離心泵流動損失

液體從離心泵的進(jìn)口到出口的過程中發(fā)生的損失稱為流動損失，流動損失包括沖擊損失和摩阻損失。

1. 沖擊損失

在離心泵的設(shè)計過程中，認(rèn)為泵在額定流量點工作時，液流進(jìn)入葉片的相對液流角β1'與葉片的進(jìn)口安放角β1相一致，即進(jìn)口沖角為0°，理論上不會產(chǎn)生沖擊損失。但用戶在使用的過程中，很難保證離心泵在設(shè)計工況下工作，流量的大小也會發(fā)生變化。而流速和流量有關(guān)，當(dāng)流量發(fā)生變化時，進(jìn)入葉輪的液流的速度大小和方向也會發(fā)生變化，而葉片的方向是固定不變的，如果相對液流角與葉片的進(jìn)口安放角不一致，在葉片進(jìn)口處就會產(chǎn)生沖擊損失。西安泵閥總廠有限公司生產(chǎn)的單級單吸離心泵絕大多數(shù)都是直錐形吸入室，現(xiàn)以直錐形吸入室為例（見圖1），vm1為進(jìn)口軸面速度，u1為進(jìn)口圓周速度，w1為進(jìn)口相對速度 。當(dāng)流量發(fā)生變化時，相對速度也會發(fā)生變化，而沖擊損失與相對速度有關(guān)。實際運行工況偏離設(shè)計工況越遠(yuǎn)，沖擊損失越大，這種損失與流速或流量的平方成正比。沖擊損失h 沖為：

圖1 流量變化時的速度三角形

如圖2和圖3所示，當(dāng)q ＜qe時，液流以小于葉片進(jìn)口安放角的角度（β1'

壓水室的過流面積和形狀也是按額定流量點設(shè)計的，理論上在額定流量點葉輪出口絕對速度的大小和方向與壓水室進(jìn)口流速的大小和方向一致。當(dāng)偏離額定流量點時，從葉輪中流出的液體的絕對速度的大小和方向發(fā)生變化，壓水室的水力損失和絕對速度有關(guān)；同時，壓水室中的流速的大小和方向也發(fā)生變化，流量增大，流速增加，反之亦然。而流動方向是由壓水室的形狀所決定的，不隨流量變化。所以，當(dāng)偏離額定流量點時，從葉輪中流出的液體與壓水室中的液流匯合，這兩股速度大小和方向不同的液流相匯，必然產(chǎn)生漩渦，即發(fā)生沖擊損失。

圖2 沖擊損失和流量的關(guān)系

圖3 葉輪葉片

2. 摩阻損失

液體流經(jīng)吸入室、葉輪、蝸殼或?qū)~等過流部件產(chǎn)生的摩擦阻力損失以及液流因轉(zhuǎn)彎、突然收縮或擴(kuò)大等所產(chǎn)生的局部阻力損失統(tǒng)稱為摩阻損失。

液流在流道中運動時，流體質(zhì)點的運動極不規(guī)則，在流體力學(xué)中，把流體質(zhì)點的運動狀態(tài)分為層流和紊流。層流狀態(tài)的沿程阻力損失與速度的一次方成正比，而紊流狀態(tài)的沿程阻力損失與速度的1.75～2次方成正比。流道截面積變化越大，紊流成分越大，液體與流道表面的摩擦阻力越大，則能量損失越大。在離心泵的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，流道越細(xì)，則液體與流道表面接觸面積越大，摩擦阻力損失越大。液體黏度越大，液體流動過程中摩擦阻力損失越大。流道截面變化不均勻，突然收縮或擴(kuò)大等所產(chǎn)生的局部阻力損失也越大。

文獻(xiàn)[6]中提到葉輪流道內(nèi)的摩擦阻力損失相關(guān)計算公式有：

從式（2）和式（3）可以看出，葉輪流道的摩擦阻力損失與葉輪外徑d2、葉片數(shù)z成正比。在水力設(shè)計的時候，可以考慮通過減小d2和z 來減小葉輪流道內(nèi)摩擦阻力損失，提高水力效率。但由于葉輪外徑d2和葉片數(shù)z 與泵的揚程有關(guān)，不能一味地降低d 2和z 來提高效率。所以設(shè)計者在水利設(shè)計時要綜合考慮d2和z 的取值，以求達(dá)到良好的水力效率。

優(yōu)化措施

1. 優(yōu)化水力設(shè)計

• 減小進(jìn)口相對速度可以降低擴(kuò)散損失和沖擊損失，所以，設(shè)計人員在水力設(shè)計時，在滿足流量和揚程的前提下，適當(dāng)?shù)厥谷~片吸入口前伸并減薄，使液體提早受到葉片作用，以減小進(jìn)口相對速度。

• 在低比轉(zhuǎn)速離心泵中，效率首先取決于葉輪摩擦阻力損失和出口損失，因此，在設(shè)計中注意力應(yīng)集中在改進(jìn)蝸殼和葉輪的水力模型；在高比轉(zhuǎn)速離心泵中的主要損失是葉輪流道中的摩擦阻力損失和相對速度降低所造成的能量損失，因此，在高比轉(zhuǎn)速泵的設(shè)計中應(yīng)力求減小摩擦面。

• 設(shè)計者在設(shè)計時應(yīng)考慮泵的運行狀況，如果泵長時間在小流量工況下運行時，設(shè)計時應(yīng)減小葉片的進(jìn)口安放角；如果泵長時間在大流量工況下運行時，應(yīng)增大葉片的進(jìn)口安放角，以此來減小進(jìn)口沖擊損失。

• 設(shè)計人員在水力設(shè)計時應(yīng)盡可能地減小葉輪外徑和葉片數(shù)來降低沿程損失，或者由于徑向尺寸的限制，必須減小葉輪外徑d 2，這樣在保證揚程的前提下，d 2減小以后，需要選用較大的葉片出口安放角β 2和足夠的葉片數(shù)，這樣就會導(dǎo)致進(jìn)口嚴(yán)重排擠，同時也會引起流道擴(kuò)散嚴(yán)重。為了解決上述問題，對于低比轉(zhuǎn)速離心泵，較好的方案是采用長短葉片，即復(fù)合葉片的方式來解決問題。

• 使相鄰葉片間流道出口和進(jìn)口面積之比控制在1.0～1.3，能夠減小流動的擴(kuò)散損失，從而提高水泵的效率。若該比值大于1.3，流道擴(kuò)散嚴(yán)重，效率下降。

• 文獻(xiàn)[1]指出，在渦室（導(dǎo)葉）寬度較小時，可以通過保留葉輪蓋板切割出口葉片，來防止流動擴(kuò)散，產(chǎn)生沖擊損失。

• 取較大的出口安放角β 2，可相應(yīng)地減小水力損失；一般β 2取20°～30°，高比轉(zhuǎn)速取小值，低比轉(zhuǎn)速取大值。

• 流道的水力半徑越大越好，盡可能地使葉片進(jìn)口截面接近正方形，以減少摩擦損失。由水力學(xué)知道，過水?dāng)嗝婷娣e和濕周的比值叫做水力半徑，即水力半徑=過水?dāng)嗝婷娣e/濕周。濕周大，實際上就是液體與壁面的接觸面積大，所以液體與壁面的摩擦損失也大。

2. 優(yōu)化加工工藝和使用條件

• 用戶選用泵時，為了保證泵能夠高效的運行，應(yīng)當(dāng)給泵一個優(yōu)先選用的工作區(qū)，此工作區(qū)位于所提供泵的最佳效率點流量的70%～120%，額定流量點位于所提供泵最佳效率點流量的80%～110%。

• 在離心泵上使用高效節(jié)能的永磁調(diào)速電動機(jī)及雙功率電動機(jī)等新型節(jié)能產(chǎn)品，來提高機(jī)組效率。

• 變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)泵的流量變化較大時，用戶可以采用變速調(diào)速裝置， 因為這樣調(diào)節(jié)沒有節(jié)流損失，泵的效率變化不大，可以保證泵在高效區(qū)運行，取得良好的節(jié)能效果。
• 采用涂鍍等方法改善流道的表面粗糙度，減少水力損失。

• 流道表面應(yīng)盡可能地光滑，流道變化應(yīng)平緩，避免在流道內(nèi)存在尖角，突變轉(zhuǎn)彎的情況；不得有粘砂、飛邊和毛刺等缺陷。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)醒凡．現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[m]．北京：中國宇航出版社，2011．

[2]葉朝東．葉片泵中能量損失的探討[j]．通用機(jī)械，2017（4）：74-75．

[3]袁壽其．低比轉(zhuǎn)速離心泵理論與設(shè)計[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

[4]張鳳羽．流體力學(xué)[m]．北京：中國水利水電出版社，2013．

[5]丁成偉．離心泵與軸流泵[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981．

[6]談明高，劉厚林，袁壽其．離心泵水力損失計算[j]．江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（5）：405-408．

[7]馬雄飛．提高離心泵效率的探討[j]．機(jī)械工程師，2012（6）：148-150．

[8]于志銘，梁向陽，尹翠鳳．影響離心泵效率的因素及提高措施[j]．中國設(shè)備工程，2006 （6）：39．

以上節(jié)選自《通用機(jī)械》2020第7期

離心泵流動損失與優(yōu)化措施的探討