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【摘要】 针对化工行业中所用的强制循环泵因没有导叶而产生的问题，从理论上提出利用有导叶泵模型资料进行选型设计时参数确定的办法，并绘制出补偿曲线。
叙词： 强制循环 轴流泵 选型 设计
PARAMETRIC-COMPENSATION METHOD FOR MODEL SELECTION DESIGN OF COERCED CIRCULATING AXIAL-FLOW PUMP
Yang Minguan Sun Guozi
(Jiangsu University of Science and Technology)
Abstract
The authors analyzed a coerced circulating axial-flow pump mainly used in chemical industry and found that there were many problems existed due to its structure without guide vane. To overcome these problems, an energy compensation method for parametric-decision in model selection design was theoretically developed based on the analyses of pump models both with and without guide vane. Furthermore, the compensation curves related energy loss and water conservancy as well as pump specific speed are given to supply designer a reference.
Key words Coerced circulation, Axial-flow pump, Model selection, Design
前言
在烧碱、纯碱、真空制盐、磷酸、磷铵、酒精等化工行业中，常与蒸发器、结晶器、反应器配套使用的强制循环泵的作用是在物料进行浓缩时促进物料循环，提高物料蒸发过程中的传热系数，加快循环蒸发，达到节能增产的目的。它是化工生产流程中的关键设备。强制循环泵在封闭回路中工作，泵的扬程用于克服封闭回路中的流动阻力，泵型大部分为轴流泵［1］。
1 强制循环泵的设计要求及存在的问题
1.1 强制循环泵的设计要求
图1所示的是轴流式强制循环泵的一般结构形式，国内外的强制循环泵几乎都采用了与图1相近的结构。例如，前苏联制造的ОХГ型化工用轴流泵，法国制造的酒精蒸发循环泵等。根据流程装置的布置情况，这种泵大部分为径向流入、轴向流出。
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图1 轴流式强制循环泵的结构
1.叶轮 2.副叶轮 3.密封 4.轴承箱
5.联轴器 6.电动机
根据不同化工产品的设计产量及工艺流程要求，常用强制循环泵的流量是800～6 000 m3/h，扬程2.5～4.0 m，比转数ns为500～1 400。因此，除少数流程采用混流泵外，大部分均使用轴流泵。该泵的配套功率为37～160 kW。
1.2 存在问题及分析
在实际使用中，强制循环泵主要存在流量不足、效率低、抗汽蚀性能差、振动噪声大等问题。主要原因是设计参数与运行参数不符，系统中又无阀门调节工况，这使有些强制循环泵甚至不能运行，给泵制造厂商和泵使用厂家造成巨大的经济损失。
国内极少有人对强制循环泵进行专门的水力模型试验研究，设计中所选择的水力模型一般为性能优良的轴流式模型泵。实际使用中为防止流动过程中导叶上产生结垢而不能正常工作，故不设置导叶，加之吸入室为径向入流的弯管形，转弯后为一轴向长度极短的直管段（见图1），这便使两者产生了较大的差异。另外，不设置导叶会使叶轮出口处的旋转动能得不到利用。虽然由于旋转使流动的水力损失略有减小，但在低扬程的轴流泵中，旋转动能这部分能量所占总能量的比例要比离心泵大得多，从而使泵的效率有较大幅度降低。强制循环泵在流程中仅是整个蒸发器的一个部件，它的入流方式及总体布置尺寸要受到整体设备布置的限制，径向入流使得吸入室成90°弯管形。试验研究和理论分析均表明，在弯管内侧要产生附面层分离及旋涡损失；在二次流的影响下，还要产生附加能量损失。上述原因使得强制循环泵的性能达不到设计要求。泵的装置特性曲线是一条不变的曲线，若泵在规定流量点对应的扬程太低，则泵的特性曲线与装置曲线的交点（泵的运行工况点）必向小流量工况偏移。
2 实际设计参数的确定及影响曲线的绘制
2.1 实际设计参数的确定
若根据强制循环泵的特殊结构情况，进行原始设计研究，则计算理论扬程时可不考虑设置出口导叶的因素。但对现有水力模型进行不完全相似的选型设计时，实际计算参数必须在给定要求参数的基础上另行确定。
对于轴流式叶轮，叶轮进出口的圆周速度相等，即u1=u2。当假定流向叶轮的液体没有预旋时，叶轮进口的绝对速度的圆周分量νu1＝0，可知泵的理论扬程
（1）
式中 u2——叶轮出口的圆周速度， 
νu2——叶轮出口的绝对速度的圆周分量，m/s2
g——重力加速度，m/s2 H——泵的扬程，m ηh——泵的水力效率，%
n——泵的转速，r/minr——所求速度点的叶轮半径，m
要求出叶轮出口的旋转动能，必须先确定叶轮出口各点的νu2。由于绕每个圆柱断面上翼型的环量相等，νu2的大小与叶轮半径成反比，所以，叶轮出口的旋转速度应为各点νu2的平均值
（2）
式中 R、D——叶轮的半径、直径，m rh、dh——轮毂的半径、直径，m
Dav——叶轮的平均有效直径［2］，
若取泵的水力效率 ［2］（η为泵的效率），则可得到 ，则叶轮出口的旋转动能为
（3）
这部分能量即为在设计过程中，由于去除导叶而带来的损失，实际上它就是扬程的损失。因此，在设计时应考虑到这部分能量的损失，应将其设计扬程提高 （本文令其等于补偿扬程hb），然后根据这一扬程选择一个性能优良的轴流式模型泵。从上述可知，由于考虑了去除导叶所带来的扬程降低，此时泵运行的最佳工况点基本能够达到设计要求，可以解决强制循环泵的选型设计难题。
2.2 影响曲线的绘制
为了更好地利用以上方法，可以根据厂家提供的设计要求参数绘制曲线，以供泵设计者参考，使泵在实际使用中能较好地满足设计要求。
根据目前的使用参数资料，对于式(3)中的参数，可以假定泵的转速n、流量Q及泵的效率η不变，建立同一叶轮直径D不同扬程H时，出口动能大小的对应关系。
在绘制曲线的过程中，由于泵的比转数ns、叶轮直径D及扬程H三个参数对设计者更为直接，比较便于应用，故提供了叶轮直径D为某一常数时，比转数ns及扬程H与叶轮出口的旋转动能(在数值上等于补偿扬程hb)之间的关系曲线。泵设计工作者在设计泵时只需按此关系曲线查出某一扬程H及比转数ns时叶轮出口的旋转动能，并用叶轮直径将两曲线联系起来，即可选出合适的叶轮出口的旋转动能。泵的扬程按H＋hb进行计算，这可以使泵的设计参数与运行参数基本吻合。
在轴流泵的设计过程中，比转数可由上面的已知量求得，叶轮的轮毂比可根据比转数ns来选定，见表1［3～6］。由此，根据轮毂比，对不同的叶轮直径D即可算出Dav。这样，就可以得到在相同的叶轮直径D下不同的泵的扬程H与叶轮出口的旋转动能之间的关系曲线，此时再变换直径这一参数即可得到一组曲线，见图2；同样，假定叶轮直径D、流量Q及泵效率η不变的情况下，对于不同的比转数ns，其扬程H是随比转数ns变化而变化的，此时也可将比转数ns作为横坐标，作出其与叶轮出口的旋转动能之间的关系曲线，见图3。据此，可进行比较准确的参数选择。
表1 轮毂比dh／D与比转数ns的关系 |
| 比转数ns |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1 000 |
1 100 |
| 轮毂比dh／D |
0.50～0.63 |
0.46～0.59 |
0.44～0.56 |
0.40～0.53 |
0.37～0.50 |
0.35～0.48 |
0.33～0.46 |
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图3 ns与hb的关系
3 结束语
从理论上解决了目前国内化工行业中使用的强制循环泵——无导叶轴流泵选型设计上存在的主要问题，给出了补偿曲线。这对该类型泵的选型设计具有一定的实用意义。按此方法对国内某厂产品进行了泵的选型设计及结构的有关改进［7］，经性能测试及用户使用证明，运行参数基本达到设计要求。
为进一步提高强制循环泵的性能指标，应针对化工设计部门提出的使用参数，进行专门的水力模型的设计及试验研究，研制出符合流程要求的强制循环泵的高效模型泵，以供用户选择。
作者单位：杨敏官 江苏理工大学动力系 教授， 212013 镇江市
孙国梓 江苏理工大学动力系 硕士生
参考文献
1 杨敏官. 轴流式强制循环泵的选型设计. 江苏理工大学学报, 1997, 18(6): 24～28
2 ［美］斯捷潘诺夫 A J. 离心泵和轴流泵理论、设计和应用. 徐行健 译. 北京: 机械工业出版社, 1980.
3 查森. 叶片泵原理及水力设计. 北京: 机械工业出版社, 1988.
4 关醒凡 编. 现代泵技术手册. 北京: 宇航出版社, 1995.
5 丁成伟. 离心泵与轴流泵原理及水力设计. 北京: 机械工业出版社, 1981.
6 沈阳水泵研究所, 中国农业机械化科学研究院 编. 叶片泵设计手册. 北京: 机械工业出版社, 1983.
7 杨敏官. φ500mm轴流式强制循环泵的改进设计. 流体机械, 1997(11): 32～35 | |
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