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泵是耗能大户,因此泵的节能意义深远、潜力巨大。针对目前工程中常用的几种离心泵工况调节方式(如节流调节和变速调节)所存在的各种弊端,本研究拟提出一种新型的离心泵工况调节方式- - 离心泵前置导叶预旋调节。通过水力机械水力设计基本理论和遗传优化算法,研究满足实际工况要求的新型导流叶栅,并结合数值模拟技术和试验测量等手段,分析前置导叶正负预旋调节对离心泵内部流场及其空化和能量指标的影响,深入研究和揭示离心泵的经济运行范围和前置导叶形状以及预旋角度之间的内在耦合关系,为离心泵寻求最佳、能耗最小的工况调节方式提供依据。本课题的研究成功可大大扩展离心泵的高效运行范围,有效的解决实际工程中由于离心泵特性和管网特性不匹配所造成的能量严重浪费问题,为国家实现创建节约型社会起到较大的推进作用,具有重要的科学价值和广泛的工程应用前景。
批准号 |
50776052 |
项目名称 |
离心泵前置导叶预旋调节与节能研究 |
项目类别 |
面上项目 |
申请代码 |
E0602 |
项目负责人 |
曹树良 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
清华大学 |
研究期限 |
2008-01-01 至 2010-12-31 |
支持经费 |
32(万元) |
导叶是离心泵的转能装置,它的作用是把叶轮甩出来的液体收集起来,使液体的流速降低,把部分速度能头转变为压力能头后,再均匀地引入下一级或者经过扩散管排出。导叶的作用与蜗壳相同,多用于分段式多级泵中。在多级...
多级离心泵是由2级以上的叶轮安装在同一根轴上面共同旋转,第一级叶轮的输出进入第二级叶轮的输入。流量是不会大于一个单级的水泵,但是压力是各个级叶轮的叠加。压力大,流量小是多级水泵的特点。单级离心泵是只有...
恕我直言,这个问题问的很业余!所谓单级和多级,都是指的是叶轮的数量。单级的就是一个叶轮的结构。通常多为卧式悬臂单级泵,OH1型。当然BB2型式的泵也有单级结构。多级离心泵,就是多个叶轮串联在轴上的泵,...
多级导叶式离心泵导叶内部CFD计算分析
通过F luent前处理软件G am b it对MD 40-6.3多级清水离心泵的导叶进行三维建模,生成网格,利用F luent对设计工况下的三维紊流场进行了计算,得知:速度流经扩散段逐渐减小,压力逐渐增大,从反导叶出口的速度值可以看出反导叶出口的速度大于下级叶轮进口速度,且出口处产生了旋涡,并且在压力图上可以看到在出口区产生了一个低压区等流动特征.以此证明了此反导叶设计的不合理,为改进其线型、轴间震度及叶片厚度的变化规律提供了依据.
进口导叶对离心风机预旋作用的探索
根据金川集团股份有限公司化工厂进口风机在实际应用中的探索与研究,论述了风机进口导叶在风机系统性能评价中的重要作用,同时对进口导叶正旋与反旋的原理及其对风机性能的影响进行了详细说明。
【学员问题】前置导叶调节对水泵性能的影响及使用控制?
【解答】摘要:上海市黄浦江上游引水二期工程,使用了12台大型立式混流泵,其叶轮前均装有德国KSB公司制造的前置导叶装置(InletVaneConttrolDeviceVR),目的是为了实现在较宽广的范围内调节泵的使用性能。
关键词:前置导叶水泵性能导叶角度
一 引言
上海市黄浦江上游引水二期工程,使用了12台大型立式混流泵,其叶轮前均装有德国KSB公司制造的前置导叶装置(InletVaneConttrolDeviceVR),目的是为了实现在较宽广的范围内调节泵的使用性能。泵组结构如图1所示,其参数为:流量Q=6.5M3/S,扬程H=15.5M,转速n=297rpm,比较数ns=353,效率η=0.80,轴功率P=1400KW.前置导叶装置(简称VR装置)目前在国内外水泵上使用不多,这方面的技术资料和报导很少。为此,作者根据近三年来对泵的运行情况观察及有关的试验数据和技术资料,就VR装置使用调节对水泵性能的影响及原因作些分析研究,以便对VR装置有较客观正确的认识,从而对此类泵的实际使用控制提出些参考意见。
二前置导叶装置对水泵性能的影响
我们使用的这套VR装置为圆环形,导叶为直叶式,共17片,叶片长500mm,装置通径1300mm,见图2.该装置由电机驱动,通过装有万向节的多节传动杆将转矩传到装置输入轴上,然后通过装置内的齿轮系统使各叶片同步转动,实现调节导叶角度目的。
KSB公司设定,以VR装置导叶片与水平面垂直为90o,当叶片转动倾斜方向与泵叶轮旋转方向一致时为减角度(即角度变小);当叶片倾斜方向与泵叶轮旋转方向相反时为增角度(即角度变大)。下面首先就水泵装与不装前置导叶,对水泵性能的影响作些分析。
(一)未装前置导叶与装有前置导叶且叶片角度为90o时泵性能的比较
根据KSB公司提供的资料以及我们研究人员作的相关试验,作者绘制了装有前置导叶且叶片在90o时,与无前置导叶装置的泵二者特性曲线对比,如图3.从图上,我们可以得出以以结论:
1.无前置导叶与前置导叶90o时泵的Q—H曲线基本上是两条平行曲线,有前置导叶的Q——H曲线略低些,这是由于加了前置导叶之后,进口液流阻力损失增加而引起扬程下降的缘故。
2.从Q一η曲线上看出,两条曲线基本接近,且有一重合点,此点左侧,有前置导叶的Q一η曲线比无前置导叶的Q一η曲线略高3而此点右侧,有前置导叶的Q一η曲线比无前置导叶的Q——η曲线略低,此重合点正是最优工况点。这说明,在最优工况下,前置导叶的阻力损失对泵来说微乎其微,不造成什么影响;而在小流量时,由于进水管内液流少,流动不均匀,加了前置导叶之后,起导流作用,使液流进口流动均匀性加强,所得效率比原来有所提高;而在大流量时,导流作用消失了,相反因增加前置导叶,阻力损失增加,导致效率有所下降。
可见,当导叶位置在90o时,其泵的性能与未装前置导叶泵的性能基本相近,此时它对泵的特性影响不大。
其次,来看看导叶在不同角度时水泵性能的变化。
(二)VR装置导叶在不同角度时对泵性能的影响
1对Q—H性能曲线的影响
图4是有VR装置的泵在各种导叶角度下的性能曲线。由图4可以看出,当前置导叶向小于90的方向调节时,所得到的性能曲线是明显地向左,并且与90o角时的性能曲线基本上平行的移动(在连续运行极限范围内)。这是因为此时前置导叶出口液流方向与叶轮旋转方向趋向一致,液流在泵叶轮入口前有了一个正向预旋Vlu(Vlu液流在叶轮进口处绝对速度的圆周方向分速度),故Vlu>0(前置导叶为90o.时,Vlu=0)。由欧拉方程式:
HT=(u2v2u—ulvlu)/g
得知,当导叶角度向小于90o.方向调节时,由于Vlu>0,则泵的理论扬程HT小于导叶在如。时泵的扬程HT.并且,前置导叶角度取值越小,Vlu值越大,扬程降越大,故Q—H特性曲线向左移。在实际使用中,正是利用这一特性,在保持扬程基本恒定的情况下,使流量随VR角度变小而变小,从而达到减少流量的目的。而当前置导叶大于90o方向调节,此时前置导叶液流出口方向与叶轮旋转方向相反,即产生反向预旋,故Vlu<0.同样由欧拉方程可知,此时泵的扬程HT大于前置导叶在90o时的扬程。而且,前置导叶角度越大,Vlu越小,泵的扬程增加越大,Q—H特性曲线向右移。所以,可以在一定的扬程下,使泵的流量随导叶角度变大而增加。实践说明,上述作用是明显的。
2对水泵效率η的影响
由于前置导叶向90o位置两边调节,使液流在进入泵叶轮前分别产生了正向预旋和反向预旋,在叶轮叶片进口边产生绝对速度V1的圆周分量Vlu,因而使叶轮进口速度三角形发生变化,见图5所示。实线为无预旋时的速度三角形,虚线分别为产生正向预旋和反向预时的速度三角形。从图中可以看出,三种状况下的相对速度ω1大小不一样,ω′1为液流正向预旋时的相对速度;ω″1为液流反向预旋时的相对速度。显然ω1随导叶角度值增大而增大。
从图6中我们可以清楚的看到,前置导叶角度调节对水泵效率的影响是明显的。当导叶处在90o位置时,水泵运行的高效区范围最大,效率最高。当导叶角度逐步增大或逐步减小时,水泵运行效率也逐步下降。并且,导叶角度偏离90o位置越远,效率下降越大且越明显,使泵不能正常运行。因此,我们将泵的前置导叶调节角度限定在75o—110o.范围之内,以使水泵能在75%以上的效率范围内安全运行。
在75o——110o范围之内,水泵的运行效率变化,根据我们对所作测试数据的分析,有以下规律:
当导叶在75o——95o范围之内调节时,水泵的运行效率变化较小,而且效率较高;而一旦导叶向大于95o方向调节时,水泵效率将明显地加速下降。表1是三台同类型泵在不同导叶角度下运行效率的测试数据:表1不同导叶角度下泵运行效率的测试数据导叶角度75o80o85o90o95o100o105o110o
A泵效率%81.8282.2282.5182.7081.7680.2577.8976.10
B泵效率%85.6285.7385.7385.0184.0882.2679.8377.43
C泵效率%88.5087.3687.4086.9285.8084.47810779.25
对于上述现象产生的原因,可以用欧拉方程和速度三角形来分析:由前述我们知道,75o—110o.范围之内当导叶向小于90o方向调节时,液流产生正预旋Vlu,会降低泵的理论能头HT.但是,由于相对速度ω1减小,使液流对叶轮的冲击损失大为减少了,故泵的效率没有明显下降;相反,在导叶角度向大于90o方向调节时,虽然液流产生反预旋Vlu,提高了理论能头HT.但是,由于相对速度ω1增大,使液流对叶轮的冲击损失增大了,故效率有相对明显的下降。如果当导叶角度向极限以外调节时,将使流量偏离设计流量Qd,液流冲角。发生变化,此时在叶轮叶片的工作面会形成旋涡区,引起更大的冲击损失,泵的效率更低。
综上所述,我们认为:前置导叶调节引起水泵效率变化,液流的预旋和对叶轮的冲击损失是主要因素。因此,前置导叶的调节是有限度的。即使在限定的75o一110o的使用范围之内,也应避免水泵长时间在极限角度下运行。
3对水泵汽蚀性能的影响
很显然,当前置导叶向大于90的方向调节时,由于液流产生反预旋,使液流在泵叶轮入口的相对速度ω1增大,液流对叶轮产生撞击作用,随着导叶角度不断增大,这种撞击也更趋严重,对水泵的汽蚀性能有不利影响。
由水泵汽蚀基本方程:
NPSHr=λ1V20/2g十λ2ω12/2g
得知,由于相对速度ω1的增大,使得必需汽蚀余量NPSHr大大增大,从而使水泵的汽蚀性能下降。所以,在操作使用中,要依据水泵的汽蚀特性曲线以及水位和扬程的变化,调节导叶角度,以保证有效汽蚀余量NPSHa大于必需汽蚀余量NPSHr.此外,由于液流对叶轮的撞击作用,水泵叶轮处的振动值也随着导叶角度增大而变大。表2是某台泵在一定的水位时,前置导叶角度变化与叶轮处振动值的相应数值。表2 前置导叶角度与叶轮处振动值的相应变化数值导叶角度75o80o85o90o95o100o105o110o
振动值(mm/s)1.871.901.932.012.082.192.242.55
三结束语
水泵前置导叶调节能有效改变水泵运行工况,在较大程度上满足生产使用要求。同时,由于导叶调节,液流方向改变,使液流对叶轮的冲击和能头损失增大,造成泵的运行效率下降,并影响水泵的汽蚀性能。但是,只要将导叶调节范围限定在适当的区域内,那么其负面作用就不会太大。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成,供参考,如有问题请及时沟通、指正。
【学员问题】进口导叶调节风量原理?
【解答】当导叶安装角θ=0°时,导叶对进口气流基本上无作用,气流将以径向流入叶轮叶片。当θ>0°时,进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转θ角,同时对气流进口的速度有一定的节流作用,这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降,从而使运行工况点变化,实现风机流量调节。进口导叶调节的节能原理。
当进口导叶安装角由θ1=0°增大为θ2或θ3时,运行工况点由M1移至M2或M3;流量由Q1减小至Q2或Q3;轴功率由P′1减少至P′2或P′3.用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。在本工程中,曝气池深度是固定的,鼓风机在保持出口压力恒定条件下,进行流量调节,即H=常量,Q=变量时,管网的特性曲线近似于水平直线,鼓风机采用进口导叶调节,不必借助于改变管网特性曲线,可通过改变导叶的开闭角度,使风机的压力-流量性能曲线改变,流量的变化是通过将工况点移动到新的改变了的风机特性曲线上的方法实现的。
离心风机采用进口导叶调节方式,在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围,在保持出口压力恒定条件下,工作流量可在50%~100%额定流量范围内变化。调节深度愈大、省功愈多。如流量减少到额定流量的60%时,进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17%之多。此外,其结构相对简单,运行可靠,维护管理方便,初期投资低。因此,本工程中鼓风机采用进口导叶调节流量,显然是最佳调节方式。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成,供参考,如有问题请及时沟通、指正。
螺旋离心泵结构60年代由秘鲁研究成功,马丁.史泰勒先生发明, 当时是用来输送鱼类,随后用来输送固液两相流体,还可以用来排水和输送高粘度液体。(潜水工作)为防止固态物质堵塞,使之顺利的流出,开(闭)式叶轮中有一扭曲的螺旋叶片,在锥形轮毂体上由吸入孔沿轴向延长,叶片的半径铸件增大,形成螺旋推进作用,涡壳部分的叶轮像一般离心泵产生离心作用。叶片进口的锐角部分将杂物导向轴心附近,再利用螺旋作用使之沿轴向推进。这种泵像容积泵和离心泵的组合,故称螺旋离心泵。