張興林 ，俞 健 ，蔡標(biāo)華 ，方 超 ，吳生盼 ，沈宗沼 ，丁強(qiáng)民 ，劉 杰 ，李 鯤

1 前言

離心泵作為一種通用機(jī)械，不僅應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門和領(lǐng)域，而且對于各類船舶也是十分重要的輔機(jī)設(shè)備，廣泛用于動力系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、艙底壓載系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和日用水系統(tǒng)等。由于船舶運(yùn)行條件的特殊性以及現(xiàn)代艦船發(fā)展的需求，船用離心泵必須達(dá)到相應(yīng)的性能指標(biāo)要求。

然而，我國現(xiàn)役相當(dāng)數(shù)量的船用離心泵多項重要性能指標(biāo)仍有明顯不足，尤其是能耗過大、不具備無過載特性等問題使其無法完全滿足使用要求，有些產(chǎn)品甚至仍是仿制測繪原蘇聯(lián)20世紀(jì)五六十年代的產(chǎn)品，其指標(biāo)更是與未來需求相差甚遠(yuǎn)。隨著人們對節(jié)能及可靠性意識的增強(qiáng)，尤其是船用離心泵在可靠性方面必須滿足更高要求，需要離心泵從零流量到自由出流點(diǎn)的全流量區(qū)域均能正常工作。國外的船用離心泵，均明確規(guī)定了全流量工作的要求及功率特性，如日本大晃公司為滿足這類要求，其船用離心泵明顯具有無過載特性。因此，國內(nèi)開展船用高效、無過載離心泵的研究及應(yīng)用越來越重要。

為了開發(fā)高技術(shù)含量船用離心泵，推動我國船用離心泵的技術(shù)進(jìn)步，以滿足現(xiàn)代船發(fā)展需求，針對立式串并聯(lián)兩級離心泵，本文對該泵的高效節(jié)能、無過載性能及其設(shè)計方法進(jìn)行研究。

2 高效無過載設(shè)計的理論分析

目前，工程上實(shí)際應(yīng)用的離心泵水力設(shè)計方法仍然是基于Euler理論、一元理論以及相似理論基礎(chǔ)上的模型換算法和速度系數(shù)法，理論尚不完善。泵理論與設(shè)計仍屬于半理論半經(jīng)驗范疇［1~3］，許多機(jī)理性問題亟待解決［4~9］。

2.1 高效節(jié)能設(shè)計的理論分析

速度三角形是泵理論研究與設(shè)計的重要工具［1］，而現(xiàn)行水力設(shè)計用速度三角形只有工作面安放角這一概念。然而，由于葉片的作用，葉輪內(nèi)部為非慣性系，葉片工作面和背面的壓力、速度、流量等呈梯形變化規(guī)律，且在周向呈周期性的對稱狀態(tài)。本研究注重泵內(nèi)部流動機(jī)理所反映的重要設(shè)計要素，提出新的、重要的設(shè)計要素，將葉片背面安放角列為最重要的設(shè)計要素（其實(shí)，背面安放角是客觀存在的），建立雙主面（背面與工作面）速度三角形，以表達(dá)葉輪內(nèi)真實(shí)流場內(nèi)葉片背面與工作面處的各種速度變化規(guī)律。

圖1 等厚葉片及速度三角形

另一方面，葉輪內(nèi)流動的重要特性之一為，葉片背面處軸面速度Cm2s大于葉片工作面處軸面速度Cm2p。而由于現(xiàn)行的等厚葉片（見圖1）背面的出口安放角β2s等于工作面的出口安放角β2p，造成葉片背面處的周向分速度Cu2s小于工作面處的周向分速度Cu2p（見圖1），降低了揚(yáng)程系數(shù)。

本文提出的翼型葉片（葉片兩面不平行）如圖2所示，葉片出口背面安放角β2s大于工作面安放角β2p（見圖2），從而將葉片背面處的周向分速度Cu2s增大至工作面處的周向分速度Cu2p（見圖2），明顯提高了揚(yáng)程系數(shù)。

圖2 翼型葉片及雙主面（工作面、背面）速度三角形

利用該方法設(shè)計出的翼型式葉片可提高離心泵的效率，主要表現(xiàn)在3方面：（1）提高葉片背面出口速度周向分量，增大揚(yáng)程。（2）葉片背面與工作面液流速度大小和方向較為一致，使蝸殼液流匯合水力損失減小，提高了水力效率。（3）葉輪外徑可進(jìn)一步減小，圓盤摩擦損失進(jìn)一步降低。

眾所周知，適當(dāng)修銼離心泵葉片背面可提高揚(yáng)程和效率。其實(shí)，修銼背面的本質(zhì)就是增大了背面的葉片安放角，而且僅僅是修銼葉片出口邊附近的一小段。若在葉片的設(shè)計時注意到修銼葉片背面的效應(yīng)，將“修銼段”延長，則可較大幅度提高泵的揚(yáng)程和效率。這在一定程度上驗證了本方法的應(yīng)用效果。

因此，離心泵高效節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)為同時優(yōu)化葉片背面安放角和工作面安放角，使翼型葉片的型線更加符合流動和能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，以獲得最佳水力學(xué)效果，提高水力效率，并相應(yīng)地減小葉輪外徑，降低圓盤摩擦損失，從而達(dá)到改善效率指標(biāo)的目的。

2.2 無過載設(shè)計的理論分析

文獻(xiàn)［10］提出，輸入水力功率Ph由2種分功率合成，第1種分功率Pr對應(yīng)于徑向分速度Cr，第2種分功率Pu對應(yīng)于周向分速度Cu及Wu，即Ph=Pr+Pu。而且，Pr隨流量的增大而增大，增大的幅度隨著ns增高而減慢，其中，由于軸流泵葉輪內(nèi)的Cr=0，則其Pr=0，Pu隨流量增大而減小，減小的幅度隨著ns增高而加快。從而可合理解釋離心泵、混流泵、軸流泵的輸入水力功率Ph及軸功率P的功率曲線分別呈上升、基本水平、下降的規(guī)律。

本文進(jìn)一步研究得出，第1種分功率Pr= KrQ，第2種分功率Pu= Const - KuQ。因此，輸入功率計算式可表達(dá)為P輸入= Pr+ Pu=（KrQ ）+ (Const-KuQ）=（Kr-Ku）Q + Const。其中，Kr關(guān)聯(lián)于流量以及葉輪外徑D2與葉片進(jìn)口直徑之D1比值等葉輪幾何參數(shù)；Ku反比于tanβ2，且Ku還關(guān)聯(lián)于水力模型幾何參數(shù)以及實(shí)際流量與設(shè)計流量的比值。因此，通過針對性設(shè)計，可以控制、改變軸功率曲線變化趨勢，使得離心泵在某流量點(diǎn)以后，分功率Pr隨流量增大而上升的幅度Kr小于分功率Pu隨流量增大而下降的幅度Ku，從而離心泵軸功率在某流量處出現(xiàn)極大值。因此，離心泵軸功率曲線出現(xiàn)極值的理論條件（當(dāng)量設(shè)計要素）是，Kr＜ Ku。

無過載設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)為優(yōu)化葉輪外徑D2、葉片進(jìn)口直徑D1、工作面安放角β2p、背面安放角β2s、葉片包角θ、葉片數(shù)Z、葉輪出口寬度b2、葉輪出口面積與泵體喉部面積之比Y等水力設(shè)計因素。值得指出的是，一般低比速離心泵β2較大，故Kr＞Ku，軸功率無極值；只有當(dāng)β2較小，Ku增大，才可能使Kr＜Ku。因此，β2較小是無過載離心泵的重要條件之一。

3 高效無過載樣機(jī)水力模型設(shè)計

本文針對低比轉(zhuǎn)速（ns=62）的船用串并聯(lián)離心泵進(jìn)行具體設(shè)計。樣機(jī)的結(jié)構(gòu)為立式，含有兩級葉輪，通過泵內(nèi)特殊轉(zhuǎn)換閥門的2種切換方式，實(shí)現(xiàn)兩級葉輪或處于串聯(lián)狀況或處于并聯(lián)狀況。樣機(jī)參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）串聯(lián)狀況下流量Q=50 m3/h、揚(yáng)程H=110 m。

（2）并聯(lián)狀況下流量Q=100 m3/h、揚(yáng)程H=55 m。

（3）功率曲線出現(xiàn)極值，實(shí)現(xiàn)全揚(yáng)程無過載功能。

（4）效率η≥67%~68%。

（5）汽蝕余量NPSHr=3~3.4 m。

根據(jù)上述提高效率、實(shí)現(xiàn)無過載特性的方法，進(jìn)行了樣機(jī)的水力模型設(shè)計，其幾何參數(shù)見表1。

表1 船用串并聯(lián)離心泵樣機(jī)水力模型幾何參數(shù)

4 試驗結(jié)果

樣機(jī)經(jīng)試驗，各項性能如無過載、效率等達(dá)到甚至優(yōu)于預(yù)計指標(biāo)：無過載特性良好，軸功率極值（最大軸功率）是額定點(diǎn)軸功率的1.1倍；效率同比高2.4至6個百分點(diǎn)；汽蝕余量同比優(yōu)0.8m。葉輪編號為Y2AL的樣機(jī)串聯(lián)狀況、并聯(lián)狀況性能曲線見圖3。

圖3 樣機(jī)串聯(lián)狀況性能曲線

圖4 樣機(jī)并聯(lián)狀況性能曲線

值得指出的是，進(jìn)行無過載特性試驗時，須區(qū)分假象的無過載特性。有些離心泵在大流量區(qū)汽蝕性能變差，可能出現(xiàn)因汽蝕而導(dǎo)致軸功率下降，表象上出現(xiàn)軸功率極值（拐點(diǎn)）。本項目在進(jìn)行無過載特性試驗時，對泵進(jìn)口加壓約0.2 MPa，消除了假象的無過載特性。

由于本文樣機(jī)屬于低比轉(zhuǎn)速（ns=62）離心泵，其高效、無過載設(shè)計及試驗具有代表性，該設(shè)計方法可以推廣應(yīng)用于現(xiàn)役的各類船用低比轉(zhuǎn)速離心泵以及民用離心泵。

5 結(jié)論

（1）提出了離心泵高效節(jié)能設(shè)計方法，將葉片背面安放角列為重要的設(shè)計要素，建立雙主面（背面與工作面）速度三角形，同時優(yōu)化葉片背面安放角和工作面安放角，使翼型葉片的葉片出口背面安放角β2s大于工作面安放角β2p，葉片型線更加符合流動和能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，以提高水力效率，并相應(yīng)地減小葉輪外徑，降低圓盤摩擦損失，從而達(dá)到改善效率指標(biāo)。

（2）無過載設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是，優(yōu)化葉輪外徑D2、葉片進(jìn)口直徑D1、工作面安放角β2p、背面安放角β2s、葉片包角θ、葉片數(shù)Z、葉輪出口寬度b2、葉輪出口面積與泵體喉部面積之比Y等水力設(shè)計因素，以達(dá)到離心泵軸功率曲線出現(xiàn)極值的理論條件（當(dāng)量設(shè)計要素）是Kr＜Ku。一般低比速離心泵β2較大，故Kr＞ Ku，軸功率無極值；只有當(dāng)β2較小，Ku增大，才可能使Kr＜Ku，因此，β2較小是無過載離心泵的重要條件之一。

（3）針對船用串并聯(lián)低比轉(zhuǎn)速離心泵的具體設(shè)計、試驗，驗證了該設(shè)計方法能有效地提高效率、實(shí)現(xiàn)無過載特性。

（4）該設(shè)計方法可以推廣應(yīng)用于現(xiàn)役的各類船用低比轉(zhuǎn)速離心泵以及民用離心泵。

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