低振动多级自吸离心泵的设计

唐春仁，袁霄，吕金喜，吴尉，陈金平

（江苏振华海科装备科技股份有限公司，江苏 泰州 225500）

0 引言

自吸式离心泵具有自吸性能强、高效可靠等特点，在实际工作及日常生活中被广泛应用，有着良好的市场前景[1]。但目前已有的自吸式离心泵还存在一定局限性，如大流量、高扬程参数的自吸式离心泵规格少，多级自吸离心泵存在效率低、振动大等问题。因此本文设计了一款大流量、高扬程、低振动多级自吸离心泵并进行测试，介绍该结构形式的自吸离心泵综合性能，供有关人员参考。

1 结构设计

1.1 主要设计参数和技术指标

低振动多级自吸离心泵（280CYZ-180）的设计参数如表1所示。

表1 280CYZ-180低振动多级自吸离心泵设计参数

振动要求如下：泵组额定工作时的振动烈度≤4.5 mm/s；机组机脚振动加速度≤128 dB。采用单级隔振弹性安装，隔振装置隔振效果满足如下要求：20～200 Hz频段不低于15 dB，250～2500 Hz频段不低于20 dB，3150～10 000 Hz频段不低于25 dB。

1.2 结构设计

机械效率暂定ηm=0.96，经计算单级叶轮总效率η=ηh×ηv×ηm′×ηm=0.748。考虑4级叶轮串联和自吸因素，泵组效率预估在68%左右，此时轴功率P=ρɡQH/（1000η）=162 kW，在此方案基础上优化水力设计，控制各级叶轮之间的损失，可以确保能满足参数要求。最终采用4级叶轮串联的卧式结构，首级和第三级采用叶轮与导叶组合，第二级和第四级采用叶轮与蜗壳组合，自吸形式采用外混式，第四级叶轮为自吸叶轮，前两级叶轮与后两级叶轮背靠背布置来平衡部分轴向力。

在此结构下单级叶轮比转速ns为

C值越大，泵的抗汽蚀性能越好，C值的大致范围如下[2-3]：对于抗汽蚀性能高的泵，C=1000～1600；对于兼顾效率和抗汽蚀性能的泵，C=800～1000；对于不要求抗汽蚀性能、主要考虑提高效率的泵，C=600～800。

本泵属于兼顾效率和抗汽蚀性能的泵，结构形式和水力设计均可行。最终结构如图1所示。

图1 280CYZ-180泵组结构图

2 水力设计与分析

2.1 低脉动水力模型设计

为了能够有效地降低压力脉动，叶轮采用5长、5短叶片，导叶采用7叶片的结构形式。为了便于制造和加工，各级叶轮的水力模型一致，第一级导叶和第三级导叶的水力模型一致，叶轮导叶模型和整体水力模型如图2、图3所示。

图2 叶轮导叶模型

图3 整体水力模型

2.2 水力分析

流域模型中叶轮部分为旋转区域，其他部分为静止区域，这些区域通过interface面相互连接。进口采用速度入口，出口采用压力出口，固体边界采用无滑移壁面条件，近壁区采用标准壁面函数。旋转区域采用多参考坐标系（MRF）模型。采用SIMPLEC算法求解压力-速度耦合方程。动量、湍动能、湍动耗散率方程的对流项均用二阶迎风格式进行离散，残差收敛精度设置为10-5。对叶轮和导叶部分采用非结构化网格，进口和出口部分采用结构化网格，单级的整体网格数量约为634万，划分后的网格如图4所示。

图4 网格划分

1）叶轮导叶模型分析。对第一级叶轮和导叶进行CFD流场模拟，从模拟结果来看，在额定工况流量为280 m3/h、转速为1450 r/min时，扬程为52.1 m，水力效率为78.5%。又预估容积效率为96.8%，轮盘效率为95%，计算得到泵效率为72.2%。提取高速工况点流量为280 m3/h的流场。从图5和图6可以看出，叶轮流域中的流场分布较为均匀。

图5 第一级叶轮内速度矢量图和静压云图

图6 第一级导叶内流场速度矢量分布

2）叶轮蜗壳模型分析。对第二级叶轮和蜗壳进行CFD流场模拟，从模拟结果来看，在额定工况流量为280 m3/h、转速为1450 r/min时，扬程为52.3 m，水力效率为85.8%。又预估容积效率为96.8%，轮盘效率为95%，计算得到泵效率为78.9%。提取高速工况点流量为280 m3/h的流场。从图7和图8可以看出，叶轮流域中的流场分布较为均匀。

图7 第二级叶轮内速度矢量图和静压云图

图8 第二级蜗壳内速度矢量图和静压云图

3 低振动设计

3.1 泵组转子动平衡控制

转子是泵组的关键部件之一，动平衡的精度等级会直接影响油泵的机械振动，所以动平衡精度等级的选择至关重要。允许不平衡质量越小，越能保证设备的可靠性，减小振动及噪声。残余不平衡质量产生的离心力作用于整个转子，使得两轴承支撑的悬臂产生扰动力，该力不断地向轴承传递，并与轴承产生的振动相交汇，若出现固频接近时，则会引起共振，向底座扩散，导致振动噪声加剧。在对本泵组进行动平衡时，转子部件包括泵轴、4只叶轮、机械密封动环、轴套、叶轮锁紧螺母、冷却风扇、泵联等所有随泵轴转动的零部件，最终转子不平衡质量控制在0.3 g左右。

3.2 关键件制造工艺

导叶等过流壳体采用失蜡精铸工艺，表面铸造质量比砂型铸造件表面铸造质量提高3级，可显著减少水泵过流部件的摩擦损失，有助于提高泵组效率并减小振动和机械噪声，采用五轴数控铣床加工叶轮，让叶片获得较低的表面粗糙度，可比普通铸造叶片表面质量提高3～4个等级，减小了泵腔内的水力损失，也降低了内流场压力脉动的主、谐频峰值[4]。

3.3 电动机减振降噪控制

电动机振动噪声的大小取决于机械源振动噪声、磁源振动噪声和空气动力源振动噪声[5]。从以上3个方面严格控制电动机的振动噪声值，最终将电动机参数控制为：机脚振动加速度总级≤115 dB，振动烈度≤2.8 mm/s，噪声≤75 dB(A)。

4 样机验证

280CYZ-180低振动多级自吸离心泵样机试制成功后，搭建测试台架对其进行全性能试验，测试台架保证泵组基座稳定，避免管路固定支架连接在泵测试基座上[6]，测试台架如图9所示。

图9 280CYZ-180泵组测试台架

最终主要技术指标与实测值对照情况如表2所示。

表2中显示泵组效率为67.73%，水力分析的单级水力模型效率分别为72.2%和78.9%，由于是4级叶轮串联，会有部分容积损失，总效率约为72%，本泵为自吸泵，效率一般会降低4%左右，最终与实际泵组效率67.73%接近。

表2 280CYZ-180低振动多级自吸离心泵要求值与测试值对照表

5 结论

本文根据参数指标研制了280CYZ-180低振动多级自吸离心泵，进行了结构设计、水力设计与分析、低振动设计，最终生产出样机并进行全性能的测试。测试结果表明，该泵结构合理、性能可靠，实际效率与设计计算的效率相符，各项指标均满足研制要求。