新型離心泵的可行性分析報告

摘要 新型離心泵是以前有的采用封閉葉輪的離心泵為基礎，主要對泵的葉輪結構和開頭進行了重大改進，離心泵的其余部分保持不變，該泵有兩個重要特征：一是葉輪蓋板有所減小，使葉輪成為不完全封閉葉輪。二是葉片進口延長至葉輪進口附近，并且葉片的軸向部分和軸向徑向之間的過渡部分為雙曲混流葉片。該泵顯著降低了泵內損失，并充分利用了葉輪內部空間，從而明顯提高了離心泵的效率。
關鍵詞 離心泵 泵內損失 封閉程度 葉輪直徑 效率

一、 離心泵現狀
目前離心泵中多數型號的效率一般在70-80%左右，少數大流量型號的效率在90%左右。影響離心泵效率的主要原因在于泵內存在的能量損失，這些損失主要是機械損失、水力損失和容積損失。機械損失主要是葉輪蓋板與水的磨擦損失以及離心泵軸承、軸封上的摩擦損失，水力扣失主要是水在泵內運動速度和方向的變化引起的沖擊或旋渦等損失，水與泵內各流道的磨擦損失以及水流的內磨擦損失，容積損失主要是泵內高壓水向低壓區泄露回流造成的損失。每種損失在總損失中所占比重隨水泵比轉速不同而有所不同，正是這些損失降低了離心泵的效率。離心泵的效率從上個世紀到現在，在長達數十年的時間里一直沒有多少提高，基本處在原地踏步的狀況。
造成這種狀況的原因在于一直沒有找到能明顯降低泵內能量損失的方法。由于離心泵作為一種歷史較長的通用機器，人們一般認為已發展的較為成熟，泵內損失基本上降到了最低限度，已經沒有多少潛力可挖了。但事實并不是這樣，現有離心泵特別是應用最多的采用封閉葉輪的離心泵，在降低泵內能量損失上仍有不少潛力可挖。
目前國內外提高離心泵效率的常用方法主要有以下幾種：
1. 提高鑄造精度，提高葉輪蓋板、泵殼內壁等的流道表面光潔度，減少水流磨擦損失。
2. 提高加工精度，減小封閉間隙或將密封環加工成迷宮型形，減少泵內的容積損失。
3. 合理設計葉輪蓋板與泵體內側間隙，減小圓盤磨擦損失。
4. 合理確定過流部件進出口角，避免流道內出現死區、尖角、突變等，減少泵內的水力損失。
5. 采用機械密封結構，減少軸封磨擦損失。
以上這些方法對提高離心泵效率都是有益的，其中有些方法對不同型號的離心泵所產生的效果也不一樣，但總的來說，這些方法對提高效率的作用都不太明顯。
二、 新型離心泵的技術依據
新型離心泵采用了獨特的葉輪結構和形狀，明顯降低了泵內能量損失，顯著提高了效率。與現有離心泵相比，新型離心泵主要有兩個特征，其中第二特征的作用要大于第一特征，新型離心泵不排斥目前國內外采用（用于提高效率）的常用方法，結合這些方法，將更有利于降低損失和提高效率。
1、 第一特征的技術依據
新型離心泵的第一特征是葉輪蓋板有所減小，使封閉葉輪成為不完全封閉葉輪。要論證第一特征在技術上是否可行，首先要弄清葉輪的封閉程度究竟對水泵的效率有何影響，以下分兩步討論：
（1） 葉輪封閉程度對效率的影響
現有離心泵的葉輪類型按封閉程度可分為封閉式、半開式和開式三種，其中封閉葉輪的效率最高，而開式和半開式葉輪容易發生沿葉片側端的泄露，很多人因此得出封閉程度越高效率越高的結論，一般不考慮減小葉輪蓋板。但問題就在這里，雖然在三種葉輪中封閉葉輪效率最高是事實在，但這三種葉輪封閉程度的三個特例，因此這個事實只是說明這三種特例的效率差別，而不應直接得出葉輪封閉程度越高效率越高的結論。比如無壓圓管的輸水能力與水流在管中充滿度之間的關系，雖然圓管的輸水能力在充滿度100%（滿管）時比充滿度在50%（半管）時要大，但不能由此得出充滿度越高輸水能力越大的結論，實際上無壓圓管在充滿度95%時輸水能力最大，要比充滿度最高（滿管）時的流量高出8.7%。葉輪的封閉程度與水泵效率之間也存在類似情況，雖然封閉葉輪消除了水流沿葉片側端的泄露，但其圓盤等損失也達最大，并且該損失將隨著葉輪直徑的增大而急劇增加。因此，就封閉程度來說，效率最高的應該不是封閉葉輪，而是葉輪蓋板適當減小的不完全封閉的葉輪。
（2） 第一特征的技術依據
由于適當減小了葉輪蓋板外徑，水泵工作時葉輪蓋板與水的磨擦損失（既圓盤損失）減小，該損失與n3d5成正比，既圓盤損失與葉輪轉速3次方和葉輪外徑5次方的積成正比（祥見波蘭AT特羅斯科蘭斯基與S拉扎爾基維茨合著的《葉片泵計算與結構》）。在該損失減小的同時，葉輪中的少量水流從未封閉處的葉片側端流出，由于流速略有降低，使葉輪出口水流與泵殼內水流之間的流速梯度減小，并使葉片側端與水流的相對流速小于原來該位置的蓋板與水流的相對流速，這也有利于降低泵內的能量損失。
但如果葉輪蓋板外徑減的太多（蓋板太小）就會產生不利情況，這時葉輪內的水流沿葉片側端泄露較多，并且半徑越小處的葉片側端，其泄露的水流能量越低，流量越小，而此處葉輪內的水流依然隨葉輪高速旋轉，這樣就會在葉物理學內外水流之間、葉片側端與水流之間以及側端水流內部造成很大的流速梯度，從而造成很大的水流種擊和旋渦回流損失，所以葉輪蓋板只能適當減小。由于離心泵型號規格很多，因此新型離心泵也將有多種不同的最佳蓋板外徑，具體的外徑值需要經實驗來確定。
2、 第二特征的技術依據
新型離心泵的第二特征是適當延長輪葉片，葉片進口延長至葉輪進口附近，并將葉片的軸向部分和軸向與徑向之間的過渡部分制成雙曲混流葉片。水泵工作時，水流軸向進入，先經混流葉片初步加速增壓，再經后彎徑流葉片繼續加速增壓。第二牲使現有離心泵葉輪內未充分利用的軸向與徑向之間的空間得到有效利用，在基本不增大葉輪的情況下，增加了流量和揚程。其具體分析如下：
（1） 由于葉輪內未利用（軸向與徑向之間）空間的旋轉，造成了與水流的磨擦損失，而第二特征使水流（在相對流動的同時）隨該空間共同旋轉，因此，降低了該空間與水的磨擦損失。
（2） 在基本不增大葉輪的情況下增加了流量和揚程
由于充分利用了葉輪內部空間，使第二特征的實施可以在基本不增大葉輪的情況下實現，而第二特征中的雙曲混流葉片，可以為水流提供能量，增加流量和揚程。這意味著新型離心泵只要達到相應的流量和揚程，就可以減小葉輪直徑或降低葉輪轉速，而改變葉輪直徑或轉速正是第二特征提高水泵效率的關鍵。
（3） 葉輪直徑對效率的影響
在分析第二特征的作用時，必須同時分析現有葉輪直徑對效率的影響。我們從離心泵的基本方程和性能原理中得知，當流量、轉速和進出水角不變時，葉輪直徑越大（相應的比轉速越小），其揚程越高，圓盤損失與容積損失也越大；而葉輪直徑越小（相應的比轉速越大）時則相反，并且無論葉輪直徑偏大或偏小，在一般范圍內對效率產生不利影響。其中葉輪直徑偏大時主要是因為圓盤與容積損失，而葉輪直徑偏小時，雖然圓盤與窖損失較小，但直徑偏小導致葉片較短，葉片較短又使效率降低（祥見前面提到的《葉片泵計算與結構》）。現以350S型和500S型單級雙吸泵為例，將有關參數列表如下：
泵型 流量
Q
（m3/n） 揚程
H
（m） 轉速
N
(r/min) 效率
η
（%） 葉輪直徑

（mm）
比轉數
350S16 1260 16 1250 86 290 280
350S26 1260 26 1250 88 350 190
350S44 1260 44 1250 87 410 130
350S75 1260 75 1250 85 500 90
350S125 1260 125 1250 81 655 60
500S13 2020 13 970 83 390 280
500S22 2020 22 970 84 465 190
500S35 2020 35 970 88 550 130
500S59 2020 59 970 83 682 90
500S98 2020 98 970 79.5 860 60
（以上參數均來自給排水設計手冊及產品說明書）
從表中看出，350S16和500S13型葉輪直徑最小，其效率分雖為86%和83%；而350S125型和500S98型的葉輪直徑最大，其效率分別為81%和79.5%。這些效率均小于這兩種泵型所達到的最高效率（88%）。
表中列舉的兩種泵型參數，基本代表了常用泵型的效率隨葉輪直徑變化的情況，也印證了無論葉輪直徑偏大或偏小，都對水泵的效率產生了不利影響。
此外，當其它參數（流量、葉輪直徑）不變時，降低轉速對效率幾乎沒有影響。
（4） 第二特征（結合第一特征）在不同泵型中的應用
在低比轉數（葉物理學直徑偏大）泵型中，效率首先取決于圓盤損失。因此，該泵型采用第二特征后，可適當減小葉輪直徑，從而減小了圓盤損失，再結合第一特征進一步降低損失。
在高比轉數（葉輪直徑偏小）泵型中，效率取決于葉片與流量的相對長度及其它損失。因此，該泵型采用第二特征后，可適當放大葉輪，再降低葉輪轉速，然后再視情況確定是否需要采用第一特征，降低圓盤損失。
在中比轉數（比轉數在200左右）泵型中，影響效率的各種損失大體相當，效率相對較高。采用第二特征和第一特征時，根據情況來選擇是減小葉輪直徑，還是放大葉輪直徑而降低葉輪轉速，具體需要經試驗來決定。
三．新型離心泵的效率預計
由于水泵內部液體流動的復雜性，單憑理伭不能準確分析和算出葉片泵的性能，目前都是晝運用實驗來進行葉片泵的設計和制造。因此新型離心泵也需經過試驗來確定準確的性能。這里我們根據長斯的分析、研究和比較，對新型離心泵的效率作出如下粗略估計：
離心泵類型 效率提高百分比
高比轉數 提高3-6%
中比數數 提高2-5%
低比轉數 提高4-8%
大流量型（大泵） 提高1-5%
三、 新型離心泵可能存在的問題
新型離心泵可能存在的問題主要有以下幾點：
1、 第一特征中增加的泄露損失，既由于泄露的水流能量有所下降，需與葉輪出口主流過行整合而產生的水力損失，但該損失因能量下降小，水量也小，與其所減少的損失相比是很小的。
2、 在第二特征中要增加水與混流葉片的磨擦損失，該損失取決于水在葉輪中的相對流速。而相對流速遠小于葉輪的原未利用空間的圓周速度，因此該損失遠小于原來未利用空間與水的磨擦損失。
3、 新型葉輪中可能出現水流不均，并可能影響混流葉片效率，對此應盡量使混流葉片比轉數接近離心葉片的比轉數。必要時可調整（減小和增加）混流葉片和離心葉片的寬度。
經過以上分析和論證，可以看出新型離心泵通過采用獨特的葉輪結構和形狀，明顯降低了泵內能量損失，其主要特征在技術上都是有根據的，在制造工藝上也是不難實現的。可能存在的一些問題也是影響很小的（或是可以解決的），因此新型離心泵的技術可行性應該是沒有疑問的。對此我們歡迎各位專家批評指正，我們將客觀理智的對待他人提出的任何疑問，可行就是可行，不可行就是不可行。這里的可行是定性的技術評估，至于定量的實際效果有多大，要經過試驗來確定。以我們多年的分析和研究，我們對新型離心泵的實際效果非常樂觀，想信成功的可能性是非常大的，并有可能比預計的效果還好我們歡迎有關各方和我們合作，共同開發這一具有世界先進水平的，并將給離心泵帶來重要突破的新項目。

齒輪泵技術

三爪聯軸器，水泵聯軸器撓性聯軸器
　　 具有一定的補償被聯兩軸軸線相對偏移的能力，最大量隨型號不同而異。
　　 無彈性元件的撓性聯軸器：承載能力大，但也不具有緩沖減震性能，連軸器在高速或轉速不穩定或經常正、反轉時，有沖擊噪聲。適用于低速、重載、轉速平穩的場合。
　　 非金屬彈性元件的撓性聯軸器 在轉速不平穩時有很好的緩沖減震性能；但由于非金屬（橡膠、尼龍等）彈性元件強度低、壽命短、承載能力小、不耐高溫和低溫，故適用于高速、輕載和常溫的場合 。
　　 金屬彈性元件的撓性聯軸器：除了具有較好的緩沖減震性能外，承載能力較大，聯軸器適用于速度和載荷變化較大及高溫或低溫場合。