模型一般按规定制作试验，但模型尺寸、试验转速、水的温度等难以做到一致。雷诺数和尺寸、转速、温度有关，用标准雷诺数相当于把这些因素都考虑了。由此，这种换算方法，也适于尺寸、转速、温度单独变化时效率的换算。
对于泵模型试验，规定的基准雷诺数是Re=7×106；
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式中：D —— 模型的标称直径，m；
u ——转轮标称直径的圆周速度，m/s；
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——液体运动粘度，m2/s；
1)、将测试点效率换算到基准雷诺数下的模型效率。
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式中：Δη测→基——模型泵测试点雷诺数到模型基准雷诺数下的效率修变化值
δ——可换算损失率；
Re参 ——参考雷诺数，Re参=7×106；
Re测 ——测试点雷诺数；
Re基 ——模型基准雷诺数 Re基=7×106。
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式中：η模 ——模型最优效率；
η原 ——原型最优效率；
Re模 ——模型最优点雷诺数；
V——0.6,相应于Re参 =7×106损失分布系数。
例题：试验泵公称直径D=0.28m,n=1050r/min,试验水温28℃（查得运动粘度ν=0.839×10-6）模型试验最优效率η=89.03%。
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2）、基准雷诺数下的模型效率换算到真机效率。
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式中：Re原 ——原型泵雷诺数；
例题：真机叶轮（离心式）参数，叶轮进口直径2.6m,转速230.8r/min,试验水温28℃（查运动粘度ν=0.839×10-6）
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七、有关技术问题探讨
1、设活动导叶的必要性
经查，大型涡壳泵出水导流型式有：
a、单涡壳（瓦尔台克蓄能泵站）
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图8 单涡壳泵
b、双涡壳（大库里）
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图9 双涡壳泵
c、固定导叶+涡壳（万家寨等）
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图10 固定导叶+涡壳泵
d、活动导叶+固定导叶+涡壳（本设计要求）
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图11 活动导叶+固定导叶+涡壳泵
除启动调节要求外，就一般泵而言加活动导叶是有害无益的。
对水轮机而言，活动导叶在叶片进口前，改变活动导叶的角度，从而改变液流进口的方向，进而改变性能。对泵轮而言，活动导叶在叶片出口后，出口液流的方向取决于叶片出口角的方向是既定的。任凭活动导叶角度变化，除了增加况击损失不会起到什么有益作用，只会降低泵的扬程和效率。最终起作用的还是固定导叶（角度）。
2、固定叶片角度23度是否就是最优角度
试验的四个转轮都是在活动导叶调到23度时效率最好。因为固定叶片角度是23度。这也说明，不管活动导叶角度怎么变化，最终起作用的还是固定叶片。
叶轮叶片出口角不同，绝对液流角度不同。固定导叶的角度应与此角度相同。现计算不同叶轮叶片出口角时的α角，如下图所示，看来角度差别很大，考虑一定冲角以后，本模型设计α角也应取稍小值为宜。
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图12 不同叶片出口角的速度三角形
3、对泵而言，有涡壳就够了。考虑强度和钢刚度，有固定导叶加涡壳也够了。
为平衡径向力，可用双涡壳。受水轮机影响，也许出于强度原因，加固定导叶也是可行的，数量不应过多。作模型试验时可作变角度导叶试验，按最优性能的角度作为真机固定导叶的角度。设计时应准确计算固定导叶的角度。
4、特性曲线出现小马鞍形
本次试验的模型比转速200多，这这么大比转速的普通泵，不论是涡壳式泵，还是导叶式泵，都没有见过这样的特性曲线。出现马鞍形的部位大约在最优流量的80%附近，比较靠近最优流量，尽管区段不大，对泵的启动停机过程有可能产影响。
分析试验曲线可知。活动导叶角度越小时，马鞍形越严重；活动导叶角度接近或稍大于固定导叶角度时，马鞍形减轻；叶轮叶片出口角越小，马鞍形越严重。可见这种马鞍形是由叶轮和导叶双方因素造成的。
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图13 泵性能效率曲线
当流量小于最优流量时，在叶轮叶片进口背面形成旋涡，初成的旋涡不稳定，时而形成又时而被主流带走，所以扬程几乎不变。随着流量进一步减小，旋涡区扩大并趋于稳定，水力损失变小。随着流量减小扬程不断上升。
叶片出口角越大，进口背面的旋涡越容易被带走，所以马鞍形越轻。活动导叶角度越小旋涡越不容易带走，所以马鞍形越严重。
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图14 马鞍形区生成示意图
5、模型泵结构问题
本模型泵结构受水泵水轮机结构的影响，叶轮靠前后盖板端面密封。泄漏到前盖板侧的液体直接流到叶轮进口；泄漏到后盖板侧的液体通过回流管回流到低压处。泵结构通常是设前后密封环进行密封。因为密封环的所在直径比盖板端面直径小的多，密封效果也就好的多，泄漏量要小的多。为了进一步减小泄漏，可采用迷宫密封或螺旋密封，密封间隙要尽量小。
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图14 叶轮密封环示意
结论
本模型是在已有模型泵上只更换新设计的叶轮进行试验。试验效率是在所试的四个模型中是最高的一个。试验转速1050时的最优效率是89.03。按IEC换算效率为89.304%。换算到真机的效率为91.884%。如果针对叶轮从新设计导叶，并对模型泵密封结构等等进行改进，进一步提高模型泵的效率是有可能的。
注：“涡”等同于“蜗”。
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