高速部分流泵又稱(chēng)切線增壓泵，是一種小流量、高揚(yáng)程泵。其過(guò)流部件和結(jié)構(gòu)與一般離心泵不同，是基于新的理論研制成功的一種新型泵。最初主要用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，如今已廣泛運(yùn)用于石化工業(yè)。高速泵的葉輪是開(kāi)式的，運(yùn)轉(zhuǎn)中幾乎不會(huì)產(chǎn)生軸向推力負(fù)荷，所以不會(huì)產(chǎn)生因汽蝕、平衡盤(pán)磨損等引起的不正常的軸向推力；葉輪不需要密封環(huán)，無(wú)密封環(huán)泄漏問(wèn)題，還可以抽送不潔凈的、較高黏度(500mm2／s)的介質(zhì)；在低比轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，高速泵的效率比普通離心泵高；配置誘導(dǎo)輪后有優(yōu)良的汽蝕性能，而且具有在廣闊的流量和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的適用性。與多級(jí)離心泵、往復(fù)泵相比有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此備受用戶歡迎。

1、水力設(shè)計(jì)與研究現(xiàn)狀

    Barske和Turton的開(kāi)創(chuàng)性工作提出了切線泵設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，切線泵和普通離心泵一樣都遵守Euler方程，所不同的是，切線泵蝸殼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)液體與葉輪之間基本沒(méi)有相對(duì)流動(dòng)，葉輪與液體保持一種剛體的關(guān)系，每當(dāng)單個(gè)流道與擴(kuò)散管接通的瞬間就將最外層液體沿切向拋出，葉輪內(nèi)的液體按能量高低由內(nèi)向外分層次做同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

    ①對(duì)幾何參數(shù)的研究  Anderson的面積比原理提到：葉輪的出口過(guò)流面積與泵體喉部面積之比是離心泵揚(yáng)程、流量等性能的重要決定因素，它們之間有一個(gè)最佳組合。試驗(yàn)證明，切線泵的固有特性與高速還是低速無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選取揚(yáng)程系數(shù)緲和流量系數(shù)F，而ψ、F與泵的幾何形狀及尺寸比值有很大關(guān)系。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，ψ=0.65～0.75，F(xiàn)=0.75～0.85，若取平均值，設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際參數(shù)偏差在7％以內(nèi)。有學(xué)者提出一種性能參數(shù)的精確設(shè)計(jì)方法。該方法考慮到擴(kuò)散器喉部的雷諾數(shù)、平均粗糙度和揚(yáng)程回收效率，對(duì)緲和F系數(shù)的修正，在一定范圍內(nèi)取得良好的效果，試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)值誤差小于0.6％。

    擴(kuò)散管喉部直徑d0起控制流量大小的作用，隨著d0增大，泵的流量和比轉(zhuǎn)速增大，效率提高，揚(yáng)程系數(shù)也略有提高；切線泵的擴(kuò)散管內(nèi)表面粗糙度、擴(kuò)散管軸線彎曲對(duì)水力損失的影響不容忽視；葉輪直徑減小，泵的最優(yōu)工況點(diǎn)將向小流量方向移動(dòng)，切線泵的葉輪切割表現(xiàn)出流量下降很快而揚(yáng)程下降很慢，這與離心泵恰好相反；增加葉片數(shù)不能增加泵的流量，但能提高泵的揚(yáng)程系數(shù)；單純的擴(kuò)散管內(nèi)液體流動(dòng)，前人在理論和試驗(yàn)上已經(jīng)研究得很透徹，但切線泵擴(kuò)散管的流動(dòng)十分復(fù)雜，喉部回流產(chǎn)生旋渦造成水力損失并使有效過(guò)流面積縮小，這種情況隨著泵流量增加而加劇，直到喉部產(chǎn)生汽蝕、揚(yáng)程和效率急劇下降并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲。

    ②CFD技術(shù)在高速泵中的應(yīng)用  近年來(lái)CFD(computational fluid dynamiCS)技術(shù)已．經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地反映葉輪機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)情況，并應(yīng)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，使泵性能、效率、壽命有所提高，降低噪聲。利用商用軟件Fluent或STAR—CD求解定常不可壓縮雷諾平均方程，切線泵內(nèi)部流場(chǎng)周期變化的信息被逐漸掌握。切線泵的瞬時(shí)揚(yáng)程和葉輪與蝸殼的相對(duì)位置有關(guān)，揚(yáng)程的變化頻率與轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)有關(guān)。從葉輪的水試結(jié)果也觀察到泵出口的壓力脈動(dòng)，表明葉輪出口和泵體流道間存在反向渦流和二次流。如何改善切線泵小流量的不穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一些措施，如設(shè)計(jì)長(zhǎng)短葉片，誘導(dǎo)輪前增加孔板，安裝反向流穩(wěn)定器等。

    泵的高速化產(chǎn)生了各種問(wèn)題，如臨界轉(zhuǎn)速、動(dòng)平衡、軸承、噪聲等。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，最

關(guān)心的問(wèn)題是泵必需的汽蝕余量和軸封。

2、汽蝕研究現(xiàn)狀

    ①汽蝕材料的研究  國(guó)內(nèi)抗汽蝕材料試驗(yàn)表明，含硼量為0．002％的新型沉淀硬化不銹鋼經(jīng)500℃時(shí)效處理后，具有與1Crl8Ni9Ti相近的抗汽蝕性能，而成本僅為lCrl8Ni9Ti的一半。國(guó)外大量的抗汽蝕材料試驗(yàn)表明，馬氏體低碳鋼l3Cr4Ni及馬氏體、奧氏體鋼13Cr6Ni，不僅材料性能和焊接性能好，而且具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。

    ②切線泵的吸入性能研究  根據(jù)對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)觀察的結(jié)果，人們知道在揚(yáng)程下降之前很早就產(chǎn)生了汽蝕，特別是在偏離設(shè)計(jì)流量的工況點(diǎn)下使用最危險(xiǎn)，離心泵前置誘導(dǎo)輪是改善泵吸人性能的有效方法。采用兩級(jí)串聯(lián)誘導(dǎo)輪和變螺距誘導(dǎo)輪前加引裝置的結(jié)構(gòu)都能使高速泵獲得比單級(jí)誘導(dǎo)輪更高的汽蝕性能。兩級(jí)誘導(dǎo)輪泵的工作范圍要窄此，目結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度變長(zhǎng)。

    ③汽蝕特性和內(nèi)部流場(chǎng)的研究  盡管已有許多誘導(dǎo)輪的研究，但空泡引起揚(yáng)程下降的機(jī)理至今還未完全明確，目前僅靠數(shù)值模擬的方法還難以解決。Acosta的研究報(bào)告提出，當(dāng)出現(xiàn)交錯(cuò)葉片空泡時(shí)，揚(yáng)程系數(shù)緲急劇下降，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用閃頻儀和激光測(cè)速儀對(duì)兩個(gè)葉片平板螺旋形誘導(dǎo)輪的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，隨著吸人壓力的降低，兩個(gè)葉片上原來(lái)同樣發(fā)展的空泡有時(shí)失去平衡，造成一個(gè)葉片空泡急劇減小而另一葉片空泡隨之增大的交錯(cuò)現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)展到流道喉部附近時(shí)，空泡使有效流道寬度變窄�？张莸亩氯�效��(yīng)使液流相對(duì)葉片的沖角發(fā)生了變化，并且在空泡增大的流道出Vl，吸力面出現(xiàn)了回流區(qū)域。對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)空泡產(chǎn)生現(xiàn)象和機(jī)理的研究加深了人們對(duì)汽蝕的認(rèn)識(shí)，為解決誘導(dǎo)輪揚(yáng)程急速下降的問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)。

    ④軸封及軸向力平衡  高速泵的密封結(jié)構(gòu)通常有浮動(dòng)環(huán)密封、機(jī)械密封，小型高速流程泵多采用機(jī)械密封。為了避免高速旋轉(zhuǎn)離心力的影響，切線泵大多采用內(nèi)裝靜止內(nèi)流型多彈簧的結(jié)構(gòu)。對(duì)輸送低溫介質(zhì)如液氫、液氧等介質(zhì)采用補(bǔ)償性能很好的金屬波紋管膜盒密封。根據(jù)使用條件，有單端面密封、雙端面密封和串聯(lián)密封等結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種工作環(huán)境。高速泵的軸向力平衡方法有平衡孔、平衡盤(pán)、背葉片、平衡鼓等方式。在葉輪輪轂上打平衡孔、設(shè)計(jì)平衡管、斜齒輪傳動(dòng)和推力軸承是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，可以應(yīng)用在功率為300kW以下的高速泵上。值得注意的是，在輸送飽和蒸汽壓力高、易汽化的液體時(shí)，多采用入口增壓的辦法以防止泵內(nèi)液體汽化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮水力試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用時(shí)人Vl壓力和介質(zhì)密度兩方面的顯著差異，否則過(guò)大的軸向力會(huì)造成軸承燒毀的故障。

3、高速泵發(fā)展新動(dòng)向

    ①高速泵向輕型節(jié)能化方向發(fā)展  由于變頻器向小型、低成本、高可靠性等方面進(jìn)步，

使新型泵從轉(zhuǎn)速的約束中擺脫出來(lái)，有所創(chuàng)新并系列化。如圖1—4所示，傳統(tǒng)的切線泵帶有復(fù)雜的齒輪增速器，不僅造成價(jià)格昂貴、維護(hù)困難，而且有時(shí)還受到安裝空間的限制。采用變頻高速電機(jī)同軸直聯(lián)的新型泵體積輕巧，由于通過(guò)改變轉(zhuǎn)速的方法使運(yùn)行工況與實(shí)際要求參數(shù)一致，和傳統(tǒng)的閥調(diào)節(jié)流量相比，節(jié)能的效果十分顯著。當(dāng)前變頻器的適用功率范圍不寬、配套電機(jī)等問(wèn)題將是今后的主要技術(shù)難點(diǎn)。

    美國(guó)FLOWSERVE公司開(kāi)發(fā)的MSP變頻高速泵整合了PI(proportional integral)控制器，采用立式電機(jī)直聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有可操作性和維護(hù)性，特別適合水力、機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)，適用于小流量、高揚(yáng)程的領(lǐng)域，其性能參數(shù)如下：流量1.5～25m3／h，揚(yáng)程37.5～600m，轉(zhuǎn)速2000～8000r／min，最高效率35％，最高轉(zhuǎn)速下帶誘導(dǎo)輪的汽蝕余量為2.3m。MSP泵不同轉(zhuǎn)速下性能曲線及軸向力如圖1-5所示。

    ②無(wú)泄漏泵的研究開(kāi)發(fā)  在車(chē)船等特定的場(chǎng)合，要求泵機(jī)組體積小、無(wú)泄漏，同時(shí)還要求泵具有高的參數(shù)性能，一種變頻調(diào)速的高速磁力泵應(yīng)運(yùn)而生。目前經(jīng)江蘇大學(xué)研制成功的高速磁力泵，其結(jié)構(gòu)主要由泵體、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子、隔離套、口環(huán)、消旋器、外磁轉(zhuǎn)子和電機(jī)組成。將50Hz交流電源通過(guò)變頻器最高變頻到400Hz，提供給變頻電機(jī)。由變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子，磁力穿越隔離套，作用于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏輸送。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：隔離套和泵軸構(gòu)成一體是靜止件，葉輪和內(nèi)磁鋼為一整體，構(gòu)成轉(zhuǎn)子件，這種結(jié)構(gòu)保證了泵機(jī)組軸向尺寸盡可能地緊湊。該泵系列性能范圍是：流量2～15m3／h，揚(yáng)程50～300m，轉(zhuǎn)速400～l0000r／min。

4、展望

    理論上開(kāi)展切線泵的全三維流動(dòng)分析是今后研究的一個(gè)方向，計(jì)算結(jié)果為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)、提高性能、減少水力損失提供理論依據(jù)；采用標(biāo)準(zhǔn)化通用化設(shè)計(jì)，建立主要零件的標(biāo)準(zhǔn)系列，運(yùn)用計(jì)算機(jī)選型，組合成各種規(guī)格的高速泵也是發(fā)展趨勢(shì)；隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，切線泵采用變頻高速電機(jī)直聯(lián)和無(wú)泄漏的結(jié)構(gòu)，不僅體積小、重量輕、有較好的節(jié)能效果，而且能夠輸送有腐蝕、劇毒和貴重的液體；德國(guó)Wemhonerundpopp公司已開(kāi)發(fā)出能承受干磨且能在含有顆粒介質(zhì)中使用的高速水潤(rùn)滑推力軸承，負(fù)荷壓力達(dá)到了1OMPa以上。采用碳化硅或在不銹鋼基材上涂敷氮化鈦的復(fù)合材料制造的機(jī)械密封，周速達(dá)lOOm／s，溫度達(dá)300℃，承壓達(dá)20MPa。新材料和新工藝的出現(xiàn)使泵機(jī)組在苛刻的工作條件下有更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。隨著泵工業(yè)的發(fā)展，切線泵將在航天、醫(yī)學(xué)、原子能等領(lǐng)域得到更大的發(fā)展。