不同參數對多級離心泵性能的影響

杜文華

（山西省節能中心有限公司，山西 太原 030009）

引言

多級離心泵主要是通過轉移原動機的能量至被抽送液體中，直接影響其工作性能的是內部流動特征，可廣泛應用于制藥、化工、建筑給排水、消防、排污、制冷、暖通、民用以及工業等領域。傳統設計離心泵的方法主要是依靠理論與經驗計算方式，但在實際工作中應用該設計方法并未能達到所需生產制造要求。若想規避以上傳統設計方式所涉及到的生產弊端，可對多級離心泵的實際工作性能進行預測，并以此為基礎提出應有的解決優化方案。在20世紀60年代中期，計算流體力學（CFD）隨著計算機技術的快速發展而興起，其主要包括偏微分方程數學理論、流體力學、計算機科學、數值方法及數據處理，為預測多級離心泵的工作性能提供了可能，也表示出工程流體力學將進入發展的新階段。CFD主要是以計算機為工作載體，通過建立出實體模型并提出流動現象的控制方程，確定得出定解條件（邊界條件和初始條件），并依據模擬數值的方法求解得出相關流動現象的近似解或數值解[1]。可進一步把CFD理解為：在解決某個工程問題或者流體動力學問題中，可利用離散點的集合來代替一定時間和空間域內的連續物理量并利用相應的計算原則來建立以及求解所涉及到的代數方程，最終得到近似值的過程[2]。據此研究技術，可以得出如離心泵中關鍵部件葉輪的不同結構參數對多級離心泵工作性能的影響。同時，根據預測得出的影響規律可直接驗證某些設計步驟以及相應的設計參數是否必要，如此便可以優化離心泵的設計方向，最終獲得出理想的結構。應用該技術方法，不僅縮短了工作周期，而且進一步節約了人力以及縮減了相應的開支，有重要的研究意義。

下述主要針對葉片數、葉輪的進出口直徑等不同參數對多級離心泵設計點性能、內流場以及H-Q曲線的影響。

1 不同參數對離心泵設計點性能的影響

1.1 葉片數對設計點性能的影響

葉片數與離心泵的效率、揚程等性能息息相關。選擇葉片數即需要兼顧葉片的表面摩擦以及其排擠的問題，同時，更要確保流動的穩定性和流體與葉片之間的相互影響。表1展示出不同葉片數對設計點性能的預測結果。

表1 不同葉片數的設計點性能

通過分析表1不同葉片數對設計點性能的影響，結果表明隨著葉片數的增大，其揚程則先增大隨后減小。葉片為6和7時離心泵具有相近的揚程值，且比葉片數為5和8時的揚程值大，隨著葉片其片數的增加，相應揚程值的增幅并未得到相應的增加。同比于葉片數對揚程的影響規律，效率也具有相似的影響趨勢，即葉片為6和7時離心泵具有相近的效率值且為最大效率，葉片數為5和8時則相對效率值較小。可以得出，隨著葉片數的增大，其效率也是先增大后減小。由此可以得出，葉片數對設計點性能包括其效率及揚程的影響，并不隨著葉片數的增大或者減小得出效果最佳，而是當葉片數為6、7時，離心泵具有較佳的性能。

1.2 葉輪進口直徑對設計點性能的影響

與葉片數對揚程、效率的研究方法一致，葉輪進口直徑對這兩者的影響也較為相似。設置葉輪進口直徑分別為0.142 m、0.146 m、0.150 m以及0.154 m，當進口直徑為0.150 m時，其預測揚程與預測效率均為最大值。當進口直徑為0.154 m時，其預測揚程值以及預測效率反而減小；當葉輪進口直徑小于0.150 m時，隨著進口直徑的值增大，即預測揚程與效率則相應的增大。總體來說，葉輪進口直徑對預測揚程值以及預測效率呈現先增大后減小的變化規律。除此之外，多級離心泵的進口直徑實際影響其進口的速度，且該速度值一般小于或等于3~4 m/s，過大的進口速度則易降低抗氣蝕性能及效率。同時，并非越大的葉輪進口直徑性能越好，如此極易導致離心泵的進口流道擴散嚴重，如此便有漩渦的形成，破壞較為良好的速度分布，降低離心泵的效率。更為嚴重的是過大的進口直徑則會增加在其密封環處的間隙面積，增大容積量損失以及增加泄漏量[3]。因此，為達到離心泵良好的性能，則需選擇其進口直徑為0.150 m。

1.3 葉輪出口直徑對設計點性能的影響

通過設置葉輪的出口直徑分別為0.362 9 m、0.364 9 m、0.366 9 m以及0.370 9 m，分析其對多級離心泵揚程以及效率的影響。結果表明，葉輪的出口直徑對多級離心泵的效率無明顯影響規律；對于離心泵的揚程來說，在所設置的出口直徑范圍內，隨著離心泵出口直徑增大，則揚程值相應地增大。總的來說，隨著葉輪出口直徑的增大，則該離心泵具有大流量以及高揚程；反之，則具有小流量以及低揚程。

2 不同參數對離心泵內流場的影響

1）葉片數對內流場的影響：在同一半徑下，非工作面壓力低于工作面的壓力且隨著半徑的增大壓力也隨之遞增，葉片數越多則更有益于均勻分布內流場的壓力；

2）進口直徑對內流場的影響：進口直徑對內流場總壓分布無明顯的影響規律，不同的進口直徑主要針對于進口處的影響，最小的進口壓力主要是針對其0.142 m的進口直徑，且進口總壓隨著進口直徑的增加而增大；

3）出口直徑對內流場的影響：出口直徑也對內流場總壓分布無明顯的影響規律，不同的出口直徑主要針對于出口處的影響，出口總壓隨著出口直徑的增加而增大，這也與揚程隨著出口直徑增大而增大的影響規律一致。

3 不同參數對離心泵H-Q曲線的影響

本部分主要簡述葉片數、葉輪的進出口直徑等不同參數對多級離心泵H-Q曲線的影響。葉片數對H-Q曲線（見圖1）的影響：葉片數為5~8時，隨著葉片數增大則曲線斜率越小，曲線越平緩。雖然葉片數越少越容易消除或減小在H-Q曲線中的駝峰現象，但過少的葉片數則更容易形成流道漩渦，最終降低離心泵效率。

圖1 葉片數對H-Q曲線的影響

1）進口直徑對H-Q曲線的影響：與進口直徑對設計點性能的影響規律一致，一些非設計點當葉輪進口直徑小于0.150 m時，隨著進口直徑的值增大，即預測揚程與效率則相應的增大，反之，當進口直徑大于0.150 m時，隨著進口直徑的值增大，即預測揚程與效率卻減小。即當進口直徑增大到一定值時，相應的，相應的離心泵在抗氣蝕性能以及效率方面均達到最佳值[4]。

2）出口直徑對H-Q曲線的影響：當流量較小時，出口直徑對該離心泵的揚程無明顯的影響規律，當增大流量時，隨著出口直徑的增大，其揚程值也相應增大。大的葉輪直徑則會具有相對較陡的性能曲線，駝峰現象不易產生。

4 結論

1）葉片數越大，則相應的效率與揚程均隨流量的變化其變化越平緩，葉片數越少則其駝峰越不易出現。

2）進口直徑與葉片數的影響規律一致，當進口直徑為0.15 m時，其揚程和效率值達到最大。

3）出口直徑越大，則揚程值也增大，且H-Q曲線越平緩。除此之外，各類參數對多級離心泵的總體均勻壓力分布無明顯影響規律。