軸流泵雙駝峰特性與內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試研究

謝榮盛 華爾天 徐高歡 郭曉梅 楊 帆 湯方平

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310023； 2.浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 杭州 310018；3.揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 揚(yáng)州 225009)

0 引言

軸流泵適用于低揚(yáng)程大流量場(chǎng)合，在多種領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1-2]。但軸流泵性能曲線的高效區(qū)范圍較窄，在實(shí)際運(yùn)行中易受工況波動(dòng)影響[3]，在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況，特別是小流量工況下運(yùn)行時(shí)，揚(yáng)程-流量曲線往往會(huì)出現(xiàn)“S”型不穩(wěn)定振蕩現(xiàn)象，即能量特性曲線的駝峰現(xiàn)象，出現(xiàn)馬鞍區(qū)，其相應(yīng)工況下的內(nèi)流場(chǎng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹫麄€(gè)機(jī)組的強(qiáng)烈震動(dòng)，對(duì)泵站系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及可靠性構(gòu)成極大威脅。

透平機(jī)械在小流量工況下表現(xiàn)出的不穩(wěn)性一直得到廣大科研工作者的關(guān)注[4-7]。小流量工況下水泵的失速現(xiàn)象與性能曲線的正斜率往往聯(lián)系在一起，但是水泵性能曲線的拐點(diǎn)現(xiàn)象并不等同于失速[8]。文獻(xiàn)[9]給出離心泵交替失速和旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下失速團(tuán)的演變過程及其誘導(dǎo)的壓力脈動(dòng)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]對(duì)軸流泵馬鞍區(qū)的壓力脈動(dòng)分布進(jìn)行了測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)失速下的壓力脈動(dòng)出現(xiàn)明顯的噪聲。文獻(xiàn)[11]探討了輪緣間隙對(duì)混流泵旋轉(zhuǎn)失速特性的影響，發(fā)現(xiàn)間隙泄漏強(qiáng)度與失速密切相關(guān)。近年來，為了提高葉輪的有效運(yùn)行范圍，學(xué)者們?cè)谌~輪設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、抑制葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[12-23]。

針對(duì)小流量駝峰問題的研究已開展了較為深入系統(tǒng)的工作，也取得了不少成果，通常認(rèn)為軸流泵在0.5QBEP(最優(yōu)流量工況)附近發(fā)生失速，伴隨著揚(yáng)程-流量曲線的駝峰現(xiàn)象出現(xiàn)，部分水體從上一級(jí)葉片通道出口流入下一級(jí)葉片通道，堵塞葉輪內(nèi)部空間，葉輪進(jìn)口外側(cè)的回流及進(jìn)口壓力脈動(dòng)出現(xiàn)劇增[24-25]。列入國(guó)家型譜的軸流泵性能測(cè)試結(jié)果表明，有近半數(shù)的性能曲線在小流量工況下存在雙駝峰現(xiàn)象[26]，但由于軸流泵失速下內(nèi)流場(chǎng)表現(xiàn)出的非定常特性，且有各種尺度的渦混合，共同影響著性能特性，目前不同預(yù)測(cè)模型對(duì)內(nèi)流場(chǎng)得出的結(jié)果不盡相同，缺乏有力的內(nèi)流場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)軸流泵雙駝峰現(xiàn)象對(duì)應(yīng)流動(dòng)機(jī)理的研究較少。同時(shí)由于失速后葉片通道內(nèi)流場(chǎng)表現(xiàn)出的復(fù)雜性，不同泵型表現(xiàn)出來的規(guī)律不盡相同，對(duì)于引起該現(xiàn)象的成因尚未形成統(tǒng)一的解釋，對(duì)軸流泵雙駝峰現(xiàn)象與內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)某軸流泵在小流量工況下出現(xiàn)的揚(yáng)程-流量曲線雙駝峰現(xiàn)象，通過試驗(yàn)手段，依次開展外特性曲線測(cè)試、高速攝像機(jī)拍攝示蹤氣泡軌跡、葉輪進(jìn)出口外緣的壓力脈動(dòng)測(cè)試和葉輪內(nèi)部流場(chǎng)激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler velocity，LDV)測(cè)試，探討軸流泵小流量工況下雙駝峰現(xiàn)象不同的流動(dòng)機(jī)理。

1 軸流泵試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試設(shè)備

為了研究軸流泵在小流量工況下的流場(chǎng)特性，搭建了能夠在小流量工況穩(wěn)定運(yùn)行的軸流泵試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，測(cè)試用軸流泵水力模型原型為TJ-04-25型軸流泵水力模型，經(jīng)過改型演變而來。葉片經(jīng)數(shù)控加工而成，保證表面精度，葉輪室采用透明有機(jī)玻璃制成，導(dǎo)葉體、擴(kuò)散段及彎頭段采用不銹鋼分段加工裝配而成。其中軸流泵結(jié)構(gòu)及測(cè)試葉輪圖片如圖2所示，主泵葉輪外緣為圓柱面，直徑D為150 mm，名義比轉(zhuǎn)數(shù)ns為825，輪轂比d/D為0.4(d表示輪轂直徑)，葉頂間隙最小值為0.2 mm。限于篇幅，測(cè)試系統(tǒng)具體見文獻(xiàn)[27]。小流量工況下軸流泵雙駝峰的內(nèi)外特性研究中采用的儀器及其工作參數(shù)如表1所示。

圖1 軸流泵試驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 Axial flow pump test bench1.主泵系統(tǒng) 2.輔助泵系統(tǒng) 3.流量計(jì) 4.穩(wěn)壓罐 5.整流柵 6.漸縮管 7.蝶閥 8.進(jìn)出水孔

圖2 主泵結(jié)構(gòu)及測(cè)試葉輪圖片F(xiàn)ig.2 Photo of main pump structure and test impeller

表1 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要儀器設(shè)備Tab.1 Main instruments and equipment of test and measurement system

流量、揚(yáng)程、扭矩及轉(zhuǎn)速傳感器配合使用可以獲得軸流泵外特性曲線，相關(guān)公式參照文獻(xiàn)[1]。內(nèi)流場(chǎng)通過高速攝像機(jī)對(duì)葉輪進(jìn)口的示蹤粒子拍攝合成軌跡圖，獲取來流速度分布，再通過數(shù)字壓力傳感器獲得葉輪進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)，最后針對(duì)特征工況點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)出口LDV速度測(cè)試，獲取不同工況下的速度分布規(guī)律，通過軸流泵的內(nèi)外特性綜合分析雙駝峰現(xiàn)象與流場(chǎng)關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 能量特性曲線

能量特性試驗(yàn)方法依照SL-140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，單點(diǎn)測(cè)試采集不少于15點(diǎn)，取平均值。最優(yōu)效率下試驗(yàn)臺(tái)的綜合不確定度Er為0.75%。

為了能夠充分捕捉到雙駝峰現(xiàn)象，對(duì)小流量工況下的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了加密處理。為了盡可能減小試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定性引起的誤差，試驗(yàn)在兩個(gè)轉(zhuǎn)速1 000、1 500 r/min下分別進(jìn)行，工況調(diào)節(jié)通過輔助泵反向旋轉(zhuǎn)制動(dòng)與調(diào)節(jié)閥門開度方式進(jìn)行。為了便于對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線特性，以最高效率點(diǎn)為參照，將揚(yáng)程及流量轉(zhuǎn)化為相對(duì)值處理，測(cè)試所得的外特性曲線如圖3所示。圖中Q、H、P、η分別表示流量、揚(yáng)程、功率、效率，下標(biāo)BEP表示最優(yōu)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)， 1 000 r/min下最高效率對(duì)應(yīng)的流量QBEP為30 L/s，揚(yáng)程HBEP為0.70 m。由于在第2次駝峰區(qū)域運(yùn)行時(shí)，流量工況無法穩(wěn)定，性能曲線中不穩(wěn)定區(qū)間采用間斷線表示。

圖3 外特性測(cè)試結(jié)果Fig.3 External characteristic test results

由圖3a可知，在0.6QBEP～1.2QBEP之間揚(yáng)程隨著流量的減小而逐漸增加。對(duì)揚(yáng)程-流量曲線擬合，當(dāng)采用線性擬合時(shí)，R2為0.935 7，當(dāng)采用系數(shù)為2的多項(xiàng)式擬合時(shí)，R2為0.999 1，可認(rèn)為揚(yáng)程-流量曲線在0.6QBEP～1.2QBEP范圍之間較好滿足二次曲線關(guān)系。當(dāng)流量進(jìn)一步減小時(shí)，揚(yáng)程-流量曲線出現(xiàn)波動(dòng)，在0.5QBEP～0.6QBEP之間揚(yáng)程-流量曲線第1次出現(xiàn)駝峰，隨著流量的進(jìn)一步減小揚(yáng)程繼續(xù)增加，直至達(dá)到0.4QBEP工況時(shí)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行。在0.33QBEP～0.4QBEP之間揚(yáng)程-流量曲線會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定的駝峰區(qū)域，如圖3a曲線間斷區(qū)域所示，無論是單獨(dú)控制閘門、輔助泵，還是聯(lián)合控制，無論流量是增加還是減小，1 000 r/min下第2次駝峰間斷區(qū)域的右側(cè)穩(wěn)定出現(xiàn)在0.4QBEP,左側(cè)穩(wěn)定出現(xiàn)在0.33QBEP。至0.18QBEP時(shí)揚(yáng)程-流量曲線的正斜率段消失，當(dāng)流量進(jìn)一步減小時(shí)揚(yáng)程迅速增加，且斜率絕對(duì)值遠(yuǎn)大于其余工況。

由圖3b可知，不同轉(zhuǎn)速下性能曲線保持較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揚(yáng)程-流量曲線均出現(xiàn)了兩次駝峰現(xiàn)象，軸功率-流量相對(duì)值曲線僅在揚(yáng)程-流量曲線第1次出現(xiàn)駝峰的地方出現(xiàn)了下凹區(qū)間。在流量小于0.4QBEP，揚(yáng)程-流量曲線的第2次駝峰區(qū)域出現(xiàn)時(shí)，相對(duì)軸功率與相對(duì)流量的斜率絕對(duì)值迅速增大。

2.2 葉輪進(jìn)口示蹤氣泡跡線

為清晰捕捉軸流泵葉輪室進(jìn)口處在不同特征工況下速度變化情況，采用高速攝像機(jī)對(duì)軸流泵葉輪進(jìn)口前的流場(chǎng)進(jìn)行拍攝，通過在葉輪室進(jìn)口加入微量氣泡，捕獲氣泡移動(dòng)形成的跡線來體現(xiàn)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從進(jìn)口速度場(chǎng)的變化中尋找不同駝峰區(qū)出現(xiàn)的原因。圖4為拍攝工況、區(qū)域示意圖及拍攝圖像。圖5為選取典型工況下葉輪進(jìn)口前示蹤氣泡跡線圖。

圖4 拍攝工況及拍攝區(qū)域示意圖Fig.4 Schematics of shooting conditions and shooting area

圖5表明：設(shè)計(jì)工況QBEP附近葉輪進(jìn)口的跡線幾乎為軸向，不受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，與常規(guī)假設(shè)相符；揚(yáng)程-流量曲線第1次出現(xiàn)拐點(diǎn)位置0.6QBEP，此時(shí)葉輪進(jìn)口的速度出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，對(duì)應(yīng)葉輪進(jìn)口的示蹤氣泡跡線出現(xiàn)了切向波動(dòng)；在失速不穩(wěn)定臨界工況，對(duì)應(yīng)0.4QBEP工況，葉輪進(jìn)口的示蹤氣泡跡線出現(xiàn)明顯的傾斜，表明進(jìn)口水流出現(xiàn)明顯的回旋，在失速不穩(wěn)定工況0.36QBEP中，采用瞬態(tài)結(jié)果表明同一流量下表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，不同時(shí)刻提取出來的示蹤氣泡跡線表現(xiàn)出明顯的不一致，表明葉輪進(jìn)口的速度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，表現(xiàn)出明顯不穩(wěn)定性；在失速結(jié)束后，對(duì)應(yīng)0.24QBEP工況，葉輪進(jìn)口速度分布雖然表現(xiàn)出明顯的旋轉(zhuǎn)速度分布，但總體保持穩(wěn)定。

圖5 不同工況下葉輪進(jìn)口前示蹤氣泡跡線Fig.5 Traces of bubbles in front of impeller inlet under different working conditions

從進(jìn)口示蹤氣泡的軌跡線可以得出揚(yáng)程-流量曲線在第1次出現(xiàn)拐點(diǎn)位置時(shí)對(duì)應(yīng)葉輪進(jìn)口的速度出現(xiàn)了明顯的切向波動(dòng)，但整體運(yùn)行仍然穩(wěn)定，在第2次出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，葉輪進(jìn)口流場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定性。

2.3 葉輪室進(jìn)出口壓力脈動(dòng)測(cè)試

為了進(jìn)一步研究葉輪進(jìn)出口的內(nèi)流場(chǎng)在雙駝峰下的特性，探討性能曲線突變與壓力脈動(dòng)的規(guī)律，進(jìn)行了葉輪進(jìn)口壁面壓力脈動(dòng)測(cè)試。壓力傳感器的布置如圖6所示，測(cè)點(diǎn)1～4為葉輪進(jìn)口側(cè)，呈斜45°排列，沿主軸軸向方向間距均為10 mm，測(cè)點(diǎn)1與葉片最外緣進(jìn)口頭部距離為12 mm。測(cè)點(diǎn)5、6為葉輪出口側(cè)，測(cè)點(diǎn)5位于正對(duì)導(dǎo)葉處，測(cè)點(diǎn)6位于兩片導(dǎo)葉中間，測(cè)點(diǎn)5、6的相位角相差36°。為了剔除局部擾動(dòng)對(duì)壓力脈動(dòng)峰峰值的影響，選取97%置信區(qū)間的右臨界點(diǎn)作為壓力脈動(dòng)峰峰值ppk，不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值如圖7所示。

圖6 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Pressure pulsation measuring point layout

圖7 壓力脈動(dòng)峰峰值分布Fig.7 Pressure pulsation peak-to-peak value

由圖7可知，進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值沿著遠(yuǎn)離葉輪方向幅值迅速下降，在最優(yōu)工況附近壓力脈動(dòng)整體較低。在流量降低至0.58QBEP時(shí)，進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程-流量曲線的第1個(gè)駝峰區(qū)域。在流量工況小于0.58QBEP時(shí)，離葉輪最近測(cè)點(diǎn)1的壓力脈動(dòng)峰峰值出現(xiàn)遞減，測(cè)點(diǎn)2～4有所增加，但幅值均小于測(cè)點(diǎn)1，說明進(jìn)口的切向速度影響范圍向葉輪來流側(cè)延伸，聯(lián)合示蹤氣泡跡線圖說明葉輪進(jìn)口雖然存在切向速度，但是脈動(dòng)逐漸降低，流場(chǎng)反而穩(wěn)定。

葉輪出口的測(cè)點(diǎn)5、6在小于0.58QBEP之后出現(xiàn)明顯的差別，主要是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)5位于導(dǎo)葉正上方，導(dǎo)葉起到了有效的整流作用，表現(xiàn)出明顯的壓力脈動(dòng)幅值減小。而測(cè)點(diǎn)6位于兩導(dǎo)葉之間，導(dǎo)葉對(duì)其作用很小。在流量工況小于0.4QBEP，對(duì)應(yīng)第2次駝峰區(qū)域后隨著流量的減小壓力脈動(dòng)峰峰值迅速增加，并超過葉輪進(jìn)口成為裝置最主要的脈動(dòng)。而葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值在經(jīng)歷第2個(gè)駝峰區(qū)域之后并沒有表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)。

總結(jié)進(jìn)出口的壓力脈動(dòng)分布規(guī)律可以得出葉輪性能曲線的第1個(gè)駝峰區(qū)域?qū)?yīng)進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值突變，第2個(gè)駝峰區(qū)域?qū)?yīng)出口的壓力脈動(dòng)峰峰值突變。

2.4 葉輪進(jìn)出口速度分布

為了獲取葉輪進(jìn)出口的速度分布，采用LDV無接觸的測(cè)試設(shè)備對(duì)葉輪進(jìn)出口的截面進(jìn)行了速度測(cè)試，觀測(cè)其在揚(yáng)程-流量曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)部位的速度分布特征，測(cè)試截面如圖8所示。

圖8 葉輪進(jìn)出口速度分布截面測(cè)試位置Fig.8 Test position of speed distribution section of impeller inlet and outlet

2.4.1切向速度分布

由水泵的基本理論可知，性能曲線與進(jìn)出口速度的切向速度密切相關(guān)，駝峰形成時(shí)進(jìn)出口的切向速度變化最明顯，分別提取進(jìn)出口的切向速度，以環(huán)量Γ為縱坐標(biāo)，徑向無量綱因子Span值為橫坐標(biāo)，如圖9所示。Span值為(r-r1)/(r2-r1)，其中r表示半徑，r1表示輪轂半徑，r2表示輪緣半徑。

圖9 葉輪進(jìn)出口環(huán)量分布Fig.9 Circulation distributions of impeller inlet and outlet

葉輪進(jìn)口的環(huán)量在0.6QBEP～QBEP流量工況下均為零，到0.5QBEP時(shí)葉輪進(jìn)口形成明顯的切向速度，進(jìn)口的環(huán)量逐漸增加，與圖5示蹤氣泡的跡線圖相對(duì)應(yīng)。隨著流量的減小，切向速度增加，環(huán)量逐漸增加，切向速度的影響區(qū)域也逐漸增加，但是輪轂側(cè)切向速度在測(cè)試中的最小流量工況0.3QBEP環(huán)量也幾乎為零，說明葉輪進(jìn)口的切向速度主要影響外側(cè)區(qū)域。

葉輪出口的環(huán)量在QBEP工況下外緣略大于內(nèi)側(cè)，在外緣Span值從0.8到1.0位置會(huì)有明顯的局部遞增。從QBEP到0.8QBEP，出口環(huán)量在Span值從0到0.25位置逐漸增加，而在Span值從0.25到1.0位置為整體增加。到0.6QBEP時(shí)近輪轂側(cè)的環(huán)量有所減小，而外緣側(cè)的環(huán)量增加明顯高于內(nèi)側(cè)。從0.6QBEP到0.4QBEP環(huán)量在輪轂側(cè)幾乎保持不變，主要在中部及外緣增加。從0.4QBEP到0.3QBEP時(shí)，輪緣側(cè)的環(huán)量也有所減小。

2.4.2軸向速度分布

非設(shè)計(jì)工況下水泵內(nèi)部流場(chǎng)不再滿足內(nèi)外半徑圓柱面無關(guān)假設(shè)，水流在不同的半徑處遷移，必然形成不同半徑處軸向速度的分布不均，同時(shí)，由于沿著圓周方向在葉片壓力面及吸力面的影響下，軸向速度vz也必然存在較明顯的區(qū)別。為此，將不同時(shí)刻測(cè)試的葉輪進(jìn)出口軸向速度沿圓周方向展開，形成葉輪進(jìn)口及出口軸向速度分布(圖10、11)。

由圖10、11可見，隨著流量的減小，整體上軸向速度均值逐漸減小，但是分布上表現(xiàn)出不一樣的特性。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量小于0.6QBEP之后，局部速度會(huì)出現(xiàn)增加的情況，主要是在兩葉片之間外緣出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，必然迫使主流偏向一側(cè)形成局部高流速區(qū)域，也對(duì)應(yīng)了進(jìn)口切向速度的增加及壓力脈動(dòng)的劇增，隨著流量的減小，雖然回流有所加強(qiáng)，但軸向速度的降低不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口外緣脈動(dòng)持續(xù)增強(qiáng)。進(jìn)口輪緣側(cè)的回流與揚(yáng)程-流量曲線的第1次駝峰出現(xiàn)密切相關(guān)，目前不少研究中通過在葉輪進(jìn)口設(shè)置各種方案抑制回流有效抑制駝峰區(qū)域[14-17]，與本文試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)論一致。

揚(yáng)程-流量曲線的第2次駝峰區(qū)與出口的壓力脈動(dòng)峰峰值極大值區(qū)域相對(duì)應(yīng)，由圖11可知，輪緣側(cè)的速度脈動(dòng)在小于0.6QBEP之后已經(jīng)形成，受工況的變化影響不大，而在輪轂及葉片中間的速度分布不均勻度有明顯惡化趨勢(shì)，特別是從0.4QBEP到0.3QBEP隨著流量的減小近輪轂側(cè)的回流增強(qiáng)，葉片通道出口局部軸向速度增加。可見，通過對(duì)葉輪出口側(cè)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整可以有效改善此部分的不穩(wěn)定區(qū)域，文獻(xiàn)[19]中將下環(huán)轉(zhuǎn)輪半徑擴(kuò)大，減小安放角能明顯增加駝峰裕度，很好地印證了本文的研究結(jié)果。

圖11 葉輪出口軸向速度云圖分布Fig.11 Distributions of axial velocity cloud diagram of impeller outlet

3 雙駝峰現(xiàn)象機(jī)理分析

通過對(duì)軸流泵葉輪內(nèi)外特性測(cè)試獲得軸流泵雙駝峰下對(duì)應(yīng)的典型流場(chǎng)變化。但是由于失速工況下葉輪內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)于形成機(jī)理，學(xué)者們作出過很多解釋。本文從測(cè)試所得數(shù)據(jù)出發(fā)，得出：雙駝峰的出現(xiàn)均與葉輪通道內(nèi)部流場(chǎng)的變化相關(guān)，都是葉輪內(nèi)部流態(tài)從一種平衡過渡到另一種平衡狀態(tài)的表現(xiàn)，但通過流場(chǎng)測(cè)試得到的特性并不同。

設(shè)計(jì)工況至0.6QBEP前，葉輪內(nèi)外不同半徑處滿足圓柱層無關(guān)假設(shè)，即徑向速度近似為零，但隨著流量繼續(xù)降低，葉輪外緣升力增加快于內(nèi)側(cè)，葉輪外緣的壓力脈動(dòng)增加，圓柱無關(guān)性假設(shè)不再成立。此時(shí)葉輪通道出口側(cè)局部水流會(huì)卷吸返回至進(jìn)口側(cè)，一方面使進(jìn)口外緣的切向速度迅速增加，進(jìn)口環(huán)量增加，另一方面擠壓葉輪進(jìn)口外緣的軸向流速，這是造成第1次駝峰區(qū)的主要原因，同時(shí)伴隨著軸功率減小。

葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生之后，軸流泵仍能產(chǎn)生一定的揚(yáng)程，在一定范圍隨著流量的降低揚(yáng)程逐漸升高，仍可以穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)流量降低至某一程度之后，葉輪內(nèi)部渦帶進(jìn)一步惡化，會(huì)出現(xiàn)交替失速狀態(tài)，并表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，葉輪出口近輪轂側(cè)回流增加，壓迫出口水流偏向輪緣側(cè)。

葉輪進(jìn)口側(cè)的速度出現(xiàn)不穩(wěn)定性，出現(xiàn)如圖5d所示同一流量下不同時(shí)刻表現(xiàn)出不同的切向速度分布，葉輪內(nèi)部會(huì)重新調(diào)整直至平穩(wěn)，進(jìn)口的切向速度表現(xiàn)出繼續(xù)增加趨勢(shì)，但脈動(dòng)峰峰值降低，出口的環(huán)量增加不明顯，但脈動(dòng)峰峰值繼續(xù)增加，故本文認(rèn)為葉輪內(nèi)部渦帶變化引起的葉輪出口流場(chǎng)惡化是第2次駝峰區(qū)域出現(xiàn)的主要原因，但由于葉輪內(nèi)部湍動(dòng)能的增加、渦帶消耗能量繼續(xù)增加，軸功率大幅上升，效率下降。

4 結(jié)論

(1)能量特性結(jié)果表明：在0.5QBEP～0.6QBEP工況揚(yáng)程-流量曲線出現(xiàn)第1次駝峰現(xiàn)象，且對(duì)應(yīng)的軸功率-流量曲線出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的駝峰現(xiàn)象，在深度失速工況下0.33QBEP～0.4QBEP流量工況下?lián)P程-流量曲線出現(xiàn)第2次駝峰現(xiàn)象。

(2)內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試表明：在揚(yáng)程-流量曲線出現(xiàn)第1次駝峰時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)口的速度出現(xiàn)切向波動(dòng)，壓力脈動(dòng)峰峰值出現(xiàn)極大值，表明揚(yáng)程-流量曲線第1次駝峰與進(jìn)口回流生成相關(guān)；而在小于0.4QBEP出現(xiàn)第2次駝峰時(shí)對(duì)應(yīng)葉輪出口壓力脈動(dòng)峰峰值迅速增加，出口側(cè)的軸向回流顯著增強(qiáng)，表明第2次駝峰出現(xiàn)與葉輪出口流場(chǎng)的劇烈變化相關(guān)。