不規則離心水泵設計方法及其系列化探討

郝培煜

(北京南口軌道交通機械有限責任公司，北京 102202)

不規則離心水泵設計方法及其系列化探討

郝培煜

(北京南口軌道交通機械有限責任公司，北京 102202)

葉輪和壓水室對離心水泵的性能起著十分重要的作用。壓水室的設計通常采用阿基米德螺旋線截面計算法，但對于空間扭曲不規則出水口，則無法完全采用傳統的設計方法。本文研究了出水口空間扭曲不規則離心水泵殼體壓水室喉部尺寸對水泵流量的影響，并對壓水室空間扭曲的小流量葉片離心泵的設計思路進行了計算印證，闡述了產品系列化的重要意義。

離心泵；流量；空間扭曲；喉部面積比；系列化

1 不規則離心水泵的設計方法

在20世紀60年代，離心水泵的研究已取得了很大的進展。隨著科技的發展，設計手段的進步，各種設計軟件不斷被開發出來；但對于具有特殊用途和特殊結構的離心水泵，僅僅依靠傳統的設計方法和開發軟件還不能完全達到預期目的，需要不斷地摸索研究。

1.1 不規則離心水泵的提出

中國北京南口軌道交通機械有限責任公司應客戶要求，為其新型機車預熱鍋爐研制預熱水泵電動機組。水泵電動機為交流電動機，水泵流量為5 m3/h，揚程為12 m，轉速為2 850 r/min，工作方式由原來的間歇式改為連續式，采用立式結構。水泵電動機組的體積應盡可能的小，以節省空間。為滿足水泵的安裝使用要求，減小水泵的結構尺寸，在設計方案中采用水泵和電動機共軸，這樣可以省去中間連接部分，使水泵結構更緊湊；同時，改進傳統設計中水泵殼體的結構型式，采用出水口空間扭曲的結構型式(見圖1)，以進一步減小水泵的空間尺寸。

圖1 空間扭曲離心泵殼體示意圖

1.2 水泵殼體的設計

1.2.1 水泵殼體的作用

水泵殼體的作用是將從葉輪中流出的液體收集起來，引向出水口，同時將液體的一部分動能變為壓能。其不但對水泵性能有明顯的影響，而且如果殼體壓水室與葉輪配合不良，可使泵產生振動而無法工作；因此，水泵殼體的設計具有很重要的意義。通常，水泵殼體的螺旋線與水泵出水口的中心線在同一平面上，而此次為了減小空間結構尺寸，水泵出水口的形狀發生了空間扭曲。

1.2.2 設計思路

因為常規的葉輪少有類似的結構型式，因此在設計計算時，沒有出水口在空間扭曲的資料可查。最初，考慮在殼體第八螺旋斷面采用圓滑過渡的方式，但發現采用該方式有許多不確定因素，即不同的圓弧半徑有不同的過渡形式，而這并不能確定對水泵性能帶來的影響。根據安德遜的面積比原理，葉輪的出口過流面積與泵體喉部面積之比是離心泵揚程、流量等性能的重要決定因素。據此，從計算壓水室的喉部面積入手，研究泵的性能及出水口過渡方式。壓水室的喉部面積可通過安德森曲線，由葉輪與壓水室的面積匹配值來確定。由于壓水室喉部斷面面積最小，如果此處的面積能夠滿足水泵流量要求，則水泵的性能就能夠得到保證。

1.2.3 設計計算

渦室入口寬度b3一般取：

b3=b2+2s+C

式中，b2是葉輪出口寬度，b2=6 mm；s是葉輪蓋板厚度，s=2.5 mm；C是系數。

基于選取基圓直徑時的同樣原因，渦室入口寬度選取16 mm，入口寬度選的寬可以改善葉輪和渦室的對中性。

比轉數<60的泵對渦室面積的變化比較敏感，而且比轉數越小，影響越大，而所設計的泵的比轉數為：

式中，n是轉速,取n=2 850 r/min；Q是流量，取Q=5 m3/h；H是揚程,取H=14 m。

渦室斷面的設計計算對泵的性能影響很大，如果渦室斷面面積過小，則Q-H性能曲線變陡，最高效率點向小流量方向移動，效率降低；反之，Q-H曲線比較平坦，最高效率點向大流量方向移動，效率也降低。渦室的各斷面面積應均勻地變化，如圖2所示。渦室斷面面積的大小由所選取的渦室流速v3決定，

v3=Kv3(2gH)1/2

式中，Kv3是螺旋渦室速度系數，Kv3=0.47；g是重力加速度；H是設計揚程，取H=14 m。則：v3=Kv3(2gH)1/2=0.47×(2×9.81×14)1/2=7.8 (m/s)

各斷面面積為：

喉部面積SⅨ由設計流量和平均流速確定：

式中，θ是泵舌安放角，θ=25°。

圖2 螺旋形渦室斷面示意圖

樣機試驗結果表明，所設計的水泵殼體避免了水流通過出水口時發生沖擊和紊流現象，達到了預期的設計目標。水泵性能符合設計要求，與同類產品相比，具有體積小和耗能低的特點。

2 產品系列化

目前，水泵設計生產已系列化、標準化。國外水泵設計人員為便于形成系列產品，在不影響水泵性能的前提下，在殼體設計時加大了殼體基圓直徑及渦室入口寬度，以便于通過更換不同的葉輪提供不同性能的水泵。

本設計中，基圓直徑為112 mm，雖然基圓直徑為105 mm時就可滿足設計要求，但一方面考慮加大尺寸留有余量，另一方面考慮到這種小流量的水泵今后可能還會有需求，為系列化提供方便。

用戶提出在不改變水泵外形尺寸的前提下，希望水泵增加3 m的真空度，同時要求提高水泵流量，由5 m3/h改為6 m3/h。若是按照以往的設計思路，需要改變葉輪的結構尺寸，進而影響了殼體的結構尺寸，確切地說是要進行重新設計，因此造成了人力、物力的浪費，延長了試驗周期。然而，按照產品系列化設計，預先考慮到了葉輪尺寸可能發生的變化，基圓半徑和渦室入口寬度增大了預留量，這樣只需要調整葉輪的結構尺寸，即通過增加葉輪外徑和葉輪出口寬度，就可使水泵性能達到要求。

通過這次預熱水泵電動機組的研制，對研發工作有一些新的啟發。作為機車水泵生產的專業生產廠家，如果產品還沒有達到系列化程度，就不能滿足鐵路機車長遠發展的需要。我國水泵產品與國外水泵相比，無論從產品品種上還是從系列化程度上都存在著差距，因此應加強水泵產品開發，實現水泵產品的系列化。可參考國外水泵的分類和系列化生產情況，根據水泵的不同結構型式，編制不同的型號，將不同揚程、流量的水泵編制成系列產品。通過水泵產品的系列化，還可以選出自已的模型泵，使設計工作更專業、更系統，從而提高設計能力和產品的技術含量，以適應激烈的市場竟爭。總之，設計生產專業化，產品品種多樣化和系列化，是促進水泵生產健康穩定發展的必由之路。

責任編輯馬彤

DiscussionofDesignMethodforIrregularCentrifugalPumpsandIt′sSerialization

HAO Peiyu

(Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Beijing 102202, China)

In the centrifugal pumps, besides the important influence on pumps performance by impeller, the pressurized water chamber also has an indispensable effect on the performance of pumps. Traditionally, the designing of pressurized water chamber usually use the calculation method of Archimedes helix cross section. The paper explored the influence on pumps flow by throat size of water chamber in irregular pumps of outlets spatial warping, and confirmed the design thought of small flow blade centrifugal pumps of outlets spatial warping, presented the importance of production serialization.

centrifugal pump，flow，spatial warping，throat area ratio，serialization

TB 4

：A

郝培煜(1958-)，男，工程師，主要從事離心水泵設計研制等方面的研究。

2014-09-15