軸流泵選型的探討

1、根據(jù)模型泵段或模型泵裝置特性進(jìn)行低揚(yáng)程泵的選型關(guān)醒凡（江蘇大學(xué)）董志豪（上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司）商明華（上海江天水泵技術(shù)研究所）摘要：低揚(yáng)程水泵的泵段特性和帶進(jìn)出水流道的泵裝置特性之間有較大差別。按管道阻力曲線 和泵段特性曲線的交點(diǎn)確定泵工況點(diǎn)，往往得出錯(cuò)誤的結(jié)果。本文分析泵段特性和泵裝置特 性差別的一般規(guī)律，提出根據(jù)模型泵段特性選型和根據(jù)模型泵裝置特性選型兩種方法。泵選 型的關(guān)鍵在于確定轉(zhuǎn)速n，計(jì)算直徑D和nD值，取較小的nD值，用高揚(yáng)程模型在低揚(yáng)程 下使用是值得推薦的選型方法。介紹了選型軟件的特點(diǎn)、用法。1、軸流泵的有效運(yùn)行范圍受諸多方面限制軸流泵有效運(yùn)行范圍的限制條件有：（1）小流量區(qū)

2、存在馬鞍形不穩(wěn)定段，泵應(yīng)避開在此區(qū)段運(yùn)行。（2）高效區(qū)較窄，偏離最高效率點(diǎn)，效率下降較快。（3）偏離最高效率工況，因流入葉片沖角增大，會(huì)發(fā)生汽蝕，造成性能下降和過流部 件破壞。（4）隨流量減小，軸功率迅速增加。（5）在小流量側(cè)運(yùn)行，偏離最高效率點(diǎn)不遠(yuǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)明顯的噪聲，在到達(dá)馬鞍形 右側(cè)最高揚(yáng)程時(shí)，噪聲和振動(dòng)已非常明顯，泵必須離開此處一段距離運(yùn)行。為進(jìn)一步說明，把軸流泵揚(yáng)程流量曲線按關(guān)死點(diǎn)（A）、馬鞍形底部（B）、可運(yùn)行點(diǎn)（C）、 最高效率點(diǎn)（D）、零揚(yáng)程點(diǎn)（E）分段，如圖1所示。綜合模型試驗(yàn)結(jié)果在表1中列出了各 特征點(diǎn)的數(shù)值。表1軸流泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性ns500700100012001300H

3、/H1.31.351.421.41.45CDQC/QD0.750.750.750.750.72HA /HD21.81.701.71.6Q 01.31.31.231.251.22Q 00.50.550.550.550.55H /H1.251.281.291.271.30圖1軸流泵運(yùn)行特性分析可運(yùn)行的最高揚(yáng)程Hc是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)虹吸出口泵站而言，水流通過虹吸管最高點(diǎn)所 需的揚(yáng)程應(yīng)小于此揚(yáng)程；對(duì)于水位變化較大的泵站，水位變化時(shí)所需的最高揚(yáng)程也應(yīng)小于此 揚(yáng)程。綜上所述，泵的有效運(yùn)行范圍為：揚(yáng)程H： (0.701.30) Hd；流量Q： (0.751.3) Qd。 2、低揚(yáng)程泵的選型大型軸流泵，流量大、

4、揚(yáng)程低，直接設(shè)計(jì)性能難以保證，一般要選擇模型進(jìn)行相似換算， 首先會(huì)遇到選型問題。進(jìn)行選型，一是要有優(yōu)秀的、數(shù)據(jù)可靠的模型，二是要有正確的選型方法。按一般離心泵的選型方法，由h=KQ2作一條阻力曲線，它和泵特性曲線的交點(diǎn)就是工 況點(diǎn)。K值對(duì)于一個(gè)具體的泵裝置應(yīng)當(dāng)是常數(shù)。但是模型軸流泵裝置試驗(yàn)表明，對(duì)軸流泵裝 置而言，并無一個(gè)確定的K值，也難以找出明確的規(guī)律，阻力曲線不符合h=KQ2，看來用 這種方法對(duì)軸流泵是行不通的。這表明低揚(yáng)程泵的特性和泵裝置特性的差異，并不都是摩擦 水力損失所致，進(jìn)出水流道的各種局部水力損失，以及對(duì)葉輪進(jìn)出口流態(tài)的影響，都對(duì)裝置 特性有著重要影響。2.1、模型泵段特性和模型

5、泵裝置特性在大型泵站建設(shè)中，首先根據(jù)裝置情況選泵，選了泵之后，認(rèn)為有必要?jiǎng)t進(jìn)行模型泵裝 置試驗(yàn)。為達(dá)到選泵合理，應(yīng)了解泵段性能和裝置性能之間的關(guān)系，提出切合實(shí)際的裝置性能匕。能匕。目前雖然不能從理論上根據(jù)泵段特性作出泵裝置特性，但是如果能知道兩者的大致關(guān)系，對(duì)選型也是有益的。HaHbHc泵裝置HaHbHc泵裝置H-QO圖2泵段特性曲線和泵裝置特性曲線的關(guān)系前面已經(jīng)提到，從泵段特性曲線減去按h=KQ2確定的水力損失，得到泵裝置特性曲線， 往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果，但是為了說明兩者的大致關(guān)系，我們還是假定圖2中HQ曲線是 模型泵的揚(yáng)程流量曲線，hA、hB、hC是裝置的阻力曲線。A、B、C是HQ曲線上的

6、三個(gè) 工況點(diǎn)，假設(shè)B為最高效率的工況點(diǎn)。Ha、Hb、Hc是對(duì)應(yīng)泵工況點(diǎn)A、B、C的裝置揚(yáng)程， 對(duì)于實(shí)際泵站則是凈揚(yáng)程，等于吸入液面到排出液面的高度。對(duì)于模型泵裝置而言，是出口 和進(jìn)口水箱的位置水頭和壓力水頭之和。從泵揚(yáng)程曲線各工況點(diǎn)A、B、C上減去各對(duì)應(yīng)點(diǎn) 的水力損失水頭，得到裝置凈揚(yáng)程A、B、C。連接A、B、C點(diǎn)則得泵裝置揚(yáng)程流量曲線。 由此可以得出結(jié)論：模型泵裝置揚(yáng)程曲線位于泵揚(yáng)程曲線左側(cè)，其偏離程度隨著裝置阻力損 失增大而增加，對(duì)既定的裝置又隨流量增加而增加?，F(xiàn)分析模型泵段最高效率點(diǎn)和模型泵裝置最高效率點(diǎn)之間的關(guān)系。B點(diǎn)是泵段的最高效 率工況點(diǎn)，A、C兩點(diǎn)偏離B點(diǎn)。在A點(diǎn)的阻力損失為AA

7、，B點(diǎn)的阻力損失為BB，AA 小于BB。如果泵段在A點(diǎn)的效率和B點(diǎn)相等，則A點(diǎn)裝置效率比B點(diǎn)高。但是A點(diǎn)的泵 效率比B點(diǎn)低，由此，若A點(diǎn)損失減小使裝置效率提高的幅度大于泵段在A點(diǎn)比B點(diǎn)效率 下降的幅度，則A點(diǎn)裝置效率高于B點(diǎn)，否則B點(diǎn)裝置效率高。一般說來，泵裝置最高效 率點(diǎn)位于泵段最高效率點(diǎn)的左側(cè)，即裝置最高效率點(diǎn)的流量QA小于泵段最高效率點(diǎn)的流量qb。裝置最高效率點(diǎn)的揚(yáng)程ha可能等于、低于或高于泵段最高效率點(diǎn)的揚(yáng)程。綜合試驗(yàn)結(jié)果，給出泵裝置性能盒泵段特性的如下關(guān)系，僅供參考：Q 裝m (0.850.95) Q 泵H 裝m (0.951.1) H 泵n 裝 m n 泵 一(5 10)%2.2、

8、選型的關(guān)鍵問題是確定n、D和nD值n是泵的轉(zhuǎn)速，D是轉(zhuǎn)輪直徑，nD值是表示泵汽蝕性能的重要參數(shù)(1) nD值的確定泵的轉(zhuǎn)速和汽蝕性能有關(guān)，限定nD值就等于限定葉片進(jìn)口外徑處的相對(duì)速度。目前國 內(nèi)模型泵試驗(yàn)時(shí)的nD值為435,這時(shí)的葉片進(jìn)口最大相對(duì)速度已超過20m/s。實(shí)際泵為安 全起見，一般nD值要小于435。對(duì)于應(yīng)急使用，短時(shí)間運(yùn)行的泵站，如排澇泵站，選取較大的nD值尚可接受。但是， 對(duì)于南水北調(diào)這種調(diào)水泵站，要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，應(yīng)盡量避免汽蝕，萬萬不可把轉(zhuǎn)速選高，nD 值應(yīng)控制在400以下，一般nD值取350400。國外設(shè)計(jì)的絕大多數(shù)大型泵的nD值取得較低，而且?guī)缀醵际桥潘谜?。國外設(shè)計(jì)泵站的

9、nD值泵站名稱寶應(yīng)站淮陰三站藺家壩站荷蘭艾莫伊登 泵站新川河口泵 站毛馬排水日本(日立)D (mm)2950314028503940420040004600n (r/min)12512512064.3689082nD值369393342253286360377在nD值確定為某一定值后，有兩種途徑來滿足所需的流量、揚(yáng)程，一是選較大直徑、 較低轉(zhuǎn)速；另一是選較小直徑、較高轉(zhuǎn)速。對(duì)軸流泵來說可能是前者更經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)檩S流 泵的揚(yáng)程基本和外徑無關(guān)，同是直徑300mm的轉(zhuǎn)輪，在相同轉(zhuǎn)速下，要實(shí)現(xiàn)不同的揚(yáng)程是 通過不同葉片幾何參數(shù)組合來達(dá)到的。而泵的流量和轉(zhuǎn)速一次方、直徑的三次方成比例，也 就是說降低轉(zhuǎn)速

10、造成的流量減小可以用增加直徑來補(bǔ)償，由降低轉(zhuǎn)速造成的揚(yáng)程下降可以通 過選用較低比轉(zhuǎn)數(shù)模型來滿足。國外多用較低的比轉(zhuǎn)數(shù)模型滿足低揚(yáng)程應(yīng)用，其原因可能也 就在于此。低比轉(zhuǎn)數(shù)模型在較低的揚(yáng)程下應(yīng)用，在很大程度上克服了高比轉(zhuǎn)數(shù)模型高效范圍 相對(duì)較小、抗汽蝕性能相對(duì)較差的缺點(diǎn)。低速大直徑方案，可以提高泵裝置效率，尤其對(duì)于 低揚(yáng)程泵站，因減小流速從而減小水力損失，效果非常明顯。葉輪直徑增大，稍許增大了泵 的徑向尺寸，但是，由于轉(zhuǎn)速降低，從而使泵的汽蝕余量減小，可以使泵站的挖深減小。因此，采用低轉(zhuǎn)速大直徑方案滿足低揚(yáng)程需要，也就是用較高揚(yáng)程模型在低揚(yáng)程下使用 是一種可用的選型途徑。南水北調(diào)工程已建泵站的nD

11、值如下表所示，除國外選型的寶應(yīng)站、淮陰三站、藺家壩 站之外，國內(nèi)選型的nD值大多偏高。南水北調(diào)工程已建泵站的nD值（國內(nèi)設(shè)計(jì)）泵站名稱萬年閘站臺(tái)兒莊站劉山站江都四站江都三站解臺(tái)站淮安四站D (mm)3150295029002900200029002900n (r/min)125136.4150150214.3150150nD值3944024354354294354352.3、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑的計(jì)算因?yàn)閚D值已經(jīng)選定（假定其值為K），因此，選型計(jì)算只需確定n或者D中的任意一 個(gè)。依據(jù)流量相似公式:Q _ n ( D )3 _ nDD l2- KD FQMnMDM JnMDMD J M /n D:D

12、 J M y式中，帶下標(biāo)M的為模型泵，不帶下標(biāo)的為實(shí)型泵。根據(jù)上式則有：D = D nM dm Qm KQ* M依據(jù)選定nD值，可以反算出n。一般來說，n不可以任意選取，必須符合電機(jī)轉(zhuǎn)速， 有時(shí)還要結(jié)合減速機(jī)的減速比。常用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：異步電機(jī)2900、1450、980、740、590、490、（420）、370、295，更大電機(jī)一般為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)速為 375、300、250、214.3、 187.5、166.7、150、136.4、125、115.4、107.2、100、93.8、88.2。2.4、根據(jù)泵站的實(shí)際情況合理確定淹沒深度nD值是從泵本身考慮，限制葉輪進(jìn)口外緣流速，防止汽蝕發(fā)生。

13、淹沒深度hg是從泵站 裝置考慮，防止在葉輪進(jìn)口處發(fā)生汽蝕和吸入旋渦。即使有足夠的淹深，如果nD值過大， 也不能完全避免在葉輪外緣處發(fā)生間隙汽蝕。淹沒深度確定方法如下：由模型試驗(yàn)提供的汽蝕余量NPSHr或汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C （如果未得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可 選取C=9001000進(jìn)行計(jì)算），考慮汽蝕安全余量，確定許用汽蝕余量NPSH。建議汽蝕安全余量系數(shù)K的范圍為K=1.31.5，并滿足有1m的余量。由此，NPSH=KNPSHr，且】NPSH NPSHr+1mo淹沒深度七按下式計(jì)算：h =NPSH j + + h式中： 泵站現(xiàn)場(chǎng)大氣壓水頭，m,與所處地點(diǎn)有關(guān);Pgp ,.，一.一，、，抽送水的氣化壓力水

14、頭，m，與溫度、介質(zhì)有關(guān);Pghc從吸入水面到泵進(jìn)口（轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處）的損失水頭，m，與進(jìn)水條件有關(guān);南水北調(diào)工程已建泵站的h及K值統(tǒng)計(jì)g泵站名稱萬年閘站臺(tái)兒莊站劉山站江都四站江都三站解臺(tái)站淮安四站寶應(yīng)站淮陰三站藺家壩站轉(zhuǎn)速 n(r/min)125136.4150150214.3150150125125120淹沒深度（計(jì)算）h （m）-0.220.982.452.051.392.452.930.170.17-2g淹沒深度（使用）h （m）3333333333.7主泵形式立式軸流立式軸流立式軸流立式軸流立式軸流立式軸流立式軸流立式混流貫流貫流使用模型天津20號(hào)天津19號(hào)天津6號(hào)天津2號(hào)TJ05ZL0

15、1天津12號(hào)天津15號(hào)日立艾荷日立注：表中計(jì)算淹沒深度時(shí)，統(tǒng)一按汽蝕比轉(zhuǎn)速C=900計(jì)算，汽蝕安全余量系數(shù)K=1.35計(jì)算，吸入損失hc=0.2m計(jì)算。可見n對(duì)hg的影響很大。2.5、模型泵效率的換算關(guān)于模型泵與實(shí)型泵之間的效率換算，已有多種公式，換算結(jié)果均有一定的近似性。有很多場(chǎng)合，要將帶有進(jìn)出水流道的模型泵裝置性能換算成實(shí)型泵裝置性能，因?yàn)檠b置 的幾何形狀、內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)等和泵本身有所不同、其近似程度進(jìn)一步增加?？紤]換算公式有近似性，目前關(guān)于模型到實(shí)型的效率換算有兩種做法：（1）雙方協(xié)定效 率修正值，如實(shí)型泵裝置效率等于模型泵裝置效率，或協(xié)定增加幾個(gè)百分點(diǎn)；（2）協(xié)定換算 公式。目前常用公

16、式有：（下標(biāo)P表示實(shí)型泵，M表示模型泵）莫迪（Moody）公式：公式中使用五次方根的比值，是根據(jù)當(dāng)時(shí)制造水平和模型試驗(yàn)水平用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)歸納分析 而來的，直徑比值的冪值并無理論依據(jù)（也曾經(jīng)提出過四次或六次方根的計(jì)算方法）。阿柯瑞（Ackeret）公式iReIM5 Re I P /iReIM5 Re I P /1 -np =(1 -nm ) 0.5 + 0.5 5i此式假定了模型的水力損失中一半為旋渦損失，不作修正，另一半為摩擦損失，用雷諾 數(shù)的五次方根來換算，使用雷諾數(shù)來代替直徑比值，體現(xiàn)了對(duì)水頭效應(yīng)的考慮。后來胡頓 （Hutton）建議對(duì)軸流式水輪機(jī)兩類損失的分配由各0.5改為旋渦損失0.3和摩

17、擦損失0.7。經(jīng)過很多研究者的不斷改進(jìn)，從上世紀(jì)70年代開始廣泛應(yīng)用下面的換算公式，適用于 混流式和軸流式兩種形式的水輪機(jī)：1 -n 廣（1-n M）*+ 5 D 10 hmL1 p 1 P -1系數(shù)代替全部水力損失中摩擦損失所占的比重，對(duì)于混流式和軸流式水輪機(jī)以及同一 機(jī)型在不同工況下，值都是變動(dòng)的。所以，至今以來許多研究者用理論分析或統(tǒng)計(jì)方法都 在探討值的大小和分布方式。日本的井田富夫?qū)λC(jī)械，包括水泵、水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)的水力損失進(jìn)行了系統(tǒng)研 究，提出對(duì)常規(guī)水泵的值為0.60.75。日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8327中建議用下式換算:1 -n 1 -n P= IM )G - V )+ 1.0

18、7 VA-0.18J其中，2-2-0.84 + 0.84V =1.4N-1 - 0.07式中，QMo模型效率最高時(shí)的流量;n-QN 日本用比轉(zhuǎn)數(shù)N 二 (Q： m3/min)Ss H 3 43.65Qn$中國用比轉(zhuǎn)數(shù)，n =h(Q： m3/min)N = 2.12n ss上式與胡頓公式具有相同意義，前項(xiàng)是渦流損失，后項(xiàng)是摩擦損失的換算。IEC995是IEC基于已有研究成果最新公布的關(guān)于模型到實(shí)型進(jìn)行效率比尺放大的標(biāo)準(zhǔn)，目前已在國際模型驗(yàn)收試驗(yàn)中得到應(yīng)用。門 h=8 ref(Reu,ref門 h=8 ref(Reu,refI ReXu ,M、0.167(Re、0.16u ,refReu, P5r

19、ef/ 5ref/ Re )u ,refReu ,opt, M /1 一門h ,opt, M0.161 一 y+refyref式中：nhp式中：nhp原型水泵計(jì)算水力效率，門h, M模型水泵計(jì)算水力效率，DuReu%;%；Re=7X106；u ,r e fRe 每一試驗(yàn)點(diǎn)的模型雷諾數(shù);u, MRe up 每一試驗(yàn)點(diǎn)的原型雷諾數(shù)；5 對(duì)應(yīng)于Re的相對(duì)可換算損失；refu ,refn hoptM 模型水泵最優(yōu)水力效率，；Re u op m 模型最優(yōu)效率n h頃M點(diǎn)處的雷諾數(shù);Vref對(duì)應(yīng)于Reu ref的損失分布系數(shù)，對(duì)水泵匕ef =0.6；D 葉輪名義直徑，m；u 葉輪名義直徑處的圓周速度，m/

20、s。注：對(duì)每一葉輪轉(zhuǎn)角，5凹為常數(shù)。如果模型試驗(yàn)是在保證效率范圍內(nèi)等轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，而且水溫也是常溫，則可以認(rèn)為Re 為常數(shù)。u, M可根據(jù)原型泵參數(shù)，將Re up取為常數(shù)。當(dāng)Re u m和Re up為常數(shù)時(shí)，對(duì)每以葉片轉(zhuǎn)角，5 h為常數(shù)。具體計(jì)算可按IEC 995 （1991）中6.3執(zhí)行。3、低揚(yáng)程水泵選型軟件軟件界面如下圖3.1、特點(diǎn)a）快速對(duì)不同的n、D和不同模型的組合進(jìn)行選型，確定最優(yōu)方案。b）功能強(qiáng)大，確定實(shí)泵的n、D、n NPSH、hg，自動(dòng)生成實(shí)泵的泵段特性曲線、泵裝 置特性曲線（包括數(shù)據(jù)表）c）操作簡(jiǎn)單，只要輸入Q、H，從下拉框中選擇模型（泵段或泵裝置），即可進(jìn)行計(jì)算 和選型。3.2、模型資料本軟件的數(shù)據(jù)庫中存入了模型泵段和模型泵裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體為：天津同臺(tái)測(cè)試泵 段8種，其中1種為雙向泵；混流泵段4種；軸流泵裝置4種（萬年閘、臺(tái)兒莊、劉山、江 都四站）；混流泵裝置3種（青草沙、江都四站、五家子）。1）輸入單泵Q、日，自動(dòng)推薦n、D,人工給定n、D,選擇模型，確定計(jì)算。軟件界面中顯示：比轉(zhuǎn)數(shù)、nD值、模型葉輪直徑D、汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C （默認(rèn)900，或根 據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果給定）、模型泵換算為實(shí)型泵的流量比例系數(shù)七、揚(yáng)程比例系數(shù)入H、效率修 正值A(chǔ)n、模型最