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潜水轴流泵水力模型的设计实践

1. 水力模型的设计指导方法

(1)变环量、变轴面速度升力法设计基础 升力法源于叶栅理论，用于轴流泵叶片设计时，做了如下假设：

1)流体介质经过叶片时，各圆柱面流层之间互不干扰。

2)在计算升力时，假定叶片为无限翼展，可以利用二元翼型的试验或理论计算，再加以对直列翼栅的修订。

3)轴流泵的水力效率或水力损失可以通过已有水力模型效率，可以估算。

(2)潜水轴流泵环量的径向分布规律 变环量设计方法的主要着***是按叶轮机械的流动情况，使环量分布沿叶片径向有变化，即根部和叶梢部(外周缘)负荷较小而中部负荷较大。因此采用变环量设计，正是适应潜水轴流泵内实际流态的一种有效手段。②由于进水段还起到支撑重量作用，并且还要承受水流的冲击，要对支撑筋进行加厚。而这手段运用得好坏，关键在于根据具体设计要求，合理选择环量分布规律。

在设计实践中，结合理论分析和模型试验的情况看，推荐用笔者统计回归的计算公式：

Γ(r)=ΚrΓ0

式中 Γ(r)——环量分布函数，r为叶轮半径；Γ0 ——平均分布环量；Κr——径向环量分布系数，Κr=-2.83r2i 4.64ri-0.8，ri为各个圆柱面的半径。

(3)潜水轴流泵轴面速度的分布规律 在设计实践中，结合理论分析和模型试验的情况看， 轴向环量分布系数Κm推荐用计算公式：

Κm=-1.807r2i 3.037ri-0.215 (2)

由于电机与水泵构成一体，现场无需进行耗工、耗时、复杂的轴线对中装配程序，安装十分方便、快杰，因此可不预留备用泵的机位，将备用泵存于库房，节省泵站进水池的***。由于潜入水中运行，可大大简化泵站及建筑结构工程，减少安装面积，节约泵站总造价的30~40%。泵在水中运行，水流从电机周围流过，噪声低，电机冷却条件好。（2）对于安装可调角度的叶片，很可能叶片的安装角度不对，以致出水量显著减少，应检查并调整叶片角度。可以建为地下泵站，保持地面的环境风貌。采用潜水电泵，是解决在水位涨落大的沿江、湖泊地区建泵站和防洪问题***彻底的方法，省去了机泵间的长轴，提高了运行安全可靠性。

采用五孔球形探针对轴流泵出水管断面的水流速度场进行了测定，发现受导叶出流环量和出水弯管二次流等因素的影响，轴流泵出水流道内为复杂的螺旋流；

在开式轴流泵实验台对叶轮前后的速度场和靠近泵壳表面的压力分布情况进行了测量，发现在优工况点时叶轮内的流动较为平顺且无明显回流现象，随着流量降低至叶片发生失速时，叶轮处的径向速度会突然增大，同时轴流泵的水力性能也会发生突变；

采用油膜法分析了叶片表面的分离流动特征，并采用皮托管对叶轮进出口流场进行测量，发现在小流量工况下，叶轮进口的叶梢处和出口的轮毅处出现了回流；

对不同流量工况下的叶轮进口轴面流场进行了PIV测量，发现在'马鞍区'，轴流泵叶轮进口出现回流现象，并且随着流量减小，叶轮进口轴面内流速不稳定范围逐渐扩大，湍流强度***，且轴向流速的湍流强度低于径向流速的湍流强度、靠近叶轮外壳处的湍流强度高于靠近轮毅处的湍流强度。采用油膜法分析了叶片表面的分离流动特征，并采用皮托管对叶轮进出口流场进行测量，发现在小流量工况下，叶轮进口的叶梢处和出口的轮毅处出现了回流。

利用PIV对叶轮进、出口以及不同叶高区域的二维速度场进行了测量，发现在设计工况下，叶轮流道间流动稳定，且在叶片吸力面侧附近流体紧贴着叶片流动，没有发生脱流现象，而随着流量减小，观察到在叶片尾缘边的分离流动和叶根位置处的回流和旋涡结构；

采用3D-PIV对无导叶轴流泵的叶轮出口流场进行测量，发现在设计工况与大流量工况的流态均比较好，无旋涡和脱流现象，但在'马鞍区'，叶轮出口附近出现更趋剧烈的二次流、回流现象。