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1、离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计摘要从泵效率和抗汽蚀性能两者互为兼顾的观点出发，分析了离心泵叶轮几何参数与泵效率、汽蚀性能之间的定性关系。结合设计经验和实例，提出了叶轮主要几何参数的取值范围。关键词离心泵叶轮设计效率汽蚀性能 离心泵的设计理论和经验表明，要使离心泵获得高效率，必须在一定程度上以降低汽蚀性能为代价；反之，要获得高汽蚀性能，也必须以降低泵的效率为代价。要使泵兼顾高效率和高汽蚀性能，必须在设计上对传统方法有所突破。下面结合试验研究，对离心泵如何兼顾高效和高汽蚀性能进行理论分析和设计探讨。1追求高效率的设计理论和设计参数的选择离心泵的设计理论认为，泵损失可分为机械损失、容积损失
2、和水力损失三大部分。机械损失主要是轴承摩擦损失和密封摩擦损失，在泵损失中所占比例较小，可视为常数，在本文中不作讨论。因此，可以认为，追求高效率的设计就是要最大限度地降低容积损失和水力损失。 1.1容积损失分析与设计参数的选择离心泵的容积损失主要是叶轮与泵体密封环间隙泄漏损失(图1)。根据水力学理论，流经密封环间隙的泄漏q可表达为：图1容积损失示意图(1)式中密封环间隙的宽度(m)；D0叶轮进口直径(m)； B叶轮进口环壁厚(m)；密封环间隙圆角系数；密封环间隙摩擦系数；l 密封环间隙长度(m)；b叶轮叶片宽度(m)； H密封环间隙两端水头差(m)。其中B、 由于泵零件加工工艺、装配、泵转子轴刚
3、度等条件的限制，设计选择自由度很小，一般设计中可视为定量。此外，、是与密封环间隙形状、几何尺寸有关的损失系数，在此视作常数。而对于给定的泵设计参数， H亦可认为是常数，一般H0.8H(H为设计扬程)。因此，从式(1)可看出，要使容积损失最小，就要在设计中选择尽可能小的 D0。1.2水力损失分析与设计参数的选择 对于设计工况而言，水力损失主要由叶轮、圆盘摩擦损失 hyf，叶轮流道摩擦损失hef，叶轮流道扩散损失hk组成。据文献2，有下列各种计算公式 (有关尺寸见图2)：图2泵尺寸示意图 (2)(3)(4)(5)式中Kyf圆盘摩擦损失修正系数；g重力加速度(m/s2)； 叶轮旋转角速度(r/s)；
4、 D2叶轮外径(m)；Kef 流道水力摩擦损失系数；沿程阻力系数；R叶轮流道模拟圆管水力半径(m)； 2叶片出口角()；Km2 叶轮出口轴面速度系数；H设计扬程(m)；Z叶片数；D1叶片进口边平均直径(m)；Kk叶轮流道扩散损失修正系数； b2叶轮叶片出口宽度(m)； b1叶轮叶片进口宽度(m)； Vm2叶轮出口轴面速度(m/s)。从式(2)、(3)、(4)、 (5)可以看出，圆盘摩擦损失与叶轮外径D2的5次方成正比，叶轮流道摩擦损失和叶轮流道扩散损失均与叶轮外径D2、叶片数Z的一次方成正比，与叶轮出口轴面速度的2次方成正比，与叶片出口角 2的正弦平方成反比。根据泵的设计理论，当选取较大的叶片
5、出口角2和叶片出口宽度b2时，泵的扬程将会提高，从而可减小叶轮外径D2，这样可使圆盘摩擦损失 hyf、叶轮流道摩擦损失hef、叶轮流道扩散损失hk同时减少，对提高泵效率很有效。而选取较少叶片数Z，虽然可使hef和 hk减少，但由于叶片数少，扬程将降低，若保持扬程不变，必须增大D2，从而增加hyf。因此，对叶片数的选择要全面分析考虑。2追求高汽蚀性能设计理论及设计参数选择泵的汽蚀基本方程为：(6)(7)式中NPSHr泵必须汽蚀余量，它表示从泵进口处到最低压力点间液体流动过程中的压力降(NPSHr越小，表明泵的汽蚀性能越好)；1与叶轮入口几何形状有关的经验系数；2液流流过叶片头部引起的压力下降经验
6、系数；V0叶轮入口平均流速； W1叶片入口相对速度；Q泵流量； V容积效率；其余符号意义同前。当加大 D0时，显然V0下降，NPSHr数值变小，对改善泵汽蚀性能有好处。另外，从叶片进口速度三角形可以看出(图3)，当叶片进口轴面速度降低时，叶片前盖板处相对速度成比例下降。故选用较大的叶轮进口直径可以提高泵的汽蚀性能。图3叶片进口速度三角形同样，当减少叶片数时，可以降低叶片进口处叶片对液流的排挤作用，提高过流量，或者说相同流量下降低了 V0和W1的数值，对提高泵汽蚀性能显然有利。叶轮进口宽度b1和前盖板的曲率半径 r1(见图2)对汽蚀性能亦有影响。增大 b1可增大过流面积，降低进口处液流绝对速度和
7、相对速度，即降低了NPSHr值。前盖板曲率半径r1过小将使液流进入叶轮后速度很快增大,造成脱流,而较大的r1可减弱前盖处液流转弯处流速的变化,使流速均匀平稳,改善汽蚀性能。在实际设计中，r1的取值可按式(8)选取：r1=0.125D2(8)3兼顾高效高汽蚀性能时设计参数的选择根据前面所述，当 2、b2变化时，显然仅对效率产生影响。当 Z变化时，对效率和汽蚀性能有共同增加或降低的影响。当D0 变化时，对效率和汽蚀性能的影响是：效率增加则汽蚀性能下降，效率下降时则汽蚀性能提高。这是一个定性的问题，在具体设计中应怎样进行选择，才能兼顾取得高效和高汽蚀性能，笔者根据设计经验认为，对于单级离心泵，对Z、
8、 2、D0、b2的选择按以下推荐值可以获得高效汽蚀性能：Z=45片； 2=2835，低比转速取大值，高比转速取小值；b2=(1.31.6) ，低比转速取较大系数，高比转速取较小系数； D0=(1.11.3),低比转速取较小系数，高比转速取较大系数。其中、分别为常规设计中叶轮的出口宽度和进口直径。4设计实例 表1中列举了应用上述分析及设计方法设计的几种比转速离心泵的2、b2 、D0、Z几个几何参数值及试验数据，括号内数值分别为相同流量、扬程和比转速下GB/T13007-91中的效率值和GB/T13006-91 (JB/T6663.1-93)中的汽蚀余量值。表1几何参数及试验性能数据型 号D0(m
9、m)Z2( )b2(mm)Q(m3/h)H(m)(%)NPSHr(m)nsIQ80-1008043022501578.6(75)1.9(2.8)164IQ65-1605253010253276.0(65)1.76(2.3)66IB50-32-25045435512.58049.0(38)1.9(2.3)234IQ50-220504356206062.0(52)2.0(2.5)375结语 理论分析和设计实例证明，与常规设计相比较，在叶轮几何参数的选择问题上，取较大的D0、 2、b2、b1、 r1和较小叶片数Z可取得高效高汽蚀性能的效果。 参考文献1离心泵设计基础编写组.离心泵设计基础.北京：机械工业出版社，19742金树德.现代水泵设计方法.北京：兵器工业出版社，19933关醒凡.现代泵技术手册.北京：宇航出版社， 1995(本文编辑：杨华 )作者:李 志 鹏
