一、低比轉(zhuǎn)速離心泵的特點

    常規(guī)的低比轉(zhuǎn)速離心泵水力設(shè)計由于沒有專門的理論和設(shè)計方法，只能采用普通離心泵的水力設(shè)計方法。近二十年來，為了解決低比轉(zhuǎn)速泵的特有問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，廣一水泵廠對此做了比較詳細的總結(jié)。廣一水泵廠將本文對這些研究成果進行探討。

    低比轉(zhuǎn)速離心泵一般是指比轉(zhuǎn)速在30-60之間的離心泵。它具有揚程高、流量小的特點，廣泛應(yīng)用石油、化工、國防、航天等領(lǐng)域。

    低比轉(zhuǎn)速離心泵小流量高揚程的特點決定了其與一般離心泵迥異的結(jié)構(gòu)與水力特性：(1)葉輪直徑相對較大，出口寬度窄，流道長而窄，致使圓盤磨擦損失和流道內(nèi)水力損失較大，從而導(dǎo)致效率較低；(2)由于葉輪流道擴散嚴重，在小流量工況下，很容易在葉輪進出口和內(nèi)部產(chǎn)生回流和脫流，致使損失增加，在外特性上表現(xiàn)為揚程曲線存在駝峰，在小流量工況易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；(3)軸功率曲線隨流量的增大而急劇上升，最大功率與設(shè)計點功率之比大于一般離心泵的相應(yīng)值。由于泵的實際運行工況點是經(jīng)常變動的，該特性很容易在大流量區(qū)引起配套電機過載；(4)低比轉(zhuǎn)速泵流道狹長，對汽蝕汽泡的通過能力弱，因此其汽蝕特性曲線是急速下降的。
 

二、廣一水泵廠改善水力性能的理論與方法

1、提高效率的方法

    低比轉(zhuǎn)速離心泵的效率較低主要是由于以下兩個原因引起的：

    (1)葉輪圓盤磨擦損失大約正比于葉輪直徑的5次方，低比轉(zhuǎn)速泵較大的葉輪直徑是引起這類效率低的主要原因；

    (2)離心葉輪進口前的回流、葉輪流道內(nèi)的二次流、尾流一射流結(jié)構(gòu)與流動分離以及葉輪出口與蝸殼聯(lián)合工作時出現(xiàn)的流動混摻引起的水力損失等也是造成效率低的主要原因。

因此，為了提高低比轉(zhuǎn)速離心泵效率，可以主要采用加大流量設(shè)計法，也可以選擇復(fù)合葉輪設(shè)計法。對于超低比轉(zhuǎn)速離心泵，還可以采用高速變螺距誘導(dǎo)輪和復(fù)合葉輪的組合結(jié)構(gòu)形式，從而大幅度減小葉輪外徑和葉輪磨擦功率損失，減少小流量工況下的水力損失。

    所謂加大流量設(shè)計法是指對給定的設(shè)計參數(shù)，用加大的流量和加大的比轉(zhuǎn)速來設(shè)計一臺較大的泵。由于低比轉(zhuǎn)速泵的效率隨流量和比轉(zhuǎn)速的增大而迅速提高，因此，為了提高低比轉(zhuǎn)速泵的效率，在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，人們總結(jié)出了加大流量設(shè)計法。其主要措施有：增大葉片出口角β2、葉片出口寬b2，取較少的葉片數(shù)Z，取較大的葉片包角φ，增大泵體喉部面積Ft等。但是在提高效率的同時也會帶來許多不良特性如：使H—Q曲線較平坦，易出現(xiàn)駝峰使運行不穩(wěn)定；軸功率在相同流量下增大，在大流量區(qū)產(chǎn)生過載現(xiàn)象；在小流量區(qū)運行時，由于嚴重偏離最佳工況，泵的效率低；大泵小用帶來了浪費等。

    所謂復(fù)合葉輪設(shè)計法是將短葉片間隔布置，并且把短葉片進口邊向葉片背面偏移，以此來改善葉輪及體內(nèi)的流動分布，提高泵的效率。但是該方法會引起制造困難，目前對這方面的研究還很不充分。

 

2、防止軸功率過載的方法

    由于離心泵的固有特性之一是軸功率曲線總是隨流量增加而不斷上升，并且比轉(zhuǎn)速越低，軸功率曲線隨流量增加而上升越快。這種特性，使泵特別是低比轉(zhuǎn)速離心泵大流量、低揚程工況運行時極易產(chǎn)生過載甚至燒壞原動機。

    為了防止功率過載，可以根據(jù)運行范圍內(nèi)的最大軸功率來配用動力，增大電機容量或者增大功率備用系數(shù)，即用“大馬拉小車”的辦法，這將導(dǎo)致能源的大量浪費，因此很不經(jīng)濟。而無過載設(shè)計法對出口無流量調(diào)節(jié)閥的農(nóng)用及工業(yè)用低比轉(zhuǎn)速泵來說，由于是通過改變離心泵的水力設(shè)計，而不是增加任何輔助設(shè)備來避免過載，因此是最簡便和合理的。

    無過載離心泵是在關(guān)閉揚程到零揚程范圍內(nèi)任何工況下運行都不發(fā)生過載的離心泵。對葉片出口角β2<90°時，離心泵的軸功率曲線是一條反向拋物線，有極值。因此無過載設(shè)計法就是要綜合考慮設(shè)計工況和最大軸功率點的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出具有陡降揚程曲線和平坦軸功率曲線的泵。其主要措施是減少β2、b2、Ft等參數(shù)。其不良后果是流道較狹窄，包角較大，不利于鑄造，且效率有所下降。

 

3、改善不穩(wěn)定的方法

    由于采用了加大流量的設(shè)計方法，使運行工況位于小流量區(qū)容易出現(xiàn)具有駝峰的特性曲線，因而在小流量區(qū)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。其主要特征表現(xiàn)為流量參數(shù)發(fā)生波動，管路有振動和哮喘產(chǎn)生，甚至泵無法正常運行。

為了消除駝峰，改善不穩(wěn)定性，許多學(xué)者在這方面做了大量的理論分析和試驗研究工作。從結(jié)構(gòu)上，可以設(shè)置產(chǎn)生預(yù)旋的前置導(dǎo)葉、斜切葉輪出口邊、減少葉片數(shù)、選取較小的葉片出口角和葉輪出口寬度、設(shè)計變螺距誘導(dǎo)輪和復(fù)合葉輪等方法。理論上，通過研究面積比γ對駝峰的影響，合理選擇γ，從而獲得無駝峰的揚程曲線。建議面積γ=1.5～3.0。這就是面積比原理設(shè)計法。

    葉輪出口過流面積與泵體喉部面積之比是控制離心泵揚程、效率等性能指標的重要參數(shù)，即通過控制葉輪與泵體的匹配關(guān)系可以產(chǎn)生不同的泵性能。因此面積比原理就是研究這種優(yōu)化的匹配關(guān)系。由面積比γ值的定義可知，β2、b2、D2、Z等對泵性能的影響都可以反映在γ對泵性能的影響上。研究表明，當γ<2.0時，泵是無過載的，但效率較低，制造也比較困難；相反，當γ值過大時，雖然泵效率較高，但是軸功率可能過載。

 

4、優(yōu)化水力設(shè)計

    隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機的普遍應(yīng)用，優(yōu)化水力設(shè)計法在化工泵的設(shè)計中起到了越來越重要的作用。優(yōu)化設(shè)計是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以電子計算機為工具，在充分考慮多種設(shè)計約束的條件下，尋求達到某項預(yù)定目標的最佳設(shè)計方案。

    低比轉(zhuǎn)速離心泵的優(yōu)化設(shè)計方法主要有速度系數(shù)法優(yōu)化設(shè)計、損失極值法優(yōu)化設(shè)計和準則篩選法優(yōu)化設(shè)計。速度系數(shù)法是對已有模型進行歸納統(tǒng)計而得，通過建立優(yōu)秀的水力模型庫，及時優(yōu)化各種水力系數(shù)，跟隨當時水泵的先進水平，其不足是所設(shè)計的泵的性能難以超越現(xiàn)有水平。損失極值法將泵內(nèi)各種損失通過各種經(jīng)驗系數(shù)和泵的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來，在總損失為最小的前提下，求得最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此，該方法在獲得高效離心泵性能方面是較為成熟的，應(yīng)用也比較普遍。但是它也有不足之處：首先，把各項損失與有關(guān)的估算值絕對化是不合適的；其次，只強調(diào)損失與有關(guān)幾個幾何參數(shù)之間的關(guān)系，而忽視水泵各重要部件的形狀對泵體性能的影響當然也是不合適的；最后，離心泵的許多結(jié)構(gòu)參數(shù)由經(jīng)驗賦值也加大了優(yōu)化設(shè)計的局限性。準則篩選法是在對離心葉輪內(nèi)流機理分析的基礎(chǔ)上，建立減小各項損失與控制性能指標的目標函數(shù)，尋求離心葉輪及蝸殼等過流部件的幾何參數(shù)的各種組合，從中篩選出最佳方案。但是由于該方法的理論基礎(chǔ)還不完善，因此這種方法本身需要進一步發(fā)展。

 

5、提高汽蝕性能的方法

    工作轉(zhuǎn)速提高，葉輪葉片的進口速度增加使離心葉輪的汽蝕性能變差。為了提高泵的抗汽蝕能力，即降低泵自身在給定設(shè)計條件下的必需汽蝕余量，有很多成功的經(jīng)驗措施，給定的設(shè)計流量過大時，可以使用雙吸葉輪；適當增大葉輪吸入孔直徑；設(shè)置葉輪人口整流柵；葉輪前蓋板外側(cè)設(shè)副葉片；離心輪前設(shè)計一個變螺距誘導(dǎo)輪等方法。

 

6、諸設(shè)計方法的優(yōu)缺點比較

    由于低比轉(zhuǎn)速泵的各種水力性能之間既是相互矛盾又是相互聯(lián)系的，因此對應(yīng)的各種水力設(shè)計方法之間也是相互聯(lián)系的。加大流量法可以提高效率，但是由于此時面積比γ值比較大，將使特性曲線出現(xiàn)駝峰和軸功率曲線不飽和，從而可能引起不穩(wěn)定性和過載現(xiàn)象，反之，消除駝峰和避免過載的無過載技術(shù)，由于選取較小β2、b2等將導(dǎo)致面積比比較小，從而又會降低效率，而且可能引起制造困難。因此在設(shè)計低比轉(zhuǎn)速離 、泵時，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，結(jié)合現(xiàn)實情況綜合優(yōu)化設(shè)計。