轴流泵选型的探讨

1、根据模型泵段或模型泵装置特性进行低扬程泵的选型关醒凡（江苏大学）董志豪（上海凯泉泵业集团有限公司）商明华（上海江天水泵技术研究所）摘要：低扬程水泵的泵段特性和带进出水流道的泵装置特性之间有较大差别。按管道阻力曲线 和泵段特性曲线的交点确定泵工况点，往往得出错误的结果。本文分析泵段特性和泵装置特 性差别的一般规律，提出根据模型泵段特性选型和根据模型泵装置特性选型两种方法。泵选 型的关键在于确定转速n，计算直径D和nD值，取较小的nD值，用高扬程模型在低扬程 下使用是值得推荐的选型方法。介绍了选型软件的特点、用法。1、轴流泵的有效运行范围受诸多方面限制轴流泵有效运行范围的限制条件有：（1）小流量区

2、存在马鞍形不稳定段，泵应避开在此区段运行。（2）高效区较窄，偏离最高效率点，效率下降较快。（3）偏离最高效率工况，因流入叶片冲角增大，会发生汽蚀，造成性能下降和过流部 件破坏。（4）随流量减小，轴功率迅速增加。（5）在小流量侧运行，偏离最高效率点不远时，就会出现明显的噪声，在到达马鞍形 右侧最高扬程时，噪声和振动已非常明显，泵必须离开此处一段距离运行。为进一步说明，把轴流泵扬程流量曲线按关死点（A）、马鞍形底部（B）、可运行点（C）、 最高效率点（D）、零扬程点（E）分段，如图1所示。综合模型试验结果在表1中列出了各 特征点的数值。表1轴流泵运转特性ns500700100012001300H

3、/H1.31.351.421.41.45CDQC/QD0.750.750.750.750.72HA /HD21.81.701.71.6Q 01.31.31.231.251.22Q 00.50.550.550.550.55H /H1.251.281.291.271.30图1轴流泵运行特性分析可运行的最高扬程Hc是个关键参数。对虹吸出口泵站而言，水流通过虹吸管最高点所 需的扬程应小于此扬程；对于水位变化较大的泵站，水位变化时所需的最高扬程也应小于此 扬程。综上所述，泵的有效运行范围为：扬程H： (0.701.30) Hd；流量Q： (0.751.3) Qd。 2、低扬程泵的选型大型轴流泵，流量大、

4、扬程低，直接设计性能难以保证，一般要选择模型进行相似换算， 首先会遇到选型问题。进行选型，一是要有优秀的、数据可靠的模型，二是要有正确的选型方法。按一般离心泵的选型方法，由h=KQ2作一条阻力曲线，它和泵特性曲线的交点就是工 况点。K值对于一个具体的泵装置应当是常数。但是模型轴流泵装置试验表明，对轴流泵装 置而言，并无一个确定的K值，也难以找出明确的规律，阻力曲线不符合h=KQ2，看来用 这种方法对轴流泵是行不通的。这表明低扬程泵的特性和泵装置特性的差异，并不都是摩擦 水力损失所致，进出水流道的各种局部水力损失，以及对叶轮进出口流态的影响，都对装置 特性有着重要影响。2.1、模型泵段特性和模型

5、泵装置特性在大型泵站建设中，首先根据装置情况选泵，选了泵之后，认为有必要则进行模型泵装 置试验。为达到选泵合理，应了解泵段性能和装置性能之间的关系，提出切合实际的装置性能匕。能匕。目前虽然不能从理论上根据泵段特性作出泵装置特性，但是如果能知道两者的大致关系，对选型也是有益的。HaHbHc泵装置HaHbHc泵装置H-QO图2泵段特性曲线和泵装置特性曲线的关系前面已经提到，从泵段特性曲线减去按h=KQ2确定的水力损失，得到泵装置特性曲线， 往往会得出错误的结果，但是为了说明两者的大致关系，我们还是假定图2中HQ曲线是 模型泵的扬程流量曲线，hA、hB、hC是装置的阻力曲线。A、B、C是HQ曲线上的

6、三个 工况点，假设B为最高效率的工况点。Ha、Hb、Hc是对应泵工况点A、B、C的装置扬程， 对于实际泵站则是净扬程，等于吸入液面到排出液面的高度。对于模型泵装置而言，是出口 和进口水箱的位置水头和压力水头之和。从泵扬程曲线各工况点A、B、C上减去各对应点 的水力损失水头，得到装置净扬程A、B、C。连接A、B、C点则得泵装置扬程流量曲线。 由此可以得出结论：模型泵装置扬程曲线位于泵扬程曲线左侧，其偏离程度随着装置阻力损 失增大而增加，对既定的装置又随流量增加而增加。现分析模型泵段最高效率点和模型泵装置最高效率点之间的关系。B点是泵段的最高效 率工况点，A、C两点偏离B点。在A点的阻力损失为AA

7、，B点的阻力损失为BB，AA 小于BB。如果泵段在A点的效率和B点相等，则A点装置效率比B点高。但是A点的泵 效率比B点低，由此，若A点损失减小使装置效率提高的幅度大于泵段在A点比B点效率 下降的幅度，则A点装置效率高于B点，否则B点装置效率高。一般说来，泵装置最高效 率点位于泵段最高效率点的左侧，即装置最高效率点的流量QA小于泵段最高效率点的流量qb。装置最高效率点的扬程ha可能等于、低于或高于泵段最高效率点的扬程。综合试验结果，给出泵装置性能盒泵段特性的如下关系，仅供参考：Q 装m (0.850.95) Q 泵H 装m (0.951.1) H 泵n 装 m n 泵 一(5 10)%2.2、

8、选型的关键问题是确定n、D和nD值n是泵的转速，D是转轮直径，nD值是表示泵汽蚀性能的重要参数(1) nD值的确定泵的转速和汽蚀性能有关，限定nD值就等于限定叶片进口外径处的相对速度。目前国 内模型泵试验时的nD值为435,这时的叶片进口最大相对速度已超过20m/s。实际泵为安 全起见，一般nD值要小于435。对于应急使用，短时间运行的泵站，如排涝泵站，选取较大的nD值尚可接受。但是， 对于南水北调这种调水泵站，要长期连续运行，应尽量避免汽蚀，万万不可把转速选高，nD 值应控制在400以下，一般nD值取350400。国外设计的绝大多数大型泵的nD值取得较低，而且几乎都是排水泵站。国外设计泵站的

9、nD值泵站名称宝应站淮阴三站蔺家坝站荷兰艾莫伊登 泵站新川河口泵 站毛马排水日本(日立)D (mm)2950314028503940420040004600n (r/min)12512512064.3689082nD值369393342253286360377在nD值确定为某一定值后，有两种途径来满足所需的流量、扬程，一是选较大直径、 较低转速；另一是选较小直径、较高转速。对轴流泵来说可能是前者更经济，这是因为轴流 泵的扬程基本和外径无关，同是直径300mm的转轮，在相同转速下，要实现不同的扬程是 通过不同叶片几何参数组合来达到的。而泵的流量和转速一次方、直径的三次方成比例，也 就是说降低转速

10、造成的流量减小可以用增加直径来补偿，由降低转速造成的扬程下降可以通 过选用较低比转数模型来满足。国外多用较低的比转数模型满足低扬程应用，其原因可能也 就在于此。低比转数模型在较低的扬程下应用，在很大程度上克服了高比转数模型高效范围 相对较小、抗汽蚀性能相对较差的缺点。低速大直径方案，可以提高泵装置效率，尤其对于 低扬程泵站，因减小流速从而减小水力损失，效果非常明显。叶轮直径增大，稍许增大了泵 的径向尺寸，但是，由于转速降低，从而使泵的汽蚀余量减小，可以使泵站的挖深减小。因此，采用低转速大直径方案满足低扬程需要，也就是用较高扬程模型在低扬程下使用 是一种可用的选型途径。南水北调工程已建泵站的nD

11、值如下表所示，除国外选型的宝应站、淮阴三站、蔺家坝 站之外，国内选型的nD值大多偏高。南水北调工程已建泵站的nD值（国内设计）泵站名称万年闸站台儿庄站刘山站江都四站江都三站解台站淮安四站D (mm)3150295029002900200029002900n (r/min)125136.4150150214.3150150nD值3944024354354294354352.3、转速、转轮直径的计算因为nD值已经选定（假定其值为K），因此，选型计算只需确定n或者D中的任意一 个。依据流量相似公式:Q _ n ( D )3 _ nDD l2- KD FQMnMDM JnMDMD J M /n D:D

12、 J M y式中，带下标M的为模型泵，不带下标的为实型泵。根据上式则有：D = D nM dm Qm KQ* M依据选定nD值，可以反算出n。一般来说，n不可以任意选取，必须符合电机转速， 有时还要结合减速机的减速比。常用电动机的转速为：异步电机2900、1450、980、740、590、490、（420）、370、295，更大电机一般为同步电机，转速为 375、300、250、214.3、 187.5、166.7、150、136.4、125、115.4、107.2、100、93.8、88.2。2.4、根据泵站的实际情况合理确定淹没深度nD值是从泵本身考虑，限制叶轮进口外缘流速，防止汽蚀发生。

13、淹没深度hg是从泵站 装置考虑，防止在叶轮进口处发生汽蚀和吸入旋涡。即使有足够的淹深，如果nD值过大， 也不能完全避免在叶轮外缘处发生间隙汽蚀。淹没深度确定方法如下：由模型试验提供的汽蚀余量NPSHr或汽蚀比转数C （如果未得到准确的试验数据，可 选取C=9001000进行计算），考虑汽蚀安全余量，确定许用汽蚀余量NPSH。建议汽蚀安全余量系数K的范围为K=1.31.5，并满足有1m的余量。由此，NPSH=KNPSHr，且】NPSH NPSHr+1mo淹没深度七按下式计算：h =NPSH j + + h式中： 泵站现场大气压水头，m,与所处地点有关;Pgp ,.，一.一，、，抽送水的气化压力水

14、头，m，与温度、介质有关;Pghc从吸入水面到泵进口（转轮进口处）的损失水头，m，与进水条件有关;南水北调工程已建泵站的h及K值统计g泵站名称万年闸站台儿庄站刘山站江都四站江都三站解台站淮安四站宝应站淮阴三站蔺家坝站转速 n(r/min)125136.4150150214.3150150125125120淹没深度（计算）h （m）-0.220.982.452.051.392.452.930.170.17-2g淹没深度（使用）h （m）3333333333.7主泵形式立式轴流立式轴流立式轴流立式轴流立式轴流立式轴流立式轴流立式混流贯流贯流使用模型天津20号天津19号天津6号天津2号TJ05ZL0

15、1天津12号天津15号日立艾荷日立注：表中计算淹没深度时，统一按汽蚀比转速C=900计算，汽蚀安全余量系数K=1.35计算，吸入损失hc=0.2m计算。可见n对hg的影响很大。2.5、模型泵效率的换算关于模型泵与实型泵之间的效率换算，已有多种公式，换算结果均有一定的近似性。有很多场合，要将带有进出水流道的模型泵装置性能换算成实型泵装置性能，因为装置 的几何形状、内部的流动状态等和泵本身有所不同、其近似程度进一步增加。考虑换算公式有近似性，目前关于模型到实型的效率换算有两种做法：（1）双方协定效 率修正值，如实型泵装置效率等于模型泵装置效率，或协定增加几个百分点；（2）协定换算 公式。目前常用公

16、式有：（下标P表示实型泵，M表示模型泵）莫迪（Moody）公式：公式中使用五次方根的比值，是根据当时制造水平和模型试验水平用统计数据归纳分析 而来的，直径比值的幂值并无理论依据（也曾经提出过四次或六次方根的计算方法）。阿柯瑞（Ackeret）公式iReIM5 Re I P /iReIM5 Re I P /1 -np =(1 -nm ) 0.5 + 0.5 5i此式假定了模型的水力损失中一半为旋涡损失，不作修正，另一半为摩擦损失，用雷诺 数的五次方根来换算，使用雷诺数来代替直径比值，体现了对水头效应的考虑。后来胡顿 （Hutton）建议对轴流式水轮机两类损失的分配由各0.5改为旋涡损失0.3和摩

17、擦损失0.7。经过很多研究者的不断改进，从上世纪70年代开始广泛应用下面的换算公式，适用于 混流式和轴流式两种形式的水轮机：1 -n 广（1-n M）*+ 5 D 10 hmL1 p 1 P -1系数代替全部水力损失中摩擦损失所占的比重，对于混流式和轴流式水轮机以及同一 机型在不同工况下，值都是变动的。所以，至今以来许多研究者用理论分析或统计方法都 在探讨值的大小和分布方式。日本的井田富夫对水力机械，包括水泵、水轮机和水泵水轮机的水力损失进行了系统研 究，提出对常规水泵的值为0.60.75。日本标准JIS B 8327中建议用下式换算:1 -n 1 -n P= IM )G - V )+ 1.0

18、7 VA-0.18J其中，2-2-0.84 + 0.84V =1.4N-1 - 0.07式中，QMo模型效率最高时的流量;n-QN 日本用比转数N 二 (Q： m3/min)Ss H 3 43.65Qn$中国用比转数，n =h(Q： m3/min)N = 2.12n ss上式与胡顿公式具有相同意义，前项是涡流损失，后项是摩擦损失的换算。IEC995是IEC基于已有研究成果最新公布的关于模型到实型进行效率比尺放大的标准，目前已在国际模型验收试验中得到应用。门 h=8 ref(Reu,ref门 h=8 ref(Reu,refI ReXu ,M、0.167(Re、0.16u ,refReu, P5r

19、ef/ 5ref/ Re )u ,refReu ,opt, M /1 一门h ,opt, M0.161 一 y+refyref式中：nhp式中：nhp原型水泵计算水力效率，门h, M模型水泵计算水力效率，DuReu%;%；Re=7X106；u ,r e fRe 每一试验点的模型雷诺数;u, MRe up 每一试验点的原型雷诺数；5 对应于Re的相对可换算损失；refu ,refn hoptM 模型水泵最优水力效率，；Re u op m 模型最优效率n h顷M点处的雷诺数;Vref对应于Reu ref的损失分布系数，对水泵匕ef =0.6；D 叶轮名义直径，m；u 叶轮名义直径处的圆周速度，m/

20、s。注：对每一叶轮转角，5凹为常数。如果模型试验是在保证效率范围内等转速下进行，而且水温也是常温，则可以认为Re 为常数。u, M可根据原型泵参数，将Re up取为常数。当Re u m和Re up为常数时，对每以叶片转角，5 h为常数。具体计算可按IEC 995 （1991）中6.3执行。3、低扬程水泵选型软件软件界面如下图3.1、特点a）快速对不同的n、D和不同模型的组合进行选型，确定最优方案。b）功能强大，确定实泵的n、D、n NPSH、hg，自动生成实泵的泵段特性曲线、泵装 置特性曲线（包括数据表）c）操作简单，只要输入Q、H，从下拉框中选择模型（泵段或泵装置），即可进行计算 和选型。3.2、模型资料本软件的数据库中存入了模型泵段和模型泵装置的试验数据，具体为：天津同台测试泵 段8种，其中1种为双向泵；混流泵段4种；轴流泵装置4种（万年闸、台儿庄、刘山、江 都四站）；混流泵装置3种（青草沙、江都四站、五家子）。1）输入单泵Q、日，自动推荐n、D,人工给定n、D,选择模型，确定计算。软件界面中显示：比转数、nD值、模型叶轮直径D、汽蚀比转数C （默认900，或根 据模型试验结果给定）、模型泵换算为实型泵的流量比例系数七、扬程比例系数入H、效率修 正值An、模型最