广一水泵厂改善低比转速离心泵的方法

一、低比转速离心泵的特点

    常规的低比转速离心泵水力设计由于没有专门的理论和设计方法，只能采用普通离心泵的水力设计方法。近二十年来，为了解决低比转速泵的特有问题，国内外学者做了大量研究，广一水泵厂对此做了比较详细的总结。广一水泵厂将本文对这些研究成果进行探讨。

    低比转速离心泵一般是指比转速在30-60之间的离心泵。它具有扬程高、流量小的特点，广泛应用石油、化工、国防、航天等领域。

    低比转速离心泵小流量高扬程的特点决定了其与一般离心泵迥异的结构与水力特性：(1)叶轮直径相对较大，出口宽度窄，流道长而窄，致使圆盘磨擦损失和流道内水力损失较大，从而导致效率较低；(2)由于叶轮流道扩散严重，在小流量工况下，很容易在叶轮进出口和内部产生回流和脱流，致使损失增加，在外特性上表现为扬程曲线存在驼峰，在小流量工况易产生不稳定现象；(3)轴功率曲线随流量的增大而急剧上升，最大功率与设计点功率之比大于一般离心泵的相应值。由于泵的实际运行工况点是经常变动的，该特性很容易在大流量区引起配套电机过载；(4)低比转速泵流道狭长，对汽蚀汽泡的通过能力弱，因此其汽蚀特性曲线是急速下降的。
 

二、广一水泵厂改善水力性能的理论与方法

1、提高效率的方法

    低比转速离心泵的效率较低主要是由于以下两个原因引起的：

    (1)叶轮圆盘磨擦损失大约正比于叶轮直径的5次方，低比转速泵较大的叶轮直径是引起这类效率低的主要原因；

    (2)离心叶轮进口前的回流、叶轮流道内的二次流、尾流一射流结构与流动分离以及叶轮出口与蜗壳联合工作时出现的流动混掺引起的水力损失等也是造成效率低的主要原因。

因此，为了提高低比转速离心泵效率，可以主要采用加大流量设计法，也可以选择复合叶轮设计法。对于超低比转速离心泵，还可以采用高速变螺距诱导轮和复合叶轮的组合结构形式，从而大幅度减小叶轮外径和叶轮磨擦功率损失，减少小流量工况下的水力损失。

    所谓加大流量设计法是指对给定的设计参数，用加大的流量和加大的比转速来设计一台较大的泵。由于低比转速泵的效率随流量和比转速的增大而迅速提高，因此，为了提高低比转速泵的效率，在大量试验研究的基础上，人们总结出了加大流量设计法。其主要措施有：增大叶片出口角β2、叶片出口宽b2，取较少的叶片数Z，取较大的叶片包角φ，增大泵体喉部面积Ft等。但是在提高效率的同时也会带来许多不良特性如：使H—Q曲线较平坦，易出现驼峰使运行不稳定；轴功率在相同流量下增大，在大流量区产生过载现象；在小流量区运行时，由于严重偏离最佳工况，泵的效率低；大泵小用带来了浪费等。

    所谓复合叶轮设计法是将短叶片间隔布置，并且把短叶片进口边向叶片背面偏移，以此来改善叶轮及体内的流动分布，提高泵的效率。但是该方法会引起制造困难，目前对这方面的研究还很不充分。

 

2、防止轴功率过载的方法

    由于离心泵的固有特性之一是轴功率曲线总是随流量增加而不断上升，并且比转速越低，轴功率曲线随流量增加而上升越快。这种特性，使泵特别是低比转速离心泵大流量、低扬程工况运行时极易产生过载甚至烧坏原动机。

    为了防止功率过载，可以根据运行范围内的最大轴功率来配用动力，增大电机容量或者增大功率备用系数，即用“大马拉小车”的办法，这将导致能源的大量浪费，因此很不经济。而无过载设计法对出口无流量调节阀的农用及工业用低比转速泵来说，由于是通过改变离心泵的水力设计，而不是增加任何辅助设备来避免过载，因此是最简便和合理的。

    无过载离心泵是在关闭扬程到零扬程范围内任何工况下运行都不发生过载的离心泵。对叶片出口角β2<90°时，离心泵的轴功率曲线是一条反向抛物线，有极值。因此无过载设计法就是要综合考虑设计工况和最大轴功率点的优化设计，设计出具有陡降扬程曲线和平坦轴功率曲线的泵。其主要措施是减少β2、b2、Ft等参数。其不良后果是流道较狭窄，包角较大，不利于铸造，且效率有所下降。

 

3、改善不稳定的方法

    由于采用了加大流量的设计方法，使运行工况位于小流量区容易出现具有驼峰的特性曲线，因而在小流量区容易出现不稳定现象。其主要特征表现为流量参数发生波动，管路有振动和哮喘产生，甚至泵无法正常运行。

为了消除驼峰，改善不稳定性，许多学者在这方面做了大量的理论分析和试验研究工作。从结构上，可以设置产生预旋的前置导叶、斜切叶轮出口边、减少叶片数、选取较小的叶片出口角和叶轮出口宽度、设计变螺距诱导轮和复合叶轮等方法。理论上，通过研究面积比γ对驼峰的影响，合理选择γ，从而获得无驼峰的扬程曲线。建议面积γ=1.5～3.0。这就是面积比原理设计法。

    叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比是控制离心泵扬程、效率等性能指标的重要参数，即通过控制叶轮与泵体的匹配关系可以产生不同的泵性能。因此面积比原理就是研究这种优化的匹配关系。由面积比γ值的定义可知，β2、b2、D2、Z等对泵性能的影响都可以反映在γ对泵性能的影响上。研究表明，当γ<2.0时，泵是无过载的，但效率较低，制造也比较困难；相反，当γ值过大时，虽然泵效率较高，但是轴功率可能过载。

 

4、优化水力设计

    随着计算机技术的发展和计算机的普遍应用，优化水力设计法在化工泵的设计中起到了越来越重要的作用。优化设计是以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的条件下，寻求达到某项预定目标的最佳设计方案。

    低比转速离心泵的优化设计方法主要有速度系数法优化设计、损失极值法优化设计和准则筛选法优化设计。速度系数法是对已有模型进行归纳统计而得，通过建立优秀的水力模型库，及时优化各种水力系数，跟随当时水泵的先进水平，其不足是所设计的泵的性能难以超越现有水平。损失极值法将泵内各种损失通过各种经验系数和泵的有关结构参数联系起来，在总损失为最小的前提下，求得最佳的结构参数，因此，该方法在获得高效离心泵性能方面是较为成熟的，应用也比较普遍。但是它也有不足之处：首先，把各项损失与有关的估算值绝对化是不合适的；其次，只强调损失与有关几个几何参数之间的关系，而忽视水泵各重要部件的形状对泵体性能的影响当然也是不合适的；最后，离心泵的许多结构参数由经验赋值也加大了优化设计的局限性。准则筛选法是在对离心叶轮内流机理分析的基础上，建立减小各项损失与控制性能指标的目标函数，寻求离心叶轮及蜗壳等过流部件的几何参数的各种组合，从中筛选出最佳方案。但是由于该方法的理论基础还不完善，因此这种方法本身需要进一步发展。

 

5、提高汽蚀性能的方法

    工作转速提高，叶轮叶片的进口速度增加使离心叶轮的汽蚀性能变差。为了提高泵的抗汽蚀能力，即降低泵自身在给定设计条件下的必需汽蚀余量，有很多成功的经验措施，给定的设计流量过大时，可以使用双吸叶轮；适当增大叶轮吸入孔直径；设置叶轮人口整流栅；叶轮前盖板外侧设副叶片；离心轮前设计一个变螺距诱导轮等方法。

 

6、诸设计方法的优缺点比较

    由于低比转速泵的各种水力性能之间既是相互矛盾又是相互联系的，因此对应的各种水力设计方法之间也是相互联系的。加大流量法可以提高效率，但是由于此时面积比γ值比较大，将使特性曲线出现驼峰和轴功率曲线不饱和，从而可能引起不稳定性和过载现象，反之，消除驼峰和避免过载的无过载技术，由于选取较小β2、b2等将导致面积比比较小，从而又会降低效率，而且可能引起制造困难。因此在设计低比转速离 、泵时，应综合考虑各方面的因素，结合现实情况综合优化设计。