MHP100-125化工泵叶轮的水力设计

单方坚，吴俐俊

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

化工设计

MHP100-125化工泵叶轮的水力设计

单方坚，吴俐俊

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

确定了MHP100-125化工泵的主要参数和结构方案，对泵的叶轮进行了水力设计，确定了其水力尺寸。水力设计时主要采用速度系数法。结果表明，设计出的化工泵产品的水力性能达到了预期目标，且提高了其先进性与合理性。

化工泵；水力设计；水力性能

0 引言

化工泵广泛应用于国民经济建设的各个领域，但国外同类产品的效率、汽蚀余量、使用寿命均高于国内产品[1-3]。为提高化工泵水力性能的先进性、合理性，对MHP100-125化工泵叶轮进行新的水力设计，设计过程中采用速度系数法确定水力部件叶轮的各个参数。

1 泵主要参数和结构方案的确定

1.1 泵的进出口直径

从泵设计手册中查表得：对抗汽蚀性能要求高的泵，在吸入口径小于250 mm时，可取吸入口流速Vs=1．0～1．8 m/s，在吸入口径大于250 mm时，可取Vs=1．4～2．2 m/s。选定吸入流速后，按下式确定Ds，取Vs=1．4～2．2 m/s。

对于低扬程泵，排出口径可与吸入口径相同；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取排出口径小于吸入口径，一般取Ds=（1～0．7）Ds，取Dd=0．8×0．1≈0．08 m。

1.2 计算比转速

1.3 估算泵的效率及功率

在设计泵时要用泵的效率，但泵尚未设计出来，故只能参考同类产品，或借助经验公式和曲线近似地确定泵的总效率和各效率值，并设法在设计中达到确定的效率。水力效率ηh

容积效率ηv

该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏的值，对于有平衡孔级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低。机械效率ηm

泵总效率η=ηh·ηv·ηm=Dd=0．86×0．98≈0．81。根据具体情况，参考估算的效率，对各种效率进行合理分配，使三个分效率之积等于总效率。理论扬程和理论流量：

式中K，ηt按文献[4]表8-4，表8-5分别取1．1和1．0。

1.4 泵轴径和叶轮轮毂直径的初步计算

泵轴的直径应按其承受的外载荷（拉压弯扭）和刚度及临界转速条件确定。因为扭矩是泵轴最主要的载荷，所以在开始设计时，可按扭矩确定泵轴最小直径（通常是联轴器处的轴径）。按扭矩计算泵轴直径：取标准直径d=20 mm，由结构得轮毂直径dh=33 mm。

2 叶轮的水力设计

2.1 叶轮主要尺寸的确定

速度系数法是一种相似设计法，是建立在一系列相似泵基础上的设计。用速度系数法计算叶轮主要尺寸的公式：

式中Q——泵的流量（m3/s），对双吸泵取

n——泵转速（r/min）；

k0——系数，根据统计资料选取：

主要考虑效率k0=3．5～4．0

兼顾效率和汽蚀k0=4．0～4．5

主要考虑汽蚀k0=4．5～5．5

由于本次设计中叶片数偏多，安装角偏大，为降低叶轮圆盘损失，提高抗汽蚀性能，将叶轮外径及出口直径均取偏小值。叶轮进口直径D0= Dj=89 mm，叶轮出口直径D2=139 mm，叶轮出口宽度b2=26 mm。

2.2 叶轮轴面投影图的绘制

叶轮各部的尺寸确定之后，可画出叶轮轴面投影图。画图时，最好选择ns相近，性能良好的叶轮图作为参考，考虑设计泵的具体情况加以改进。

轴面投影图绘制的已知控制尺寸只有四个：（1）叶轮半径R2；（2）叶轮进口直径D0；（3）叶轮出口宽度b2；（4）轮毂直径dh。所绘轴面投影图应当满足这四个已知尺寸。

图1 叶轮轴面投影图

2.3 检查轴面流道过水断面变化情况

轴面投影图画出来之后，必须检查流道面积变化是否合理。如果流道面积无规则变化，则会产生局部漩涡，增大损失。

图2 流道中线图

各过流断面的面积F计算出以后，可用纵坐标表示过流断面面积F，用横坐标表示流道中线长度L，做出F值随L变化的F-L曲线，以观察沿流道的变化情况。

表1 F-L曲线计算值

图3 F-L曲线图

由图3可以看出，流道断面面积随着流道中线的长度变化而均匀变化，从而流体在叶轮中的局部损失也较小。

2.4 叶片数的计算和选择

叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦，另一方面又要使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。通常采用的叶片数为Z=5～7，叶片数少时，包角应适当加大，但包角最大不要超过180°，按经验值可得：叶片数Z=6，包角为105°。

2.5 叶片厚度

根据叶片工作面和背面的压力差，可近似得出下面计算叶片厚度的公式：

式中：H——单级扬程（mm)；Z——叶片数；

D2——叶轮外径；A——系数，与比转数和材料有关；叶轮所选材料为铸铁，查文献[4]得A值为6。

因为叶片是铸造的，所以尺寸太小，不易铸造，根据经验取叶片进口为6 mm，出口为4 mm。

2.6 叶片进出口安放角的选择和计算

3 结论

本文运用速度系数法对MHP100-125化工泵叶轮重新进行了水力设计。确定了泵的进出口直径等主要结构参数，在确定好叶轮的主要水力尺寸的同时绘制出了叶轮的轴面投影图并检查轴面流道过水断面变化情况。结果表明：本次设计的叶轮流道断面变化均匀，减少了流体在叶轮中流动的水力损失，从而在一定程度上提高了化工泵水力性能的合理性。

[1]李云,姜培正．过程流体机械[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[2]严敬，杨小林．国外水泵研究现状概述[J]．排灌机械，2003，21(5):1-3．

[3]牟介刚,王乐勤,周晓宁．泵行业的技术发展趋势[J]．通用机械，2003，(2)：24-26．

[4]关醒凡．现代泵技术手册[M]．北京：宇航出版社，1995．The Hydraulic Design of MHP 100-125 Chemical Pump Impeller

SHAN Fang-jian,WU Li-jun
（School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai,201804,China)

Determined the MHP100-125 chemical pump's main parameters and structure,designed the pump's impeller,and determined its hydraulic size using the speed coefficient method．The results showed that the chemical pump's hydraulic performance achieved the desired goal,and got more advanced and reasonable．

chemical pump；hydraulic design；hydraulic performance

1006-4184（2015）4-0039-03

2014-12-21

单方坚（1991-），男，硕士研究生。E-mail:877202179@qq．com