低比速离心泵水力设计进展

排灌机械第&=卷第&期:1>>>年&月2李等"低比速离心泵水力设计进展????????????????????????????????????????????????????????????????;<;低比速离心泵水力设计进展!李摘袁寿其要"介绍了低比速离心泵在水力性能方面存在的主要问题#即效率低$易产生驼峰和易过载#讨论了无过载原理$复现代水力设计的基本要求%对近年来逐步发展起来的低比速泵水力设计方法如加大流量法$合叶轮设计$面积比理论及各种优化设计方法进行了简要评述#对各种设计方法进行了比较并讨论了其间的相互关系%从目前的研究进展看#针对用户特定的性能需要#只要选择合适的方法并结合设计师自身的经验#是可以设计出理想低比速泵的%该文还对低比速泵的发展趋势作了前瞻%关键词"离心泵低比速泵水力设计综述&引言低比速离心泵是指比转速在’()*+之间的离心泵%这类离心泵相对来说流量小扬程高#因而广泛应用于石油化工$农业排灌$城市供水等方面%随着应用要求的提高#这类泵向比转速越来越低的方向发展%但正因为低比速离心泵流量小扬程高#就存在有不同于一般离心泵的特点"为了产低比速离心泵叶轮直径相对较大#生较高的扬程#造成其流道长而窄#致使圆盘摩擦损失和流道内损失均较大#因此效率较低,由于叶轮流道扩散较严重#在小流量工况下#很容易在叶轮出口和内部产生回流和脱流#在外特性上就表现为其扬程流文献-对目前常用的设置前置量曲线存在驼峰#./导叶$斜切叶轮出口边$减少叶片数等改善不稳定特性的方法进行了分析,低比速离心泵的输入功率随流量增大快速上升#最大轴功率与设计点功率之比远大于一般离心泵的相应值#由于泵运行条件复杂#泵的实际运行工况点经常变化#特别对出口管路无流量调节阀的用户来说#电机过载烧毁现象时有发生,低比速泵流道狭长#对汽蚀汽泡的容纳能力弱#其汽蚀特性曲线是急速下降的%以上即为长期困扰低比速泵的0个难点"提高泵效率#消除性能曲线驼峰#解决大流量运行易过载#抗汽蚀性能设计%如果不解决这些问题#在小流量高扬程的性能范围内就难以与往复泵竞争%但其特性决定了不能用普通离心泵的设计原工程培养基金资助项目%!江苏省84449李理与方法设计高性能的低比速泵%围绕上述问题#近’+年来国内许多大专院校和科研单位的技术人员都对低比速泵进行了大量而卓有成效的研究其中#文献-对低比速离心泵的理论和设计方法’/进行了较为详细的论述%工作#使泵的理论$设计和制造达到了新的水平%1现代水力设计的基本要求离心泵自问世以来#设计手段及设计理论均已发展到一个较高的层次#设计概念也不再仅是设计出满足规定点性能参数的高效离心泵%现代离心泵的设计具有更高的要求$更广泛的含义#应考虑以下内容%.设计预测的泵流量3扬程曲线2在所给定的运行条应与将来实测曲线相一致%’2件下#泵应具有效率高$运行范围广和良好的水力性能%在一定的工作范围内#泵应能在管路中稳42定地工作#并具有良好的汽蚀性能%低比速泵应02具有优良的功率特性#使原动机不会因过载而损坏%(泵在工作时应具有振动小$噪声低$可靠性2高等优点%5泵的结构和材料应能适合所抽送介2质的性质%6应能用最经济的工艺措施制造出所2设计的泵%*泵还应具有满足人们审美要求的外2设计计算过程观及符合人体工程需要的结构%72全盘计算机化%因此#现代离心泵的设计#不但要考虑减小损失$提高效率#而且要考虑整个设计制造的周期和成本等各种因素以及销售和服务系统#所以我们女硕士生江苏理工大学流体机械工程技术中心:江苏省镇江市#"##’.’+.42,万方数据袁寿其"男#研究员#博士生导师#江苏理工大学流体机械工程技术中心:江苏省镇江市#’.’+.42%tttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttttt只能借助于计算机辅助设计!及计算机辅"#$%从流体力学(流动模型(结构受助制造!’"#&%力(可靠性等方面着手’才能经济地研制出高效离心泵)总之’面积比原理设计法通过控制叶轮和泵较之以体之间的相互匹配来产生不同的泵性能’有实践检验和有广阔应用前景的水泵设计和性能预测的有效的现代方法之一)*+Q加大流量设计法加大流量设计法是低比速离心泵所特有的设计方法’其目的是提高低比速泵的效率)该法依据低比速泵在小流量范围内运行时’效率随流量的将给定流量和比转速放大作为设增加迅速提高’[]\[n,op+,!nQuuu%lmlqrs^_‘ab‘cd‘b^a__ac‘eafbg‘hiabd_jk往只重视叶轮研究有所提高’是一种有理论基础(*水力设计方法简评由于低比速泵在性能参数(几何形状和外特性等方面的特点’其理论及水力设计必然具有特殊性’而且各特性并不相互独立’而是相互影响因此’在一种设计方案中各特性均最优化尚不的)可能’设计者可根据设计时所侧重的性能加以选择)下面对各种常用的低比速泵水力设计方法作简要评述)*+,面积比原理设计法面积比原理设计法由#-./012-于3456年提出’他指出’叶轮出口过流面积与泵体喉部面积之比乃是离心泵扬程(效率等性能指标的重要参数)#-./012-的面积比7定义为叶轮叶片间的出口面积与泵体喉部面积之比’即789+4:;<=>=1?-@=ABC式中’9+4:为考虑叶片出口的排挤系数)虽然以后=9余年的资料早已表明’这已成为预测离心泵性能的最有效的方法之一’但直到34D5年’E+"+F201G/0才从理论上证明了面积比原理的科学性)F201G/0的面积比定义为78;<=>=GH@=ABC文献I=J中认为对低比速泵而言’不同设计法相对应的排挤系数K=相差较大’应引入该系数对上述公式进行修正)面积比设计法定量地研究叶轮与泵体的匹配关系’是很有前途的’在国外已成为泵设计和预测性能最有效的方法之一’但在我国泵行业的起步较晚’真正对此进行研究是69年代初才开始的)文献I=J中对此进行了理论推导’并通过试验分析得出影响离心泵最大轴功率位置的最关键因素是面积比’而非传统观点认为的叶轮)文献I5J中统计出’国内大部分低比速泵的面积比在5+9LM+9之间’少数可达39+9’这对提高泵效有利’却使得泵在大流量区运行时易过载)因此’对无过载离心泵’建议取面积比783+9L=+9)若7N3+9’泵效较低’且可能引起制造困难O若7P=+9’则泵的轴功率可能是过载的)对追求高效率而又能控制出口流量的泵万方数据!如工业泵%’可取面积比785+9LD+9)计参数来设计一台较大的泵在小流量处作小泵使用)这样的泵不仅在设计点处效率有较大提高’而且在整个使用范围内平均效率均有一定程度的提高)值得注意的是’本法中增加比速只是一种手段’其目的是通过增加流量和比速提高泵效’因此为反映原设计参数和实用’在采用本法时’建议将设计比速作为泵的相似准则)该法引起的负面效应是相同流量下放大设计的泵轴功率可能会增加O原设计流量处的需求扬程有时难以保证O扬程流量曲线容易出现驼峰O将大泵作小泵用增加了制造和使用成本)加大流量设计的基本方法是’在大量试验的基础上’对现有有关设计参数进行修正’再用修正过的参数’综合各种因素’设计出较为合理的流动组合和几何参数组合’用公式表示即为RS8T3R’UVS8T=UV式中’T3’T=为放大系数)文献I=J给出了放大系数的推荐值)因为加大流量设计的目的就是提高泵效’所以几何参数的选择原则就是尽量减少各种损失)对低比速泵而言’由于叶片外径较大’与叶轮外径成:次方的圆盘摩擦损失就显得相对突出O再加上低比速泵叶轮出口流速较高’因而在泵内的水力摩擦损失也较大’所以在保证用户提出的性能要求的前提下’降低这两项损失是提高效率的基本手段)具体措施有W增大@=(>=’取较少的叶片数XIYJ’取较大的叶片包角ZI’:J增大泵体喉部面积BC’叶片前伸并减薄等)但因为泵的各项特性不是相互独立的’应综合考虑各种因素合理选取几何参数)例如考虑到泵抗汽蚀性能’若叶片过分向叶轮吸入口延伸’叶片进口排挤会使水流在进口部位流速增大’压力下降’容易发生汽蚀现象’因此将叶片进口边向吸入口延伸这一成功经验应用于低比速泵时应从多方面考虑IDJ)排灌机械第gh卷第g期’ijjj年g月+李等4低比速离心泵水力设计进展kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk!"!复合叶轮设计法复合叶轮设计法是将长短叶片间隔布置#一般短叶片的径向长度为长叶片的$%&左右或’(%$短叶片分布圆直径为’-"*)-".+,$/)&%*+,$#该法实质是一种提高泵效的设计法#依据叶轮内速度和压力分布随叶轮流道形状和叶片而变化#设计出具有优良水力性能的泵/文献0因为液体存在粘性#叶片对12中指出#液流的作功作用不均匀#离心叶轮通道内的流动基本由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的样#泵就可以选择很小的功率备用系数/文中推导出无过载设计的约束方程组为4?@ABC:-$$$("(D@-"---&1DEF,$-"7DBC:$@&$-*AGH-K,$<LMNO:$$$I$"-("-IJ@=>只要泵的几何参数满足上述关系式#泵的轴功率effe射流区所组成#靠近叶轮前盖板和叶片吸力面属尾迹区#靠近压力面处则是损失较低的射流区/尾迹区通流速度很低#在出口附近易产生脱流和边界层分离#在该部位添加短叶片#就会对吸力面出口附近的液流起到加功作用#有效防止脱流产生#改善叶轮流道内的液流扩散程度#稳定液流在叶轮内的流动3短叶片增加后#还增大了有限叶片数修正系数#有助于提高扬程#并减小进口的排挤和冲击#降低了进口的动压降#因此采用复合叶轮是设计高性能低比速离心泵的有效途径之一/文献0$2中对复合叶轮设计中各因素对泵性能的影响规律进行了正交试验研究#得到了短叶片偏置的最优方案4偏置度为-"*-#偏转角为5&6)5(-6#进口直径为’-".)-"1+,$#短叶片与前后盖板固定/文献072中对低比速复合离心叶轮的设计方法进行了探讨#给出了各项参数的计算公式#并对两台泵进行了试验验证/文献082中试验得出#短叶片偏置前后轴功率基本不变#但扬程和效率却明显提高#说明复合叶轮设计法可有效提高泵效/!"9无过载设计法无过载设计#顾名思义是解决低比速泵在大流量区运行易过载的问题/该法依据离心泵的轴功率曲线有极值#综合考虑设计工况和最大轴功率点的优化设计#减少:$;<$;=>等参数#设计出具有陡降扬程曲线和平坦轴功率曲线的泵#但因为避免过载与提高效率是相互矛盾的#所以无过载离心泵效率比优秀模型略低#但为了获得饱和轴功率性能及提高泵的运行可靠性#牺牲一些泵效率还是值得的/文献0$2中指出#因为低比速泵一般在最高效率点的流量的右侧达到最大轴功率值#根据该工况来确定原动机的配套功率显然是不合理的万方数据#因此希望最大轴功率位置尽可能接近设计点#这曲线应在设计点附近有最大值#从理论上讲#就能保证泵在全扬程范围内运行均不会过载/这种对出口无流量调节阀的农用及工程用低比速泵来说#由于是通过改变离心泵的水力设计#而不增加任何辅助设备来避免过载#无疑是最简便和廉价的/该文中还通过正交试验#总结出各几何参数对无过载离心泵整体性能影响大小的顺序为:$;S;,$;=>;,-;<$/目前#泵行业已有不少应用无过载理论研制出新产品的报道0(-2#并已将该理论应用于低比速离心泵式渣浆泵0((2/但是#由于无过载离心泵的理论与设计的研究仅处于开始阶段#泵轴功率特性的研究尚需深入进行/要精确计算各工况下泵的轴功率值#就涉及到液体功率的计算#而精确计算液体功率就必须准确计算各种损失特别是水力损失’尤其是非设计工况下的水力损失+/因此#必须深入研究低比速泵的内流特性#才能逐步实现无过载低比速泵的优化设计/!"T优化水力设计法优化设计是.-年代才发展起来的一门新技术#借助计算机对整个机械学科产生了十分深刻的影响#它在泵行业的应用起步不久/优化设计是以数学规划为理论基础#以电子计算机为工具#在充分考虑多种设计约束的条件下#寻求某预定目标下的最佳设计方案/目标函数越多#设计效果越好#但问题的求解亦越复杂/水泵水力设计#大多是多目标优化设计问题/多目标优化设计的数学模型可以写成求U@0V(#V$#W#VE2XYZE使得[NO=\’V+#\@(#$#W#]#^"_‘\’V+@-#\@(#$#W#a#‘\’V+I-#\@(#$#W#b’U为设计变量#ZE为E维欧氏空间#=\’V+为目标函数#‘\’V+@-为等式约束#‘\’V+I-为不等式约束#[NO也可写成[cd+/多目标优化设计#一般可转jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj化为单目标优化设计问题!水泵优化设计方法是将水泵的基本流动理论与计算流体力学和优化方法等结合在一起"主要在保证效率最高的条从考虑水力损失最低着手"件下"寻求不同的流动和几何参数的组合!低比速离心泵的主要几何特征是叶轮外径尺寸大"叶轮的圆盘摩擦损失相当突出!因此"在其它条件不变的情况下"尽量减少圆盘摩擦损失"即将缩小叶轮直径使其最小作为设计目标之一#此考虑泵的汽蚀性能问题"也可作为另一设计目外"项高效率6无驼峰6无过载6饱和轴功率性能PRQPc7def7,cklll0abaghiSTUVWUXYUWSVTTVXUZV[W\U]^VWYT_‘设计方法的特点及相互关系见表%!图7水力性能之间的关系表7各种设计方法的特点及相互关系目常规设计中等中等低加大流量设计无过载设计大大高小小较高几何参数2+3+4&&5面积比泵效率标!文献$%&’在对现有部分优秀低比速泵叶轮出口参数统计分析的基础上"以叶轮出口绝对速度(&为约束条件"以叶轮外径)&有极小值为目标函数"对出口参数进行了优化!文献$%*’中研究了中低比速离心泵叶轮入口和出口参数的优化设计方法"并把按传统方法设计的现有泵的叶轮参数与优化设计的参数作了比较!随着低比速泵流动损失理论的发展"其优化设计必将日趋完善"所以这类方法的应用前景是广阔的!离心泵包括低比速离心泵的基本构造已发展得相当完善"今后的主要任务是为特殊工况设计各种专用泵"如特殊的结构+材料和密封等!对低比速离心泵而言"这种专用泵优化思想还表现为根据不同的工况和设计要求采用不同的设计方法!例如"对广大工业用泵而言"泵的运行工况点均由阀门调节且基本稳定"此时为提高泵的效率"可用加大流量设计法"这时的面积比较大"也可根据需要增加短叶片!但对广大工程用和农用泵而言"因运行工况经常变化"可采用无过载设计法"宁愿牺牲一些效率来换取泵的可靠性!对这两种应用场合没必要采用相同的设计思想!这也许是今后发展适用于特殊工况的专用泵的思路之一!因为无过载泵用效率,约&-./-0来换取可靠性"与杂质泵等用效率,也约&-./-0来换取通过能力是同一意义的!1各种设计方法优缺点比较研究表明"许多提高效率的措施,如增大2&+3&+45等0将恶化驼峰特性和轴功率特性#反之"大部分消除驼峰和避免过载的技术又会降低效率!另外"虽消除驼峰与避免过载的趋势是一致的"但其程度也有不同!研究表明"所有无过载泵均是无驼峰的"但反之则不成立万方数据!低比速泵的效率+驼峰和过载等特性之间的关系可用图%来表示"各种89:曲线可能不稳定不稳定稳定;9:曲线可能过载易过载不过载3+<+=点控制较好差好配套功率裕量较大裕量大经济制造工艺性一般好差>展望泵技术发展的原动力在于用户的需求!展望&%世纪"人类不断增强的环境意识+质量意识和个性化意识等将成为推动泵业技术发展的强大动力!现代文明的三大支柱?新材料技术+新能源技术和信息技术的迅速崛起将加速泵业技术革命的到来!&%世纪泵业技术的发展趋势有以下几个方面!%0理论与设计方法科学化理论研究的重点将仍然是泵内部流动测试+三元粘性流动计算+多相流和汽蚀等!可以预言"建立在泵内部真实流动模型基础上的性能预测和计算机仿真将代替目前的经验设计和反复试验!&0生产制造高技术化生产制造高技术化是产品@价廉物美A的根本保证!例如"应用BCD技术"就能在最短时间内推出各种关键零部件的最新设计#BCE和柔性制造技术的应用将革新目前以普通机床为主的制造方式!*0产品模块化和个性化产品模块化将使生产成本大幅下降+开发周期大大缩短"而个性化的发展则要求产品朝多品种小批量的特殊用泵方向发展!F0密封无泄漏化GH年代泵技术的最重要进展在于无密封泵技术,IJKLLJIIMNOM0"包括屏蔽泵和磁力驱动泵!随着环境意识的增强"这种对无泄漏泵的需求将继续呈广泛而强劲的增长趋势!/0原动机无极化和监控系统自动化未来的原动机将能根据泵运行工况的变化自排灌机械第RS卷第R期,TUUU年R月-李等$低比速离心泵水力设计进展水泵技术")++),)-$)./VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV动调整转速!而服役泵的自动化监控系统使泵的并减小运行维修费用#工作更为可靠"此外新材料技术的研究也是今后泵行业发展泵的可靠性和节能则仍是最基本的要求#的重点"=QP=低比速离心泵理论与设计*北京$机械工业出版社"0袁寿其*)++1陈次昌主编*现代水泵设计方法*北京$兵器工业出版2金树德"社对国内泵行业来说"还将向以下几个方向发展$引进消化深层化%特殊用泵国产化%普通用泵更新化和产学研一体化等#从目前发表的低比速泵研究文献看出"主要集中于探讨几何参数与泵性能之间的关系"同时低比速泵特有的加大流量设计和无过载设计也已较为成熟#今后研究的重点将由过去的试验%外特性和孤立研究向理论%内特性和系统化发展#应加强旋转叶轮内部流场的测试"在掌握真实流动机理的基础上"建立一系列优化设计准则和计算模型"发展一套科学的能直接用于工程设计的包括造型设计%数值模拟和性能预测的&’(程序库#对低比速泵而言"为了进一步提高效率"应设法控制叶轮内的边界层分离及叶轮出口的尾迹区等"这也是有待于进一步研究的领域#参考文献)刘甲凡"王万能方数据秀*改善低比速离心泵不稳定特性方法的分析*")++2/刘根宜*低比速离心泵叶片数的选择*水泵技术")++3,3-$0+.2)3沙毅"曹武陵*超低比转速离心式潜水泵设计实践*水泵技术")++1,0-$2.34严敬*低比速离心泵55原理%参数优化及绘形*成都$四川科学技术出版社")++61沈天耀*离心叶轮的内流理论基础*杭州$浙江大学出版社")+646朱祖超等*低比转速复合离心叶轮设计探讨*水泵技术")++3,3-$)).)/+查森"杨敏官*低比转数离心泵提高效率的研究*江苏工学院学报")+64"3,/-$).)0)7管仁强*离心泵叶轮水力模型无过载设计尝试*排灌机械")+++")1,0-$)0.)/))张玉新等*无过载离心式渣浆泵的理论和设计*全国第二届杂质泵及固体屋管道水力输送学术讨论会议文集")+++81$/6.32)0汪建华*低比转数离心泵叶轮的优化设计*水泵技术")++2,4-$)7.)2)2何希杰*中低比转数离心泵叶轮优化设计方法*水泵技术")++0,2-$0+.20低比速离心泵水力设计进展作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：李昳，袁寿其，LiYi，YuanShouqi江苏理工大学流体机械工程技术中心,江苏省镇江市,212013排灌机械DRAINAGEANDIRRIGATIONMACHINERY2000，18(1)7次1.刘甲凡.王能秀改善低比速离心泵不稳定特性方法的分析1991(01)2.袁寿其低比速离心泵理论与设计19973.金树德.陈次昌现代水泵设计方法19934.朱祖超低比速离心泵叶片数的选择1995(05)5.沙毅.曹武陵超低比转速离心式潜水泵设