軸流泵選型的探討

1、根據模型泵段或模型泵裝置特性進行低揚程泵的選型關醒凡（江蘇大學）董志豪（上海凱泉泵業(yè)集團有限公司）商明華（上海江天水泵技術研究所）摘要：低揚程水泵的泵段特性和帶進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確定泵工況點，往往得出錯誤的結果。本文分析泵段特性和泵裝置特 性差別的一般規(guī)律，提出根據模型泵段特性選型和根據模型泵裝置特性選型兩種方法。泵選 型的關鍵在于確定轉速n，計算直徑D和nD值，取較小的nD值，用高揚程模型在低揚程 下使用是值得推薦的選型方法。介紹了選型軟件的特點、用法。1、軸流泵的有效運行范圍受諸多方面限制軸流泵有效運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，泵應避開在此區(qū)段運行。（2）高效區(qū)較窄，偏離最高效率點，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）在小流量側運行，偏離最高效率點不遠時，就會出現明顯的噪聲，在到達馬鞍形 右側最高揚程時，噪聲和振動已非常明顯，泵必須離開此處一段距離運行。為進一步說明，把軸流泵揚程流量曲線按關死點（A）、馬鞍形底部（B）、可運行點（C）、 最高效率點（D）、零揚程點（E）分段，如圖1所示。綜合模型試驗結果在表1中列出了各 特征點的數值。表1軸流泵運轉特性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軸流泵運行特性分析可運行的最高揚程Hc是個關鍵參數。對虹吸出口泵站而言，水流通過虹吸管最高點所 需的揚程應小于此揚程；對于水位變化較大的泵站，水位變化時所需的最高揚程也應小于此 揚程。綜上所述，泵的有效運行范圍為：揚程H： (0.701.30) Hd；流量Q： (0.751.3) Qd。 2、低揚程泵的選型大型軸流泵，流量大、

4、揚程低，直接設計性能難以保證，一般要選擇模型進行相似換算， 首先會遇到選型問題。進行選型，一是要有優(yōu)秀的、數據可靠的模型，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就是工 況點。K值對于一個具體的泵裝置應當是常數。但是模型軸流泵裝置試驗表明，對軸流泵裝 置而言，并無一個確定的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 這種方法對軸流泵是行不通的。這表明低揚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，進出水流道的各種局部水力損失，以及對葉輪進出口流態(tài)的影響，都對裝置 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中，首先根據裝置情況選泵，選了泵之后，認為有必要則進行模型泵裝 置試驗。為達到選泵合理，應了解泵段性能和裝置性能之間的關系，提出切合實際的裝置性能匕。能匕。目前雖然不能從理論上根據泵段特性作出泵裝置特性，但是如果能知道兩者的大致關系，對選型也是有益的。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系前面已經提到，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， 往往會得出錯誤的結果，但是為了說明兩者的大致關系，我們還是假定圖2中HQ曲線是 模型泵的揚程流量曲線，hA、hB、hC是裝置的阻力曲線。A、B、C是HQ曲線上的

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

7、，B點的阻力損失為BB，AA 小于BB。如果泵段在A點的效率和B點相等，則A點裝置效率比B點高。但是A點的泵 效率比B點低，由此，若A點損失減小使裝置效率提高的幅度大于泵段在A點比B點效率 下降的幅度，則A點裝置效率高于B點，否則B點裝置效率高。一般說來，泵裝置最高效 率點位于泵段最高效率點的左側，即裝置最高效率點的流量QA小于泵段最高效率點的流量qb。裝置最高效率點的揚程ha可能等于、低于或高于泵段最高效率點的揚程。綜合試驗結果，給出泵裝置性能盒泵段特性的如下關系，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、選型的關鍵問題是確定n、D和nD值n是泵的轉速，D是轉輪直徑，nD值是表示泵汽蝕性能的重要參數(1) nD值的確定泵的轉速和汽蝕性能有關，限定nD值就等于限定葉片進口外徑處的相對速度。目前國 內模型泵試驗時的nD值為435,這時的葉片進口最大相對速度已超過20m/s。實際泵為安 全起見，一般nD值要小于435。對于應急使用，短時間運行的泵站，如排澇泵站，選取較大的nD值尚可接受。但是， 對于南水北調這種調水泵站，要長期連續(xù)運行，應盡量避免汽蝕，萬萬不可把轉速選高，nD 值應控制在400以下，一般nD值取350400。國外設計的絕大多數大型泵的nD值取得較低，而且?guī)缀醵际桥潘谜?。國外設計泵站的

9、nD值泵站名稱寶應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、揚程，一是選較大直徑、 較低轉速；另一是選較小直徑、較高轉速。對軸流泵來說可能是前者更經濟，這是因為軸流 泵的揚程基本和外徑無關，同是直徑300mm的轉輪，在相同轉速下，要實現不同的揚程是 通過不同葉片幾何參數組合來達到的。而泵的流量和轉速一次方、直徑的三次方成比例，也 就是說降低轉速

10、造成的流量減小可以用增加直徑來補償，由降低轉速造成的揚程下降可以通 過選用較低比轉數模型來滿足。國外多用較低的比轉數模型滿足低揚程應用，其原因可能也 就在于此。低比轉數模型在較低的揚程下應用，在很大程度上克服了高比轉數模型高效范圍 相對較小、抗汽蝕性能相對較差的缺點。低速大直徑方案，可以提高泵裝置效率，尤其對于 低揚程泵站，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，采用低轉速大直徑方案滿足低揚程需要，也就是用較高揚程模型在低揚程下使用 是一種可用的選型途徑。南水北調工程已建泵站的nD

11、值如下表所示，除國外選型的寶應站、淮陰三站、藺家壩 站之外，國內選型的nD值大多偏高。南水北調工程已建泵站的nD值（國內設計）泵站名稱萬年閘站臺兒莊站劉山站江都四站江都三站解臺站淮安四站D (mm)3150295029002900200029002900n (r/min)125136.4150150214.3150150nD值3944024354354294354352.3、轉速、轉輪直徑的計算因為nD值已經選定（假定其值為K），因此，選型計算只需確定n或者D中的任意一 個。依據流量相似公式:Q _ n ( D )3 _ nDD l2- KD FQMnMDM JnMDMD J M /n D:D

12、 J M y式中，帶下標M的為模型泵，不帶下標的為實型泵。根據上式則有：D = D nM dm Qm KQ* M依據選定nD值，可以反算出n。一般來說，n不可以任意選取，必須符合電機轉速， 有時還要結合減速機的減速比。常用電動機的轉速為：異步電機2900、1450、980、740、590、490、（420）、370、295，更大電機一般為同步電機，轉速為 375、300、250、214.3、 187.5、166.7、150、136.4、125、115.4、107.2、100、93.8、88.2。2.4、根據泵站的實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：由模型試驗提供的汽蝕余量NPSHr或汽蝕比轉數C （如果未得到準確的試驗數據，可 選取C=9001000進行計算），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算：h =NPSH j + + h式中： 泵站現場大氣壓水頭，m,與所處地點有關;Pgp ,.，一.一，、，抽送水的氣化壓力水

14、頭，m，與溫度、介質有關;Pghc從吸入水面到泵進口（轉輪進口處）的損失水頭，m，與進水條件有關;南水北調工程已建泵站的h及K值統計g泵站名稱萬年閘站臺兒莊站劉山站江都四站江都三站解臺站淮安四站寶應站淮陰三站藺家壩站轉速 n(r/min)125136.4150150214.3150150125125120淹沒深度（計算）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號天津19號天津6號天津2號TJ05ZL0

15、1天津12號天津15號日立艾荷日立注：表中計算淹沒深度時，統一按汽蝕比轉速C=900計算，汽蝕安全余量系數K=1.35計算，吸入損失hc=0.2m計算?？梢妌對hg的影響很大。2.5、模型泵效率的換算關于模型泵與實型泵之間的效率換算，已有多種公式，換算結果均有一定的近似性。有很多場合，要將帶有進出水流道的模型泵裝置性能換算成實型泵裝置性能，因為裝置 的幾何形狀、內部的流動狀態(tài)等和泵本身有所不同、其近似程度進一步增加?？紤]換算公式有近似性，目前關于模型到實型的效率換算有兩種做法：（1）雙方協定效 率修正值，如實型泵裝置效率等于模型泵裝置效率，或協定增加幾個百分點；（2）協定換算 公式。目前常用公

16、式有：（下標P表示實型泵，M表示模型泵）莫迪（Moody）公式：公式中使用五次方根的比值，是根據當時制造水平和模型試驗水平用統計數據歸納分析 而來的，直徑比值的冪值并無理論依據（也曾經提出過四次或六次方根的計算方法）。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 數的五次方根來換算，使用雷諾數來代替直徑比值，體現了對水頭效應的考慮。后來胡頓 （Hutton）建議對軸流式水輪機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。經過很多研究者的不斷改進，從上世紀70年代開始廣泛應用下面的換算公式，適用于 混流式和軸流式兩種形式的水輪機：1 -n 廣（1-n M）*+ 5 D 10 hmL1 p 1 P -1系數代替全部水力損失中摩擦損失所占的比重，對于混流式和軸流式水輪機以及同一 機型在不同工況下，值都是變動的。所以，至今以來許多研究者用理論分析或統計方法都 在探討值的大小和分布方式。日本的井田富夫對水力機械，包括水泵、水輪機和水泵水輪機的水力損失進行了系統研 究，提出對常規(guī)水泵的值為0.60.75。日本標準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模型效率最高時的流量;n-QN 日本用比轉數N 二 (Q： m3/min)Ss H 3 43.65Qn$中國用比轉數，n =h(Q： m3/min)N = 2.12n ss上式與胡頓公式具有相同意義，前項是渦流損失，后項是摩擦損失的換算。IEC995是IEC基于已有研究成果最新公布的關于模型到實型進行效率比尺放大的標準，目前已在國際模型驗收試驗中得到應用。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原型水泵計算水力效率，門h, M模型水泵計算水力效率，DuReu%;%；Re=7X106；u ,r e fRe 每一試驗點的模型雷諾數;u, MRe up 每一試驗點的原型雷諾數；5 對應于Re的相對可換算損失；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點處的雷諾數;Vref對應于Reu ref的損失分布系數，對水泵匕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：對每一葉輪轉角，5凹為常數。如果模型試驗是在保證效率范圍內等轉速下進行，而且水溫也是常溫，則可以認為Re 為常數。u, M可根據原型泵參數，將Re up取為常數。當Re u m和Re up為常數時，對每以葉片轉角，5 h為常數。具體計算可按IEC 995 （1991）中6.3執(zhí)行。3、低揚程水泵選型軟件軟件界面如下圖3.1、特點a）快速對不同的n、D和不同模型的組合進行選型，確定最優(yōu)方案。b）功能強大，確定實泵的n、D、n NPSH、hg，自動生成實泵的泵段特性曲線、泵裝 置特性曲線（包括數據表）c）操作簡單，只要輸入Q、H，從下拉框中選擇模型（泵段或泵裝置），即可進行計算 和選型。3.2、模型資料本軟件的數據庫中存入了模型泵段和模型泵裝置的試驗數據，具體為：天津同臺測試泵 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，自動推薦n、D,人工給定n、D,選擇模型，確定計算。軟件界面中顯示：比轉數、nD值、模型葉輪直徑D、汽蝕比轉數C （默認900，或根 據模型試驗結果給定）、模型泵換算為實型泵的流量比例系數七、揚程比例系數入H、效率修 正值An、模型最