超低比转速高速诱导轮离心水泵关键难题

小流量工作不稳定性是超低比转速高速诱导轮离心水泵的必须要解决的三个关键难题之一。如果水泵的扬程流量特性线存在正斜率上升段，当水泵在低于驼峰点的小流量工况下运行时，会出现喘振，其特征表现为流动参数如出口压力发生波动及管线振动，这种现象称为小流量不稳定。本章主要从设计角度出发，弄清这些小流量不稳定的形成机理并分析其影响因素，从而来指导低比转速高速诱导轮离心水泵的设计，使高速离心水泵的扬程流量特性线H~Q不存在正斜率上升段，即高速离心水泵具有很好的小流量工作稳定性。

其实诱导轮和离心轮进口的回流实际上是由于旋转叶片对液流的作用力不均匀而引起的，由于离心力的作用，使外缘处与靠近转轴中心形成压差，在进口边缘的外缘处比内缘处的压力高而旋转叶片的运动一直保持这种运动压差，因此导致叶片进口外缘倒流到进口管，再回到主流，当回流返回主流时，它将带动主流作旋转运动，这样就形成预旋。

由于设计人员在设计低比转速高速诱导轮离心水泵时往往采用正冲角方法，即为了保证诱导轮产生的扬程能够满足离心轮进口的能量要求，取诱导轮叶片进口角大于液流角，同时为使离心轮获得较好的汽蚀性能，也取其叶片进口角大于液流角；另外为了获得较高的效率，在设计超低比转速高速诱导轮离心水泵时普遍采用加大流量设计，这就使运行工况下的实际液流角小于设计工况下的液流角，这样就使诱导轮和离心轮进口前缘都具有不均匀的圆周速度分量，从而产生绕流线的旋涡。因此诱导轮和离心轮的进口回流实际上也就是由于旋转叶片边缘处的液流圆周分速不均匀引起的，是包含垂直于轴面的旋涡和绕流线旋涡的回漩流。

1.2 产生不稳定现象的机理

产生小流量不稳定现象的原因主要是诱导轮进口前缘外径处产生的回旋流、离心轮进口的回流、叶轮流道里的二次流、叶轮流道内的尾迹-射流结构与流动分离、以及叶轮与蜗壳联合工作时出现的叶轮出口二次流等。这些因素的存在，一方面影响了高速离心水泵的流场分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量区的扬程和效率下降，因此就很容易使高速离心水泵特性线出现正斜率上升段，从而使高速离心水泵在小流量工况下产生不稳定现象。下面就对这几种不稳定因素的产生机理进行阐述。

1.2.1进口回流产生的机理

关于水泵叶轮进口回流产生的机理国内外许多学者作了研究。Stepanoff[1]是较早对离心水泵叶轮进口回流机理进行研究的学者之一，他认为液体流动是靠能量坡度维持的，在流量降低到了接近零时，由于液体惯性力的作用，叶轮有可能使其进口周围的圆周速度增加，因此管壁附近的能量增加，这使得维持液体沿流线流动所必须的能量坡度不在存在，因此就在叶轮进口附近的液流发生倒流。Fraser[2]认为离心扬程对于给定的叶轮直径和流量来说是不变的，而动扬程是流量的函数，在扬程流量曲线上某些点，动扬程一旦超过离心扬程，那么在这些点压力梯度反向，导致了流动方向相反，即产生回流现象。文献3从理论和实验两方面分析了低比转速离心水泵叶轮进口回流产生的机理，认为旋转速度分量是叶轮进口回流产生的主要原因，并指出回流是导致小流量不稳定现象的主要原因。