如何设计出具有优秀水力性能的离心泵？
如何设计出具有优秀水力性能的离心泵？
前言
经常听人们说：现在的生意越来越难做。之所以如此，是因为现在人们不仅对产品的功能和性价比要求越来越高，而且对安全可靠性、环保、节能等方面的要求也越来越严苛。
如何确保你的产品既满足用户价廉物美的心理预期又符合相关标准/规范的要求？也就是说，如何设计出具有优秀水力性能的离心泵？泵沙龙将根据自己的设计及工程应用经验（不谈理论）给出个人建议，仅供大家参考。
优秀水力性能应具备的特征
泵沙龙认为，优秀的水力性能应具备以下特征：
1）满足用户性能要求。
2）满足用户寿命预期。
3）满足规定的标准/规范要求。
4）在规定的运行范围及生命周期之内，泵应能安全可靠运行（不会发生汽蚀及内部回流等）。
5）具有相对较高的运行效率。
6）操作方便。
标准关于离心泵性能的规定
API610第11版标准有如下规定：
条款6.1.11 对于所有应用条件，泵最好具有稳定的流量-扬程曲线（即扬程曲线呈连续上升状直到关死点为止）。如果买方规定是并联运行，则必须具有这种稳定的流量-扬程曲线。如果规定并联运行，则曲线上的扬程上升量至少应当是额定流量点扬程的10%。
说明：如果扬程曲线有驼峰，在同一扬程将对应有两个不同流量点，易引起误操作（或误报）。如果扬程上升量太小，即在较大的流量范围内泵出口压力变化太小，将不便于用户现场的调节和监控。但扬程上升量也不宜太大（特别是多级泵），否则影响下游管路的设计压力等级，增加投资成本。在工程实践中，至关死点，扬程上升量通常规定为10～20%；但对于高压多级泵，至关死点，扬程上升量通常会放宽到10～25%。
条款6.1.12 应当给泵一个优先选用的工作区，此工作区位于所提供叶轮的最佳效率点流量的70～120%区间内。额定流量点应位于所提供叶轮最佳效率点流量的80～110%区间内。
说明：最优的设计/选择是泵的额定流量点位于最佳效率点的右侧、而正常运行点位于最佳效率点的左侧，但在实际应用中很难出现这种非常满意的选择（除非是新设计的产品）。不过，作为一个指导性原则，应尽量使泵的运行工况处于或靠近上述区间。
决定离心泵性能的主要因素
在不考虑外部因素（介质特性、温度、粘度、泵入口及出口状况等）的情况下，决定离心泵性能的主要因素如下。
流量：与叶轮（盖板之间）叶片的高度和泵的转速相关。
扬程：与叶轮外圆（叶片叶尖）直径和泵的转速相关。
效率：与比转速、泵的转速和各种损失（包括机械损失、水力损失和容积损失）相关。
其中，机械损失：主要包括轴承及密封（摩擦）损失和圆盘摩擦损失（液体和叶轮前后盖板外表面及泵腔的摩擦损失）。
容积损失：主要是泵内部泄漏，通常包括耐磨环间隙泄漏、平衡孔泄漏和平衡机构泄漏。
水力损失：包括水力摩擦和局部阻力损失。离心泵的过流部分从进口到出口，流体会因速度大小和方向的改变引起损失，这两部分就是水力损失。
关于效率损失的分析与计算，关醒凡老师的《现代泵理论与设计》有详细说明，在此不再赘述。
扬程曲线上升量：主要与叶轮出口边宽度和叶片数相关。
设计中如何调整泵的性能
可通过增减叶轮叶片数和叶轮出口边宽度，来调整扬程上升量及泵高效区位置；通过改变比转速、泵转速、切割叶轮，来调整泵的性能。
1）在其它几何参数相同的情况下，减少叶片数，扬程上升量提高（流量-扬程曲线变陡）。
2）在其它几何参数相同的情况下，增加叶轮出口边宽度，流量增加，扬程上升量会降低（流量-扬程曲线变得相对平缓），高效区向大流量方向偏移。
3）切割叶轮，扬程下降，高效区将向小流量方向偏移。
4）比转速越高，泵的效率越高。
5）转速越高，泵的流量、扬程和效率也随之提高。
新泵设计指导原则（建议）
1）宜将扬程上升量设定在10～15 %（满足API标准要求）。通常通过改变叶片数、叶轮出口边宽度及泵的转速来调整，并借助CFD来进行确认，以提高产品符合率和设计效率。
2）宜将泵的额定流量点定于最佳效率点的右侧、正常运行点定于最佳效率点的左侧。
3）在确保产品可靠性、经济性及竞争力的情况下，尽可能采用高比转速的泵，有利于提高泵的效率（节能）。
4）不要设计成采用最大直径的叶轮。应确保所设计的产品在更换一只较大直径的或不同水力设计的叶轮后，泵的扬程至少应当能够提高5 %。
5）尽可能采用高转速泵，可以大大缩小泵的体积，降低成本。
设计步骤参考
1）可以在本公司现有产品中找出相同或相近的水力模型。
2）如果找不到合适的水力模型，可参考相关泵设计手册【如关醒凡老师的《现代泵理论与设计》】对泵的零部件（重点是影响水力性能的叶轮）进行初步设计。
3）确定了泵零部件的几何尺寸以后，进行三维建模。
4）借助CFD对泵的性能进行初步预测。
5）通过对叶轮的几何尺寸（包括切割叶轮）、叶片数、转速的改变，来调整泵的性能。
6）修改三维模型及边界条件，借助CFD对泵的性能进行确认，最终找出符合预期性能的叶轮几何尺寸、叶片数和泵的转速。
扫码关注