由于斜流泵兼有離心泵和軸流泵的優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用范圍越來越廣。首先根據(jù)比轉(zhuǎn)速的不同對斜流泵進(jìn)行了分類,介紹了斜流泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、能量特性以及存在的問題。對現(xiàn)有的斜流泵的設(shè)計(jì)方法即傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法、逆向求解設(shè)計(jì)法以及控制速度矩設(shè)計(jì)法的優(yōu)勢及不足進(jìn)行了總結(jié)。在斜流泵的設(shè)計(jì)中需要注意的細(xì)節(jié)包括輪緣間隙、葉片角變化、繪型技術(shù)以及軸面圖設(shè)計(jì)等。軸面圖設(shè)計(jì)是影響斜流泵性能的一個重要因素,通過合理的改進(jìn)軸面圖形狀,可以提高設(shè)計(jì)點(diǎn)效率、改善小流量點(diǎn)的駝峰。應(yīng)用PIV測試以及CFD技術(shù)可以獲取并分析斜流泵的內(nèi)部流動特性。

1、前言

　　斜流泵也稱為導(dǎo)葉式混流泵,具有外徑小、占地面積少、易啟動以及效率高等優(yōu)點(diǎn),是一種性能和結(jié)構(gòu)介于離心泵和軸流泵之間的水泵,具有兩者的優(yōu)點(diǎn),補(bǔ)償了兩者的缺點(diǎn)。斜流泵的比轉(zhuǎn)速傳統(tǒng)應(yīng)用范圍在290～590,目前其應(yīng)用范圍已開始逐漸向傳統(tǒng)的離心泵和軸流泵領(lǐng)域拓展。通過合理設(shè)計(jì)以及對葉輪葉片進(jìn)行調(diào)節(jié),斜流泵可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效穩(wěn)定運(yùn)行。由于斜流泵具有上述優(yōu)點(diǎn),使其在海水脫鹽系統(tǒng)以及火力發(fā)電和核電站的循環(huán)水系統(tǒng)中廣泛采用,據(jù)日本透平機(jī)械協(xié)會統(tǒng)計(jì),日本泵制造業(yè)在2003～2006年間為全球的火電站和核電站提供的循環(huán)水泵中斜流泵超過了93%,其中最大口徑達(dá)4m。國內(nèi)的斜流泵研究和生產(chǎn)與軸流泵和離心泵相比有很大的差距,其試驗(yàn)和理論研究都非常薄弱。

　　為了方便斜流泵的研究和設(shè)計(jì),將斜流泵按比轉(zhuǎn)速分類如表1所示。

表1　斜流泵分類

2、斜流泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與能量特性

　　從水力結(jié)構(gòu)看,斜流泵過流部件主要包括葉輪和導(dǎo)葉兩部分,有的還包括進(jìn)水導(dǎo)流部件,葉輪葉片有可調(diào)與不可調(diào)兩種,通常情況下低比轉(zhuǎn)速葉輪為不可調(diào)式的閉式葉輪,中高比轉(zhuǎn)速葉輪為可調(diào)式的開式葉輪。圖1為常見的幾種不同比轉(zhuǎn)速下斜流泵的水力結(jié)構(gòu)形式。

圖1　斜流泵水力結(jié)構(gòu)

　　圖2所示為部分斜流泵的無量綱能量曲線。流量系數(shù)<和揚(yáng)程系數(shù)ψ的計(jì)算式為 :

式中V_2m ———葉輪出口的軸面流速
　　U_2m ———葉輪出口均方根直徑處圓周速度
　　H———設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程
　　g———重力加速度
　　<———流量系數(shù)
　　ψ———揚(yáng)程系數(shù)

　　由圖2可以看出,在設(shè)計(jì)流量的0.5～0.7倍附近,流量- 揚(yáng)程曲線出現(xiàn)正斜率,也就是通常說的馬鞍型曲線,斜流泵的這一不穩(wěn)定特性會產(chǎn)生振動和噪聲等不良現(xiàn)象。都築和豊倉等認(rèn)為這是由于在該小流量點(diǎn)工況下葉輪進(jìn)口回流損失引起的,前者還通過改善葉輪輪轂進(jìn)口的設(shè)計(jì)消除了這一馬鞍型。而Miyabe則通過PIV試驗(yàn)研究認(rèn)為是由于葉輪進(jìn)口處的脫流傳播到導(dǎo)葉進(jìn)口與葉輪出口之間進(jìn)而在此處形成回流引起的 。

a) 　不可調(diào)葉片(b) 　葉片可調(diào)ns=800

圖2　斜流泵無量綱能量曲線

3、斜流泵設(shè)計(jì)方法

3.1、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

　　斜流泵導(dǎo)葉以及葉輪的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要是基于泵的一元設(shè)計(jì)理論,通過計(jì)算進(jìn)出口速度三角形并借助模型換算等手段來進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計(jì)方法。通常采用的葉片繪型方法有逐點(diǎn)繪型法和保角變換法。隨著斜流泵的應(yīng)用范圍的拓展,特別是向高比轉(zhuǎn)速方向發(fā)展的需要,很多研究人員開始對傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行調(diào)整和修正。例如關(guān)醒凡為了避免或者減少高比轉(zhuǎn)速斜流泵內(nèi)的回流、二次流以及改善汽蝕性能等,在設(shè)計(jì)過程中提出了四點(diǎn)需要改進(jìn)的地方。何希杰針對斜流泵不同的軸面形狀,推導(dǎo)了葉型的空間方程,并對一些優(yōu)秀水力模型進(jìn)行了回歸分析,豐富了斜流泵的設(shè)計(jì)資料。

3.2、逆向求解設(shè)計(jì)法

　　逆向求解設(shè)計(jì)法是預(yù)先設(shè)置葉片表面的載荷分布,然后以渦列替代葉片求解葉片表面的載荷以滿足給定條件的一種逆向設(shè)計(jì)方法。該方法最早由後藤彰等提出并在低比轉(zhuǎn)速斜流泵的設(shè)計(jì)中應(yīng)用。然而,雖然現(xiàn)在CFD技術(shù)可以對透平機(jī)械內(nèi)部流動進(jìn)行三元求解,也能分析葉片幾何形狀的變化對流場的影響,但是,還無法確切的知道什么樣的葉片載荷分布是最合理的,因此也就無法依靠逆向求解方法獲得最優(yōu)的流道形狀。桜井應(yīng)用逆向求解設(shè)計(jì)法根據(jù)兩種不同的預(yù)設(shè)葉片表面載荷設(shè)計(jì)了兩種高比轉(zhuǎn)速斜流泵葉輪并試驗(yàn)研究比較了其性能,對于高比轉(zhuǎn)速斜流泵,采用逆向求解設(shè)計(jì)法可以有效提高設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率,但是無法改善馬鞍形曲線。隨后後藤又將該方法發(fā)展到所有類型泵葉片/流道的設(shè)計(jì)中并建立了三維CAD/CFD交互系統(tǒng),在該系統(tǒng)中含有一個前人工作積累的數(shù)據(jù)庫用于設(shè)置初始葉片軸面形狀和葉片表面載荷分布。