对复合叶轮高速离心泵的结构设计探讨

许浩浩 陈通励 韩安达 李德斌 陈秀

浙江天德泵业有限公司 浙江温州 325804

复合叶轮高速离心泵也简称为高速泵，通过离心原理作业，属工业生产活动中的常用设备之一。该设备的特点在于利用增速箱发挥复合叶轮作用，较普通离心泵更具转速优势，提升叶轮外沿的流体线速度和扬程。尝试实现复合叶轮高速离心泵，要求对其结构进行有效设计，也客观要求给出具有实践价值的方法。

1 复合叶轮高速离心泵的结构设计

1.1 核心结构设计

核心结构设计牵涉到增速装置、过流部分、密闭性和轴向平衡力等方面。

增速装置设计上，要求采用具有理想啮合效果的齿轮进行传动，如果设备作业区域对作业稳定性要求较高，宜采用斜齿轮；作业区域对轴向力控制的要求较高，宜采用直齿轮增速；运行间隔较长或作业压力较小的区域，可采用同步齿轮尝试增速。材料方面，复合叶轮高速离心泵作业时转速极快（多超过5000r/min），应考虑以耐磨的复合材料和刚性条件理想的金属材料为主。过流部分的设计，原则上要求首先考虑比转速参数，比转速达到15 或15 以上，应优先考虑应用闭式叶轮，比转速未达到15，则选用开式叶轮。在离心泵作业过程中，汽蚀影响不容忽视，为予以应对，可对离心轮部位进行优化，设计诱导轮，并增设导叶。扬程参数的提升，则应考虑运用出口角偏大的叶轮取代小出口角叶轮，同时确保叶轮叶片大小相间。

密闭性方面，建议采用多弹簧机械密封设计思路，并保证机械部分可耐受机械振动和汽蚀破坏，减少静环面宽度参数有助于辅助应对热破坏。对于工作压力较大的高速度，可考虑设计独立冷却系统，以水冷（自冲洗）模式为宜，该设计技术上可行性高且适用性广。轴向平衡力的设计，重点考虑高速泵工作构成中的自调节，采用独立冷却系统的情况下，冷却设备与高速泵同步作业，会对高速泵的工作产生影响，造成机械稳定性、扬程下降。为予以应对，要求在复合叶轮处增设平衡孔，平衡孔均匀分布于长短叶片处，避免过于密集影响叶片整体性。采用了斜齿轮的高速泵，要求保证斜齿轮轴向力，与高速泵作业过程中产生的轴向力可互相抵消，方向上相反[1]。

1.2 辅助部分设计

复合叶轮高速离心泵辅助部分结构设计牵涉到三个方面，即支承系统、润滑部分、数字化部分。

支承系统设计上，考虑高速泵的作业特点，如果设备转速达到每分钟10000 次以上，应借助径向轴承、轴向止推轴承进行支承；如果设备转速在每分钟10000 次以下，应借助向心推力滚动轴承进行支承。润滑设计原则上强调压力和容量的兼顾，以高品质润滑油为基础。以保证油路畅通为着眼点，又需要考虑润滑油的过滤冷却[2]。在离心泵作业的过程中，须严格避免齿轮之间出现干摩擦。设计上，应考虑后齿轮油泵作用优化，在该齿轮启动的同时，实现吸油作业同步化，以油泵为润滑油提供压力、过滤、冷却等服务，确保润滑油可借助油孔进入高速泵各工作部分。高速泵的支承结构中，轴承作用突出，该部分的润滑也依赖油孔，设计上强调物理形式有效连接，并以齿轮作业的喷溅作用进行润滑辅助。

数字化部分在复合叶轮高速离心泵中应用广泛，作用包括参数监控、实时信息呈现、远程控制等，设计上采用有线通信模式，利用分布于高速泵各处的传感器，对高速泵作业态势进行收集，以通信线路进行信息传输，以转换装置进行数字化转化，使传感器信息被加工成可读取的计算机语言，最后由数字化显示器给予呈现。设计上重视组织框架稳定、拓扑结构完整，借助嵌入技术实现功能层面的运用，或以集成技术建立远程控制模式。

1.3 主要参数计算

在上述设计原则、方法要求下，需要就三个方面参数进行具体计算，一是工作转速稳定性，是否可始终保持转速维持在额定值波动空间内。二是汽蚀破坏问题分析，装置汽蚀比转速，应在诱导轮的汽蚀比转速的0．74 倍左右。三是高速泵的比转速波动范围应在40-70 之间。落实到设计活动中，上述参数服务于高速泵效率提升，考虑各类固定因素影响，可获取高速泵的效率计算式：

X=1/（1/AB+C/D+0．05）

其中，X 代表效率，A 代表容积效率、B 代表水力效率、C 代表摩擦功率、D 代表有效功率，0．05 为其他参数影响下的通用系数，带有一定的可变性，但整体稳定，如老化参数、高程差异等。以提升高速泵的工作可靠性为目标，需考虑离心轮入口动压，其计算式为：

Y=E2/2g+G2/2g

式中，Y 代表离心轮入口动压，E 代表液流速度（取平均值）、G 代表相对速度，g 代表重力加速度（取固定值）。

2 模拟实验

在上述设计基础上，通过模拟实验进行理论论证，以计算机建立对比实验模式。1 号复合叶轮高速离心泵采用1．1、1．2、1．3 中设计思路，结构特点为后开门式。2 号复合叶轮高速离心泵采用常规设计，不对参数进行精细化计算，仅从结构上保证离心泵完整，特点为后拉式。

1 号泵参数：作业高度130m，每小时提供11 立方米水量，转速7000r/min。

2 号泵参数：作业高度130m，每小时提供11 立方米水量，转速7000r/min。

两组工作参数相同。借助计算机进行平行对照实验，发现1 号泵作业效率为51%，2 号泵作业效率为42%，这表明，不同结构设计影响复合叶轮高速离心泵的工作效率。后续工作中，需要考虑对核心结构、辅助结构设计的综合分析，以保证离心泵具有高效作业能力[3]。

3 结语

综上，复合叶轮高速离心泵的结构设计影响作业效率，应对各部分结构和参数进行分析。核心结构设计上，应考虑过流部分、密闭性和轴向力分析，辅助部分则要求考虑支承结构、数字化设备功能。以工作要求为基础，做详细参数计算，保证复合叶轮高速离心泵的结构设计效果。模拟实验证明了上述理论价值。