【原】离心泵叶轮设计/选择时需要考虑哪些因素？

问题

离心泵叶轮设计/选择时需要考虑哪些因素？

解答

离心泵叶轮设计/选择时，通常需要考虑能效、汽蚀性能、运行范围、材料、结构型式、使用工况、加工制造及成本等，具体如下：

1. 叶轮的比转速将决定泵性能曲线的形状、吸入比转速决定NPSHR值，并影响泵的效率。

对于离心泵来说，泵的效率与比转速的大小相关，比转速越高，泵的效率越高。因此，对于多级离心泵来说，应确定一个合适的比转速，在确保满足能效的情况下，尽可能降低泵的制造成本。

离心泵的效率主要由叶轮的水力设计决定的（当然与其配合的壳体设计也很重要），设计工程师应在本公司及吸收国内行同行水力设计经验的基础上，借助现今可以利用的设计及分析软件来设计叶轮。为此，设计工程师应了解叶轮的水力设计是否在近几年进行了迭代？然后可以使用一些较新的计算机程序来改进叶轮的设计。

叶轮的吸入比转速通常可以预测泵是否会遇到汽蚀问题。吸入比转速值越高，泵稳定运行区间越窄。对于运行区间波动较大的工况，如果未采用变频驱动，应特别注意，吸入比转速值不能太高。经验表明，离心泵吸入比转速值通常不应超过14400（m³/h，rpm，m）。关于这方面的详细信息，可参见《泵沙龙》文章“全面理解离心泵吸入比转速”、“吸入比转速解读及其对离心泵性能的影响” 。

相似定律可以预测改变叶轮转速或直径的影响。在设计叶轮时，必须熟悉离心泵的这些定律。

2. 叶轮材料的选择：必须兼顾耐腐蚀性和耐磨性。必要时应该考虑采用双相钢，因为大多数耐腐蚀材料对于泵叶轮的要求来说太软。

3. 叶轮结构型式的选择：闭式叶轮、开式叶轮或半开式叶轮。

闭式和半开式叶轮在离心泵设计中都有广泛的应用。虽然闭式叶轮通常被认为效率更高，但这两种设计都各有优缺点，适合不同的应用。

闭式叶轮将叶片夹在两盖板之间，通常最适合“清洁”液体，即具有低到中等悬浮固体的液体。由于液流通过旋转叶轮的入口（eye）进入，然后以圆周/径向运动在盖板之间引导至出口，因此水力效率相对较高。此外，闭式叶轮需要配耐磨环，用于限制可能在蜗壳/导叶内从高压（出口）侧回流到低压（入口）的流量，这有助于提高泵的水力效率。不过耐磨环的存在，会带来维护上的问题（运行一段时间以后，必须更换）。

相比之下，半开式叶轮的流道与壳体之间有间隙，这可能导致液体不规则流动，并通过间隙泄漏到相邻通道。因此，半开式叶轮的水力效率通常较低。

与闭式叶轮相比，半开式叶轮往往具有更高的轴向推力。这是因为闭式叶轮前、后盖板上的作用力会抵消一部分。

与闭式叶轮相比，半开式叶轮没有前盖板，叶轮盖板后面成为了高压区。为了解决这个问题，半开式叶轮通常会配带背叶片或采取其它方式。

在运行一段的时间以后，半开式叶轮的叶片和壳体之间的间隙将因磨损而增大。这会导致效率和出口压力的降低。

在大多数半开式叶轮泵中，可以调整转子本身来缩小这个间隙，这将会使泵的性能得到明显的改善。相比之下，闭式叶轮的轴向调整对改变泵的性能几乎没有影响（不过，如果叶轮的出口中心远离泵的出口中心，会使泵的运行变得不够稳定）。

什么时候使用闭式叶轮、开式或半开式叶轮将取决于应用。闭式叶轮可以更好地补偿由于高的泵送流体温度而导致轴的热增长，并且由于较高的水力效率使其成为清洁液体、高温和节能应用的“首选”。

半开式叶轮更适合处理含固体应用，因为没有流体必须通过的叶轮“eye”，也没有带两个盖板的叶轮的尺寸限制。半开式叶轮的磨损可以通过转子的轴向调整来解决。

关于离心泵叶轮方面的更多信息，可以参阅《泵沙龙》文章“漫谈离心泵叶轮及其应用”。

4. 叶轮的制造方式：熔模铸造叶轮通常优于砂铸叶轮，因为可以使用熔模铸造工艺铸造复合曲线叶轮。复合曲线允许叶轮以较少的叶片磨损泵送磨蚀性流体。而最新的制造方式还有3D打印，其强度远高于铸造，但制造成本也会成比例增加。

5. 应用工况考虑：如果要用开式叶轮泵送低比重液体，可能需要使用无火花型金属来防止火灾或爆炸。这种应用中最好选择闭式叶轮结构，并且使用软耐磨环。

6. 除了上述因素以外，还有一些变量需要考虑，例如总运行成本等。