干货｜低比转速离心泵加大流量设计法（中）

上接：低比转速离心泵加大流量设计法（上）。

主要几何参数的选择原则

加大流量法设计中主要几何参数的选择原则就是尽量减少损失，提高泵的效率。泵内的损失主要有机械损失、容积损失和水力损失。对低比转速离心泵而言，机械损失主要是圆盘摩擦损失，它与叶轮外径的5次方成正比，且比转速越低，圆盘摩擦损失就越大（见表4）。因此，设计应力求减少圆盘摩擦损失。

表4：圆盘摩擦损失与比转速之间的关系

对单级低比转速离心泵来说，其容积损失一般很小，但泵内的水力损失相当复杂，无论是沿程损失，还是撞击损失和旋涡损失等，至今都不能很好地加以计算和预测。叶轮出口流体速度较高，在泵体内的水力摩擦损失也比较大。因此，为了提高低比转速离心泵的效率，主要任务是减少叶轮圆盘摩擦损失和泵体内的水力损失，具体措施有以下几个方面。

1. 选择较大的叶片出口安放角β₂

离心泵大多采用β₂＜90°的后变叶片。Stepanoff经过大量试验研究认为：β₂ ≈ 22.5°时泵效率最高，当β₂增加到27°时效率也几乎没有影响。Pfleiderer的研究认为，β₂ ≈ 30°时可获得较好的流道形状和较高的效率。表5给出了的推荐值。

表5：β₂的推荐值

2. 选择较大的叶片出口宽度b₂

低比转速离心泵叶轮的几何特征除叶轮外径较大之外，还有叶轮的轴面流道较狭窄，即b₂较小。一般离心泵采用下式计算叶片出口宽度：

特罗斯科兰斯基和拉扎尔基维茨^[4]推荐的计算低比转速泵b₂的经验公式为：

或

图9所示为根据式（3b）、式（5a）、式（5b）、和式（7），在流量分别为3、5、6、8、12.5、18、25、30 m³/h时计算得到的K_b2的值（图中表示为K'''）。从图9可以看出，K_b2不仅与比转速有关，还与运行点要求的流量有关。本文的求解结果基本在根据经验公式（10b）和式（10c）计算得出的结果之间，如表6所示。

图9：不同流量下K_b2的值

表6：出口宽度b₂的选用值与计算值的比较

最后还需要指出的是，选用此表时应综合考虑各个几何参数和各种改进泵性能的措施，才能合理选取叶片出口宽度。另外，表6推荐的b₂的计算公式不是唯一的。

3. 选择较大的泵体喉部面积F_t

泵的两大水力部件是叶轮和泵体，而决定泵体水力性能的最主要因素是其喉部面积F_t。蜗壳和导叶的设计主要是用速度系数法求出泵体喉部的流速ν_t，然后根据泵的设计流量计算泵体喉部面积F_t。这种方法虽简单实用，但大量的试验已经表明，对低比转速泵而言，按一般教材和设计手册推荐的速度系数确定的喉部面积均偏小，不能适应加大流量设计法的需要，不利于提高低比转速泵的性能。

在加大流量法设计中，由于选择了较大的β₂和b₂，因而必然要求选择较大的F_t以实现参数匹配。如果F_t过小，泵体中的流速就较高，从而水力损失也大。对低比转速泵而言，泵体内的水力损失仅次于叶轮圆盘摩擦损失，对泵的性能具有举足轻重的影响。当然，增加F_t后，在提高泵效率的同时，还将使最高效率点向大流量方向移动，使扬程-流量曲线变得更加平坦，相同流量下的轴功率也有所增加。F_t的最佳计算公式为

式中，v_t为泵体的喉部流速，单位为m/s

式中， K_vt为速度系数。

研究认为，对于40≤n_s≤50的泵，F_t在计算的基础上增大20 %～25 %是较合适的，或选择的取值范围为 [ 0.38，0.50 ] 。一般而言，F_t可比计算值增加10 %～40 %，视具体设计参数和叶轮几何参数而定，以使叶轮和泵体相匹配。

4. 选择较少的叶片数Z

一般来说，泵的叶片数与其比转速、叶片负荷和扬程有关。国内优秀低比转速泵模型的统计表明，其叶片数基本在4～6范围内，以Z = 6为多数，且有比转速越低叶片数越少的趋势。这虽与过去的经验和理论相矛盾，但却已被实践所证实了的。

5. 控制流道面积变化

离心泵的流道是扩散型通道，控制流道面积扩散的程度是提高泵性能的有力措施。两叶片间流道有效部分出口面积F_Ⅱ和进口面积F_Ⅰ之比对泵的性能有重要影响，F_Ⅱ / F_Ⅰ的推荐取值范围为1.2 ～ 1.5。当F_Ⅱ / F_Ⅰ大于1.5时，由于流道扩散剧烈会引起效率下降。

6. 其它措施

除了上述5项措施外，还有一些其它提高离心泵性能的措施，例如，叶片进口前伸；减小叶轮进口直径以减少泄漏损失，叶轮进口直径计算系数K₀的推荐选用范围为3.5～4.2；叶轮轴面流道和平面流道面积变化应均匀，以保证速度变化和能量转换也比较均匀；叶轮进口流道形状尽量呈现正方形以减小湿周和摩擦损失；参考已有的性能优秀的模型泵几何特征等。

泵沙龙注：文章摘录于张金凤、袁寿其和金实斌合著的《低比转速离心泵内流特性与水力设计》，江苏大学出版社，2021年5月第1版。