漫谈离心泵叶轮及其应用

漫谈离心泵叶轮及其应用

前言

离心泵叶轮不仅承载着性能（流量、扬程、效率和汽蚀性能）的要求，而且还需要满足泵送介质特性（粘度、固体颗粒、粘度、腐蚀/磨蚀等）及运行工况（包括系统的稳态及瞬态工况）的要求。因此，叶轮在离心泵所有零部件当中，扮演着非常重要的角色。今天，泵沙龙将在此简单聊一聊这非常不简单的离心泵叶轮及其应用。

标准对叶轮的规定

API 610第11版标准规定：

条款6.6.1 除非另有规定，叶轮应当是全封闭、半开或全开的型式。

闭式叶轮轴向位置的灵敏度低，因此，更适用于热膨胀/收缩或由于轴向力可能引起轴向位移的长轴组件。半开式叶轮由于少一个盖板的圆盘摩擦损失，可以提高效率。立式泵中的半开式叶轮的运转间隙可以从联轴器或电机的顶部来调整，因此，在不拆卸泵的零件的情况下能够恢复泵的效率和输出功率。

条款6.6.2 叶轮应当是整体铸件、锻件或焊合件。

注：锻造或焊合的叶片有加工的流道，能改善低比转速设计的性能。

开式叶轮

开式叶轮不过是一系列附在中心轮毂上的叶片，安装在轴上，无需任何形式的侧壁或盖板。这种设计比半开式叶轮对叶片磨损更为敏感。

轴流式叶轮是一种典型的全开式叶轮，是为大流量低扬程而设计的。全开式叶轮也用于有独立排液管的蜗壳式集水坑泵。

半开式叶轮

半开式叶轮在叶轮背面有一个盖板。这是一种最常用的设计，也是大多数ANSI标准泵的设计。

大多数现代泵设计允许在不拆卸泵的情况下调整半开式叶轮。如果您想通过调整叶轮与蜗壳之间的热膨胀间隙和蜗壳/叶轮磨损来保持泵的效率，这是一个巨大的优势。但必须注意：如果填料函中配的是机械密封，任何叶轮间隙的调整都会干扰密封面负载。

半开式叶轮典型的与蜗壳或盖板之间的间隙为0.015到0.020英寸（0.4到0.5毫米）。每增加0.002英寸（0.05毫米），此间隙将使泵损失约1%的流量。

闭式叶轮

闭式叶轮在叶片的两侧都有盖板。这是ISO标准泵、炼油厂应用和两端支撑泵上看到的最常见的设计。

为了保持叶轮效率，需要在原始间隙增加一倍后更换耐磨环。然而，问题是间隙何时加倍，然后必须拆开泵来更换它们。结果是很少及时得到更换，最终带来泵性能的下降和振动的增加。

一般的经验法则是：如果叶轮间隙超过0.001英寸（0.025 mm），泵将损失约1%的流量。

比转速与叶轮形状之间的关系

不同比转速的叶轮具有不同的形状，见图1。

图1 - 不同比转速叶轮所对应的形状

流量-扬程曲线的形状是比转速的函数，但设计师可以通过选择叶片角度、叶片出口边宽度和叶片数量来控制扬程和流量。

满足系统要求的叶轮比转速最高的泵可能是最小和最便宜的泵。不过，在以最高的转速运行的同时，所带来的冲刷磨损和损坏的速度也是最快的。

径向流叶轮（低比转速）

通常用于低流量、高扬程工况。

泵的直径通常不会太大，并且在较高的转速下运行。

外壳通常与叶轮同心，这与行业中通常使用的蜗壳型外壳相反。

这些叶轮的流量-扬程曲线通常从关死点到BEP 75%左右相对比较平坦，然后急剧下降。

径向流叶轮泵通常在出口阀关闭的情况下启动，以降低启动功率。

轴流叶轮（高比转速）

通常以最高效率运行。

一般具有最低的NPSHR。

它们在关闭时需要最高的功率，因此通常在出口阀打开时启动。

叶轮可设计用于多种应用

理想的叶轮应具有无限多个尺寸无限小的叶片。

具有锋利的叶片边缘和受限运行区域的传统叶轮设计不适用于处理包含碎布、纤维材料和固体污物（污水）的液体，因为它会堵塞。已经为这些服务开发了具有钝边和大流道的特殊无堵塞叶轮。

纸浆泵可设计成开式且无堵塞叶轮，螺旋输送器端部伸入吸入管，允许泵处理高浓度纸浆原料。

涡流泵（也称旋涡泵）设计具有不同于离心泵的叶轮（它是一种外轮上带有径向叶片的圆盘），通过在蜗壳中产生漩涡（漩涡效应）来泵送固体，并且在不与叶轮接触的情况下移动，效率较低。它是一种小流量、高扬程的泵。

被称为诱导轮的轴流式叶轮（其工作原理类似于增压泵）可放置在同一轴上常规泵叶轮的前面，以增加吸入压力并减少汽蚀的可能性。在某些情况下，这可以使泵在给定的NPSH下以更高的速度运行。诱导轮将贡献不到总扬程的5%，尽管效率低，但泵的总效率不会显著降低。NPSHR总量可减少多达50%。

叶轮可以是单吸或双吸设计

由于悬臂式单吸叶轮不需要将轴伸入叶轮孔中（穿轴），因此在处理污水等含固体的应用中，它是首选。吸入口被定义为叶轮的入口，刚好在叶片开始的部分之前。在闭式叶轮泵中，吸入口被视为盖板的最小内径。

双吸泵通常用于大或较大流量工况，或者用于装置汽蚀余量较低的工况，可以使NPSHR降低约40%。

单级单吸泵的轴向推力

1）单级、单吸、半开式叶轮

由于轮毂（的缘故），产生的轴向推力高于闭式叶轮。泵出叶片（背叶片）和平衡孔是解决这一问题的常用方法。

不过，API 610第11版标准不允许采用背叶轮。

2）单级、单吸、闭式叶轮

对于闭式叶轮，一般不希望有平衡孔，因为回流到叶轮入口的泄漏会阻碍主流、产生干扰。可采用管路连接到泵吸入口的方式代替平衡孔。

单级双吸泵的轴向推力

理论上，双吸闭式叶轮不应有任何推力，但：

1）进口管道平行于轴的弯头会导致流入叶轮入口的流量不均匀。这种不均匀的流量将导致叶轮根据流量差沿一个方向推动。

2）出水壳体两侧可能不对称，而引起轴向推力。

3）通过两侧填料泄漏不均会破坏轴向平衡。泄漏的密封件也会出现同样的情况。

单级双吸泵两侧的耐磨环通常采用等直径设计，以确保受力均匀。不过，国外有不少同行（如德国KSB公司和日本EBARA公司），在较大型单级双吸离心泵的设计过程中，却将叶轮两侧的耐磨环采取不等径设计，人为造成轻微的轴向力，确保运行过程中泵轴始终处于拉伸状态，从而避免运行过程中转子发生轴向窜动、动/静零部件之间发生摩擦，有利于提高泵的运行可靠性、零部件的寿命及临界转速。

叶轮切割

可通过切割叶轮的方式以满足用户现场性能要求。

理论上，对于低比转离心泵可以切割掉25%的叶轮（叶片）直径，但任何时候切割超过10%的最大叶轮（叶片）直径时，由于叶轮外径和泵蜗壳之间的滑动，亲和定律（affinity laws）就不再准确。

改变叶轮直径会改变扬程、流量和功率要求。

关于切割叶轮的详细介绍，可参见昨天的文章《离心泵叶轮的切割》。