扩散段结构参数对低比转速离心泵性能的影响

王小华，姜  嫄

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076）

摘  要：扬程和效率是评价低比转速离心泵水力性能的关键参数，而扩散段作为低比转速离心泵将动能转换为压能的核心结构，其结构参数直接影响低比转速离心泵的水力性能。本文基于大功率低比转速离心泵开展水力性能试验，针对扩散段的加工结构参数开展试验研究，探索扩散段的结构参数对扬程和效率的影响规律。研究结果表明，加工精度较差的扩散段水力损失较大，导致离心泵的扬程无法满足使用要求，而通过提高扩散段加工表面的光洁度可以有效地改善离心泵的水力效率。

关键词：低比转速离心泵；扩散段；结构参数；扬程；效率

 前言

低比转速离心泵一般是指比转速ns=30～80的离心泵，具有流量小、扬程高的特点，其广泛用于食品、医疗、化工、生活供水和航空航天等领域[1-2]。低比转速离心泵的叶轮叶片出口宽度较小，叶轮外径较大，流道长而窄，造成效率较低、轴功率增加，扬程曲线在小流量工况易产生不稳定现象，且存在驼峰[3-4]。低比转速离心泵的设计应满足振动小、噪音低、可靠性高等要求，且应具有效率高、运行范围广和良好的水力性能[5-6]。针对低比转速离心泵的结构与水力特性，国内的专家学者长期以来开展了大量的研究工作，学术成果主要集中在水力设计、结构优化、数值模拟等方面，而扩散段作为低比转速离心泵将动能转换为压能的核心结构，其结构设计、加工精度直接影响低比转速离心泵的水力性能，但学术界在这方面的研究文献比较少，尚缺乏系统性的理论研究。

本文利用国家特种泵阀工程技术研究中心试验条件，基于大功率低比转速离心泵开展水力性能试验，针对扩散段的加工结构参数开展试验研究，探索扩散段的结构参数对扬程和效率的影响规律。

1. 试验设备及试验方法

1.1 试验设备

本文以某公司的石蜡加氢高速泵为研究对象，采用GSB-L4A型大功率立式高速泵，为单级单吸部分流式低比转速离心泵，性能参数如表1所示。该高速泵输送介质为液体石蜡，介质密度741kg/m3，额定流量18.6m3/h，额定扬程1325m，额定点效率26%，额定转速15227r/min，配套电机功率220kW。高速泵水力部件主要由诱导轮、叶轮、扩压器、泵壳等组成，扩压器采用锥管扩散段的结构形式，通过叶轮旋转做功，增加工作介质的速度，再通过静止的锥管扩压器将速度能转化为压力能，从而获得较高的出口压力。

表1 石蜡加氢高速泵性能参数

1.2 试验方法

为了研究扩散段的结构参数对低比转速离心泵扬程和效率等水力性能的影响规律，如图1所示分别加工两种不同表面粗糙度和加工精度的锥管扩散段，图1(a)扩散段加工表面光洁度较差，锥管与环形流道连接处有凸棱，图1(b)扩散段加工表面光洁度高，锥管与环形流道连接处相切，光滑过渡。分别将两种不同的锥管扩散段扩压器与相同的诱导轮、叶轮、泵壳配套安装后，针对扩散段的加工结构参数开展水力性能试验研究。

 (a)表面光洁度差            (b)表面光洁度高

图1 不同锥管扩散段结构示意图

2. 结果与分析

   如图2所示为两种不同的锥管扩散段扩压器对应的高速泵水力性能试验结果，从图中试验结果可以看出，在一定的转速下，扬程随着流量的增大而逐渐减小，轴功率随着流量的增大而逐渐增大，效率则随着流量的增大先增大后减小，在额定流量点附近达到最大值。从图2(a)表面光洁度较差的扩散段试验结果可以看出，在额定流量（18.6m3/h）下泵扬程仅为1235.6m，与额定扬程（1325m）相差甚远，无法满足使用要求，对应的轴功率为172.7kW，效率为27%。如图2(b)为表面光洁度高的扩散段试验结果，在额定流量（18.6m3/h）下泵扬程为1325.5m，略高于额定扬程（1325m），满足设计要求，对应的轴功率为172.4kW，效率为28.7%。

    扬程和效率是评价低比转速离心泵水力性能的关键参数。扬程是泵所抽送的单位重量液体从泵进口处到泵出口处能量的增值，对既定的泵，在一定转速下，泵扬程随着流量增大而逐渐减小。泵在把机械能转化为液体能量过程中，伴有各种损失，这些损失用相应的效率表示。泵实际扬程等于泵理论扬程减去泵内的水力损失，水力损失主要包括摩擦损失、冲击损失和容积损失。扩散段是低比转速离心泵将动能转换为压能的核心结构，介质在叶轮出口圆周处高速旋转，只有一部分介质进入扩散段后输送出去，其余大部分介质仍在环形流道内旋转，由于介质进入扩散段时的速度非常高，因此扩散段与环形流道连接处的结构直接影响水力损失的大小。

    图1(a)所示的扩散段表面光洁度较差，导致高速介质与扩散段加工表面的摩擦后流速下降，损失增大，扩散段结构与环形流道不相切，存在凸棱，造成叶轮出口处的高速介质流出方向与扩散段进口处的方向不同，极易产生旋涡，即发生冲击损失，最终导致泵水力损失增大，效率降低，扬程无法满足使用要求。因此，扩散段加工表面的光洁度越差，泵转速越高，则泵水力损失越大，效率越低，扬程下降越明显。

    由于泵内流动的复杂性，结构参数对低比转速离心泵性能的影响是多方面的，目前还难以有效地控制泵的性能，为了提高某一性能指标而改变结构参数可能造成另一性能指标下降[9]。因此，针对不同的设计要求应进行具体分析，采取最有效的措施，以期获得最优解。

(a)表面光洁度差                      (b)表面光洁度高

图2不同锥管扩散段结构水力性能试验结果

3 结论

本文基于GSB-L4A型大功率立式低比转速离心泵开展水力性能试验，针对扩散段的加工结构参数开展试验研究，探索扩散段的结构参数对扬程和效率的影响规律。研究结果表明，扩散段是低比转速离心泵将动能转换为压能的核心结构，加工精度较差的扩散段水力损失较大，导致离心泵的扬程无法满足使用要求，而通过提高扩散段加工表面的光洁度可以有效地改善离心泵的水力效率。

参考文献

[1] 张佩芳, 袁寿其, 黄良勇. 低比转速离心泵研究现状与发展趋势[J]. 水泵技术, 2004.1: 20-24.

[2] 程光田, 刘元义, 颜世周. CFD技术在低比转速离心泵中的应用[J]. 机械工程与自动化, 2009, 5: 197-200.

[3] 王洋, 张翔. 叶轮口环间隙对低比转速离心泵效率的影响[J]. 排灌机械, 2008, 26(6): 27-30.

[4] 宋青松, 陈晶晶. 低比转速离心泵消除驼峰的研究[J]. 通用机械制造, 2011, 1: 110-111.

[5] 张佩芳, 袁寿其, 许建强. 低比转速离心泵研究现状与发展前景[J]. 排灌机械, 2003, 21(6): 42-45.

[6] 齐学义, 刘永明, 胡家旺, 李凤成. 提高超低比转速离心泵效率的方法[J]. 水电能源科学, 2011, 29(2): 118-120.

[7] 关醒凡. 泵的理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1987.

[8] 张召磊, 张楠, 窦唯, 吴玉珍. 诱导轮对高速离心泵性能的影响分析[J]. 火箭推进, 2011, 37(3): 26-31.

[9] 关醒凡. 现代泵技术手册[M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

作者简介：王小华（1987-），男，广西北海人，硕士研究生，高级工程师，主要从事高速离心泵的设计及理论研究工作。