由于斜流泵兼有離心泵和軸流泵的優點,其應用范圍越來越廣。首先根據比轉速的不同對斜流泵進行了分類,介紹了斜流泵的結構特點、能量特性以及存在的問題。對現有的斜流泵的設計方法即傳統設計法、逆向求解設計法以及控制速度矩設計法的優勢及不足進行了總結。在斜流泵的設計中需要注意的細節包括輪緣間隙、葉片角變化、繪型技術以及軸面圖設計等。軸面圖設計是影響斜流泵性能的一個重要因素,通過合理的改進軸面圖形狀,可以提高設計點效率、改善小流量點的駝峰。應用PIV測試以及CFD技術可以獲取并分析斜流泵的內部流動特性。

1、前言

　　斜流泵也稱為導葉式混流泵,具有外徑小、占地面積少、易啟動以及效率高等優點,是一種性能和結構介于離心泵和軸流泵之間的水泵,具有兩者的優點,補償了兩者的缺點。斜流泵的比轉速傳統應用范圍在290～590,目前其應用范圍已開始逐漸向傳統的離心泵和軸流泵領域拓展。通過合理設計以及對葉輪葉片進行調節,斜流泵可以實現大范圍的高效穩定運行。由于斜流泵具有上述優點,使其在海水脫鹽系統以及火力發電和核電站的循環水系統中廣泛采用,據日本透平機械協會統計,日本泵制造業在2003～2006年間為全球的火電站和核電站提供的循環水泵中斜流泵超過了93%,其中最大口徑達4m。國內的斜流泵研究和生產與軸流泵和離心泵相比有很大的差距,其試驗和理論研究都非常薄弱。

　　為了方便斜流泵的研究和設計,將斜流泵按比轉速分類如表1所示。

表1　斜流泵分類

2、斜流泵結構特點與能量特性

　　從水力結構看,斜流泵過流部件主要包括葉輪和導葉兩部分,有的還包括進水導流部件,葉輪葉片有可調與不可調兩種,通常情況下低比轉速葉輪為不可調式的閉式葉輪,中高比轉速葉輪為可調式的開式葉輪。圖1為常見的幾種不同比轉速下斜流泵的水力結構形式。

圖1　斜流泵水力結構

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

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———設計點揚程
　　g———重力加速度
　　<———流量系數
　　ψ———揚程系數

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

a) 　不可調葉片(b) 　葉片可調ns=800

圖2　斜流泵無量綱能量曲線

3、斜流泵設計方法

3.1、傳統設計方法

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

3.2、逆向求解設計法

　　逆向求解設計法是預先設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計方法。該方法最早由後藤彰等提出并在低比轉速斜流泵的設計中應用。然而,雖然現在CFD技術可以對透平機械內部流動進行三元求解,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的流道形狀。桜井應用逆向求解設計法根據兩種不同的預設葉片表面載荷設計了兩種高比轉速斜流泵葉輪并試驗研究比較了其性能,對于高比轉速斜流泵,采用逆向求解設計法可以有效提高設計點的效率,但是無法改善馬鞍形曲線。隨后後藤又將該方法發展到所有類型泵葉片/流道的設計中并建立了三維CAD/CFD交互系統,在該系統中含有一個前人工作積累的數據庫用于設置初始葉片軸面形狀和葉片表面載荷分布。