轴流泵选型的探讨

根据模型泵段或模型泵装置特性进行低扬程泵的选型

关醒凡（江苏大学）

董志豪（上海凯泉泵业集团有限公司）

商明华（上海江天水泵技术研究所）

摘要：

低扬程水泵的泵段特性和带进出水流道的泵装置特性之间有较大差别。按管道阻力曲线和泵段特性曲线的交点确定泵工况点，往往得出错误的结果。本文分析泵段特性和泵装置特性差别的一般规律，提出根据模型泵段特性选型和根据模型泵装置特性选型两种方法。泵选型的关键在于确定转速n，计算直径D和nD值，取较小的nD值，用高扬程模型在低扬程下使用是值得推荐的选型方法。介绍了选型软件的特点、用法。

1、轴流泵的有效运行范围受诸多方面限制

轴流泵有效运行范围的限制条件有：

（1）小流量区存在马鞍形不稳定段，泵应避开在此区段运行。

（2）高效区较窄，偏离最高效率点，效率下降较快。

（3）偏离最高效率工况，因流入叶片冲角增大，会发生汽蚀，造成性能下降和过流部件破坏。

（4）随流量减小，轴功率迅速增加。

（5）在小流量侧运行，偏离最高效率点不远时，就会出现明显的噪声，在到达马鞍形右侧最高扬程时，噪声和振动已非常明显，泵必须离开此处一段距离运行。

为进一步说明，把轴流泵扬程流量曲线按关死点（A）、马鞍形底部（B）、可运行点（C）、最高效率点（D）、零扬程点（E）分段，如图1所示。综合模型试验结果在表1中列出了各特征点的数值。

表1轴流泵运转特性

ns 500 700 1000 1200 1300

H C／H D 1.3 1.35 1.42 1.4 1.45

Q C／Q D0.75 0.75 0.75 0.75 0.72

H A／H D 2 1.8 1.70 1.7 1.6

Q E／Q D 1.3 1.3 1.23 1.25 1.22 Q B／Q D0.5 0.55 0.55 0.55 0.55

H B／H D 1.25 1.28 1.29 1.27 1.30

图1轴流泵运行特性分析

可运行的最高扬程Hc是个关键参数。对虹吸出口泵站而言，水流通过虹吸管最高点所需的扬程应小于此扬程；对于水位变化较大的泵站，水位变化时所需的最高扬程也应小于此扬程。

综上所述，泵的有效运行范围为：扬程H：（0.70～1.30）H D；流量Q：（0.75～1.3）Q D。

2、低扬程泵的选型

大型轴流泵，流量大、扬程低，直接设计性能难以保证，一般要选择模型进行相似换算，首先会遇到选型问题。

进行选型，一是要有优秀的、数据可靠的模型，二是要有正确的选型方法。

按一般离心泵的选型方法，由h=KQ2作一条阻力曲线，它和泵特性曲线的交点就是工况点。K值对于一个具体的泵装置应当是常数。但是模型轴流泵装置试验表明，对轴流泵装置而言，并无一个确定的K值，也难以找出明确的规律，阻力曲线不符合h=KQ2，看来用这种方法对轴流泵是行不通的。这表明低扬程泵的特性和泵装置特性的差异，并不都是摩擦水力损失所致，进出水流道的各种局部水力损失，以及对叶轮进出口流态的影响，都对装置特性有着重要影响。

2.1、模型泵段特性和模型泵装置特性

在大型泵站建设中，首先根据装置情况选泵，选了泵之后，认为有必要则进行模型泵装置试验。为达到选泵合理，应了解泵段性能和装置性能之间的关系，提出切合实际的装置性

能。

目前虽然不能从理论上根据泵段特性作出泵装置特性，但是如果能知道两者的大致关系，对选型也是有益的。

H

B

H C h A

h B

h C

η

O

O 泵装置H-Q

泵η-Q

泵装置η-Q

A

B

C

A'B'

C'

H

Q

泵H-Q

H A

图2 泵段特性曲线和泵装置特性曲线的关系

前面已经提到，从泵段特性曲线减去按h=KQ 2确定的水力损失，得到泵装置特性曲线，往往会得出错误的结果，但是为了说明两者的大致关系，我们还是假定图2中H ～Q 曲线是模型泵的扬程流量曲线，h A 、h B 、h C 是装置的阻力曲线。A 、B 、C 是H ～Q 曲线上的三个工况点，假设B 为最高效率的工况点。H A 、H B 、 H C 是对应泵工况点A 、B 、C 的装置扬程，对于实际泵站则是净扬程，等于吸入液面到排出液面的高度。对于模型泵装置而言，是出口和进口水箱的位置水头和压力水头之和。从泵扬程曲线各工况点A 、B 、C 上减去各对应点的水力损失水头，得到装置净扬程A'、B'、C'。连接A'、B'、C'点则得泵装置扬程流量曲线。由此可以得出结论：模型泵装置扬程曲线位于泵扬程曲线左侧，其偏离程度随着装置阻力损失增大而增加，对既定的装置又随流量增加而增加。

现分析模型泵段最高效率点和模型泵装置最高效率点之间的关系。B 点是泵段的最高效率工况点，A 、C 两点偏离B 点。在A 点的阻力损失为AA'，B 点的阻力损失为BB'，AA'小于BB'。如果泵段在A 点的效率和B 点相等，则A 点装置效率比B 点高。但是A 点的泵效率比B 点低，由此，若A 点损失减小使装置效率提高的幅度大于泵段在A 点比B 点效率下降的幅度，则A 点装置效率高于B 点，否则B 点装置效率高。一般说来，泵装置最高效率点位于泵段最高效率点的左侧，即装置最高效率点的流量Q A 小于泵段最高效率点的流量

Q B。装置最高效率点的扬程H A可能等于、低于或高于泵段最高效率点的扬程。

综合试验结果，给出泵装置性能盒泵段特性的如下关系，仅供参考：

Q装≈（0.85～0.95）Q泵

H装≈（0.95～1.1）H泵

η装≈ η泵－（5～10）％

2.2、选型的关键问题是确定n、D和nD值

n是泵的转速，D是转轮直径，nD值是表示泵汽蚀性能的重要参数

（1）nD值的确定

泵的转速和汽蚀性能有关，限定nD值就等于限定叶片进口外径处的相对速度。目前国内模型泵试验时的nD值为435，这时的叶片进口最大相对速度已超过20m/s。实际泵为安全起见，一般nD值要小于435。

对于应急使用，短时间运行的泵站，如排涝泵站，选取较大的nD值尚可接受。但是，对于南水北调这种调水泵站，要长期连续运行，应尽量避免汽蚀，万万不可把转速选高，nD 值应控制在400以下，一般nD值取350～400。

国外设计的绝大多数大型泵的nD值取得较低，而且几乎都是排水泵站。

国外设计泵站的nD值

泵站名称宝应站淮阴三站蔺家坝站荷兰艾莫伊登

泵站

新川河口泵

站

毛马排水日本（日立）

D（mm）2950 3140 2850 3940 4200 4000 4600 n（r/min）125 125 120 64.3 68 90 82 nD值369 393 342 253 286 360 377 在nD值确定为某一定值后，有两种途径来满足所需的流量、扬程，一是选较大直径、

较低转速；另一是选较小直径、较高转速。对轴流泵来说可能是前者更经济，这是因为轴流

泵的扬程基本和外径无关，同是直径300mm的转轮，在相同转速下，要实现不同的扬程是

通过不同叶片几何参数组合来达到的。而泵的流量和转速一次方、直径的三次方成比例，也

就是说降低转速造成的流量减小可以用增加直径来补偿，由降低转速造成的扬程下降可以通

过选用较低比转数模型来满足。国外多用较低的比转数模型满足低扬程应用，其原因可能也

就在于此。低比转数模型在较低的扬程下应用，在很大程度上克服了高比转数模型高效范围

相对较小、抗汽蚀性能相对较差的缺点。低速大直径方案，可以提高泵装置效率，尤其对于

低扬程泵站，因减小流速从而减小水力损失，效果非常明显。叶轮直径增大，稍许增大了泵

的径向尺寸，但是，由于转速降低，从而使泵的汽蚀余量减小，可以使泵站的挖深减小。