高速部分流泵技术探究和发展展望

    高速部分流泵又称切线增压泵，是一种小流量、高扬程泵。其过流部件和结构与一般离心泵不同，是基于新的理论研制成功的一种新型泵。最初主要用于火箭发动机中，如今已广泛运用于石化工业。高速泵的叶轮是开式的，运转中几乎不会产生轴向推力负荷，所以不会产生因汽蚀、平衡盘磨损等引起的不正常的轴向推力；叶轮不需要密封环，无密封环泄漏问题，还可以抽送不洁净的、较高黏度(500mm2／s)的介质；在低比转速范围内，高速泵的效率比普通离心泵高；配置诱导轮后有优良的汽蚀性能，而且具有在广阔的流量和转速范围内的适用性。与多级离心泵、往复泵相比有许多显著的优点，因此备受用户欢迎。

1、水力设计与研究现状

    Barske和Turton的开创性工作提出了切线泵设计的理论基础，切线泵和普通离心泵一样都遵守Euler方程，所不同的是，切线泵蜗壳内的旋转液体与叶轮之间基本没有相对流动，叶轮与液体保持一种刚体的关系，每当单个流道与扩散管接通的瞬间就将最外层液体沿切向抛出，叶轮内的液体按能量高低由内向外分层次做同心旋转运动。

    ①对几何参数的研究  Anderson的面积比原理提到：叶轮的出口过流面积与泵体喉部面积之比是离心泵扬程、流量等性能的重要决定因素，它们之间有一个最佳组合。试验证明，切线泵的固有特性与高速还是低速无关，设计的关键在于选取扬程系数缈和流量系数F，而ψ、F与泵的几何形状及尺寸比值有很大关系。根据统计，ψ=0.65～0.75，F=0.75～0.85，若取平均值，设计参数和实际参数偏差在7％以内。有学者提出一种性能参数的精确设计方法。该方法考虑到扩散器喉部的雷诺数、平均粗糙度和扬程回收效率，对缈和F系数的修正，在一定范围内取得良好的效果，试验结果和预测值误差小于0.6％。

    扩散管喉部直径d0起控制流量大小的作用，随着d0增大，泵的流量和比转速增大，效率提高，扬程系数也略有提高；切线泵的扩散管内表面粗糙度、扩散管轴线弯曲对水力损失的影响不容忽视；叶轮直径减小，泵的最优工况点将向小流量方向移动，切线泵的叶轮切割表现出流量下降很快而扬程下降很慢，这与离心泵恰好相反；增加叶片数不能增加泵的流量，但能提高泵的扬程系数；单纯的扩散管内液体流动，前人在理论和试验上已经研究得很透彻，但切线泵扩散管的流动十分复杂，喉部回流产生旋涡造成水力损失并使有效过流面积缩小，这种情况随着泵流量增加而加剧，直到喉部产生汽蚀、扬程和效率急剧下降并产生强烈噪声。

    ②CFD技术在高速泵中的应用  近年来CFD(computational fluid dynamiCS)技术已．经能够比较准确地反映叶轮机械内部的流动情况，并应用于新产品开发，使泵性能、效率、寿命有所提高，降低噪声。利用商用软件Fluent或STAR—CD求解定常不可压缩雷诺平均方程，切线泵内部流场周期变化的信息被逐渐掌握。切线泵的瞬时扬程和叶轮与蜗壳的相对位置有关，扬程的变化频率与转速和叶片数有关。从叶轮的水试结果也观察到泵出口的压力脉动，表明叶轮出口和泵体流道间存在反向涡流和二次流。如何改善切线泵小流量的不稳定性，国内外学者提出一些措施，如设计长短叶片，诱导轮前增加孔板，安装反向流稳定器等。

    泵的高速化产生了各种问题，如临界转速、动平衡、轴承、噪声等。对于用户来说，最

关心的问题是泵必需的汽蚀余量和轴封。

2、汽蚀研究现状

    ①汽蚀材料的研究  国内抗汽蚀材料试验表明，含硼量为0．002％的新型沉淀硬化不锈钢经500℃时效处理后，具有与1Crl8Ni9Ti相近的抗汽蚀性能，而成本仅为lCrl8Ni9Ti的一半。国外大量的抗汽蚀材料试验表明，马氏体低碳钢l3Cr4Ni及马氏体、奥氏体钢13Cr6Ni，不仅材料性能和焊接性能好，而且具有优良的抗汽蚀性能。

    ②切线泵的吸入性能研究  根据对叶轮内部流动观察的结果，人们知道在扬程下降之前很早就产生了汽蚀，特别是在偏离设计流量的工况点下使用最危险，离心泵前置诱导轮是改善泵吸人性能的有效方法。采用两级串联诱导轮和变螺距诱导轮前加引装置的结构都能使高速泵获得比单级诱导轮更高的汽蚀性能。两级诱导轮泵的工作范围要窄此，目结构长度变长。

    ③汽蚀特性和内部流场的研究  尽管已有许多诱导轮的研究，但空泡引起扬程下降的机理至今还未完全明确，目前仅靠数值模拟的方法还难以解决。Acosta的研究报告提出，当出现交错叶片空泡时，扬程系数缈急剧下降，国内学者采用闪频仪和激光测速仪对两个叶片平板螺旋形诱导轮的内部流场进行测试。研究发现，随着吸人压力的降低，两个叶片上原来同样发展的空泡有时失去平衡，造成一个叶片空泡急剧减小而另一叶片空泡随之增大的交错现象，当发展到流道喉部附近时，空泡使有效流道宽度变窄。空泡的堵塞效应使液流相对叶片的冲角发生了变化，并且在空泡增大的流道出Vl，吸力面出现了回流区域。对诱导轮内空泡产生现象和机理的研究加深了人们对汽蚀的认识，为解决诱导轮扬程急速下降的问题提供了理论基础。

    ④轴封及轴向力平衡  高速泵的密封结构通常有浮动环密封、机械密封，小型高速流程泵多采用机械密封。为了避免高速旋转离心力的影响，切线泵大多采用内装静止内流型多弹簧的结构。对输送低温介质如液氢、液氧等介质采用补偿性能很好的金属波纹管膜盒密封。根据使用条件，有单端面密封、双端面密封和串联密封等结构，以适应各种工作环境。高速泵的轴向力平衡方法有平衡孔、平衡盘、背叶片、平衡鼓等方式。在叶轮轮毂上打平衡孔、设计平衡管、斜齿轮传动和推力轴承是简单实用的方法，可以应用在功率为300kW以下的高速泵上。值得注意的是，在输送饱和蒸汽压力高、易汽化的液体时，多采用入口增压的办法以防止泵内液体汽化，设计时应充分考虑水力试验和实际应用时人Vl压力和介质密度两方面的显著差异，否则过大的轴向力会造成轴承烧毁的故障。

3、高速泵发展新动向

    ①高速泵向轻型节能化方向发展  由于变频器向小型、低成本、高可靠性等方面进步，

使新型泵从转速的约束中摆脱出来，有所创新并系列化。如图1—4所示，传统的切线泵带有复杂的齿轮增速器，不仅造成价格昂贵、维护困难，而且有时还受到安装空间的限制。采用变频高速电机同轴直联的新型泵体积轻巧，由于通过改变转速的方法使运行工况与实际要求参数一致，和传统的阀调节流量相比，节能的效果十分显著。当前变频器的适用功率范围不宽、配套电机等问题将是今后的主要技术难点。

    美国FLOWSERVE公司开发的MSP变频高速泵整合了PI(proportional integral)控制器，采用立式电机直联结构，具有可操作性和维护性，特别适合水力、机械、电气设计，适用于小流量、高扬程的领域，其性能参数如下：流量1.5～25m3／h，扬程37.5～600m，转速2000～8000r／min，最高效率35％，最高转速下带诱导轮的汽蚀余量为2.3m。MSP泵不同转速下性能曲线及轴向力如图1-5所示。

    ②无泄漏泵的研究开发  在车船等特定的场合，要求泵机组体积小、无泄漏，同时还要求泵具有高的参数性能，一种变频调速的高速磁力泵应运而生。目前经江苏大学研制成功的高速磁力泵，其结构主要由泵体、内磁转子、隔离套、口环、消旋器、外磁转子和电机组成。将50Hz交流电源通过变频器最高变频到400Hz，提供给变频电机。由变频电机直接驱动外磁转子，磁力穿越隔离套，作用于内磁转子旋转，实现无泄漏输送。其结构特点是：隔离套和泵轴构成一体是静止件，叶轮和内磁钢为一整体，构成转子件，这种结构保证了泵机组轴向尺寸尽可能地紧凑。该泵系列性能范围是：流量2～15m3／h，扬程50～300m，转速400～l0000r／min。

4、展望

    理论上开展切线泵的全三维流动分析是今后研究的一个方向，计算结果为进一步改进结构、提高性能、减少水力损失提供理论依据；采用标准化通用化设计，建立主要零件的标准系列，运用计算机选型，组合成各种规格的高速泵也是发展趋势；随着变频技术的发展和环保意识的增强，切线泵采用变频高速电机直联和无泄漏的结构，不仅体积小、重量轻、有较好的节能效果，而且能够输送有腐蚀、剧毒和贵重的液体；德国Wemhonerundpopp公司已开发出能承受干磨且能在含有颗粒介质中使用的高速水润滑推力轴承，负荷压力达到了1OMPa以上。采用碳化硅或在不锈钢基材上涂敷氮化钛的复合材料制造的机械密封，周速达lOOm／s，温度达300℃，承压达20MPa。新材料和新工艺的出现使泵机组在苛刻的工作条件下有更高的可靠性和更长的寿命。随着泵工业的发展，切线泵将在航天、医学、原子能等领域得到更大的发展。