离心泵性能与叶轮几何尺寸的关系

离心泵性能与叶轮几何尺寸的关系

【摘 要】离心泵的性能曲线即扬程-流量曲线和效率-流量曲线会因其叶轮几何参数的改变而受到影响。本文首先介绍了离心泵的基本性能参数的定义、计算公式，然后系统的介绍了离心泵叶轮几何参数如叶片进口安放角、叶轮出口直径、叶片出口宽度等对泵性能曲线的影响，定性的分析了这些影响产生的原因以及在实际设计中如何最大限度的提高离心泵的性能。

【关键词】离心泵；性能；叶轮；叶片；几何参数

引言

众所周知，离心泵的工作性能与其叶轮的参数相关，即离心泵的叶片数、叶片出口安放角、叶片进口安放角、叶轮出口直径、叶片出口宽度、叶轮入口直径、叶片入口宽度及转速等均会对泵性能的产生影响。因此，研究离心泵的叶轮几何参数的改变所引起泵性能的变化问题，显得十分必要。

1 离心泵的组成及工作原理

离心泵主要构成部分有吸入室、叶轮以及压出室。吸入室一般位于水面下叶轮进水口的前面，有直锥形、弯管形和螺旋形三种形式，起到把液体引入叶轮的作用；叶轮由盖板和若干个叶片组成，是泵心脏；压出室主要有蜗壳式、导叶和空间导叶三种形式。

离心泵一般用电动机带动。在工作前，先将泵体内充满被输送的液体，当原动机高速旋转时，通过轴传动到叶轮，带动叶轮高速旋转，叶轮上的叶片将带动液体旋转，在离心力的作用下液体从叶轮中心向叶轮外缘流去，叶轮外缘的流体带有一定的压力能和动能，流速一般可达15～25m/s，高速流体从叶轮出口外缘排出，经由压出室、排出管和出口管道到达目的地。另一方面当泵内的液体从叶轮中心被甩到叶轮外缘的时候，在叶轮中心会形成低压区，在压差作用下，流体由吸入管经由吸入室流向叶轮中心，这样源源不断的会有液体从泵里流进再流出，这样，离心泵便完成了连续输送液体的工作。

2 离心泵的基本性能参数

离心泵的基本性能参数有：流量、扬程、轴功率、有效功率、效率、转速、必须汽蚀余量、允许吸上真空高度、比转速等。

（1）流量Q（m3/h或m3/s）

泵的流量也就是泵输送液体的能力，指单位时间内泵所输送的液体体积。流量取决于泵的叶轮直径、叶片宽度以及转速等。在实际工作中，流量还与管道阻力和所需压力有关。

（2）扬程H（m）

离心泵的扬程又称压头，指单体重量流体经泵所获得的能量。扬程取决于泵的结构和转速等。

（3）效率η

泵的效率反映泵对外加能量的利用程度。泵的效率与其类型、结构尺寸、制造精度和输送介质本身的属性等有关，大型泵比小型泵效率高些。

（4）轴功率 （W或kW）

泵的轴功率指泵轴所需的功率，可以根据有效功率 和效率 计算，即

3 叶轮尺寸（几何参数）对离心泵性能的影响

离心泵叶轮主要几何参数有：叶片出口安放角 、叶轮外径 、叶轮出口宽度 、吸入孔直径 、叶轮出口排挤系数 （反映了叶片出口厚度）和叶片数 等。这些几何参数均对泵的性能（扬程、效率特性）曲线具有影响作用。

3.1 叶片出口安放角对离心泵的性能的影响

江苏大学的吴贤芳等人利用流体力学软件FLUENT对多台不同比转速的离心泵在叶片出口角各不相同下的内部流场进行了仿真，得到了叶片出口角对离心泵效率曲线以及扬程曲线的影响图，并在江苏大学流体机械工程技术研究中心1级精度离心泵开式实验台上进行了实验验证得出了以下结论：

叶片出口角的变化对高比转速的离心泵的扬程曲线和效率曲线的影响最为显著；对中等比转速和低比转速的离心泵的扬程曲线影响不明显，其中对中等比转速的离心泵的扬程曲线影响最小；对中等比转速和低比转速的理性泵的效率曲线影响同样不明显；具体表现为当叶片出口角变小的时候中等比转速和低比转速的离心泵的效率曲线的高效区范围减小显著，而随着叶片出口角变大，中低比转速离心泵的效率曲线的高效去范围增大不显著，但是无论叶片出口角变大还是变小对于高比转速的离心泵，其效率曲线的高效区范围都会明显减小。

从他们得到的试验数据中还可以看出，在叶片出口角变化时对离心泵的效率曲线的影响比对其扬程曲线的影响要更加复杂，并且用FLUENT仿真得到的结果和在实验平台上得到的结果一致，均认为当叶片出口角为35°时离心泵的运行效率最高。

3.2 叶片进口安放角对离心泵的性能的影响

由泵叶片型线方程（1）和（2）可知，随着叶片安放角β的变化，泵的叶片

线性方程呈指数变化，这说明叶片安放角的变化对离心泵的性能影响很大。因此，一般在设计离心泵的时候取叶片进口角略大于液流角，通常采用正的冲角来减小叶片弯曲，从而增加叶片进口过流面积并减小流体对叶片的挤压。

泵的叶片型线动径计算公式： （1）

泵的叶片型线动角计算公式： （2）

泵的空化余量计算公式： （3）

3.2.1 叶片进口安放角对离心泵的效率的影响

在大流量区范围内叶轮所加的正冲角越大，泵的水力效率越高；而小流量区内范围内的情况正好相反，即叶轮所加的正冲角越大，泵的水力效率越低；但当进口冲角 时由公式（3）可得，随着λ加快变大，泵的空化余量也加快增大，此时泵的抗空化性能急剧下滑，即泵的效率大大降低；当所加的冲角为负冲角时，小流量区范围内泵的效率增大。

3.2.2 叶片进口安放角对离心泵的扬程的影响

在小流量区随着进口安放角的增大，扬程逐渐降低，当冲角由负变正，扬程曲线逐渐变平缓，当负冲角增加幅度变大时，扬程的下降越来越大；大流量区，由于流体受到叶片的挤压作用，水力损失增大，效率和扬程降低均下降。

3.2.3 叶片进口安放角对离心泵的空化性能的影响

在相同的空化余量条件下，随着冲角从正变为负，叶轮中的空泡从进口边延伸到了流道中部；当负冲角变的非常大时，在叶轮里因为流道对流体的过度挤压，空泡迅速扩大到流道面积的60%，此时空化现象严重，很容易造成液体断流，使泵的性能下降，并产生噪声和振动，让泵的工作环境变得恶劣；当正冲角增加时，空泡面积减小，但当正冲角添加到一定程度的时候，泵的抗空化性能并不会继续增加，所以在实际应用中应该适当增大正冲角以减小泵的空化现象。

3.3 叶片包角对泵性能的影响

叶片包角由于能改变叶轮出口相对速度液流角，同改变也变出口安放角的作用一样能够影响离心泵的性能。增大叶片包角能够减小叶轮流道内的脱流与漩涡从而使流动更贴近叶片型线，

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