新型高效无过载船用串并联离心泵的研制

张兴林 ，俞 健 ，蔡标华 ，方 超 ，吴生盼 ，沈宗沼 ，丁强民 ，刘 杰 ，李 鲲

1 前言

离心泵作为一种通用机械，不仅应用于国民经济各部门和领域，而且对于各类船舶也是十分重要的辅机设备，广泛用于动力系统、疏水系统、舱底压载系统、消防系统、冷却系统、循环水系统和日用水系统等。由于船舶运行条件的特殊性以及现代舰船发展的需求，船用离心泵必须达到相应的性能指标要求。

然而，我国现役相当数量的船用离心泵多项重要性能指标仍有明显不足，尤其是能耗过大、不具备无过载特性等问题使其无法完全满足使用要求，有些产品甚至仍是仿制测绘原苏联20世纪五六十年代的产品，其指标更是与未来需求相差甚远。随着人们对节能及可靠性意识的增强，尤其是船用离心泵在可靠性方面必须满足更高要求，需要离心泵从零流量到自由出流点的全流量区域均能正常工作。国外的船用离心泵，均明确规定了全流量工作的要求及功率特性，如日本大晃公司为满足这类要求，其船用离心泵明显具有无过载特性。因此，国内开展船用高效、无过载离心泵的研究及应用越来越重要。

为了开发高技术含量船用离心泵，推动我国船用离心泵的技术进步，以满足现代船发展需求，针对立式串并联两级离心泵，本文对该泵的高效节能、无过载性能及其设计方法进行研究。

2 高效无过载设计的理论分析

目前，工程上实际应用的离心泵水力设计方法仍然是基于Euler理论、一元理论以及相似理论基础上的模型换算法和速度系数法，理论尚不完善。泵理论与设计仍属于半理论半经验范畴［1~3］，许多机理性问题亟待解决［4~9］。

2.1 高效节能设计的理论分析

速度三角形是泵理论研究与设计的重要工具［1］，而现行水力设计用速度三角形只有工作面安放角这一概念。然而，由于叶片的作用，叶轮内部为非惯性系，叶片工作面和背面的压力、速度、流量等呈梯形变化规律，且在周向呈周期性的对称状态。本研究注重泵内部流动机理所反映的重要设计要素，提出新的、重要的设计要素，将叶片背面安放角列为最重要的设计要素（其实，背面安放角是客观存在的），建立双主面（背面与工作面）速度三角形，以表达叶轮内真实流场内叶片背面与工作面处的各种速度变化规律。

图1 等厚叶片及速度三角形

另一方面，叶轮内流动的重要特性之一为，叶片背面处轴面速度Cm2s大于叶片工作面处轴面速度Cm2p。而由于现行的等厚叶片（见图1）背面的出口安放角β2s等于工作面的出口安放角β2p，造成叶片背面处的周向分速度Cu2s小于工作面处的周向分速度Cu2p（见图1），降低了扬程系数。

本文提出的翼型叶片（叶片两面不平行）如图2所示，叶片出口背面安放角β2s大于工作面安放角β2p（见图2），从而将叶片背面处的周向分速度Cu2s增大至工作面处的周向分速度Cu2p（见图2），明显提高了扬程系数。

图2 翼型叶片及双主面（工作面、背面）速度三角形

利用该方法设计出的翼型式叶片可提高离心泵的效率，主要表现在3方面：（1）提高叶片背面出口速度周向分量，增大扬程。（2）叶片背面与工作面液流速度大小和方向较为一致，使蜗壳液流汇合水力损失减小，提高了水力效率。（3）叶轮外径可进一步减小，圆盘摩擦损失进一步降低。

众所周知，适当修锉离心泵叶片背面可提高扬程和效率。其实，修锉背面的本质就是增大了背面的叶片安放角，而且仅仅是修锉叶片出口边附近的一小段。若在叶片的设计时注意到修锉叶片背面的效应，将“修锉段”延长，则可较大幅度提高泵的扬程和效率。这在一定程度上验证了本方法的应用效果。

因此，离心泵高效节能设计的关键技术为同时优化叶片背面安放角和工作面安放角，使翼型叶片的型线更加符合流动和能量转换机理，以获得最佳水力学效果，提高水力效率，并相应地减小叶轮外径，降低圆盘摩擦损失，从而达到改善效率指标的目的。

2.2 无过载设计的理论分析

文献［10］提出，输入水力功率Ph由2种分功率合成，第1种分功率Pr对应于径向分速度Cr，第2种分功率Pu对应于周向分速度Cu及Wu，即Ph=Pr+Pu。而且，Pr随流量的增大而增大，增大的幅度随着ns增高而减慢，其中，由于轴流泵叶轮内的Cr=0，则其Pr=0，Pu随流量增大而减小，减小的幅度随着ns增高而加快。从而可合理解释离心泵、混流泵、轴流泵的输入水力功率Ph及轴功率P的功率曲线分别呈上升、基本水平、下降的规律。

本文进一步研究得出，第1种分功率Pr= KrQ，第2种分功率Pu= Const - KuQ。因此，输入功率计算式可表达为P输入= Pr+ Pu=（KrQ ）+ (Const-KuQ）=（Kr-Ku）Q + Const。其中，Kr关联于流量以及叶轮外径D2与叶片进口直径之D1比值等叶轮几何参数；Ku反比于tanβ2，且Ku还关联于水力模型几何参数以及实际流量与设计流量的比值。因此，通过针对性设计，可以控制、改变轴功率曲线变化趋势，使得离心泵在某流量点以后，分功率Pr随流量增大而上升的幅度Kr小于分功率Pu随流量增大而下降的幅度Ku，从而离心泵轴功率在某流量处出现极大值。因此，离心泵轴功率曲线出现极值的理论条件（当量设计要素）是，Kr＜ Ku。

无过载设计的关键技术为优化叶轮外径D2、叶片进口直径D1、工作面安放角β2p、背面安放角β2s、叶片包角θ、叶片数Z、叶轮出口宽度b2、叶轮出口面积与泵体喉部面积之比Y等水力设计因素。值得指出的是，一般低比速离心泵β2较大，故Kr＞Ku，轴功率无极值；只有当β2较小，Ku增大，才可能使Kr＜Ku。因此，β2较小是无过载离心泵的重要条件之一。

3 高效无过载样机水力模型设计

本文针对低比转速（ns=62）的船用串并联离心泵进行具体设计。样机的结构为立式，含有两级叶轮，通过泵内特殊转换阀门的2种切换方式，实现两级叶轮或处于串联状况或处于并联状况。样机参数及主要技术指标如下：

（1）串联状况下流量Q=50 m3/h、扬程H=110 m。

（2）并联状况下流量Q=100 m3/h、扬程H=55 m。

（3）功率曲线出现极值，实现全扬程无过载功能。

（4）效率η≥67%~68%。

（5）汽蚀余量NPSHr=3~3.4 m。

根据上述提高效率、实现无过载特性的方法，进行了样机的水力模型设计，其几何参数见表1。

表1 船用串并联离心泵样机水力模型几何参数

4 试验结果

样机经试验，各项性能如无过载、效率等达到甚至优于预计指标：无过载特性良好，轴功率极值（最大轴功率）是额定点轴功率的1.1倍；效率同比高2.4至6个百分点；汽蚀余量同比优0.8m。叶轮编号为Y2AL的样机串联状况、并联状况性能曲线见图3。

图3 样机串联状况性能曲线

图4 样机并联状况性能曲线

值得指出的是，进行无过载特性试验时，须区分假象的无过载特性。有些离心泵在大流量区汽蚀性能变差，可能出现因汽蚀而导致轴功率下降，表象上出现轴功率极值（拐点）。本项目在进行无过载特性试验时，对泵进口加压约0.2 MPa，消除了假象的无过载特性。

由于本文样机属于低比转速（ns=62）离心泵，其高效、无过载设计及试验具有代表性，该设计方法可以推广应用于现役的各类船用低比转速离心泵以及民用离心泵。

5 结论

（1）提出了离心泵高效节能设计方法，将叶片背面安放角列为重要的设计要素，建立双主面（背面与工作面）速度三角形，同时优化叶片背面安放角和工作面安放角，使翼型叶片的叶片出口背面安放角β2s大于工作面安放角β2p，叶片型线更加符合流动和能量转换机理，以提高水力效率，并相应地减小叶轮外径，降低圆盘摩擦损失，从而达到改善效率指标。

（2）无过载设计的关键技术是，优化叶轮外径D2、叶片进口直径D1、工作面安放角β2p、背面安放角β2s、叶片包角θ、叶片数Z、叶轮出口宽度b2、叶轮出口面积与泵体喉部面积之比Y等水力设计因素，以达到离心泵轴功率曲线出现极值的理论条件（当量设计要素）是Kr＜Ku。一般低比速离心泵β2较大，故Kr＞ Ku，轴功率无极值；只有当β2较小，Ku增大，才可能使Kr＜Ku，因此，β2较小是无过载离心泵的重要条件之一。

（3）针对船用串并联低比转速离心泵的具体设计、试验，验证了该设计方法能有效地提高效率、实现无过载特性。

（4）该设计方法可以推广应用于现役的各类船用低比转速离心泵以及民用离心泵。

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