新型离心泵的可行性分析报告

新型离心泵的可行性分析报告

摘要新型离心泵是以前有的采用封闭叶轮的离心泵为基础，主要对泵的叶轮结构和开头进行了重大改进，离心泵的其余部分保持不变，该泵有两个重要特征：一是叶轮盖板有所减小，使叶轮成为不完全封闭叶轮。二是叶片进口延长至叶轮进口附近，并且叶片的轴向部分和轴向径向之间的过渡部分为双曲混流叶片。该泵显著降低了泵内损失，并充分利用了叶轮内部空间，从而明显提高了离心泵的效率。
关键词离心泵泵内损失封闭程度叶轮直径效率

一、离心泵现状
目前离心泵中多数型号的效率一般在70-80%左右，少数大流量型号的效率在90%左右。影响离心泵效率的主要原因在于泵内存在的能量损失，这些损失主要是机械损失、水力损失和容积损失。机械损失主要是叶轮盖板与水的磨擦损失以及离心泵轴承、轴封上的摩擦损失，水力扣失主要是水在泵内运动速度和方向的变化引起的冲击或旋涡等损失，水与泵内各流道的磨擦损失以及水流的内磨擦损失，容积损失主要是泵内高压水向低压区泄露回流造成的损失。每种损失在总损失中所占比重随水泵比转速不同而有所不同，正是这些损失降低了离心泵的效率。离心泵的效率从上个世纪到现在，在长达数十年的时间里一直没有多少提高，基本处在原地踏步的状况。
造成这种状况的原因在于一直没有找到能明显降低泵内能量损失的方法。由于离心泵作为一种历史较长的通用机器，人们一般认为已发展的较为成熟，泵内损失基本上降到了最低限度，已经没有多少潜力可挖了。但事实并不是这样，现有离心泵特别是应用最多的采用封闭叶轮的离心泵，在降低泵内能量损失上仍有不少潜力可挖。
目前国内外提高离心泵效率的常用方法主要有以下几种：
1. 提高铸造精度，提高叶轮盖板、泵壳内壁等的流道表面光洁度，减少水流磨擦损失。
2. 提高加工精度，减小封闭间隙或将密封环加工成迷宫型形，减少泵内的容积损失。
3. 合理设计叶轮盖板与泵体内侧间隙，减小圆盘磨擦损失。
4. 合理确定过流部件进出口角，避免流道内出现死区、尖角、突变等，减少泵内的水力损失。
5. 采用机械密封结构，减少轴封磨擦损失。
以上这些方法对提高离心泵效率都是有益的，其中有些方法对不同型号的离心泵所产生的效果也不一样，但总的来说，这些方法对提高效率的作用都不太明显。
二、新型离心泵的技术依据
新型离心泵采用了独特的叶轮结构和形状，明显降低了泵内能量损失，显著提高了效率。与现有离心泵相比，新型离心泵主要有两个特征，其中第二特征的作用要大于第一特征，新型离心泵不排斥目前国内外采用（用于提高效率）的常用方法，结合这些方法，将更有利于降低损失和提高效率。
1、第一特征的技术依据
新型离心泵的第一特征是叶轮盖板有所减小，使封闭叶轮成为不完全封闭叶轮。要论证第一特征在技术上是否可行，首先要弄清叶轮的封闭程度究竟对水泵的效率有何影响，以下分两步讨论：
（1）叶轮封闭程度对效率的影响
现有离心泵的叶轮类型按封闭程度可分为封闭式、半开式和开式三种，其中封闭叶轮的效率最高，而开式和半开式叶轮容易发生沿叶片侧端的泄露，很多人因此得出封闭程度越高效率越高的结论，一般不考虑减小叶轮盖板。但问题就在这里，虽然在三种叶轮中封闭叶轮效率最高是事实在，但这三种叶轮封闭程度的三个特例，因此这个事实只是说明这三种特例的效率差别，而不应直接得出叶轮封闭程度越高效率越高的结论。比如无压圆管的输水能力与水流在管中充满度之间的关系，虽然圆管的输水能力在充满度100%（满管）时比充满度在50%（半管）时要大，但不能由此得出充满度越高输水能力越大的结论，实际上无压圆管在充满度95%时输水能力最大，要比充满度最高（满管）时的流量高出8.7%。叶轮的封闭程度与水泵效率之间也存在类似情况，虽然封闭叶轮消除了水流沿叶片侧端的泄露，但其圆盘等损失也达最大，并且该损失将随着叶轮直径的增大而急剧增加。因此，就封闭程度来说，效率最高的应该不是封闭叶轮，而是叶轮盖板适当减小的不完全封闭的叶轮。
（2）第一特征的技术依据
由于适当减小了叶轮盖板外径，水泵工作时叶轮盖板与水的磨擦损失（既圆盘损失）减小，该损失与n3d5成正比，既圆盘损失与叶轮转速3次方和叶轮外径5次方的积成正比（祥见波兰AT特罗斯科兰斯基与S拉扎尔基维茨合著的《叶片泵计算与结构》）。在该损失减小的同时，叶轮中的少量水流从未封闭处的叶片侧端流出，由于流速略有降低，使叶轮出口水流与泵壳内水流之间的流速梯度减小，并使叶片侧端与水流的相对流速小于原来该位置的盖板与水流的相对流速，这也有利于降低泵内的能量损失。
但如果叶轮盖板外径减的太多（盖板太小）就会产生不利情况，这时叶轮内的水流沿叶片侧端泄露较多，并且半径越小处的叶片侧端，其泄露的水流能量越低，流量越小，而此处叶轮内的水流依然随叶轮高速旋转，这样就会在叶物理学内外水流之间、叶片侧端与水流之间以及侧端水流内部造成很大的流速梯度，从而造成很大的水流种击和旋涡回流损失，所以叶轮盖板只能适当减小。由于离心泵型号规格很多，因此新型离心泵也将有多种不同的最佳盖板外径，具体的外径值需要经实验来确定。
2、第二特征的技术依据
新型离心泵的第二特征是适当延长轮叶片，叶片进口延长至叶轮进口附近，并将叶片的轴向部分和轴向与径向之间的过渡部分制成双曲混流叶片。水泵工作时，水流轴向进入，先经混流叶片初步加速增压，再经后弯径流叶片继续加速增压。第二牲使现有离心泵叶轮内未充分利用的轴向与径向之间的空间得到有效利用，在基本不增大叶轮的情况下，增加了流量和扬程。其具体分析如下：
（1）由于叶轮内未利用（轴向与径向之间）空间的旋转，造成了与水流的磨擦损失，而第二特征使水流（在相对流动的同时）随该空间共同旋转，因此，降低了该空间与水的磨擦损失。
（2）在基本不增大叶轮的情况下增加了流量和扬程
由于充分利用了叶轮内部空间，使第二特征的实施可以在基本不增大叶轮的情况下实现，而第二特征中的双曲混流叶片，可以为水流提供能量，增加流量和扬程。这意味着新型离心泵只要达到相应的流量和扬程，就可以减小叶轮直径或降低叶轮转速，而改变叶轮直径或转速正是第二特征提高水泵效率的关键。
（3）叶轮直径对效率的影响
在分析第二特征的作用时，必须同时分析现有叶轮直径对效率的影响。我们从离心泵的基本方程和性能原理中得知，当流量、转速和进出水角不变时，叶轮直径越大（相应的比转速越小），其扬程越高，圆盘损失与容积损失也越大；而叶轮直径越小（相应的比转速越大）时则相反，并且无论叶轮直径偏大或偏小，在一般范围内对效率产生不利影响。其中叶轮直径偏大时主要是因为圆盘与容积损失，而叶轮直径偏小时，虽然圆盘与窖损失较小，但直径偏小导致叶片较短，叶片较短又使效率降低（祥见前面提到的《叶片泵计算与结构》）。现以350S型和500S型单级双吸泵为例，将有关参数列表如下：
泵型流量
Q
（m3/n）扬程
H
（m）转速
N
(r/min) 效率
η
（%）叶轮直径

（mm）
比转数
350S16 1260 16 1250 86 290 280
350S26 1260 26 1250 88 350 190
350S44 1260 44 1250 87 410 130
350S75 1260 75 1250 85 500 90
350S125 1260 125 1250 81 655 60
500S13 2020 13 970 83 390 280
500S22 2020 22 970 84 465 190
500S35 2020 35 970 88 550 130
500S59 2020 59 970 83 682 90
500S98 2020 98 970 79.5 860 60
（以上参数均来自给排水设计手册及产品说明书）
从表中看出，350S16和500S13型叶轮直径最小，其效率分虽为86%和83%；而350S125型和500S98型的叶轮直径最大，其效率分别为81%和79.5%。这些效率均小于这两种泵型所达到的最高效率（88%）。
表中列举的两种泵型参数，基本代表了常用泵型的效率随叶轮直径变化的情况，也印证了无论叶轮直径偏大或偏小，都对水泵的效率产生了不利影响。
此外，当其它参数（流量、叶轮直径）不变时，降低转速对效率几乎没有影响。
（4）第二特征（结合第一特征）在不同泵型中的应用
在低比转数（叶物理学直径偏大）泵型中，效率首先取决于圆盘损失。因此，该泵型采用第二特征后，可适当减小叶轮直径，从而减小了圆盘损失，再结合第一特征进一步降低损失。
在高比转数（叶轮直径偏小）泵型中，效率取决于叶片与流量的相对长度及其它损失。因此，该泵型采用第二特征后，可适当放大叶轮，再降低叶轮转速，然后再视情况确定是否需要采用第一特征，降低圆盘损失。
在中比转数（比转数在200左右）泵型中，影响效率的各种损失大体相当，效率相对较高。采用第二特征和第一特征时，根据情况来选择是减小叶轮直径，还是放大叶轮直径而降低叶轮转速，具体需要经试验来决定。
三．新型离心泵的效率预计
由于水泵内部液体流动的复杂性，单凭理伭不能准确分析和算出叶片泵的性能，目前都是昼运用实验来进行叶片泵的设计和制造。因此新型离心泵也需经过试验来确定准确的性能。这里我们根据长斯的分析、研究和比较，对新型离心泵的效率作出如下粗略估计：
离心泵类型效率提高百分比
高比转数提高3-6%
中比数数提高2-5%
低比转数提高4-8%
大流量型（大泵）提高1-5%
三、新型离心泵可能存在的问题
新型离心泵可能存在的问题主要有以下几点：
1、第一特征中增加的泄露损失，既由于泄露的水流能量有所下降，需与叶轮出口主流过行整合而产生的水力损失，但该损失因能量下降小，水量也小，与其所减少的损失相比是很小的。
2、在第二特征中要增加水与混流叶片的磨擦损失，该损失取决于水在叶轮中的相对流速。而相对流速远小于叶轮的原未利用空间的圆周速度，因此该损失远小于原来未利用空间与水的磨擦损失。
3、新型叶轮中可能出现水流不均，并可能影响混流叶片效率，对此应尽量使混流叶片比转数接近离心叶片的比转数。必要时可调整（减小和增加）混流叶片和离心叶片的宽度。
经过以上分析和论证，可以看出新型离心泵通过采用独特的叶轮结构和形状，明显降低了泵内能量损失，其主要特征在技术上都是有根据的，在制造工艺上也是不难实现的。可能存在的一些问题也是影响很小的（或是可以解决的），因此新型离心泵的技术可行性应该是没有疑问的。对此我们欢迎各位专家批评指正，我们将客观理智的对待他人提出的任何疑问，可行就是可行，不可行就是不可行。这里的可行是定性的技术评估，至于定量的实际效果有多大，要经过试验来确定。以我们多年的分析和研究，我们对新型离心泵的实际效果非常乐观，想信成功的可能性是非常大的，并有可能比预计的效果还好我们欢迎有关各方和我们合作，共同开发这一具有世界先进水平的，并将给离心泵带来重要突破的新项目。

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