有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，首先必須要弄清楚優(yōu)化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調(diào)整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據(jù)具體需要進(jìn)行優(yōu)化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導(dǎo)葉等過(guò)流零件。其實(shí)，對(duì)于離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，作者在微信公眾號(hào)《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對(duì)離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速》、《葉輪幾何參數(shù)對(duì)離心泵性能的影響》等等。
流體機(jī)械屬于一門(mén)半理論、半經(jīng)驗(yàn)的學(xué)科，還存在很多無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)計(jì)/模擬/預(yù)測(cè)的地方，例如不同結(jié)構(gòu)、不同溫度、不同泵送介質(zhì)下無(wú)法準(zhǔn)確地模擬出流體真實(shí)的流態(tài)及其對(duì)泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及同行們的研究成果來(lái)簡(jiǎn)要談一談如何優(yōu)化離心泵的葉輪來(lái)改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
經(jīng)常會(huì)看到來(lái)自各種專(zhuān)家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類(lèi)型、原因和解決方案。然而，對(duì)于普通工程師和現(xiàn)場(chǎng)操作人員來(lái)說(shuō)，汽蝕現(xiàn)象的診斷及避免/消除并不簡(jiǎn)單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在動(dòng)力、賦予流體高旋轉(zhuǎn)力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對(duì)于泵本體來(lái)說(shuō)，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。葉輪入口處的許多幾何因素都會(huì)影響汽蝕，例如入口和輪轂直徑、葉片進(jìn)口角和上游液流的入射角、葉片數(shù)量和厚度、葉片流道喉部面積、表面粗糙度、葉片前緣輪廓等。另外，還與葉輪葉片外徑和導(dǎo)葉（對(duì)于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對(duì)于蝸殼式泵）之間的間隙大小相關(guān)。
多年來(lái)，許多作者研究并報(bào)告了上述一些因素對(duì)泵汽蝕的影響。在 Schiavello 和 Visser（2008年） 文獻(xiàn)中可以找到涵蓋汽蝕所有方面的優(yōu)秀教程。Palgrave 和 Cooper，1986 年，對(duì)汽蝕進(jìn)行了視覺(jué)研究，并提出了基于入口角和入口直徑估計(jì) NPSHi 的一般表達(dá)式。Schiavello等人，1989年，對(duì)汽蝕試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了視覺(jué)研究，并比較了具有不同葉尖與輪轂無(wú)沖擊的葉輪設(shè)計(jì)對(duì)其吸入性能的影響。Hergt等人，1996年，記錄了不同葉輪直徑、葉片入口角度和葉片數(shù)量的葉輪的吸入性能。
1）葉輪入口直徑/入口面積
為了改善離心泵的吸入性能，設(shè)計(jì)人員普遍通過(guò)加大葉輪入口直徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。今天，這種設(shè)計(jì)方法在離心泵的工程設(shè)計(jì)中還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙相同的情況下，吸入性能越好（葉輪入口面積越大，吸入比轉(zhuǎn)速值越高），則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大，這意味著泄漏量越大，而泵的效率就越低。
不過(guò)，對(duì)于通過(guò)加大葉輪入口直徑來(lái)改善吸入性能的方法，必須特別注意：不能導(dǎo)致吸入比轉(zhuǎn)速值嚴(yán)重超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（如UOP 5-11-7）規(guī)定的值，否則將導(dǎo)致泵的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間變得很窄。
2）葉片前緣形狀
Ravi Balasubramanian等對(duì)不同的葉輪葉片前緣形狀進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，只要滿足前緣葉片厚度的機(jī)械和制造約束，采用拋物線輪廓可以提高葉輪的吸入性能。橢圓輪廓的吸入性能次之，該形狀是前緣的默認(rèn)輪廓選擇，因?yàn)榇溯喞梢暂p松滿足葉片前緣厚度的機(jī)械和制造限制[1]。
3）葉輪蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑
由于葉輪進(jìn)口部分的液流在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用的影響，靠前蓋板處壓力低、流速高，造成葉輪進(jìn)口速度分布不均勻。適當(dāng)增加蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑，有利于減小前蓋板處（葉片進(jìn)口稍前）的絕對(duì)速度和改善速度分布的均勻性，減小泵進(jìn)口部分的壓力降，從而降低NPSHR，提高泵的抗汽蝕性能。
4）葉片進(jìn)口邊位置和進(jìn)口部分形狀
葉片進(jìn)口邊輪轂側(cè)向吸入口方向延伸，即采用后掠式的葉片進(jìn)口邊（進(jìn)口邊不在同一軸面，外緣向后錯(cuò)開(kāi)一定的角度），可使輪轂側(cè)液體流能夠提前接受葉片的作用、并增加壓力。
葉片進(jìn)口邊前伸并傾斜，使得各點(diǎn)的圓周速度不同，一般軸面速度沿進(jìn)口邊近似均勻分布，則進(jìn)口邊各點(diǎn)的相對(duì)液流角不同。為了符合這種流動(dòng)情況，減小沖擊損失，葉片進(jìn)口應(yīng)做成空間扭曲形狀，這就是目前很多低比轉(zhuǎn)速葉輪葉片進(jìn)口部分也做成扭曲葉片的原因[2]。
5）葉片進(jìn)口沖角
設(shè)計(jì)工況采用稍大的正沖角，以增加葉片的進(jìn)口角，減少葉片進(jìn)口處的彎曲，減少葉片的排擠，增加葉片進(jìn)口過(guò)流面積，從而改善吸入性能。同時(shí)，還會(huì)改善大流量下的運(yùn)行環(huán)境，以減少流量損失。但是，沖角不能太大，否則會(huì)影響效率[3]。
6）葉片入口厚度及光潔度
適當(dāng)減小葉片入口的厚度，并對(duì)葉片入口進(jìn)行修圓，使其接近流線型。減小葉片厚度不僅會(huì)擴(kuò)大葉輪吸入流道的面積、降低流速、增加壓力（葉片進(jìn)口形狀對(duì)壓降影響十分敏感），而且使葉輪和葉片入口部分的表面光潔度得到改善、減少阻力損失。這些措施均有利于改善泵的吸入性能。
7）平衡孔
葉輪上的平衡孔，其中的泄漏對(duì)進(jìn)入葉輪的主流起到一定的破壞作用（平衡孔面積應(yīng)不小于密封間隙面積的5倍，以減小泄露流速，從而減小對(duì)主流的影響）。研究表明，在葉輪上開(kāi)平衡孔時(shí)，將使葉輪后側(cè)的渦流強(qiáng)度降低，其中一些渦流甚至消失，泵的吸入性能得到改善[4]。
8）葉輪出口直徑
葉輪直徑的小幅度減小只會(huì)略微增加NPSHR。但當(dāng)直徑減小5% 至10%時(shí)， NPSHR將明顯增加，這是因?yàn)槿~片長(zhǎng)度減小會(huì)增加特定的葉片載荷，從而影響葉輪入口處的速度分布。
注意事項(xiàng)：
1）盡量避免采用加大葉輪入口面積的方法來(lái)改善吸入性能 - 避免吸入比轉(zhuǎn)速?lài)?yán)重超標(biāo)【如，對(duì)于BB2型泵，通常控制在14400（m3/h, m）以內(nèi)】[5]，否則極易引起入口回流，導(dǎo)致泵不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域擴(kuò)大。
2）應(yīng)避免出現(xiàn)葉片流道綜合癥汽蝕。這種汽蝕破壞是由于導(dǎo)葉（對(duì)于導(dǎo)葉式泵）或蝸舌（對(duì)于蝸殼式泵）與葉輪葉片外徑之間的間隙太小所引起的。當(dāng)液體流經(jīng)該小通道時(shí)，液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化，產(chǎn)生汽泡，然后在較高的壓力下破裂，導(dǎo)致汽蝕。
