离心泵蜗壳和扩散体简介

前言

离心泵的工作原理是使用旋转叶轮向工作介质中添加能量。这个过程除了增加静压外，还增加了流体的流速。以流速（或动态压力）形式增加的能量，可以通过适当减慢流体流速部分转化为静压，这通常是通过使用蜗壳或扩散体来实现的。蜗壳是叶轮周围的螺旋形壳体，收集并引导流体流向排出管，同时逐渐降低其流速。

从事离心泵行业的人们都知道，决定离心泵性能的主要零件是叶轮，而与离心泵性能相关的另一个重要零件是蜗壳或扩散体（也称为导叶）。因此，了解蜗壳和扩散体的结构特点及功能、合理选择叶轮出口扩散通道的型式，不仅有助于提高泵的性能，而且有利于确保泵长期可靠运行。

简介

大多数商业用蜗壳泵都有被称为蜗壳的扩散的通道【见图1(a)】，位于泵壳体的排出部分，并与壳体铸为一体。由于做功，叶轮出口处存在相当大的动能，高速离开叶轮的液体进入蜗壳，流速降低、压力升高。

根据泵型的大小、使用工况、制造能力、价格等因素，蜗壳泵可以选用单蜗壳设计或双蜗壳设计。

由于在最佳效率点流量之上和之下的叶轮周边的压力变化，单蜗壳设计会对叶轮施加一径向力。如果径向力导致轴过度偏转，则应采用双蜗壳设计【见图1(b)】。双蜗壳（双流道）结构趋于在所有流量下平衡径向力。

一些流程泵设计采用带叶片的扩散体而非蜗壳结构【见图1(c)】。其中包括一些管道泵、轴流泵，以及一些专为高扬程低流量应用而设计的泵。其优点是平衡径向力，效率高，尺寸紧凑。而缺点是成本更高，制造和维修更复杂，并且部分区域的性能曲线容易出现下垂（泵沙龙注：这是轴流泵固有特性，流量-扬程曲线易出现“马鞍形”）。

图1(a)：单蜗壳

图1(b)：左，双蜗壳；图1(c)：右，带叶片的扩散体

扩散体泵相对于蜗壳泵的优势

蜗壳式泵壳具有两种功能：为流体提供水力通道和压力泵壳。而在扩散体泵中，这些功能分为两个独立的部分。外壳用于创建压力边界，而流速-压力转换是通过使用扩散体来完成的。扩散体是一个围绕叶轮放置的具有多个扩散通道的环（见图2），这为流体减速提供了更多的帮助，从多个角度来看都是有益的。

图2：扩散体（及叶轮装配）

1）对于在相对较低流量下运行的泵，扩散体泵的效率要优于蜗壳泵（见图3）。除了最佳效率点的效率外，在部分负荷条件下运行时，效率也不会迅速下降。

图3：蜗壳式泵和扩散体泵流量-效率比较示意图

2）扩散体泵至关死点大多具有更高的扬程上升量，流量-扬程曲线更陡峭、更稳定，这对于在API市场运行的泵和并联运行的泵来说尤其需要（见图4）

图4：蜗壳式泵和扩散体泵流量-扬程曲线比较示意图

3）扩散体泵不仅仅从效率的角度来看具有优势，而且多通道扩散体几何形状比非对称蜗壳形状表现出更多的轴对称性。由于这种轴对称性也存在于流场的压力分布中，因此，大部分径向载荷均被抵消了（见图5）。

图5：蜗壳式泵和扩散体泵不同流量下径向力比较示意图

4）与蜗壳式泵单个或双蜗舌相比，具有一系列叶片的扩散体通过叶轮叶片的脉动和其它不稳定流动现象将大大减少。较低的不稳定现象意味着较低的振动和噪音水平，这在非设计运行条件下尤为明显。而减少的（径向）负荷和振动，反过来会使平均故障间隔时间和平均维修间隔时间延长、最小连续稳定流量降低。尽管扩散体泵通常比蜗壳泵更昂贵，但由于泵的寿命周期更长、备件成本较低以及整个流程停机时间显著减少，可以轻松收回更高的投资。

5）另一个优点源于扩散体与（压力）泵壳为两个独立的零件。由于单个泵壳体可以适应各种几何形状的扩散体，因此具有很多的设计灵活性。由于扩散体通道是机加工的，因此它们不会受到铸造工艺的限制，而蜗壳却不具备这种优势。这也提供了为每个订单定制扩散体的机会，并可以非常快速地完成。对于蜗壳进行这项工作几乎是不可能的，因为设计蜗壳更为复杂，而且必须为每个蜗壳制作和存储铸造模型。这意味着蜗壳泵大多是一种折衷方案：由于蜗壳泵（水力模型）的数量有限，客户所需的工作点通常均偏离泵的最佳效率点运行。而使用扩散体可以避免此问题。通过切割叶轮直径并创建定制的扩散体几何形状，可以在最佳效率点恰好位于客户需要的运行点实现所需的泵性能。这甚至提供了使用新叶轮和/或扩散体改造现有扩散体泵的可能性，以完全改变泵的工作点，进一步延长泵的寿命周期。

如何选用？

大多数情况下，设计工程师或最终用户不会决定要使用的（叶轮）扩散通道的类型。默认情况下，它由泵制造商提供的产品决定。主要的决定因素是：可制造性和成本、适用性、设计的模块化和效率。

对于高压两端支撑式多级泵，扩散体设计比蜗壳设计更紧凑。紧凑性通常转化为更小的泵壳体尺寸和更低的材料和制造成本。

扩散体一般设计为固定在泵壳体中的一件式或两件式环形组件。扩散体通常是标准化、模块化的组件。对于给定的泵壳，扩散体通道的变化可设计成满足一系列的运行条件的结构。

两种基本（叶轮出口）扩散通道类型设计都有其适合的特定应用。例如，对于轴承两端支撑的BB3型（轴向剖分蜗壳式）泵，大多数API用户更喜欢双蜗壳、叶轮背靠背安装结构，这可以大大提高泵运行的可靠性、延长平均维修间隔时间。

制造商通常会根据市场需求、应用要求和生产成本合理选择叶轮出口扩散通道。关于扩散体或蜗壳选择的任何评估都应在特定泵类型、特定应用和制造商产品的背景下考虑。

对于功能和性能的独立评估，请联系经验丰富的技术人员，他们可以提供专业指导。

参考文献

1）pumpsdesign.com

2）rodelta.com

3）ekwestrel.com

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