CN104454564A - 基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法 - Google Patents

Abstract

基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，属于水力机械技术领域。本发明针对现有轴流泵导叶体设计方法不能在泵装置中实现与出水流道水力性能相匹配的缺陷，提供了基于试验的轴流泵装置导叶体的水力优化方法。本发明设计和构建了轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置，对一组 7 个方案的试验导叶体出口环量和出水流道水头损失分别进行测试和计算，在研明轴流泵装置导叶体出口环量影响出水流道水头损失规律的基础上，实现对轴流泵装置导叶体的水力优化，使其与出水流道达到最佳匹配、进一步提高轴流泵装置的水力性能。本发明能够适用于由不同型号轴流泵和不同型式出水流道组成的轴流泵装置中的导叶体水力优化。

Description

基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法

技术领域

本发明涉及轴流泵装置导叶体的水力优化设计，尤其涉及基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，属于水力机械技术领域。

背景技术

大型轴流泵装置广泛应用于我国平原地区，在抗旱排涝、水资源调配和水环境改善等领域发挥了十分重要的作用。轴流泵装置是由进水流道、出水流道和轴流泵的叶轮、导叶体组成，其中，进水流道位于叶轮之前，导叶体位于叶轮之后，出水流道位于导叶体之后。水流在高速旋转的轴流泵叶轮的作用下获得能量，同时导叶体出口的水流还具有很大的速度环量。常规的轴流泵设计不针对具体的轴流泵装置，导叶体水力设计的目标是调整从叶轮流入导叶体水流的方向、消除导叶体出口水流的速度环量。近年来的研究发现，在轴流泵装置中，导叶体出口水流的速度环量对出水流道内流态及水头损失的影响并不是环量愈小愈好，而是存在使出水流道水头损失最小的最优环量。因此，导叶体的常规设计方法导致其与出水流道的水力性能不匹配，增大了出水流道的水头损失。出水流道水头损失对轴流泵装置效率的影响是很大的，特别是对于年运行时数长的大型低扬程泵站，这种影响更须予以重视。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有方法的缺陷，提供基于试验的大型轴流泵装置导叶体的水力优化方法。在研明轴流泵装置出水流道水头损失与其导叶体出口平均速度环量关系的基础上，以轴流泵装置导叶体的出口平均速度环量达到最优环量为目标进行导叶体优化设计，使其与出水流道达到最佳配合、实现轴流泵装置水力性能的最优化。经检索，尚未见到根据轴流泵装置出水流道的最优环量对轴流泵导叶体进行水力优化的文献报道及专利申请，仅有一些学者对轴流泵导叶体进、出口速度环量的分布等进行了研究。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(1)设计和构建轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置，由模型泵、导叶体、平均速度环量计、出水流道、出水池、闸阀、辅助泵、流量计通过管道依次连接构成，出水流道进口的管道壁上设有出水流道进口测压孔，出水流道进口测压孔上安装连接出水流道进口测压管，出水流道出口的出水池侧壁上设有出水流道出口测压孔，出水流道出口测压孔上安装连接出水流道出口测压管；在该装置中，水流从模型泵的叶轮流出，依次流经导叶体、平均速度环量计、出水流道进口测压管断面、出水流道、出水池、出水流道出口测压管断面、闸阀、辅助泵、流量计，最后再回到所述模型泵进口，构成一个循环系统；

所述模型泵与所研究的大型轴流泵装置中的原型泵相似，用于在试验装置中提供与原型轴流泵装置相似的水流，模型泵叶轮直径为D，单位为m；

所述导叶体为在所述模型泵原配导叶体基础上经过专门设计的一组供试验用的导叶体方案，用于在试验中提供依次逐步减小的导叶体出口平均速度环量，它们的外形及安装尺寸相同，因而可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试验更换一个不同方案的导叶体；所述导叶体出口通过管道与出水流道进口连接，管道长度为8D(D为模型泵叶轮直径，单位为m，下同)；

所述平均速度环量计安装在紧靠导叶体出口的管道中，用于测量导叶体出口水流的平均速度环量；

所述出水流道为所研究的轴流泵装置中的出水流道，其可以有不同型式；

所述出水流道进口测压孔设置在所述管道的管壁上，距出水流道进口的距离为3D；出水流道出口测压孔设置在出水池侧壁上，距出水流道出口的距离为8D；

所述闸阀为蝶阀，用于调节所述模型泵的工况；

所述辅助泵为管道泵，用于帮助所述模型泵克服管道阻力；

所述流量计为电磁流量计，用于测量所述模型泵的流量；

(2)在所述模型泵原配导叶体的基础上，设计制作一组7个供试验用的导叶体方案，它们的几何特征是导叶片的片数均与模型泵原配导叶体的叶片数相同，但各方案导叶体的叶片出口角度及长度依次逐步增加，使其出口水流的平均速度环量依次逐步减小；7个方案导叶体的外形及安装尺寸相同，因而可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试验更换一个不同方案的导叶体；

导叶体方案1的几何特征是，导叶片的片数与模型泵原配导叶体的叶片数相同，导叶片的进口角度与模型泵叶轮叶片出口水流速度的方向一致，导叶片的长度取为0.2D，使其满足支撑模型泵导轴承支座的要求；由于该方案导叶片的角度从进口到出口保持不变，对流入导叶体水流的流动方向不起调整作用，故其出口与进口的速度环量相等；

导叶体方案2是在导叶体方案1的基础上，在每个导叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案1导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案2出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案1的基础上减小；

导叶体方案3是在导叶体方案2的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案2导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案3出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而再次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案2的基础上减小；

导叶体方案4是在导叶体方案3的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案3导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案4出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而又一次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案3的基础上减小；

导叶体方案5是在导叶体方案4的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案4导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转9.2°，该方案导叶片出口角度达到90°(与导叶体轴线平行)，导叶体方案5出口水流的周向流速受到该小叶片的进一步调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案4的基础上减小；

导叶体方案6是在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使其出口角度保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案5的基础上沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案6出口水流的周向流速继续受到新增小叶片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案5的基础上减小；

导叶体方案7是在导叶体方案6的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使其出口角度继续保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案6的基础上沿导叶体轴线方向又增加了一定长度，导叶体方案7出口水流的周向流速受到新增小叶片的持续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案6的基础上减小。

(3)所述平均速度环量计由环量计轮毂、环量计轴和沿环量计轮毂匀布的4个直叶片组成；所述环量计轴的轴线与模型泵的轴线一致；所述环量计轮毂的直径与导叶体出口断面的轮毂体直径相同；所述直叶片边缘至管道内壁的距离为2mm，其长度为管道直径的0.6倍，在导叶体出口水流周向流速的作用下，直叶片随同水流作旋转运动，在此过程中，旋转较快的水流推动直叶片旋转、旋转较慢的水流被直叶片推动旋转，直叶片最终达到与导叶体出口水流同步旋转，直叶片的旋转速度即为导叶体出口水流的平均旋转速度；在直叶片的侧面贴有金属反光片，在管道上与所述反光片对应的位置设置光电传感器，其头部与所述管道的内壁齐平，光电传感器发出光束，直叶片在水流作用下每旋转一圈，4个直叶片上的反光片对该光束各反光1次，光电传感器接收4个光脉冲信号，这些信号传输到与光电传感器连接的计数器，计数器单位时间内记录的脉冲总数除以4即可得到所述环量计直叶片每分钟旋转的圈数n；

(4)进行轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验，每次试验更换一个不同方案的导叶体；试验中需测试的物理量包括：所述环量计直叶片每分钟旋转的圈数n、出水流道进口测压孔静压H₁、出水流道出口测压孔静压H₂和模型泵流量Q；根据测试结果计算导叶体出口水流的平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh，根据计算结果绘出和Δh之间的关系曲线；

经推导，所述平均速度环量的计算式为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}n}{15}(R_1^2-R_2^2)---\left(1\right)$

式中，n为直叶片每分钟旋转的圈数，r/min；R₁和R₂分别为导叶体出口断面叶片和轮毂体的半径，m；

所述出水流道水头损失Δh根据进口测压管断面和出口测压管断面的静、动压差进行计算，其计算式为：

$\mathrm{\Δh}=\frac{1}{2g}({\stackrel{\‾}{v}}_{1a}^2+{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}^2-{\stackrel{\‾}{v}}_2^2)+(H_1-H_2)-\mathrm{\Δ}{h}_z---\left(2\right)$

式中，和分别为出水流道进口测压管断面的平均轴向流速和平均切向流速，m/s；为出水流道出口测压管断面的平均流速，m/s；H₁和H₂分别为出水流道进口测压管断面和出口测压管断面的测压管水头，mH₂O；Δh_z为出水流道进口测压管断面至出水流道进口断面之间短直管的水头损失，mH₂O；

所述出水流道进口测压管断面的平均轴向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1a}=\frac{Q}{A_1}---\left(3\right)$

式中，Q为模型泵流量，m³/s；A₁为出水流道进口测压管断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压管断面平均切向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1t}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}\×\sqrt{\frac{R_1^2+R_2^2}{2}}---\left(4\right)$

所述出水流道出口测压管断面平均流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_2=\frac{Q}{A_2}---\left(5\right)$

式中，A₂为出水流道出口测压管断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压管断面至出水流道进口断面之间短直管的水头损失Δh_z的计算式为：

$\mathrm{\Δ}{h}_z=0.025\frac{{{\stackrel{\‾}{v}}_{1a}}^2+{{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}}^2}{2g}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度，m/s²；

在所述的模型试验装置中依次更换导叶体方案1～导叶体方案7，逐次测试并计算各方案的和相应的Δh；

根据测试及计算结果，绘制所述导叶体出口平均速度环量和所述出水流道水头损失Δh之间关系的曲线(以为横坐标、Δh为纵坐标)；该曲线是一条开口向上的曲线，存在最小值；从该曲线上可找到所研究轴流泵装置中使出水流道水头损失最小的导叶体出口水流平均速度环量，即：最优平均速度环量

(5)根据上述找到与所对应的导叶体方案，该方案的导叶片出口角度β及叶片长度l即为所述轴流泵装置导叶体最优方案的β及l；若在某两个导叶体方案的平均速度环量之间，则采用线性插值的方法，确定导叶体最优方案的β及l。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

第一，现有的轴流泵导叶体水力设计方法不针对所应用的轴流泵装置，以完全消除出口平均速度环量为目标，所设计的导叶体与轴流泵装置中的出水流道水力性能不匹配，轴流泵装置水力性能差；经过本发明水力优化的轴流泵导叶体出口平均速度环量达到最优环量，能够使其与所应用的轴流泵装置中的出水流道水力性能达到最佳匹配，进一步提高轴流泵装置水力性能；

第二，能够对轴流泵装置中导叶体出口水流环量影响出水流道水力性能的规律进行深入研究；

第三，能够适用于由不同型号轴流泵和不同型式出水流道组成的轴流泵装置中的导叶体水力优化。

附图说明

图1是本发明轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置示意图。

图2a是本发明导叶体方案1的示意图。

图2b是本发明导叶体方案2的示意图。

图2c是本发明导叶体方案3的示意图。

图2d是本发明导叶体方案4的示意图。

图2e是本发明导叶体方案5的示意图。

图2f是本发明导叶体方案6的示意图。

图2g是本发明导叶体方案7的示意图。

图3是本发明平均速度环量计示意图。

图4是本发明轴流泵装置出水流道水头损失与导叶体出口水流平均速度环量的关系曲线。

图5是本发明具有最优出口平均速度环量的轴流泵装置导叶体示意图。

图中：1模型泵，2导叶体，3平均速度环量计，4出水流道进口测压孔，5出水流道，6出水池，7出水流道出口测压孔，8闸阀，9辅助泵，10流量计，11管道，12环量计轮毂，13环量计轴，14直叶片，15管道内壁，16金属反光片，17光电传感器，18计数器，19导叶片，20小叶片，21小叶片，22小叶片，23小叶片，24小叶片，25小叶片，26小叶片，27导轴承支座。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

实施例：

一个采用虹吸式出水流道的大型立式轴流泵装置，基于试验的该装置导叶体水力优化方法包括如下步骤：

(1)设计和构建轴流泵装置导叶体出口水流平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置，如图1所示，由模型泵1、导叶体2、平均速度环量计3、出水流道5、出水池6、闸阀8、辅助泵9、流量计10通过管道依次连接构成，出水流道5进口的管道11壁上设出水流道进口测压孔4，出水流道进口测压孔4上安装连接出水流道进口测压管，出水流道5出口的出水池6的侧壁上设出水流道出口测压孔7，出水流道出口测压孔7上安装连接出水流道出口测压管。在所述模型试验装置中，水流从模型泵1的叶轮流出，依次流经导叶体2、平均速度环量计3、出水流道进口测压孔4、出水流道5、出水池6、出水流道出口测压孔7、闸阀8、辅助泵9、流量计10，最后再回到所述模型泵1，构成一个循环系统；模型泵1与所述轴流泵装置中的原型泵相似，用于在试验装置中提供与原型轴流泵装置相似的水流；所述导叶体2出口通过管道11与出水流道5进口连接，管道11的长度为8D(D为模型泵1的叶轮直径，单位为m，下同)；所述平均速度环量计3安装在与导叶体2出口连接的管道11中，用于测量导叶体2出口的水流平均速度环量；所述出水流道5为所述轴流泵装置中的虹吸式出水流道；所述出水流道进口测压孔4设置在管道11上，距出水流道5的进口3D距离；所述出水流道出口测压孔7设置在出水池6的侧壁上，距出水流道5出口8D距离；所述闸阀8为蝶阀，用于调节模型泵1的工况；所述辅助泵9为管道泵，用于帮助模型泵1克服管道阻力；所述流量计10为电磁流量计，用于测量模型泵1的流量。

(2)所述模型泵1原配导叶体有5片叶片，设计制作一组7个方案供试验用的导叶体，它们的外形及安装尺寸相同，如图2a～图2g所示，在试验中依次更换；7个方案导叶体的几何特征是导叶片均为5片，但各方案导叶体的叶片长度及出口角度依次逐步增加；

导叶体方案1如图2a所示，其几何特征是，导叶片19的片数与模型泵1的原配导叶体的叶片数相同，导叶片19的进口角度与模型泵1原配导叶体叶片进口角度相同，为50.8°，该角度与模型泵1叶轮叶片出口水流速度的方向一致，导叶片19的长度取为0.2D，使其满足支撑模型泵1导轴承支座27的要求；导叶片19的角度从进口到出口保持不变，对流入导叶体水流的流动方向不起调整作用，故其出口与进口的速度环量相等；

导叶体方案2如图2b所示，其几何特征是，在导叶体方案1的基础上，在每个导叶片19的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片20，并使小叶片20在导叶片19出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案2出口水流的周向流速受到小叶片20的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案1的基础上减小；

导叶体方案3如图2c所示，其几何特征是，在导叶体方案2的基础上，在每个小叶片20的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片21，并使小叶片21在小叶片20出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案3出口水流的周向流速受到小叶片21的调整而再次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案2的基础上减小；

导叶体方案4如图2d所示，其几何特征是，在导叶体方案3的基础上，在每个小叶片21的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片22，并使小叶片22在小叶片21出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案4出口水流的周向流速受到小叶片22的调整而又一次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案3的基础上减小；

导叶体方案5如图2e所示，其几何特征是，在导叶体方案4的基础上，在每个小叶片22的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片23，并使小叶片23在小叶片22出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转9.2°，该方案导叶片出口角度达到90°(与导叶体轴线平行)，导叶体方案5出口水流的周向流速受到小叶片23的进一步调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案4的基础上减小；

导叶体方案6如图2f所示，其几何特征是，在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片23的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片24，并使小叶片24出口角度保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案5的基础上沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案6出口水流的周向流速受到小叶片24的继续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案5的基础上减小；

导叶体方案7如图2g所示，其几何特征是，在导叶体方案6的基础上，在每个小叶片24的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片25，并使小叶片25出口角度继续保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案6的基础上沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案7出口水流的周向流速受到小叶片25的持续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案6的基础上减小。

(3)所述平均速度环量计3由环量计轮毂12、环量计轴13和沿环量计轮毂12匀布的4只直叶片14组成，如图3所示；所述环量计轴13的轴线与模型泵1的轴线一致；所述环量计轮毂12的直径与导叶体2出口断面的轮毂体直径相同；所述直叶片14边缘至管道内壁15的距离为2mm，直叶片14的长度为管道11直径的0.6倍，在导叶体2出口水流周向流速的作用下，直叶片14随同水流作旋转运动，最终达到与导叶体2出口水流同步旋转，直叶片14的旋转速度即为导叶体2出口水流的平均旋转速度；在直叶片14的侧面贴有金属反光片16，在管道11上与金属反光片16对应的位置设置光电传感器17，其头部与所述管道11的内壁15齐平，光电传感器17发出光束，直叶片14在水流作用下每旋转一圈，4个直叶片上的反光片16对该光束各反光1次，光电传感器17接收4个光脉冲信号，这些信号传输到与光电传感器17连接的计数器18，计数器18单位时间内记录的脉冲总数除以4即可得到所述环量计直叶片14每分钟旋转的圈数n；

(4)进行轴流泵装置导叶体2出口平均速度环量影响出水流道5水力性能的模型试验，每次试验更换一个不同方案的导叶体；试验中需测试的物理量包括：所述环量计直叶片14每分钟旋转的圈数n、出水流道进口测压孔4的静压H₁、出水流道出口测压孔7的静压H₂和模型泵1的流量Q；根据测试结果计算导叶体2出口水流的平均速度环量和相应的出水流道5的水头损失Δh，根据计算结果绘出和Δh之间的关系曲线；

经推导，所述平均速度环量的计算式为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}n}{15}(R_1^2-R_2^2)---\left(1\right)$

式中，n为直叶片14每分钟旋转的圈数，r/min；R₁和R₂分别为导叶体2出口断面叶片和轮毂体的半径，m；

所述出水流道5的水头损失Δh根据进口测压孔4和出口测压孔7的静压差及动压差进行计算，其计算式为：

$\mathrm{\Δh}=\frac{1}{2g}({\stackrel{\‾}{v}}_{1a}^2+{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}^2-{\stackrel{\‾}{v}}_2^2)+(H_1-H_2)-\mathrm{\Δ}{h}_z---\left(2\right)$

式中，和分别为出水流道进口测压孔4所在断面平均轴向流速和平均切向流速，m/s；v2为出水流道出口测压孔7所在断面平均流速，m/s；H₁和H₂分别为出水流道进口测压孔4和出口测压孔7的测压管水头，mH₂O；Δh_z为出水流道进口测压孔4所在断面至出水流道5的进口断面之间短直管的水头损失，mH₂O；

所述出水流道进口测压孔4所在断面平均轴向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1a}=\frac{Q}{A_1}---\left(3\right)$

式中，Q为模型泵1的流量，m³/s；A₁为出水流道进口测压孔4所在断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压孔4所在断面平均切向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1t}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}\×\sqrt{\frac{R_1^2+R_2^2}{2}}---\left(4\right)$

所述出水流道出口测压孔7所在断面平均流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_2=\frac{Q}{A_2}---\left(5\right)$

式中，A₂为出水流道出口测压孔7所在断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压孔4所在断面至出水流道5进口断面之间短直管的水头损失Δh_z的计算式为：

$\mathrm{\Δ}{h}_z=0.025\frac{{{\stackrel{\‾}{v}}_{1a}}^2+{{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}}^2}{2g}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度，m/s²；

在所述的模型试验装置中安装导叶体方案1，测试直叶片14的转速n₁、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₁和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₁，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₁；更换导叶体方案2，测试直叶片14的转速n₂、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₂和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₂，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₂；更换导叶体方案3，测试直叶片14的转速n₃、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₃和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₃，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₃；更换导叶体方案4，测试直叶片14的转速n₄、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₄和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₄，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₄；更换导叶体方案5，测试直叶片14的转速n₅、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₅和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₅，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₅；更换导叶体方案6，测试直叶片14的转速n₆、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₆和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₆，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh₆；更换导叶体方案7，测试直叶片14的转速n₇、出水流道进口测压孔4的测压管水头H₁₇和出水流道出口测压孔7的测压管水头H₂₇，并计算该方案的出口水流平均速度环量和相应的出水流道5水头损失Δh₇；

将试验得到的所述7个方案导叶体出口直叶片14的转速n、平均速度环量和虹吸式出水流道水头损失Δh列于表1；根据试验结果，在相同的试验条件下，所述试验导叶体2出口水流平均速度环量从方案1至方案7依次减小，相应出水流道5的水头损失则由大到小、再由小到大。

表1 7个方案导叶体出口水流的平均速度环量和出水流道水头损失

根据表1中的数据，绘制所述平均速度环量和出水流道水头损失Δh之间关系的～Δh曲线(以为横坐标、Δh为纵坐标)，如图4所示；该曲线是一条开口向上的曲线，存在最小值；从该曲线上可找到所述轴流泵装置中使出水流道5水头损失最小的导叶体2出口水流平均速度环量，即：最优平均速度环量使所述轴流泵装置中虹吸式出水流道水头损失最小的最优平均速度环量为0.972m²/s。

(5)根据上述找到与其所对应的导叶体方案，该方案的导叶片出口角度β及叶片长度l即为所述轴流泵装置导叶体最优方案的β及l；若在某两个导叶体方案之间，则采用线性插值的方法，确定导叶体最优方案的β及l；

本实施例中最优平均速度环量为0.972m²/s，所对应的试验导叶体最优方案介于导叶体方案5和方案6之间；导叶体方案5和导叶体方案6的导叶片均为5片，出口角度β均为90°，导叶片长度l分别为0.40D和0.45D；故导叶体最优方案的出口角度β仍为90°，叶片长度l可由线性插值法计算：

$l=0.40D+\frac{0.972-1.050}{0.871-1.050}\×0.05D$

在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片23的出口各增加1个长度为0.02D、出口角度为90°的小叶片26，即可得到导叶体最优方案，如图5所示，其几何特征是导叶片的长度l为0.42D、出口角度β为90°。

Claims (3)

1.基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计和构建轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验装置，由模型泵、导叶体、平均速度环量计、出水流道、出水池、闸阀、辅助泵、流量计通过管道依次连接构成，连接出水流道进口的管道壁上设有出水流道进口测压孔，出水流道进口测压孔上安装连接出水流道进口测压管，连接出水流道出口的出水池侧壁上设有出水流道出口测压孔，出水流道出口测压孔上安装连接出水流道出口测压管；在该装置中，水流从模型泵的叶轮流出，依次流经导叶体、平均速度环量计、出水流道进口测压管断面、出水流道、出水池、出水流道出口测压管断面、闸阀、辅助泵、流量计，最后再回到所述模型泵进口，构成一个循环系统；

所述模型泵与所研究的大型轴流泵装置中的原型泵相似，用于在试验装置中提供与原型轴流泵装置相似的水流，模型泵叶轮直径为D，单位为m；

所述导叶体为在所述模型泵原配导叶体基础上经过专门设计的一组7个方案供试验用的导叶体，用于在试验中提供依次逐步减小的导叶体出口平均速度环量；

所述平均速度环量计安装在紧靠所述导叶体出口的管道中，用于测量导叶体出口水流的平均速度环量；

所述出水流道为所研究的大型轴流泵装置中的出水流道，其可以有不同型式；

所述导叶体出口通过管道与出水流道进口连接，管道长度为8D；所述出水流道进口测压管设置在所述管道的管壁上，距出水流道进口的距离为3D；出水流道出口测压管设置在所述出水池的侧壁上，距出水流道出口的距离为8D；

所述闸阀为蝶阀，用于调节所述模型泵的工况；

所述辅助泵为管道泵，用于帮助所述模型泵克服管道阻力；

所述流量计为电磁流量计，用于测量所述模型泵的流量；

(2)进行轴流泵装置导叶体出口平均速度环量影响出水流道水力性能的模型试验，每次试验更换一个不同方案的导叶体；试验中需测试的物理量包括：所述环量计直叶片每分钟旋转的圈数n、出水流道进口测压管断面静压H₁、出水流道出口测压管断面静压H₂和模型泵流量Q；根据测试结果计算导叶体出口水流的平均速度环量和相应的出水流道水头损失Δh，根据计算结果绘出和Δh之间的关系曲线；

经推导，所述平均速度环量的计算式为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}n}{15}(R_1^2-R_2^2)---\left(1\right)$

式中，n为直叶片每分钟旋转的圈数，r/min；R₁和R₂分别为导叶体出口断面叶片和轮毂体的半径，m；

所述出水流道水头损失Δh根据其进口测压管断面和出口测压管断面的静、动压差进行计算，其计算式为：

$\mathrm{\Δh}=\frac{1}{2g}({\stackrel{\‾}{v}}_{1a}^2+{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}^2-{\stackrel{\‾}{v}}_2^2)+(H_1-H_2)-{\mathrm{\Δh}}_z---\left(2\right)$

式中，和分别为出水流道进口测压管断面的平均轴向流速和平均切向流速，m/s；为出水流道出口测压管断面的平均流速，m/s；H₁和H₂分别为出水流道进口测压管断面和出口测压管断面的测压管水头，mH₂O；Δh_z为出水流道进口测压管断面至出水流道进口断面之间短直管的水头损失，mH₂O；

所述出水流道进口测压管断面平均轴向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1a}=\frac{Q}{A_1}---\left(3\right)$

式中，Q为模型泵流量，m³/s；A₁为出水流道进口测压管断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压管断面平均切向流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{1t}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}\×\sqrt{\frac{R_1^2+R_2^2}{2}}---\left(4\right)$

所述出水流道出口测压管断面平均流速的计算式为：

${\stackrel{\‾}{v}}_2=\frac{Q}{A_2}---\left(5\right)$

式中，A₂为出水流道出口测压管断面的面积，m²；

所述出水流道进口测压管断面至出水流道进口断面之间短直管的水头损失Δh_z的计算式为：

${\mathrm{\Δh}}_z=0.025\frac{{{\stackrel{\‾}{v}}_{1a}}^2+{{\stackrel{\‾}{v}}_{1t}}^2}{2g}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度，m/s²；

在所述的模型试验装置中依次更换导叶体方案1～导叶体方案7，逐次测试并计算各方案的和相应的Δh；

根据测试及计算结果，绘制所述导叶体出口平均速度环量Γ和所述出水流道水头损失Δh之间关系的曲线，以为横坐标、Δh为纵坐标，从该曲线上找到所研究轴流泵装置中使出水流道水头损失最小的导叶体出口水流平均速度环量，即最优平均速度环量

(3)根据上述找到与其所对应的导叶体方案，该方案的导叶片出口角度β及叶片长度l即为所述轴流泵装置导叶体最优方案的β及l；若在某两个导叶体方案的平均速度环量之间，则采用线性插值的方法，确定最优方案的β及l。

2.根据权利要求1所述的基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征是，所述一组7个供试验用的导叶体方案是在所述模型泵原配导叶体的基础上设计制作，导叶片的片数均与模型泵原配导叶体的叶片数相同，但各方案导叶体的叶片长度及出口角度依次逐步增加，使其出口水流的平均速度环量依次逐步减小；7个方案导叶体的外形及安装尺寸相同，可在所述试验装置中方便地进行更换，每次试验更换一个不同方案的导叶体；

导叶体方案1的几何特征是，导叶片的片数与模型泵原配导叶体的叶片数相同，导叶片的进口角度与模型泵叶轮叶片出口水流速度的方向一致，导叶片的长度取为0.2D，使其满足支撑模型泵导轴承支座的要求；由于该方案导叶片的角度从进口到出口保持不变，对流入导叶体水流的流动方向不起调整作用，故其出口与进口的速度环量相等；

导叶体方案2是在导叶体方案1的基础上，在每个导叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案1导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案2出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案1的基础上减小；

导叶体方案3是在导叶体方案2的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案2导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案3出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而再次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案2的基础上减小；

导叶体方案4是在导叶体方案3的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案3导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转10°，导叶体方案4出口水流的周向流速受到该小叶片的调整而又一次减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案3的基础上减小；

导叶体方案5是在导叶体方案4的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使该小叶片在导叶体方案4导叶片出口角度的基础上向导叶体轴线方向偏转9.2°，导叶片出口角度达到90°，导叶体方案5出口水流的周向流速受到该小叶片的进一步调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案4的基础上减小；

导叶体方案6是在导叶体方案5的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使其出口角度保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案5的基础上沿导叶体轴线方向增加了一定长度，导叶体方案6出口水流的周向流速继续受到新增小叶片的调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案5的基础上减小；

导叶体方案7是在导叶体方案6的基础上，在每个小叶片的出口各增加1个长度为0.05D的小叶片，并使其出口角度继续保持为90°，由于该方案导叶片在导叶体方案6的基础上沿导叶体轴线方向又增加了一定长度，导叶体方案7出口水流的周向流速受到新增小叶片的持续调整而减小，从而相应地使其出口水流的速度环量在导叶体方案6的基础上减小。

3.根据权利要求1所述的基于试验的轴流泵装置导叶体水力优化方法，其特征是，所述平均速度环量计由环量计轮毂、环量计轴和沿环量计轮毂匀布的4个直叶片组成；所述环量计轴的轴线与模型泵的轴线一致；所述环量计轮毂的直径与导叶体出口断面的轮毂体直径相同；所述直叶片边缘至管道内壁的距离为2mm，直叶片的长度为管道直径的0.6倍，在导叶体出口水流周向流速的作用下，直叶片随同水流作旋转运动，在此过程中，旋转较快的水流推动直叶片旋转、旋转较慢的水流被直叶片推动旋转，直叶片最终达到与导叶体出口水流同步旋转，直叶片的旋转速度即为导叶体出口水流的平均旋转速度；在直叶片的侧面贴有金属反光片，在管道上与所述反光片对应的位置设置光电传感器，其头部与所述管道的内壁齐平，光电传感器发出光束，直叶片在水流作用下每旋转一圈，4个直叶片上的反光片对该光束各反光1次，光电传感器接收4个光脉冲信号，这些信号传输到与光电传感器连接的计数器，计数器单位时间内记录的脉冲总数除以4即可得到所述环量计直叶片每分钟旋转的圈数n。