《泵与风机》的设计与试验第一章.ppt

赵志军制作教材叶片泵的非设计工况及其优化设计 李世煌编著 . ISBN 7-111-17377-5 机械工业出版社，2006.1 参考书： 泵设计生产新工艺新技术与质量验收标准规 范实务全书，北方工业出版社，2006.3 关醒凡，泵的理论与设计，1987现代泵技术手册，1995.9第一章第一章 叶片泵设计概述叶片泵设计概述通常把提升液体、输送液体或给液体增加压力，即通常把提升液体、输送液体或给液体增加压力，即 将原动机的机械能转化为液体能量的机器统称为泵将原动机的机械能转化为液体能量的机器统称为泵 城市的高楼大厦中需要变频供水泵装置、消防泵、喷 淋泵、管道泵、多级泵、热水屏蔽泵、潜水排污泵等 在动力工业中需要锅炉给水泵、强制循环泵、循环 水泵、冷凝泵、灰渣泵、疏水泵、煤油泵等；在采矿 工业中需要矿山排水泵、水砂充填泵、水采泵、煤水 泵等；在石油工业中需要泥浆泵、注水泵、深井采油 泵、潜油泵、疏油泵、石油炼制用泵等；在化学工业 中需要耐腐蚀泵、流程泵、输油泵、屏蔽泵、磁力泵 、计量泵等；在交通运输工业中需要燃油泵、喷油泵 、润滑油泵、液压泵等叶片泵的发展方向• 适应日益广泛的应用领域 • 提高效率 • 节约能源 • 提高运转可靠性 • 延长无故障使用寿命叶片泵设计包括水力设计和结构设计。

设计参数叶片泵的品种、规格和尺寸繁多，在设计 时需要很多参数这些参数大体上可分为两 组： 第一组是与泵内流动有关的水力参数和热 力参数； 第二组是表示叶片泵各通流部件形状和大 小的几何参数 都是三维参数叶片泵设计现状叶片泵设计现状尽管我国叶片泵生产和应用量增加很快，但 叶片泵的设计理论和设计方法没有相应的提高 我国叶片泵的设计方法是 20世纪 50年代从 苏联引进的，基本上是以斯捷潘诺夫（ Stepanoff）的速度系数法为基础的经验统计法 ，这种方法主要依靠试验和经验，设计中的盲 目成分很大近半个世纪以来，计算机、高速摄影和激光 技术的飞速发展为叶片泵的理论研究、试验研 究和设计制造创造了良好的机遇在运用计算 机以后，叶片泵的理论研究和设计取得了相当 大的成果，有了一些CAD、CAM和CAE软件 但是，叶片泵的设计理论和方法仍然没有离开 相似设计和速度系数法的框框，有些只是将原 有计算公式编成了计算机运算程序，用计算机 绘图方法代替了原有的图板、圆规和三角板设计叶片泵的指标： 效率、性能曲线形状和空化 效率是最受重视的表观指标，特别是在当前能 源紧张时，“节能”是人们注重的指标，而且有时 这也是最能蒙骗人的指标。

原机械工业部曾经公 布一批批“节能”水泵，“淘汰”一批批“高耗能”水泵 ，但是实际上“节能”水泵推广不下去，“高耗能”水 泵淘汰不了其问题可能在于“效率”不应作为判 别叶片泵是否优秀的惟一指标；况且有些“节能” 水泵只是设计点（或者额定点）效率高，高效范 围不宽，而性能曲线的形状不能令人满意标准参数的中小型水泵，应适应较广泛的使用 场合的需要但是这些使用场合很难都恰好在标 准水泵的设计点，甚至也不在高效范围内，因此 在实际使用的场合，水泵的效率并不都是设计点 的效率，其节能效果不如原来设想的那样显著 纽曼 1991年著写的《离心泵几何形状与性能 的相互关系》，从泵内流动的损失分析出发，找 出水力参数与性能参数之间的关系和水力参数与 通流部件几何参数之间的关系；设计中考虑了离 心泵的效率和可靠性它使离心泵的设计方法在 应用计算机的基础上有了根本的改变叶片泵的非设计工况 及其优化设计叶片泵在实际应用中并不一定运转在设计工 况，甚至根本就不运转在设计工况，而故障和 可靠性的问题却常发生在非设计工况 叶片泵的非设计工况及其优化设计是以计算 机为主要计算工具，从分析叶片泵内部流动和 内部损失出发，找出流动参数和损失与叶片泵 通流部件几何形状和尺寸之间的关系，进行整 体优化，确定优化计算的顺序。

设计方法在叶片泵设计工况时，叶片泵的非设计工况 及其优化设计按流体通过所有通流部件的各项 损失综合起来为最低的优化原则，应用计算机 ，在设计步骤中多次迭代，确保通流部件水力 尺寸互相匹配，达到综合总效率最高；分析了 非设计工况的泵内流动，为了确保非设计工况 时叶片泵性能的可靠性和运转安全性，讨论修 正措施和步骤第一节 叶片泵的设计要求叶片泵的设计要求是随着科学技术和工程技 术的发展逐步明确的，自然也是根据当前叶片 泵的使用现状提出来的 1 叶片泵的使用和选择 叶片泵，或者更广泛地说机械产品，可分为 两类： 一类是通用的标准尺寸、形式和性能； 一类是特殊条件下的非标准产品 这两种产品将有不同的设计要求第一类产品，应该用最少的零部件类型、尺 寸差别适应广泛的流量和扬程等的性能范围 在强度设计时，小型水泵可以考虑允许应用 于2倍的额定转速 对于大型机组，同一水力模型必须分别按高 速高压和低速低压进行产品设计 对于专用或特殊要求的叶片泵，应尽量考虑 使用中的其他要求 不能只追求表面的“节能”指标2叶片泵的基本设计要求叶片泵设计首先面对的是工程或市场需要的 流量和扬程，它们决定于机组的转速、吸入性 能和性能曲线的形状。

设计时应首先确定叶片泵的基本特性：转速 （或者选择合适的转速）；叶片泵的类型，如 离心式、混流式或者轴流式；单吸或者双吸； 单级或者多级（级数）；比转速或者扬程系数 和流量系数当这些基本特性确定以后，将依 次设计叶轮、导叶（或泵壳）、平衡装置及附 件、轴和轴承，以及密封等主要部件或零件按现有的设计方法，将依次按步骤进行设计 设计叶片泵时考虑最多的是：效率、性能曲线 形状和空化 叶片泵的性能曲线和空化特性是容易被人们忽 视的指标 叶片泵的效率、性能曲线形状和空化特性的要 求，在设计中也经常出现矛盾一台优秀的叶 片泵，设计中应该是满足这三个指标的折衷方 案第二节 叶片泵的传统设计 方法及存在的主要问题 叶片式水泵的设计计算应根据叶片泵的使用 要求（通常最简单的情况是已知流量 Q 和扬程 H）确保设计的叶片泵能高效率、安全可靠和 稳定地运转 传统的叶片泵设计方法是只按设计工况的设 计方法，即只按使用场合提出的某一组设计流 量和扬程值，进行整台泵的设计 所谓设计工况，事实上只是H-Q性能曲线上 的一点（通常称为设计点或者额定点）1按设计工况进行 叶片泵设计的传统方法 传统的按设计工况设计叶片泵的方法，都是以 叶轮为主，以欧拉方程式为基础，即假定液体 在叶轮中的流动都是理想状况。

实用的设计方 法，多采用相似设计原理的经验系数法我国 现有的叶片泵计算机辅助设计CAD软件仍然以 此为基础 特点：以实验和经验为基础，统计各种比转速 优秀叶片泵设计工况（最高效率）的性能与叶 轮进、出口流速之间的关系，并绘制成曲线；2叶片泵的非设计工况设计叶片泵时，不仅应考虑设计工况下的高 效率，同时也应满足在非设计工况下使用时的 可靠性 偏离设计工况时，由于真实液体的粘滞性， 在泵内将逐步产生旋涡、回流、失速和脱流， 而且这些流态逐渐增大纽曼根据这些流态在 泵内出现时的流量，把叶片泵 H-Q 性能曲线分 成五个区：性能分区叶片泵H-Q性能曲线分成五个区1.设计工况区即通常的高效范围，其泵内流动特点基本上 是假设的理想状况在 H-Q 性能曲线上这个区 的界限是临界流量当流量加大或减小到某一 个值时，将出现 Cu1≠0，对应的前一个流量为 QcrH，后一个流量为 QcrL 2. 大于设计流量区 通常指大于上临界流量QcrH至1.2倍设计流量 （ QcrH

在关死点，叶轮内形成进 、出口两个回流在关死点叶轮内形成 进、出口两个回流性能曲线上除了设计工况区外，其他均为非 设计工况区在非设计工况区运转的叶片泵， 泵内流动复杂，远不像设计工况时所假设的理 想流动状况，这时可能伴有噪声、振动和其他 现象；水泵运行可能不稳定，甚至出现故障 也就是说，需要以非设计工况稳定运转的要 求修正设计，确保叶片泵全面高效、安全和可 靠地运转3传统设计方法的主要问题以斯捷潘诺夫的经验系数方法为基础的传统设 计方法，统计地总结了前人的经验（包括设计、 制造和使用），特别是计算机广泛应用以后，建 立了优秀水力模型数据库，在工厂中很容易设计 一台与已有水力模型相似的叶片泵，满足生产实 践上的需要但是，这种方法从理论上却实践上 在在如下几方面的不足： （1）方法的理论基础是欧拉扬程方程式，但 是方程式只建立了外特性（扬程）与叶轮进、出 口速度（或环量差）之间的关系，对叶轮内部的流速分布和压力分布过分简化；尽管利用“滑移” 系数和损失计算考虑了液体粘滞性的影响，进 行了总的修正，但是仍然过于粗糙2）设计中只是从概念上考虑流体力学知识 ，而实际上用得很少，没有充分估计到通流部 件几何特征对泵内流动的影响，也没有考虑对 叶片泵性能的影响，特别是对非设计工况的影 响，只能说是基本满足设计工况的要求。

3）设计过程过分简化，任意性大，误差大4）制造生产的原型机组必须通过试验得到 其性能曲线 （5）用传统的速度系数法，一般来说，其效 率只能达到统计所采用资料的水平，很难进一 步提高 （6）设计是依顺序进行的，不考虑流道上、 下游之间和各种损失之间的相互影响，因此不 可能在效率或者可靠性上“优化”，充其量只能 是“较好”水平第三节 叶片泵设计的优化 方法和非设计工况的修正叶片泵的设计要求为：尽量高的效率、合适 的性能曲线和良好的空化特性 性能曲线是指叶片泵在所有工况运转时的性 能变化，或者说包括非设计工况下的性能通 常叶片泵的性能曲线有： 扬程-流量关系曲线（H-Q） 轴功率-流量关系曲线（Pa-Q） 效率-流量关系曲线（η-Q）吸入性能（必需空化裕余）-流量关系曲线（ NPSHr-Q） 伴随性能曲线的变化，可能还包括振动、噪 声等表观特征 一、 叶片泵在设计工况时的优化设计方法 在按设计工况设计叶片泵时，应同时满足效 率和空化的要求，不能只单纯以效率进行通流 部件几何尺寸的优化1. 从分析损失入手 进行叶轮尺寸的优化传统的设计方法，叶片设计由叶片绘型完成 ，决定于设计者的经验，任意性较大。

纽曼的设计方法是以机翼理论为基础的叶片 做功方法—升力法 纽曼的方法理论基础正确，思路清晰，富有 条理，应用了流体动力学和机翼试验的成果， 为叶片泵设计的进一步发展提供了新思路 这种方法进行叶轮设计的特点是：1）所有叶片泵（包括离心泵、混流泵和轴流泵 ）都采用欧拉基本方程式，但是都用叶栅产生的 升力来满足所需要的扬程 2）叶片翼型采用经过流体动力学试验的机翼翼 型，特别推荐NACA-4数组翼型 3）叶轮先按理想流动状况、真实液体分析泵内 各项损失，然后综合各项损失，以总损失最小初 步确定各项几何形状和尺寸在确定过程中，应 先找出各几何参数对叶片泵性能的影响；通过迭 代，找到一组或几组能使综合效率高的几何参数 2. 考虑空化特性设计中考虑叶轮几何参数，特别是叶轮和叶 片进口几何参数（D1、b1、β*1 ）对空化特性 的影响经过上面的迭代，在得到优化效率的 几何参数的基础上，再次进行迭代，以达到同 时满足效率和空化的要求3. 配合蜗壳等部件的计算在得到满足效率和空化要求的叶轮参数以后 ，再配合无叶扩散室、蜗壳形集水室或导叶式 压水室及出水扩散段再次进行迭代，最后达到 叶片泵各通流部件尺寸都满足整体效率高，而 同时也满足空化的要求。

二、从分析非设计工况入手 预测叶片泵性能曲线从已知叶片泵几何尺寸推求非设计工况的临 界流量Qcr、回。