离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计

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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

2、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　δ――密封环间隙的宽度(m)；　

3、　　D0――叶轮进口直径(m)；　　　B――叶轮进口环壁厚(m)；　　　ψ――密封环间隙圆角系数；　　　λ――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)；　　　ΔH――密封环间隙两端水头差(m)。　　其中B、δ由于泵零件加工工艺、装配、泵转子轴刚度等条件的限制，设计选择自由度很小，一般设计中可视为定量。此外，λ、ψ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，ΔH亦可认为是常数，一般ΔH≈0.8H(H为设计扬程)。因此，从式(1)可看

4、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Δhyf，叶轮流道摩擦损失Δhef，叶轮流道扩散损失Δhk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)；　　　ω――叶轮旋转角速度(r/s)；　　　D2――叶轮外径(m)；　　　Kef――流道水力摩擦损失系数；　　　ξ――沿程阻力系

5、数；　　　R――叶轮流道模拟圆管水力半径(m)；　　　β2――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

6、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β2的正弦平方成反比。根据泵的设计理论，当选取较大的叶片出口角β2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Δhyf、叶轮流道摩擦损失Δhef、叶轮流道扩散损失Δhk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Δhef和Δhk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Δhyf。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

7、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)；　　　λ1与叶轮入口几何形状有关的经验系数；　　　λ2液流流过叶片头部引起的压力下降经验系数；　　　V0叶轮入口平均流速；　　　W1叶片入口相对速度；　　　Q泵流量；　　　ηV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

8、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相对速度，即降低了N