不规则离心水泵设计方法及其系列化探讨

郝培煜

(北京南口轨道交通机械有限责任公司，北京 102202)

不规则离心水泵设计方法及其系列化探讨

郝培煜

(北京南口轨道交通机械有限责任公司，北京 102202)

叶轮和压水室对离心水泵的性能起着十分重要的作用。压水室的设计通常采用阿基米德螺旋线截面计算法，但对于空间扭曲不规则出水口，则无法完全采用传统的设计方法。本文研究了出水口空间扭曲不规则离心水泵壳体压水室喉部尺寸对水泵流量的影响，并对压水室空间扭曲的小流量叶片离心泵的设计思路进行了计算印证，阐述了产品系列化的重要意义。

离心泵；流量；空间扭曲；喉部面积比；系列化

1 不规则离心水泵的设计方法

在20世纪60年代，离心水泵的研究已取得了很大的进展。随着科技的发展，设计手段的进步，各种设计软件不断被开发出来；但对于具有特殊用途和特殊结构的离心水泵，仅仅依靠传统的设计方法和开发软件还不能完全达到预期目的，需要不断地摸索研究。

1.1 不规则离心水泵的提出

中国北京南口轨道交通机械有限责任公司应客户要求，为其新型机车预热锅炉研制预热水泵电动机组。水泵电动机为交流电动机，水泵流量为5 m3/h，扬程为12 m，转速为2 850 r/min，工作方式由原来的间歇式改为连续式，采用立式结构。水泵电动机组的体积应尽可能的小，以节省空间。为满足水泵的安装使用要求，减小水泵的结构尺寸，在设计方案中采用水泵和电动机共轴，这样可以省去中间连接部分，使水泵结构更紧凑；同时，改进传统设计中水泵壳体的结构型式，采用出水口空间扭曲的结构型式(见图1)，以进一步减小水泵的空间尺寸。

图1 空间扭曲离心泵壳体示意图

1.2 水泵壳体的设计

1.2.1 水泵壳体的作用

水泵壳体的作用是将从叶轮中流出的液体收集起来，引向出水口，同时将液体的一部分动能变为压能。其不但对水泵性能有明显的影响，而且如果壳体压水室与叶轮配合不良，可使泵产生振动而无法工作；因此，水泵壳体的设计具有很重要的意义。通常，水泵壳体的螺旋线与水泵出水口的中心线在同一平面上，而此次为了减小空间结构尺寸，水泵出水口的形状发生了空间扭曲。

1.2.2 设计思路

因为常规的叶轮少有类似的结构型式，因此在设计计算时，没有出水口在空间扭曲的资料可查。最初，考虑在壳体第八螺旋断面采用圆滑过渡的方式，但发现采用该方式有许多不确定因素，即不同的圆弧半径有不同的过渡形式，而这并不能确定对水泵性能带来的影响。根据安德逊的面积比原理，叶轮的出口过流面积与泵体喉部面积之比是离心泵扬程、流量等性能的重要决定因素。据此，从计算压水室的喉部面积入手，研究泵的性能及出水口过渡方式。压水室的喉部面积可通过安德森曲线，由叶轮与压水室的面积匹配值来确定。由于压水室喉部断面面积最小，如果此处的面积能够满足水泵流量要求，则水泵的性能就能够得到保证。

1.2.3 设计计算

涡室入口宽度b3一般取：

b3=b2+2s+C

式中，b2是叶轮出口宽度，b2=6 mm；s是叶轮盖板厚度，s=2.5 mm；C是系数。

基于选取基圆直径时的同样原因，涡室入口宽度选取16 mm，入口宽度选的宽可以改善叶轮和涡室的对中性。

比转数<60的泵对涡室面积的变化比较敏感，而且比转数越小，影响越大，而所设计的泵的比转数为：

式中，n是转速,取n=2 850 r/min；Q是流量，取Q=5 m3/h；H是扬程,取H=14 m。

涡室断面的设计计算对泵的性能影响很大，如果涡室断面面积过小，则Q-H性能曲线变陡，最高效率点向小流量方向移动，效率降低；反之，Q-H曲线比较平坦，最高效率点向大流量方向移动，效率也降低。涡室的各断面面积应均匀地变化，如图2所示。涡室断面面积的大小由所选取的涡室流速v3决定，

v3=Kv3(2gH)1/2

式中，Kv3是螺旋涡室速度系数，Kv3=0.47；g是重力加速度；H是设计扬程，取H=14 m。则：v3=Kv3(2gH)1/2=0.47×(2×9.81×14)1/2=7.8 (m/s)

各断面面积为：

喉部面积SⅨ由设计流量和平均流速确定：

式中，θ是泵舌安放角，θ=25°。

图2 螺旋形涡室断面示意图

样机试验结果表明，所设计的水泵壳体避免了水流通过出水口时发生冲击和紊流现象，达到了预期的设计目标。水泵性能符合设计要求，与同类产品相比，具有体积小和耗能低的特点。

2 产品系列化

目前，水泵设计生产已系列化、标准化。国外水泵设计人员为便于形成系列产品，在不影响水泵性能的前提下，在壳体设计时加大了壳体基圆直径及涡室入口宽度，以便于通过更换不同的叶轮提供不同性能的水泵。

本设计中，基圆直径为112 mm，虽然基圆直径为105 mm时就可满足设计要求，但一方面考虑加大尺寸留有余量，另一方面考虑到这种小流量的水泵今后可能还会有需求，为系列化提供方便。

用户提出在不改变水泵外形尺寸的前提下，希望水泵增加3 m的真空度，同时要求提高水泵流量，由5 m3/h改为6 m3/h。若是按照以往的设计思路，需要改变叶轮的结构尺寸，进而影响了壳体的结构尺寸，确切地说是要进行重新设计，因此造成了人力、物力的浪费，延长了试验周期。然而，按照产品系列化设计，预先考虑到了叶轮尺寸可能发生的变化，基圆半径和涡室入口宽度增大了预留量，这样只需要调整叶轮的结构尺寸，即通过增加叶轮外径和叶轮出口宽度，就可使水泵性能达到要求。

通过这次预热水泵电动机组的研制，对研发工作有一些新的启发。作为机车水泵生产的专业生产厂家，如果产品还没有达到系列化程度，就不能满足铁路机车长远发展的需要。我国水泵产品与国外水泵相比，无论从产品品种上还是从系列化程度上都存在着差距，因此应加强水泵产品开发，实现水泵产品的系列化。可参考国外水泵的分类和系列化生产情况，根据水泵的不同结构型式，编制不同的型号，将不同扬程、流量的水泵编制成系列产品。通过水泵产品的系列化，还可以选出自已的模型泵，使设计工作更专业、更系统，从而提高设计能力和产品的技术含量，以适应激烈的市场竟争。总之，设计生产专业化，产品品种多样化和系列化，是促进水泵生产健康稳定发展的必由之路。

责任编辑马彤

DiscussionofDesignMethodforIrregularCentrifugalPumpsandIt′sSerialization

HAO Peiyu

(Beijing Nankou Railway Transit Machinery Co., Ltd., Beijing 102202, China)

In the centrifugal pumps, besides the important influence on pumps performance by impeller, the pressurized water chamber also has an indispensable effect on the performance of pumps. Traditionally, the designing of pressurized water chamber usually use the calculation method of Archimedes helix cross section. The paper explored the influence on pumps flow by throat size of water chamber in irregular pumps of outlets spatial warping, and confirmed the design thought of small flow blade centrifugal pumps of outlets spatial warping, presented the importance of production serialization.

centrifugal pump，flow，spatial warping，throat area ratio，serialization

TB 4

：A

郝培煜(1958-)，男，工程师，主要从事离心水泵设计研制等方面的研究。

2014-09-15