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水 利 学 报

2022 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 2 期

文章编号：0559-9350（2022）02-0212-08

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

曾永顺 ，张世杰 ，陶 然 ，姚志峰 ，肖若富 ，刘伟超 3
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1，2
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（1. 中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；
2. 北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 100083；3. 东方电机有限公司，四川 德阳 618000）
摘要：大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水，旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅
值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素。为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响，对 3 台模型泵开
展能量特性与压力脉动同台对比实验，分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号，并进行时域和频
域分析。结果表明：泵运行流量越靠近设计流量，压力脉动峰峰值越小，且设计流量下无叶区的压力脉动峰峰值
分别是进水流道和压水室相应值的 3.7 和 1.9 倍；叶片型线改变导致出口安放角增大后，最优工况向大流量偏移，
高效区拓宽，但无叶区内压力脉动幅值增大；导叶进口安放角减小后，最优工况向小流量偏移，高效区也得到拓
宽，且无叶区内压力脉动幅值显著下降；改善叶轮出口和导叶进口的匹配关系可提高水泵能量特性，但压力脉动
仅在导叶进口安放角减小时降低。本研究可为含导叶立式离心泵水力设计提供指导。
关键词：立式离心泵；叶片；导叶；进口安放角；压力脉动
中图分类号：TV136 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210606

1 研究背景

大型含导叶立式离心泵已应用在山西万家寨泵站、云南滇池-牛栏江补水工程和珠江三角洲水资
源配置工程等高扬程调水工程 ［1-4］ 。水泵叶轮与导叶之间的动静干涉可导致过大的压力脉动，其幅值
在无叶区达到最高，可能引发机组振动超标，过流部件提前疲劳破坏 ［5-6］ 。为保障调水工程的长期高
效稳定运行，有必要在设计阶段控制该类型水泵内部非定常压力脉动。如何降低立式离心泵动静干
涉的负面效应，进而改善内部流动，是当前水力机械行业关注的一个关键问题。
传统不带导叶的蜗壳式离心泵压力脉动特性已经相对明确，其与泵内空间位置、运行流量等密
切相关 ［4-7］ 。如双吸离心泵压力脉动特性与隔舌位置具有强相关性，且距离隔舌位置越近，动静干涉
［5］
［6］
产生的叶频幅值越大，进而导致压力脉动峰峰值越高 ［4，7］ 。对于水泵水轮机，LI 等 和李浩亮等 的研
究结果表明无叶区压力脉动幅值最大，且主频为叶频。对于导叶和隔舌同时存在的立式离心泵，无
叶区内压力脉动特性更加复杂，空间位置对压力脉动特性的影响需要基于实验进一步明确。传统离
心泵研究结果表明，偏离设计流量越远，水泵压力脉动幅值越高 ［7-11］ 。原因在于设计工况的叶片进口
冲角几乎为零，水泵运行平稳，该工况下水泵内部压力脉动也最低 ［7-9］ 。在偏离设计工况时，叶片进
口冲角造成的水泵叶轮内部压力分布不均匀性增加。特别是在小流量下会发生流动分离，导致旋转
［7］
失速 ［10-11］ 。已有实验表明，压力脉动在 0.4 倍设计流量下可达到设计流量下的 4 倍左右 。对于带导叶
的立式离心泵，不同流量下叶片出口与导叶进口流动方向的不匹配，可能导致无叶区内压力脉动特
性更加复杂。非设计工况下该泵型无叶区内叶频及其倍频成分的压力脉动需要重点关注。

收稿日期：2021-07-03；网络首发时间：2022-01-05
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220104.2129.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51879266，51839001）；中国农业大学 2115 人才工程项目（00109020）
作者简介：曾永顺（1993-），博士生，主要从事水力机械流固耦合研究。E-mail：yongshunzeng@cau.edu.cn
通讯作者：姚志峰（1984-），副教授，主要从事水力机械流动理论、泵站水动力学研究。E-mail：yzf@cau.edu.cn
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