漫谈离心泵叶轮的优化设计
作者：谢小青1 丁鹏1 李艳杰2
1. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司
2. 吉林省宇琦泵业有限公司
摘 要：叶轮是影响离心泵性能的主要水力零件，涉及到人们关注的泵的整体能效和运行可靠性。本文从定性的角度、结合经验及同行们的研究成果来简要谈一谈如何通过优化离心泵的叶轮来改善泵的吸入性能和水力性能，仅供参考。
关键词：离心泵 叶轮 优化 吸入性能 水力性能
引言
有朋友希望我谈一谈离心泵叶轮的优化设计。为此，首先必须要弄清楚优化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？调整Q-H曲线的上升幅度……其次再根据具体需要进行优化。
影响离心泵性能的主要水力零件是叶轮，另外，还包括与其配合的蜗壳/导叶等过流零件。其实，对于离心泵叶轮的优化设计，作者在微信公众号《泵沙龙》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蚀及其对离心泵的影响》、《全面理解离心泵吸入比转速》、《叶轮几何参数对离心泵性能的影响》等等。
流体机械属于一门半理论、半经验的学科，还存在很多无法准确设计/模拟/预测的地方，例如不同结构、不同温度、不同泵送介质下无法准确地模拟出流体真实的流态及其对泵性能的影响。因此，本文只能从定性的角度、结合经验及同行们的研究成果来简要谈一谈如何优化离心泵的叶轮来改善泵的吸入性能和水力性能。仅供参考。
改善吸入性能
经常会看到来自各种专家的期刊文章，介绍汽蚀所造成损伤的类型、原因和解决方案。然而，对于普通工程师和现场操作人员来说，汽蚀现象的诊断及避免/消除并不简单，往往很难纠正。
叶轮叶片有两种弯曲型式：前弯曲和后弯曲。由于后弯叶片叶轮在最大化动力、赋予流体高旋转力及防止脱流方面更有效，因此离心泵通常均采用后弯曲叶片叶轮。
对于泵本体来说，泵的汽蚀行为和吸入性能在很大程度上受叶轮入口（eye处）的几何形状及面积的影响。叶轮入口处的许多几何因素都会影响汽蚀，例如入口和轮毂直径、叶片进口角和上游液流的入射角、叶片数量和厚度、叶片流道喉部面积、表面粗糙度、叶片前缘轮廓等。另外，还与叶轮叶片外径和导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）之间的间隙大小相关。
多年来，许多作者研究并报告了上述一些因素对泵汽蚀的影响。在 Schiavello 和 Visser（2008年） 文献中可以找到涵盖汽蚀所有方面的优秀教程。Palgrave 和 Cooper，1986 年，对汽蚀进行了视觉研究，并提出了基于入口角和入口直径估计 NPSHi 的一般表达式。Schiavello等人，1989年，对汽蚀试验台进行了视觉研究，并比较了具有不同叶尖与轮毂无冲击的叶轮设计对其吸入性能的影响。Hergt等人，1996年，记录了不同叶轮直径、叶片入口角度和叶片数量的叶轮的吸入性能。
1）叶轮入口直径/入口面积
为了改善离心泵的吸入性能，设计人员普遍通过加大叶轮入口直径的方法来实现。今天，这种设计方法在离心泵的工程设计中还在一直使用。
在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情况下，吸入性能越好（叶轮入口面积越大，吸入比转速值越高），则叶轮口环处的间隙面积越大，这意味着泄漏量越大，而泵的效率就越低。
不过，对于通过加大叶轮入口直径来改善吸入性能的方法，必须特别注意：不能导致吸入比转速值严重超出相关标准规范（如UOP 5-11-7）规定的值，否则将导致泵的稳定运行区间变得很窄。
2）叶片前缘形状
Ravi Balasubramanian等对不同的叶轮叶片前缘形状进行了研究，结果表明，只要满足前缘叶片厚度的机械和制造约束，采用抛物线轮廓可以提高叶轮的吸入性能。椭圆轮廓的吸入性能次之，该形状是前缘的默认轮廓选择，因为此轮廓可以轻松满足叶片前缘厚度的机械和制造限制[1]。
3）叶轮盖板进口部分的曲率半径
由于叶轮进口部分的液流在转弯处受到离心力作用的影响，靠前盖板处压力低、流速高，造成叶轮进口速度分布不均匀。适当增加盖板进口部分的曲率半径，有利于减小前盖板处（叶片进口稍前）的绝对速度和改善速度分布的均匀性，减小泵进口部分的压力降，从而降低NPSHR，提高泵的抗汽蚀性能。
4）叶片进口边位置和进口部分形状
叶片进口边轮毂侧向吸入口方向延伸，即采用后掠式的叶片进口边（进口边不在同一轴面，外缘向后错开一定的角度），可使轮毂侧液体流能够提前接受叶片的作用、并增加压力。
叶片进口边前伸并倾斜，使得各点的圆周速度不同，一般轴面速度沿进口边近似均匀分布，则进口边各点的相对液流角不同。为了符合这种流动情况，减小冲击损失，叶片进口应做成空间扭曲形状，这就是目前很多低比转速叶轮叶片进口部分也做成扭曲叶片的原因[2]。
5）叶片进口冲角
设计工况采用稍大的正冲角，以增加叶片的进口角，减少叶片进口处的弯曲，减少叶片的排挤，增加叶片进口过流面积，从而改善吸入性能。同时，还会改善大流量下的运行环境，以减少流量损失。但是，冲角不能太大，否则会影响效率[3]。
6）叶片入口厚度及光洁度
适当减小叶片入口的厚度，并对叶片入口进行修圆，使其接近流线型。减小叶片厚度不仅会扩大叶轮吸入流道的面积、降低流速、增加压力（叶片进口形状对压降影响十分敏感），而且使叶轮和叶片入口部分的表面光洁度得到改善、减少阻力损失。这些措施均有利于改善泵的吸入性能。
7）平衡孔
叶轮上的平衡孔，其中的泄漏对进入叶轮的主流起到一定的破坏作用（平衡孔面积应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）。研究表明，在叶轮上开平衡孔时，将使叶轮后侧的涡流强度降低，其中一些涡流甚至消失，泵的吸入性能得到改善[4]。
8）叶轮出口直径
叶轮直径的小幅度减小只会略微增加NPSHR。但当直径减小5% 至10%时， NPSHR将明显增加，这是因为叶片长度减小会增加特定的叶片载荷，从而影响叶轮入口处的速度分布。
注意事项：
1）尽量避免采用加大叶轮入口面积的方法来改善吸入性能 - 避免吸入比转速严重超标【如，对于BB2型泵，通常控制在14400（m3/h, m）以内】[5]，否则极易引起入口回流，导致泵不稳定运行区域扩大。
2）应避免出现叶片流道综合症汽蚀。这种汽蚀破坏是由于导叶（对于导叶式泵）或蜗舌（对于蜗壳式泵）与叶轮叶片外径之间的间隙太小所引起的。当液体流经该小通道时，液体的流速增加引起液体压力的下降、局部汽化，产生汽泡，然后在较高的压力下破裂，导致汽蚀。
改善水力性能
影响泵水力性能的因素较多，而影响叶轮水力效率的因素主要是各种损失。具体有：
1）叶片数
就离心泵来说，一般情况下，增加叶片数可以改善液体流动情况，适当提高泵的扬程。但叶片数增加后会减少流道过流面积，导致流速增加、叶片的摩擦损失增加，所以，过多的增加叶片数，不但会降低效率，并使叶轮的汽蚀性能恶化，还可能导致泵性能曲线出现驼峰[6]。另外，叶片数的增加，会使扬程特性曲线（从额定点）至关死点的上升趋势变得平缓；相反，随着叶片数的减少，扬程特性曲线会变得陡峭。通常，离心泵叶轮叶片数较多地选用5～7片。
2）长短叶片
研究表明，泵叶轮中短叶片和长叶片之间的任何组合都将有利于泵效率的提高，因为它可以有效阻止任何由于叶轮入口附近流速不均匀分布而被称为尾迹流的发展[7]。
3）扭曲叶片
试验表明，扭曲叶片的泵在设计工况点附近及大流量区域要比圆弧叶片的泵具有更高的效率。同时，具有扭曲叶片的泵其关死点扬程要比圆弧叶片高（会改变扬程特性曲线至关死点的上升趋势，特别是对于低比转速离心泵，这可以有效改善/消除驼峰）。
4）叶轮出口直径
API 610标准不允许泵使到最大叶轮直径，要求通过切割叶轮来满足泵所需要的性能。如果泵选型偏大，切割叶轮是降低产生的压力和流量的一种相对经济有效的方法。虽然切割叶轮比使用节流阀来满足所需的运行工况效率更高，但由于叶轮叶片被切短，叶轮叶片与泵壳体之间的间隙变大，因此其效率通常会低于全尺寸叶轮。
对于径向流叶轮，其直径不应减小到最大设计直径的70% 以上。泵叶轮直径的减小也会改变出口流道宽度、叶片出口角度和叶片长度。叶轮直径从最大直径减小得越多，泵效率将随着叶轮的切割而降低得越多，且最高效率点会往小流量方向偏移。
其它参数对泵性能的影响
1）叶轮叶片宽度
随着叶片宽度的增加，液体压力下降，因此扬程会随着叶轮叶片宽度的增加而减小；叶片宽度对最佳效率点的效率影响通常不明显（随着叶片宽度的增加，最佳效率点的效率可能会略有增加），但高效区会随着叶片宽度的减小而向小流量方向偏移。效率的影响在较大体积流量下更显著，换句话说，随着叶片宽度的增加，效率曲线在最佳效率点的右侧会迅速下降。
2）叶轮出口叶片角
出口叶片角越大，在给定转速下扬程越高，但代价是效率和磨损性能越低。较低的出口叶片角增加了效率和叶片长度，但代价是降低了扬程。因此，出口叶片角通常需要进行优化，以实现这些因素的平衡[8]。扬程随出口叶片角的增大而增大，这可以通过相对于增加的出口叶片角度增加的出口横截面尺寸、从而导致叶片之间流道中的液体压降的减小来解释。文献 [9]研究认为，最高效率值随出口叶片角的增大而降低。当出口叶片角较小时，在最高效率点右侧泵的效率会迅速下降。
3）叶轮出口分流叶片
在叶轮出口侧增加分流叶片将增加泵的扬程和水力效率，且随着分流叶片长度的增加，扬程和效率增加的幅度越大[10]。分流叶片的长度通常不超过原始叶片长度的0.5倍，具体与叶轮的大小、叶片的形状及叶片数等相关。
4）叶轮叶片出口边修整
磨锉叶轮出口叶片背面，扩大了叶轮出口流道面积，从而增加了叶轮的流量。随着出口流道面积的扩大，扬程也会增加，泵的最佳效率点会向大流量侧偏移。
特别说明
随着计算技术和ANSYS等分析软件的迅速发展，使得数值模拟和计算流体力学（CFD）成为研究和评价水泵最佳特性的较好工具之一。这种类型的模拟在预测和估计泵性能的许多特性方面非常有用，并且在任何进一步的步骤之前给出了许多解决方案。
因此，在离心泵叶轮优化设计过程中，离不开CFD的支持。通常，先设计出几种不同的水力方案；接着利用CFD进行模拟分析；最后根据分析结果选出一种最符合设计要求的方案。
利用CFD进行模拟分析是一种有效的设计和估算水力设计的方法，可以减少时间、降低成本、提高设计准确性。它可以在很大的范围内减少误差，并提供可供选择的解决方案。
参考文献
文章来源：泵友圈
![ANSYS/ABAQUS使用(带孔平板拉伸实例)[初识有限元CAE分析]](https://img.jishulink.com/cimage/0c683776c596fd2f7dde46fd773a666b_cdn.jpg?image_process=resize,fw_576,fh_320,)
