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摘要：为了优化离心泵运行工况，运用叶轮机械设计、前置导叶预旋调节的基本理论，并结合诱导轮设计理论，设计了两种不同叶高的双吸泵前置诱导叶片.对带有不同叶高前置叶片的双吸泵进行了试验研究.研究结果表明：带有诱导叶片的双吸泵虽然扬程略有降低，且在大流量区域效率降低，但其功率消耗降低，最大可节能3.34%，且高效区往小流量偏移；14 mm叶高诱导叶片调节效果明显优于20 mm叶高诱导叶片，且能够有效地将双吸泵高效区往小流量偏移，同时降低离心泵功率消耗.
关键词：双吸离心泵； 前置导叶预旋； 叶高； 功率消耗
中图分类号： TH 311 文献标志码： A
Abstract：In order to improve the performance of the double suction centrifugal pump，front guide vanes with two different heights were designed using the basic design theory of turbomachinery and prespin regulating of guide vanes，as well as inducer design theory.The experimental studies on the impact of guide vanes with different heights on the characteristics of double suction centrifugal pump performance were also conducted.The results showed that the power consumption of the double suction pump with reasonable height of guide vanes could be reduced by 3.34%，and the guide vanes could improve the efficiency of double suction centrifugal pump at the condition of a small flow rate.The adjusting effect with 14 mm guide vanes was markedly better than that with 20 mm guide vanes.At the same time，the high efficiency district of the double suction centrifugal pump moved to the small flow rate zone，and the energy consumption could be reduced by using the 14 mm guide vanes.
Keywords：double suction centrifugal pump； front guide vane preswirl； blade height； energy consumption
离心泵耗能总量巨大，因此对其进行节能研究有着重要的意义.在离心泵实际运行中，存在着运行效率低于设计效率的现象，这主要是因为离心泵的运行工况低于设计工况的要求，而致使其长期在小流量、低效率工况下运行[1].因此，为了提高离心泵实际运行时的水力性能，除了重视泵自身的节能，还应寻求一种高效的工况调节方式[2].其中前置导叶预旋调节是一种具有较大节能潜力的工况调节方式，并且已在工程实际中得到广泛的研究与应用[3-4].在工程应用中，离心泵按叶轮吸入方式可分为单吸泵和双吸泵.目前研究较多的是运用前置导叶预旋调节方式提高单吸泵的水利性能，如文献[5]数值模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场，从而验证了离心泵前置导叶预旋调节能够有效地改善离心泵在非设计工况下的水力性能；文献[6]运用叶轮机械设计基本理论，基于整流片和Gottingen364翼型设计了正预旋角度的等厚直叶片及Gottingen弯叶片，试验研究表明，前置导叶预旋能有效改善单吸泵的水力性能，且Gottingen弯叶片前置导叶调节效果优于等厚直叶片前置导叶；文献[7]研究了前置导叶的不同安装方式对单吸泵效率及功率的影响，试验结果表明，采用前置导叶长弦端靠近中心轴的安装方式对离心泵外特性的改善效果要优于前置导叶短弦端靠近中心轴的安装方式；另外，对于带有前置导叶离心泵的空化性能也做了一定的研究[8].目前国内外学者对双吸泵做了各方面的研究[9-13]，主要有：文献[14]通过试验研究了叶轮形式对双吸泵压力脉动的影响；文献[11]运用数值模拟方法对扭曲叶片双吸泵内部流场进行了三维模拟.但是对于利用前置导叶预旋调节的方式改善双吸泵性能的研究较少，因此，对此开展研究显得尤为必要.
本文运用叶轮机械设计基本理论，并结合诱导轮设计基本理论[15]，设计了不同叶高的双吸泵前置导叶，并对加装不同叶高前置导叶的双吸泵进行外特性试验研究，从而为前置导叶的优化设计提供参考.
1 带有诱导叶片的双吸泵外特性试验研究
1.1 双吸泵诱导叶片的设计及布置
根据诱导轮设计基本理论[15]和叶轮机械设计基本理论，并考虑到叶轮进口几何空间，简化了部分计算步骤，绘制出双吸泵诱导叶片叶型简图.诱导叶片如图1所示.此处设计了不同叶高的双吸泵诱导叶片，Ⅰ型、Ⅱ型叶片的叶高分别为14、20 mm.
诱导叶片被焊接在轴套上后，将其随轴套一起安装在双吸泵叶轮两侧进口处，组装成双吸泵.诱导叶片与轴套焊接图、双吸泵诱导叶片安装图分别如图2、3所示.Ⅰ型、Ⅱ型叶片焊接好后，安装在双吸泵进口叶轮前，并在自有的试验平台上进行双吸泵外特性试验. 1.2 诱导叶片对双吸泵外特性影响分析
试验中采用DFSS15013N/2B型双吸泵.根据其样本提供的设计工况点，实测该离心泵的外特性参数，结果如表1所示.
由试验结果绘制出原型（无诱导叶片）及配有两种不同叶高诱导叶片时双吸泵外特性曲线，如图4所示.
图4（a）分别给出了原型及配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与扬程的关系.配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片导致离心泵扬程降低，Ⅰ型降低幅度要小于Ⅱ型.在3个设计工况点，配有Ⅰ型诱导叶片时双吸泵扬程分别降低0.77、0.91、1.24 m；配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵扬程分别降低1.77、1.91、2.47 m.
图4（b）分别给出了原型及配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与扬程、功率的关系.Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片均能降低离心泵功率消耗，Ⅰ型降低幅度要明显大于Ⅱ型，配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵在流量大于200 m3·h-1时功率要高于原型的情况.
图5给出了分别配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与效率的关系.经实测，配有Ⅰ型诱导
叶片时离心泵的最高效率点（Q=115 m3·h-1、η=67.26%）处的效率相对于无诱导叶片时最高效率点（Q=130 m3·h-1、η=68.18%）处的效率降低了0.92%，但是双吸泵最高效率点往小流量移动，高效区往小流量偏移.虽然在115～220 m3·h-1流量范围内离心泵效率降低，在设计工况点1、2时分别降低了4.58%、1.01%，但是其在0～115 m3·h-1流量范围内离心泵效率均有提高，在设计工况点1增加了1.68%.配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵效率在整个流量范围内均降低，在设计工况点1、2、3分别降低了3.83%、4.58%、10.98%，可见Ⅱ型诱导叶片恶化了离心泵的水力性能.
Ⅰ型和Ⅱ型诱导叶片导致的双吸泵外特性变化量的对比结果如表2所示，其中：ΔH、ΔP、Δη分别为扬程、功率、效率的变化量；负号表示降低.因此，配有诱导叶片时双吸泵虽然扬程略有降低，且在大流量区域效率降低，但是其功率消耗降低，最大可节能3.34%，而且高效区往小流量偏移.配有Ⅰ型诱导叶片时双吸泵的外特性要明显好于配有Ⅱ型前置导叶时，因为双吸泵叶轮进口前的空间比较小[16]，Ⅱ型叶片高度过高，占据空间从而对液体的排挤较为严重，增加了叶轮摩擦损失.同样，Ⅱ型诱导叶片使得双吸泵在大流量区域效率降低幅度大.这也是因为随着流量的增加，诱导叶片对液体的排挤加剧，增大了摩擦损失.
另外，小流量时[17]，诱导叶片还起到了一定的整流作用，使进入叶轮前的流体流动状态更加均匀，从而提高了双吸泵水力效率.
本文设计的叶片采用了诱导轮设计理论，诱导轮本身能够提高离心泵抗汽蚀性能，因此安装该叶片后能够改善离心泵水力性能.
2 结 论
（1） 配有诱导叶片时双吸泵虽然扬程略有降低，且在大流量区域效率降低，但是其功率消耗降低，最大可节能3.34%，而且高效区往小流量偏移.
（2） 通过对比两种不同叶高诱导叶片对双吸泵外特性的影响发现，14 mm叶高诱导叶片调节效果要明显优于20 mm叶高诱导叶片，前者能够有效地将双吸泵高效区往小流量偏移，同时降低功率消耗.
参考文献：
[1] 袁建平，张改成，陈翔.离心泵运行调节能耗分析[J].排灌机械，2006，24（5）：44-47.
[2] CUI M M.Unsteady flow around suction elbow and inlet guide vanes in a centrifugal compressor[C]∥ASME Turbo Expo 2004：Power for Land，Sea，and Air.American Society of Mechanical Engineers，2004：717-735.
[3] KOMAROV O V，REVZIN B S，BRODOV Y M.The effectiveness of using controlled power turbines in gasturbine units and regenerativecycle and simplecycle engines[J].Thermal Engineering，2006，53（2）：154-158.
[4] 孔繁余，王文廷，黄道见，等.前置导叶调节混流泵性能的数值模拟[J].农业工程学报，2010，26（10）：124-128.
[5] 桂绍波，曹树良，谭磊，等.前置导叶预旋调节离心泵性能的数值预测与试验[J].农业机械学报，2009，40（12）：101-106.
[6] 王海民，周裁民，黄雄，等.不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（6）：660-664.
[7] 王海民，林浩，黄雄，等.基于 Gottingen 翼型的离心泵前置导叶预旋调节试验[J].农业机械学报，2012，43（11）：129-133.
[8] 谭磊，曹树良，桂绍波，等.带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟[J].机械工程学报，2010，46（18）：177-182.
[9] 刘东喜，庄宿国，王健，等.双吸泵的空化性能研究[J].中国农村水利水电，2013（2）：117-121.
[10] HODKIEWICZ M R，NORTON M P.The effect of change in flow rate on the vibration of doublesuction centrifugal pumps[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering，2002，216（1）：47-58.
[11] 邵国辉，赖喜德，唐立新.扭曲叶片双吸离心泵内部流场的三维数值模拟[J].水力发电，2007，33（6）：49-52.
[12] 张计光，陈红勋，马峥，等.双吸泵内流场的三维数值模拟及流动分析[J].上海大学学报：自然科学版，2006，12（2）：186-190.
[13] 李红，袁建平，汤跃，等.提高双吸泵性能的改造试验[J].水泵技术，2006（5）：40-42.
[14] 姚志峰，王福军，杨敏，等.叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究[J].机械工程学报，2011，47（12）：133-137.
[15] 徐忠.离心式压缩机原理[M].西安：西安交通大学出版社，1976.
[16] 杨敏官.泵和水轮机的内流测试分析[M].北京：兵器工业出版社，1995.
[17] 黄欢明，高红，沈枫，等.轴流泵内流场的数值模拟与实验[J].农业机械学报，2008，39（8）：66-69.
关键词：双吸离心泵； 前置导叶预旋； 叶高； 功率消耗
中图分类号： TH 311 文献标志码： A
Abstract：In order to improve the performance of the double suction centrifugal pump，front guide vanes with two different heights were designed using the basic design theory of turbomachinery and prespin regulating of guide vanes，as well as inducer design theory.The experimental studies on the impact of guide vanes with different heights on the characteristics of double suction centrifugal pump performance were also conducted.The results showed that the power consumption of the double suction pump with reasonable height of guide vanes could be reduced by 3.34%，and the guide vanes could improve the efficiency of double suction centrifugal pump at the condition of a small flow rate.The adjusting effect with 14 mm guide vanes was markedly better than that with 20 mm guide vanes.At the same time，the high efficiency district of the double suction centrifugal pump moved to the small flow rate zone，and the energy consumption could be reduced by using the 14 mm guide vanes.
Keywords：double suction centrifugal pump； front guide vane preswirl； blade height； energy consumption
离心泵耗能总量巨大，因此对其进行节能研究有着重要的意义.在离心泵实际运行中，存在着运行效率低于设计效率的现象，这主要是因为离心泵的运行工况低于设计工况的要求，而致使其长期在小流量、低效率工况下运行[1].因此，为了提高离心泵实际运行时的水力性能，除了重视泵自身的节能，还应寻求一种高效的工况调节方式[2].其中前置导叶预旋调节是一种具有较大节能潜力的工况调节方式，并且已在工程实际中得到广泛的研究与应用[3-4].在工程应用中，离心泵按叶轮吸入方式可分为单吸泵和双吸泵.目前研究较多的是运用前置导叶预旋调节方式提高单吸泵的水利性能，如文献[5]数值模拟了不同预旋角度下前置导叶离心泵全流道的三维湍流流场，从而验证了离心泵前置导叶预旋调节能够有效地改善离心泵在非设计工况下的水力性能；文献[6]运用叶轮机械设计基本理论，基于整流片和Gottingen364翼型设计了正预旋角度的等厚直叶片及Gottingen弯叶片，试验研究表明，前置导叶预旋能有效改善单吸泵的水力性能，且Gottingen弯叶片前置导叶调节效果优于等厚直叶片前置导叶；文献[7]研究了前置导叶的不同安装方式对单吸泵效率及功率的影响，试验结果表明，采用前置导叶长弦端靠近中心轴的安装方式对离心泵外特性的改善效果要优于前置导叶短弦端靠近中心轴的安装方式；另外，对于带有前置导叶离心泵的空化性能也做了一定的研究[8].目前国内外学者对双吸泵做了各方面的研究[9-13]，主要有：文献[14]通过试验研究了叶轮形式对双吸泵压力脉动的影响；文献[11]运用数值模拟方法对扭曲叶片双吸泵内部流场进行了三维模拟.但是对于利用前置导叶预旋调节的方式改善双吸泵性能的研究较少，因此，对此开展研究显得尤为必要.
本文运用叶轮机械设计基本理论，并结合诱导轮设计基本理论[15]，设计了不同叶高的双吸泵前置导叶，并对加装不同叶高前置导叶的双吸泵进行外特性试验研究，从而为前置导叶的优化设计提供参考.
1 带有诱导叶片的双吸泵外特性试验研究
1.1 双吸泵诱导叶片的设计及布置
根据诱导轮设计基本理论[15]和叶轮机械设计基本理论，并考虑到叶轮进口几何空间，简化了部分计算步骤，绘制出双吸泵诱导叶片叶型简图.诱导叶片如图1所示.此处设计了不同叶高的双吸泵诱导叶片，Ⅰ型、Ⅱ型叶片的叶高分别为14、20 mm.
诱导叶片被焊接在轴套上后，将其随轴套一起安装在双吸泵叶轮两侧进口处，组装成双吸泵.诱导叶片与轴套焊接图、双吸泵诱导叶片安装图分别如图2、3所示.Ⅰ型、Ⅱ型叶片焊接好后，安装在双吸泵进口叶轮前，并在自有的试验平台上进行双吸泵外特性试验. 1.2 诱导叶片对双吸泵外特性影响分析
试验中采用DFSS15013N/2B型双吸泵.根据其样本提供的设计工况点，实测该离心泵的外特性参数，结果如表1所示.
由试验结果绘制出原型（无诱导叶片）及配有两种不同叶高诱导叶片时双吸泵外特性曲线，如图4所示.
图4（a）分别给出了原型及配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与扬程的关系.配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片导致离心泵扬程降低，Ⅰ型降低幅度要小于Ⅱ型.在3个设计工况点，配有Ⅰ型诱导叶片时双吸泵扬程分别降低0.77、0.91、1.24 m；配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵扬程分别降低1.77、1.91、2.47 m.
图4（b）分别给出了原型及配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与扬程、功率的关系.Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片均能降低离心泵功率消耗，Ⅰ型降低幅度要明显大于Ⅱ型，配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵在流量大于200 m3·h-1时功率要高于原型的情况.
图5给出了分别配有Ⅰ型、Ⅱ型诱导叶片时双吸泵流量与效率的关系.经实测，配有Ⅰ型诱导
叶片时离心泵的最高效率点（Q=115 m3·h-1、η=67.26%）处的效率相对于无诱导叶片时最高效率点（Q=130 m3·h-1、η=68.18%）处的效率降低了0.92%，但是双吸泵最高效率点往小流量移动，高效区往小流量偏移.虽然在115～220 m3·h-1流量范围内离心泵效率降低，在设计工况点1、2时分别降低了4.58%、1.01%，但是其在0～115 m3·h-1流量范围内离心泵效率均有提高，在设计工况点1增加了1.68%.配有Ⅱ型诱导叶片时双吸泵效率在整个流量范围内均降低，在设计工况点1、2、3分别降低了3.83%、4.58%、10.98%，可见Ⅱ型诱导叶片恶化了离心泵的水力性能.
Ⅰ型和Ⅱ型诱导叶片导致的双吸泵外特性变化量的对比结果如表2所示，其中：ΔH、ΔP、Δη分别为扬程、功率、效率的变化量；负号表示降低.因此，配有诱导叶片时双吸泵虽然扬程略有降低，且在大流量区域效率降低，但是其功率消耗降低，最大可节能3.34%，而且高效区往小流量偏移.配有Ⅰ型诱导叶片时双吸泵的外特性要明显好于配有Ⅱ型前置导叶时，因为双吸泵叶轮进口前的空间比较小[16]，Ⅱ型叶片高度过高，占据空间从而对液体的排挤较为严重，增加了叶轮摩擦损失.同样，Ⅱ型诱导叶片使得双吸泵在大流量区域效率降低幅度大.这也是因为随着流量的增加，诱导叶片对液体的排挤加剧，增大了摩擦损失.
另外，小流量时[17]，诱导叶片还起到了一定的整流作用，使进入叶轮前的流体流动状态更加均匀，从而提高了双吸泵水力效率.
本文设计的叶片采用了诱导轮设计理论，诱导轮本身能够提高离心泵抗汽蚀性能，因此安装该叶片后能够改善离心泵水力性能.
2 结 论
（1） 配有诱导叶片时双吸泵虽然扬程略有降低，且在大流量区域效率降低，但是其功率消耗降低，最大可节能3.34%，而且高效区往小流量偏移.
（2） 通过对比两种不同叶高诱导叶片对双吸泵外特性的影响发现，14 mm叶高诱导叶片调节效果要明显优于20 mm叶高诱导叶片，前者能够有效地将双吸泵高效区往小流量偏移，同时降低功率消耗.
参考文献：
[1] 袁建平，张改成，陈翔.离心泵运行调节能耗分析[J].排灌机械，2006，24（5）：44-47.
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[6] 王海民，周裁民，黄雄，等.不同翼型前置导叶正预旋对离心泵性能影响[J].排灌机械工程学报，2012，30（6）：660-664.
[7] 王海民，林浩，黄雄，等.基于 Gottingen 翼型的离心泵前置导叶预旋调节试验[J].农业机械学报，2012，43（11）：129-133.
[8] 谭磊，曹树良，桂绍波，等.带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟[J].机械工程学报，2010，46（18）：177-182.
[9] 刘东喜，庄宿国，王健，等.双吸泵的空化性能研究[J].中国农村水利水电，2013（2）：117-121.
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[11] 邵国辉，赖喜德，唐立新.扭曲叶片双吸离心泵内部流场的三维数值模拟[J].水力发电，2007，33（6）：49-52.
[12] 张计光，陈红勋，马峥，等.双吸泵内流场的三维数值模拟及流动分析[J].上海大学学报：自然科学版，2006，12（2）：186-190.
[13] 李红，袁建平，汤跃，等.提高双吸泵性能的改造试验[J].水泵技术，2006（5）：40-42.
[14] 姚志峰，王福军，杨敏，等.叶轮形式对双吸离心泵压力脉动特性影响试验研究[J].机械工程学报，2011，47（12）：133-137.
[15] 徐忠.离心式压缩机原理[M].西安：西安交通大学出版社，1976.
[16] 杨敏官.泵和水轮机的内流测试分析[M].北京：兵器工业出版社，1995.
[17] 黄欢明，高红，沈枫，等.轴流泵内流场的数值模拟与实验[J].农业机械学报，2008，39（8）：66-69.