低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵的設(shè)計(jì)

唐春仁，袁霄，呂金喜，吳尉，陳金平

（江蘇振華?？蒲b備科技股份有限公司，江蘇 泰州 225500）

0 引言

自吸式離心泵具有自吸性能強(qiáng)、高效可靠等特點(diǎn)，在實(shí)際工作及日常生活中被廣泛應(yīng)用，有著良好的市場前景[1]。但目前已有的自吸式離心泵還存在一定局限性，如大流量、高揚(yáng)程參數(shù)的自吸式離心泵規(guī)格少，多級(jí)自吸離心泵存在效率低、振動(dòng)大等問題。因此本文設(shè)計(jì)了一款大流量、高揚(yáng)程、低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵并進(jìn)行測(cè)試，介紹該結(jié)構(gòu)形式的自吸離心泵綜合性能，供有關(guān)人員參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵（280CYZ-180）的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 280CYZ-180低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)

振動(dòng)要求如下：泵組額定工作時(shí)的振動(dòng)烈度≤4.5 mm/s；機(jī)組機(jī)腳振動(dòng)加速度≤128 dB。采用單級(jí)隔振彈性安裝，隔振裝置隔振效果滿足如下要求：20～200 Hz頻段不低于15 dB，250～2500 Hz頻段不低于20 dB，3150～10 000 Hz頻段不低于25 dB。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械效率暫定ηm=0.96，經(jīng)計(jì)算單級(jí)葉輪總效率η=ηh×ηv×ηm′×ηm=0.748。考慮4級(jí)葉輪串聯(lián)和自吸因素，泵組效率預(yù)估在68%左右，此時(shí)軸功率P=ρɡQH/（1000η）=162 kW，在此方案基礎(chǔ)上優(yōu)化水力設(shè)計(jì)，控制各級(jí)葉輪之間的損失，可以確保能滿足參數(shù)要求。最終采用4級(jí)葉輪串聯(lián)的臥式結(jié)構(gòu)，首級(jí)和第三級(jí)采用葉輪與導(dǎo)葉組合，第二級(jí)和第四級(jí)采用葉輪與蝸殼組合，自吸形式采用外混式，第四級(jí)葉輪為自吸葉輪，前兩級(jí)葉輪與后兩級(jí)葉輪背靠背布置來平衡部分軸向力。

在此結(jié)構(gòu)下單級(jí)葉輪比轉(zhuǎn)速ns為

C值越大，泵的抗汽蝕性能越好，C值的大致范圍如下[2-3]：對(duì)于抗汽蝕性能高的泵，C=1000～1600；對(duì)于兼顧效率和抗汽蝕性能的泵，C=800～1000；對(duì)于不要求抗汽蝕性能、主要考慮提高效率的泵，C=600～800。

本泵屬于兼顧效率和抗汽蝕性能的泵，結(jié)構(gòu)形式和水力設(shè)計(jì)均可行。最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 280CYZ-180泵組結(jié)構(gòu)圖

2 水力設(shè)計(jì)與分析

2.1 低脈動(dòng)水力模型設(shè)計(jì)

為了能夠有效地降低壓力脈動(dòng)，葉輪采用5長、5短葉片，導(dǎo)葉采用7葉片的結(jié)構(gòu)形式。為了便于制造和加工，各級(jí)葉輪的水力模型一致，第一級(jí)導(dǎo)葉和第三級(jí)導(dǎo)葉的水力模型一致，葉輪導(dǎo)葉模型和整體水力模型如圖2、圖3所示。

圖2 葉輪導(dǎo)葉模型

圖3 整體水力模型

2.2 水力分析

流域模型中葉輪部分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其他部分為靜止區(qū)域，這些區(qū)域通過interface面相互連接。進(jìn)口采用速度入口，出口采用壓力出口，固體邊界采用無滑移壁面條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多參考坐標(biāo)系（MRF）模型。采用SIMPLEC算法求解壓力-速度耦合方程。動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率方程的對(duì)流項(xiàng)均用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，殘差收斂精度設(shè)置為10-5。對(duì)葉輪和導(dǎo)葉部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)口和出口部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單級(jí)的整體網(wǎng)格數(shù)量約為634萬，劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

1）葉輪導(dǎo)葉模型分析。對(duì)第一級(jí)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行CFD流場模擬，從模擬結(jié)果來看，在額定工況流量為280 m3/h、轉(zhuǎn)速為1450 r/min時(shí)，揚(yáng)程為52.1 m，水力效率為78.5%。又預(yù)估容積效率為96.8%，輪盤效率為95%，計(jì)算得到泵效率為72.2%。提取高速工況點(diǎn)流量為280 m3/h的流場。從圖5和圖6可以看出，葉輪流域中的流場分布較為均勻。

圖5 第一級(jí)葉輪內(nèi)速度矢量圖和靜壓云圖

圖6 第一級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)流場速度矢量分布

2）葉輪蝸殼模型分析。對(duì)第二級(jí)葉輪和蝸殼進(jìn)行CFD流場模擬，從模擬結(jié)果來看，在額定工況流量為280 m3/h、轉(zhuǎn)速為1450 r/min時(shí)，揚(yáng)程為52.3 m，水力效率為85.8%。又預(yù)估容積效率為96.8%，輪盤效率為95%，計(jì)算得到泵效率為78.9%。提取高速工況點(diǎn)流量為280 m3/h的流場。從圖7和圖8可以看出，葉輪流域中的流場分布較為均勻。

圖7 第二級(jí)葉輪內(nèi)速度矢量圖和靜壓云圖

圖8 第二級(jí)蝸殼內(nèi)速度矢量圖和靜壓云圖

3 低振動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 泵組轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡控制

轉(zhuǎn)子是泵組的關(guān)鍵部件之一，動(dòng)平衡的精度等級(jí)會(huì)直接影響油泵的機(jī)械振動(dòng)，所以動(dòng)平衡精度等級(jí)的選擇至關(guān)重要。允許不平衡質(zhì)量越小，越能保證設(shè)備的可靠性，減小振動(dòng)及噪聲。殘余不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力作用于整個(gè)轉(zhuǎn)子，使得兩軸承支撐的懸臂產(chǎn)生擾動(dòng)力，該力不斷地向軸承傳遞，并與軸承產(chǎn)生的振動(dòng)相交匯，若出現(xiàn)固頻接近時(shí)，則會(huì)引起共振，向底座擴(kuò)散，導(dǎo)致振動(dòng)噪聲加劇。在對(duì)本泵組進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子部件包括泵軸、4只葉輪、機(jī)械密封動(dòng)環(huán)、軸套、葉輪鎖緊螺母、冷卻風(fēng)扇、泵聯(lián)等所有隨泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件，最終轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量控制在0.3 g左右。

3.2 關(guān)鍵件制造工藝

導(dǎo)葉等過流殼體采用失蠟精鑄工藝，表面鑄造質(zhì)量比砂型鑄造件表面鑄造質(zhì)量提高3級(jí)，可顯著減少水泵過流部件的摩擦損失，有助于提高泵組效率并減小振動(dòng)和機(jī)械噪聲，采用五軸數(shù)控銑床加工葉輪，讓葉片獲得較低的表面粗糙度，可比普通鑄造葉片表面質(zhì)量提高3～4個(gè)等級(jí)，減小了泵腔內(nèi)的水力損失，也降低了內(nèi)流場壓力脈動(dòng)的主、諧頻峰值[4]。

3.3 電動(dòng)機(jī)減振降噪控制

電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的大小取決于機(jī)械源振動(dòng)噪聲、磁源振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力源振動(dòng)噪聲[5]。從以上3個(gè)方面嚴(yán)格控制電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲值，最終將電動(dòng)機(jī)參數(shù)控制為：機(jī)腳振動(dòng)加速度總級(jí)≤115 dB，振動(dòng)烈度≤2.8 mm/s，噪聲≤75 dB(A)。

4 樣機(jī)驗(yàn)證

280CYZ-180低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵樣機(jī)試制成功后，搭建測(cè)試臺(tái)架對(duì)其進(jìn)行全性能試驗(yàn)，測(cè)試臺(tái)架保證泵組基座穩(wěn)定，避免管路固定支架連接在泵測(cè)試基座上[6]，測(cè)試臺(tái)架如圖9所示。

圖9 280CYZ-180泵組測(cè)試臺(tái)架

最終主要技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值對(duì)照情況如表2所示。

表2中顯示泵組效率為67.73%，水力分析的單級(jí)水力模型效率分別為72.2%和78.9%，由于是4級(jí)葉輪串聯(lián)，會(huì)有部分容積損失，總效率約為72%，本泵為自吸泵，效率一般會(huì)降低4%左右，最終與實(shí)際泵組效率67.73%接近。

表2 280CYZ-180低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵要求值與測(cè)試值對(duì)照表

5 結(jié)論

本文根據(jù)參數(shù)指標(biāo)研制了280CYZ-180低振動(dòng)多級(jí)自吸離心泵，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)與分析、低振動(dòng)設(shè)計(jì)，最終生產(chǎn)出樣機(jī)并進(jìn)行全性能的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該泵結(jié)構(gòu)合理、性能可靠，實(shí)際效率與設(shè)計(jì)計(jì)算的效率相符，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足研制要求。