离心泵优化设计理论与方法分析

摘 要：大型自吸离心泵是一种无需灌水，通过自吸系统将进口管内空气排净，实现快速自吸，从而使离心泵正常工作的水利机械，具有结构紧凑、效率高、运行稳定以及自吸能力强等特点，广泛应用于大面积喷灌供水系统、城市排水以及抗洪抗涝等，应用前景十分广阔。文章首先分析了大型自吸离心泵存在的问题，然后介绍了自吸离心泵结构、参数设计以及工作原理，最后对大型自吸离心泵进行了试验研究。

关键词：离心泵；数值分析；优化设计；文丘里自吸系统

引言

随着我国社会经济的快速发展，我国各行各业对大型自吸离心泵的需求不断增加，大型自吸离心泵应用广泛，在城市给排水、灌溉工程以及工业循环水等方面发挥着重要的作用，所以，研究大型自吸离心泵的设计方法、完善大型自吸离心泵的设计理论，能够有效提高泵的工作效率，对提高自吸离心泵的性能有重要的现实意义。

1 大型自吸离心泵存在的问题

从上世纪60年代开始我国就开始了对大型自吸离心泵的研究，到90年代提出了应用弹性橡胶阀来实现回流孔自动关闭的理论，在此基础上研制出了外混式结构的自吸离心泵，提高了泵的可靠性，这种离心泵得到了广泛的使用。随着时代的发展，对大型自吸离心泵的要求也在不断提高，文章针对大型自吸离心泵的结构、参数以及成本等方面对其进行了广泛的调查，总结出了目前大型自吸离心泵存在的主要问题：（1）自吸结构设计方法有待完善。在国内离心泵生产企业中，大多数还是生产内混式和外混式自吸离心泵，缺乏创新，离心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比较单一。大多数自吸离心泵采用的是上世纪90年代提出的通过弹性橡胶阀压缩来控制回流孔自动关闭从而实现自吸的理论，这种自吸原理虽然得到了广泛的应用，但随着科学技术的进步，这种自吸原理逐渐变得单一、落后；（3）大型自吸离心泵的材料单一。我国生产大型自吸离心泵的主要材料是铸铁，这会导致大型自吸离心泵比较重，也会一定程度上增大工作人员的工作强度。

2 大型自吸离心泵结构及参数设计

2.1 大型自吸离心泵结构设计

大型自吸离心泵通过自吸系统将泵的进口管内空气排净并实现快速自吸，保证了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸离心泵的主要结构由吸入段、泵体、冷却油箱、轴承以及自吸系统等组成，泵与自吸系统采用螺栓连接，密封形式为油冷却，保证泵工作效率和可靠性，大型自吸离心泵的结构如图1所示。

图1 大型自吸离心泵三维结构图

2.2 大型自吸离心泵的设计参数

设计流量为Q=500m3/h，扬程H=45m，泵的转速n=2200r/min，柴油机的功率为P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及装置效率ηm%=65.5%。

2.3 叶轮水利设计

大型自吸离心泵内部水的流动非常复杂，在自吸系统工作时涉及到气液的混合，叶轮是非常重要的过流部分，叶轮的设计关系到泵的流量和抗气蚀性能等，对于大型自吸离心泵的正常工作起着重要的作用。本装置叶轮的结构采用闭式结构，叶轮的设计首先需要确定泵的比转速，比转速可以采用以下公式来计算：

n■=■=188

其次，需要确定泵的进出口直径，泵的进口直径是指进口管法兰处内径，常用泵的进口直径、流速以及流量之间的关系表1所示。

表1

根据图表再加上实际情况选择泵的进口直径为200mm，大型自吸离心泵的出口直径选择与进口直径相同，也为200mm；最后要确定叶轮的主要尺寸，叶轮直径也叫做叶轮颈部直径，本装置使用的是悬臂式叶轮。通过一系列计算可得，叶轮进口直径为200mm，叶轮出口宽度为200mm，叶片包角为120°，进口安放角为25°，出口安放角为30°，叶片厚度为8mm，叶片数为6片。

3 大型自吸离心泵自吸系统工作原理

本大型自吸离心泵采用了文丘里自吸系统，文丘里自吸系统是一种以压缩空气作为动力的排气装置，主要由喷嘴、逆止滤网以及排气装置外壳等组成。文丘里自吸系统的排气装置和进口管采用螺栓连接，中间安装金属滤网，用来过滤固体颗粒，文丘里自吸系统内部没有运动部件，所以不需要设置装置，而且密封性能良好，结构相对简单，系统工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系统通过压缩空气产生射流，这时逆止阀会被打开，射流会不断地卷吸泵体内的空气，然后排出。与此同时，逆止阀会组织外部的气体进入泵体内部，经过这样的反复排气会使泵体产生真空，这时水流进入叶轮，水流的作用力会将逆止阀关闭，这时离心泵开始了正常工作，实现了大型离心泵的自吸功能。

4 大型自吸离心泵试验研究

按照上述设计，在产品质量检测水泵试验台上进行检测，并按照国家标准GB/T3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》进行实验。预测性能曲线与实验性能曲线重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及计算方法等都会对计算结果产生一定的影响，所以实验结果产生的误差在可以接受的范围之内。同时对大型自吸离心泵自吸性能进行实验，按照相关标准，当自吸离心泵自吸高度达到5米时，自吸时间应小于120s，本装置进行自吸实验时，自吸高度达到5米时自吸时间为75s，远远高于国家标准，通过实验可以得出，大型自吸离心泵的性能参数满足设计要求。

5 结束语

综上所述，文章对离心泵优化设计理论与方法进行了分析，介绍了泵的结构、自吸系统以及叶轮等的设计，通过对大型自吸离心泵试验研究可以得出其性能参数满足设计要求，甚至一些参数远远超过了国家相关标准。对大型自吸离心泵进行研究，提高了泵的工作效率和性能，对促进我国社会经济发展具有重要的现实意义。

参考文献

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