离心泵设计实习报告

实习期技术报告

天津市普友机电设备制造有限公司技质部水泵设计师李永超

2013年1月

目录

(一)公司简介，产品分类、运用、条件

(二)转速的确定和绘制

(三)叶轮设计程序

(四)导叶设计

(五)叶片的厚度和夹角

(六)叶片进出口安放角的选择

(七)叶片切割

(八)汽蚀问题

(九)轴向力平衡方法

(十)水锤

(十一)进出流道的设计

(十二)取证资料

(十三)柴油机消防泵总结

QHBC：Q≤2500立方米/时 QWW：Q≤2500立方米/时 QSB：Q≤15000立方米/时 QHBX：H≤250m H≤500m H≤50m 潜没深度≤70m

潜没深度≤70m 潜没深度≤150m

电机功率≤5600kw 电机功率≤2000kw

叶片泵：

1.可靠性才是最重要的，评比时用效率

2.设计叶片泵考虑：效率、性能曲线形状和空化

3.性能曲线：

扬程-流量（H-Q）

轴功率-流量（P a-Q）

效率-流量（η-Q）

?=0.02～0.3

叶轮出口宽度比：b2D2

叶片出口安放角：β2=10°～50°

叶片数：Z=2～12

?=0.08～0.3

叶轮轴面流道转弯半径：R T D2

?=0.1～1.5

叶轮进、出口面积比：A0A2

?=0～0.7

叶轮进口轮毂比： r=D h D0

中间轴面流线相对水泵轴中心线的夹角：θ=0°～90°中间流线叶片进口边角位置：θ

=0～θ

x

叶片空化系数：σb=0.08～0.15

（二）、转速的确定与绘制

1.泵转速的确定

考虑因素：1）.泵的转速越高，泵的体积越小，重量轻

2）.转速和比转速有关，而比转速和效率有关，所以转速和比转速结合起来确定

3）.考虑原动机的种类和传动装置

工作转速小于第一临界转速（n＜n c）的轴，称为刚性轴，n≤0.8n c

工作转速大于第一临界转速（n＞n c）的轴，称为柔性轴，1.3n c≤n≤0.7n c2（n c2为第二临界转速）

，H—对于多级泵，取单级扬程。同一台泵在不同工况下具2.比转速n s=3.65n√Q

H34?

有不同的n s值，作为相似准则的n s是指最高效率点工况下的值。

确定比转速：n s=120～210的区域，水泵的效率最高，n s﹤60的泵效率显著下降。比转速和泵的级数有关，级数越多，n s越大。卧式泵一般不超过10级，立式深井泵级数多达几十至几百级。

3.低比转速泵：高扬程小流量，零流量时轴功率小，应关阀启动；高比转速:低扬程大流量，零流量时轴功率大，应开阀启动。

（三）、叶轮设计程序

（四）、导叶设计

1.空间导叶设计的原则

1）.叶片间流道断面的湿周应尽量的小，因而最好是圆形或方形。

2）.流道形状变化平滑。

3）.各部位的角度应符合流动规律。

4）.各种速度变化应均匀。

5）.控制喉部流速为一定的值。

6）.控制流道的扩散角为一定得值。

2.确定轴面投影：空间导叶适应的比转速范围广，因而轴面投影形状的差别很大，最好选n s相近、性能良好的现有产品的图形作参考。

和叶轮出口及下级叶轮进口通顺衔接。

叶轮进口部分应有把叶轮出口液流收集起来，导入轴向的趋势。

3）.合理确定导叶进口变的形状。

3.进口变离叶片出口边稍远些，导叶出口边一般是外流线向出口倾斜，可减小压力脉冲。

1）.导叶内流线进口直径大致等于或稍大于叶轮后盖板出口直径。

2）.导叶外流线进口直径稍大于叶轮出口轮毂直径。

3）.导叶轴向长度L=（0.5～0.7）D2.

4）.导叶叶片数一般不要和叶轮叶片数互成倍数关系。

5）.导叶叶片包角φ=60°～95°。

6）.导叶进口边离叶轮出口边的距离稍远些好，一般为（0.4～0.5）b2。

4.检查轴面液流过水断面的变化情况。

5.分流线：小泵不分中间流线，用两条流线设计；中等泵只分一条流线，按三条流线设计；大泵用五条流线设计。分流线与叶轮设计相同。

6.确定导叶进出口安放角：

；②、导叶进口角α3: α3= 1）.进口安放角α3：①、进口液流角：tanα，3=υm3

υ

u3

α，3+Δα。（Δα=0°～8°）。开始计算时，叶片进口角α3是未知的，可假定φ3计算α3，最后确定的φ3和α3应与假定的值相等，否则从新计算，达到相等或相近为止，实际上进口角相差5°之内。

2）.导叶出口角α4.考虑有限叶片数影响应大于90°，以保证液流法向出口。一般取α4=90°，如果要求下降的特性曲线，可取α4=80°～90°之间的值。

3）.旋转方向的判定

①从导叶进口（后侧）看，看到的是叶片凹面（工作面），工作面hi迎水面；从导叶进口看。看到的是叶片凸面（背面）。

②水流从进口流向出口。

③水流的方向和叶轮旋转方向相同。

出口方向看水流是顺时针方向旋转，即从进口看叶轮是叶轮是逆时针方向旋转；如果把凹面置于平面图左侧，叶轮旋转方向则变为相反。

（五）、叶片厚度和夹角

1.角度之间的关系：

tanφ=tanβ?sinλφ：垂直叶片的面积与叶片的交线和圆周方向的夹角

cotγ=cotλ?cosββ：叶片安放角（叶片与流面的交线和圆周方向的夹角）tanβ

=tanβ?cosδλ：轴面流线（轴面和流面的交线）和轴面截面线（叶平

片和轴面的交线）

λ：叶片的流面（盖板表面）间的真实夹角，也就是垂直叶片和流面的面与两者交线间的夹角

β

：在平面投影图上流线和圆周方向的夹角

平

δ：在轴面投影图中的流线切线和垂直于叶轮线的平面间的夹角。

变化很好，因δ变化的影如果前、后盖板流线与轴线倾斜，尽管在平面图上β

平

响、β的变化并非很好。叶片进口部分δ角大，然后逐渐变小，所以进口部分β变大，且变化不均匀，因此，对盖板是倾斜的叶轮，即使是圆柱形叶片，也采用画扭曲叶片的方法绘型，否则会要产生误会。

2.求叶片表面和流面的真实夹角

一般希望叶片表面与盖板（流面）的夹角接近90°，以满足大壁角的原则。

2.叶片厚度

叶片工作面和背面间距离AC为流面厚度-s；流面上叶片在圆周方向长度AB为圆周厚度-s u；流面上叶片沿轴面流线方向的长度AD为轴面厚度-s m。圆周厚度在流面，流面展开图开面、平面投影上其值相等。

s u=s

sinβ

s m=

s cosβ

s r=s m sinε

流面厚度直接反应对流动的影响。在考虑最小铸造允许厚度、强度时，采用真实厚度—δ

s u=δ

sin φ

φ—垂直叶片的面和叶片交线与圆周方向的夹角

s′m=δ

cosφ

为了得到真实厚度和流面厚度的关系，用一与叶片和盖板交线相垂直的面去截叶片，并将其局部展开。

叶片厚度＞2mm

（六）、叶片进出口安放角的选择

1.叶片进口角和进口速度三角形

叶片进口角一般大于液流角：β1＞β′1,。正冲角△β=β1?β′1，冲角范围：△β=3°～15°。采用正冲角能提高抗汽蚀性能，并且对效率影响不大

1）.采用正冲角，能增大叶片进口角，减小叶片的弯曲，从而增加叶片进口过流面积，减小叶片的排挤，结果减小叶片进口的v1和w1。

2）.采用正冲角，在设计流量下，液体在叶片进口背面产生脱硫。

3）.采用正冲角，能改善在大流量下的工作条件。

2.叶片进口角的计算

在计算叶片进口角之前，应先画出叶片进口边，画进口边的原则：

1）.进口边和前后盖板流线大致成90°（叶片进口边不放在同一轴面上除外）

2）.前后盖板流线长度不要相差很大

3）.进口边适当向吸入口延伸，是液体提早受到叶片作用，减小叶轮外径，减小圆盘摩擦损失；增加叶片的重叠程度，减少流道的扩散；减小叶片进口的相对速度，减小进口的撞击损失，提高抗汽蚀性能减小特性曲线的驼峰。

加稍大的冲角为好，冲角的加法：

1）.各流线加相同的冲角；2）.冲角从前盖板流线到后盖板流线递减或递增；3）.选择一条流线的冲角，确定β角之后，其他流线按tanβR=常熟确定。

2.叶片出口角的选择和计算

叶片出口角β2，对泵的性能参数、水利效率和特性曲线的形状有重要影响，β2=18°～40°。考虑因素有：

1）.低比转速泵，选择大的β2角，增加扬程，减小D2，以减小圆盘摩擦损失、提高泵的效率；

2）.增大β2角，在相同流量下叶轮出口速度v2增加，压水管的水力损失增加，并且在小流量下冲击损失增加，容易使特性曲线驼峰。为获得下降的曲线，不宜选

过大的β2角；

3）. β2大，叶片间相对流动扩散严重。

4）.为获得平坦的功率曲线，时泵在全扬程范围运行，β2可小于10°。

叶轮出口边平行轴线的叶轮，叶轮出口各流线选用相同的出口角，叶轮出口边倾斜时，为使叶轮出口的扬程相同，β2角从大直径向小直径递增，而且通常按自由漩涡理论进行计算。

（七）、叶轮、叶片切割 1.叶轮的切割 1）.切割定律：相似定律—低比转速离心泵：

2）.混流式叶轮：混流泵n s 大，D j D 2?变大，切割后的比值D j D 2?更大。因切割后Q ，υm1减小，要保证有高效率，β＇1

不应改变，于是，进口速度三角形中的υu1

增加，将减小泵的扬程。

3）.混流泵一般只许少量切割（小于5%），切割方式一般与出口平行或倾斜（外缘切割多，轮毂侧少切或不切），公式中的直径应该为平均直径。叶轮应分为2次或几次逐渐切割，每次切割必须进行实验。切割后，一般的效率下降，但有的低比转速泵切割后比转速增加，所以效率有可能提高，切割不大时，可以认为效率相等，随着切割量增加，效率将下降，尤其是高比转速更为严重。要想有最高

的效率，不一定同时满足要求的H＇，Q＇值。

4）.切割公式：

2. 修削叶片的进、出口对碰性能的影响

1）.修削叶片出口部分工作面、叶片出口部分背面

①最高效率少有提高；②在相同流量下υ

m2减小，υ

u2

增加，因而泵的扬程提高

（约2%～5%）；③在相同的扬程υ

u2

下，泵的流量增加（约5%）；④修锉叶片进口背面，只改善叶片进口局部的形状，对性能影响不大。

2）.性能改善的原因：①曾大了叶片出口角和相邻叶片间出口的开口面积；②由于叶片出口部分背面角度增加，改善了因有限叶片数造成的流动偏离和速度分布不均匀性。

3）.叶片泵H-Q 性能曲线的调整 ①降低H-Q 性能曲线

平行于原来出口边的切割，一般会引起H-Q 性能曲线平行下移，BEP 朝小于名义流量方向移动；效率也可能略有降低，降低程度决定于切割量和比转速。效率降低过多将限制这种方法的采用。

n s =60～120 D x D 2?允许为80%～85% n s =120～200 D x D 2?允许为85%～90% n s =200～300 D x D 2?应小于90%

②提高H-Q 性能曲线

A.锉削叶片出口背面，扩大出口面积，也改 变叶片出口背面的角度，增高了输出扬程。

B.过渡锉削，叶片出口形成尖削，沿叶片的

压力分布改变将引起其他水力损失，增大液流进入蜗壳或导叶的撞击混合损失，限制扬程升高。最大扬程增值4%～10%（决定于比转速） C.将叶片尾部插销成正方形，性能将产生：

a.在所有流量下的扬程都升高，大流量处扬程升高更多，扬程可增加4%～10%，扬程提高量决定于比转速的叶片数。

b.相应的轴功率消耗也增大，大流量处轴功率增大较多。

c.BEP 的位置朝大流量方向移动，移动大小决定于原来叶片出口的厚度、

叶片数、

A

叶片出口角和比转速，一般约8%～10%。效率维持不变，获奖降低0.5%～1.0%。 d.NPSH r 曲线也略微朝大流量方向移动，效应原因：叶片尾部改成方形后，改变了液体出口流动角，产生了横向流动。尽管叶片出口角面积保持不变，但液体流动产生便宜，尾流的影响明显减小。性能变化：扬程最大可上升到8%～12%，由于改变养成系数，在小流量区容易加剧流动的不稳定性和NPSH r 的增大。

③改变H-Q 性能曲线

有事希望有较平坦的H-Q 性能曲线，或大流量区扬程不要降低很大；有事希望扬程变化时，流量变化较小。使H-Q 性能曲线平坦的方法：

a. 加大蜗壳喉部面积；

b.增大叶轮进口面积；

c.同时加大蜗壳喉部面积和增大叶轮进口面积。--都可减小泵内水力损失。对于低比转速离心泵，将增高比转速，提高效率。 低比转速叶片泵，采用切割叶片进口边，或者锉削进口边背面，以减小叶片厚度，增大叶轮进口面积，而负荷较大时：

使H-Q 性能曲线变陡，常采用缩窄流道牺牲效率的方法。措施：在出口法兰处插入一个喷嘴或者在吸口处增加一个阻塞环，都使损失增大效率降低，后者还将引起NPSH r 的增大。切削叶片出口正面，有略微增大斜率，效率也不会降低太多，特别是低比转速泵，可能效果较好。

B

C

D

减小消除H-Q性能曲线的不稳定部分：当不稳定性很强（超过5%）或伸展在较宽的流量范围时，设计者必须设法区消除它；一般不是很强（不超过4%），对叶轮或蜗壳作简单修改，可能消除这种不稳定性。措施;

a.每隔一个叶片进行切割，在叶片数

较多且为偶数时采用，切割后的性能

曲线也有略变陡将。

b.切割蜗壳隔舌，最适合切割径向导

叶，将增大无叶扩散室的环流，增大

损失。

c.倾斜切割后盖板和叶片出口，消除叶

轮出口的回流区，减小水动力损失。靠

近小流量区扬程升高，由于切割后叶轮

平均直径减小，扬程降低，因此切割角

不应超过12°。

d.沿叶轮后盖板在叶片出口开缝，等同于斜切叶轮出口，这种方法可能不会影响效率。

e.在蜗壳隔舌或径向导叶上开槽，在大

流量时很小或没有扬程降低，而关死点

扬程适当提高。

f.在叶轮前冠附近切割叶片进口，在符合

较高时，不宜采用。

g.在叶轮轮毂附近延伸叶片进口，能消除H-Q性能曲线不稳定部分。但是已加工的叶轮，若采用焊接延伸叶片将难以保证轴对称，厚度不均匀对进口产生阻塞，降低效率，增大NPSH r。计算叶片延伸长度，根据关死点需要扬程的增大量计算叶片负荷。

4）.移动BEP在H-Q性能曲线上的位置，改善叶片泵的效率

将叶轮尾部插销成正方形，BEP朝大流量移动；整体叶轮切割外径，BEP朝小流量方向移动。尽可能达到既改善性能又提高效率。对于低比转速，泄露损失和轮盘损失占总损失的40%～60%，因此对于低比转速泵，改变密封环密封间隙、减小叶轮直径和提高叶轮前冠及后盖板外表的光洁度，提高效率。

（八）、泵的汽蚀

1.泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置据定的。

泵汽蚀的发生过程：泵在运行中，若过流部分的局部区域，液体的绝对压力下降到所抽送液体当时温度下的气化压力时，液体便在该处开始汽化，形成气泡。这些气泡随液流向前运动至高压区时，气泡周围的高压液体使气泡急剧地缩小以致凝结，在气泡消失的同时，液体质点以高速填充空穴，发生互相撞击而形成强烈的水击，同时在气泡凝结时还产生点解、化学反应，故使过流部件收到剥蚀而损坏。

现象：1）.产生噪声和振动2）.泵的性能下降3）.过流部件的汽蚀损坏

P k=P r，NPSH a=NPSH r，泵汽蚀

P k

P k>P r，NPSH a>NPSH r，泵无汽蚀

NPSH a有效汽蚀NPSH r必须汽蚀

对抗汽蚀性能高的泵

C=1000～1600，k0=4.5～5.5

对兼顾效率和抗汽蚀性能

C=800～1000，k0=4.0～4.5

对抗汽蚀性能不作需求主要考虑提高效率

C=600～800，k0=3.5～4.0

2.泵的汽蚀余量的物理意义表示液体在泵进口部分压力下降的程度。汽蚀余量与

装备无关，只与泵进口部分的运动参数（ν

0，ω

，ω

k

）有关。NPSH r越小，

表示压力降小，要求装置必须提供的NPSH a小，因而泵的抗汽蚀性能越好。

3.汽蚀比转速：C =

5.62?n?Q 12?（NPSH ）

34

?

泵流量和汽蚀比转速关系

4.提高泵抗汽蚀性能

1）.叶轮进口直径D ：增大D ，则u 0增大、ν0减小，必然存在一个D ，使二者平方和最小，求的D 。D 0=k 0√Q

n 3

2）.叶轮叶片进口宽度：增大叶片进口宽度b 1，能增加进口过流面积，减小ν0和ω0，从而减小NPSH r 。

3）.叶轮盖板进口部分曲率半径：适当增大盖板的曲率半径，有利于减小盖板处的ν

和改善流苏的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而减小NPSH r，提高泵的抗汽蚀性能。

4）.叶片进口边的位置和叶片进口部分的形状

叶片进口轮毂侧向吸入口方向延伸或叶片进口边前伸并倾斜。

5）.叶片进口冲角

叶片进口角，通常都大于进口相对液流角，即β1>β，1，正冲角△β=β1-β，。正冲角通常△β=3°～10°，个别情况大到15°。采取正冲角能提高抗汽蚀性能，而且对效率影响不大。

①增大叶片进口角β1，从而减小叶片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减小叶片

的排挤，都将会减小ν

0和ω

，提高泵的抗汽蚀性能。

②采用正冲角，液体在叶片口背面产生脱流，该脱流引起的漩涡不易向高压侧扩散。在正冲角时，压降系数λ在很大正冲角范围内变化不大；在负冲角，λ急剧上升。

③泵的流量增加时，β，增大，采用正冲角可以避免泵在大流量运转时出现负冲角。

6）.叶片进口厚度：叶片进口厚度越薄，越接近流线型，叶片最大厚度离进口越远，叶片进口的压降越小，泵的抗汽蚀性能越好。叶片进口形状对压降影响是十分敏感的。

7）.平衡孔：泄流对进入叶轮的主流起破坏作用，平衡孔的面积不小于密封间隙面积的5倍，以减小泄露流速，从而减小对主流的影响，提高泵抗汽蚀性能8）.光滑度：叶轮进口部分越光滑，水力损失减小，会明显提高泵的抗汽蚀性能。9）.吸入室的形状和速度：泵吸入六道至叶轮进口面积应当逐渐减小，使流速逐

渐增加，提高流动的稳定性，可以降低汽蚀的形成。

5.防止发生汽蚀的措施：欲防止发生汽蚀必须提高NPSH a，使NPSH a>NPSH r

6.泵的运行工况点：Q G为规定工况点的流量值，一般情况0.7Q G～1.2Q G为最佳范围。离心泵应该在关闭出口阀时启动，因为这是启动功率最小。轴流泵应在开阀启动，这时启动功率小，容易启动。