图1　轴流式强制循环泵的结构
1.叶轮　2.副叶轮　3.密封　4.轴承箱
5.联轴器　6.电动机

　　根据不同化工产品的设计产量及工艺流程要求，常用强制循环泵的流量是800～6 000 m³/h，扬程2.5～4.0 m，比转数n_s为500～1 400。因此，除少数流程采用混流泵外，大部分均使用轴流泵。该泵的配套功率为37～160 kW。
1.2　存在问题及分析
　　在实际使用中，强制循环泵主要存在流量不足、效率低、抗汽蚀性能差、振动噪声大等问题。主要原因是设计参数与运行参数不符，系统中又无阀门调节工况，这使有些强制循环泵甚至不能运行，给泵制造厂商和泵使用厂家造成巨大的经济损失。
　　国内极少有人对强制循环泵进行专门的水力模型试验研究，设计中所选择的水力模型一般为性能优良的轴流式模型泵。实际使用中为防止流动过程中导叶上产生结垢而不能正常工作，故不设置导叶，加之吸入室为径向入流的弯管形，转弯后为一轴向长度极短的直管段（见图1），这便使两者产生了较大的差异。另外，不设置导叶会使叶轮出口处的旋转动能得不到利用。虽然由于旋转使流动的水力损失略有减小，但在低扬程的轴流泵中，旋转动能这部分能量所占总能量的比例要比离心泵大得多，从而使泵的效率有较大幅度降低。强制循环泵在流程中仅是整个蒸发器的一个部件，它的入流方式及总体布置尺寸要受到整体设备布置的限制，径向入流使得吸入室成90°弯管形。试验研究和理论分析均表明，在弯管内侧要产生附面层分离及旋涡损失；在二次流的影响下，还要产生附加能量损失。上述原因使得强制循环泵的性能达不到设计要求。泵的装置特性曲线是一条不变的曲线，若泵在规定流量点对应的扬程太低，则泵的特性曲线与装置曲线的交点（泵的运行工况点）必向小流量工况偏移。

2　实际设计参数的确定及影响曲线的绘制
2.1　实际设计参数的确定
　　若根据强制循环泵的特殊结构情况，进行原始设计研究，则计算理论扬程时可不考虑设置出口导叶的因素。但对现有水力模型进行不完全相似的选型设计时，实际计算参数必须在给定要求参数的基础上另行确定。
　　对于轴流式叶轮，叶轮进出口的圆周速度相等，即u₁=u₂。当假定流向叶轮的液体没有预旋时，叶轮进口的绝对速度的圆周分量ν_u1＝0，可知泵的理论扬程

（1）

式中　u₂——叶轮出口的圆周速度，
　　　ν_u2——叶轮出口的绝对速度的圆周分量，m/s²
　　　g——重力加速度，m/s²　　H——泵的扬程，m　　η_h——泵的水力效率，%
　　　n——泵的转速，r/minr——所求速度点的叶轮半径，m
　　要求出叶轮出口的旋转动能，必须先确定叶轮出口各点的ν_u2。由于绕每个圆柱断面上翼型的环量相等，ν_u2的大小与叶轮半径成反比，所以，叶轮出口的旋转速度应为各点ν_u2的平均值

（2）

式中　R、D——叶轮的半径、直径，m　　r_h、d_h——轮毂的半径、直径，m
　　　D_av——叶轮的平均有效直径^［2］，
　　若取泵的水力效率^［2］（η为泵的效率），则可得到，则叶轮出口的旋转动能为

（3）

　　这部分能量即为在设计过程中，由于去除导叶而带来的损失，实际上它就是扬程的损失。因此，在设计时应考虑到这部分能量的损失，应将其设计扬程提高（本文令其等于补偿扬程h_b），然后根据这一扬程选择一个性能优良的轴流式模型泵。从上述可知，由于考虑了去除导叶所带来的扬程降低，此时泵运行的最佳工况点基本能够达到设计要求，可以解决强制循环泵的选型设计难题。
2.2　影响曲线的绘制
　　为了更好地利用以上方法，可以根据厂家提供的设计要求参数绘制曲线，以供泵设计者参考，使泵在实际使用中能较好地满足设计要求。
　　根据目前的使用参数资料，对于式(3)中的参数，可以假定泵的转速n、流量Q及泵的效率η不变，建立同一叶轮直径D不同扬程H时，出口动能大小的对应关系。
　　在绘制曲线的过程中，由于泵的比转数n_s、叶轮直径D及扬程H三个参数对设计者更为直接，比较便于应用，故提供了叶轮直径D为某一常数时，比转数n_s及扬程H与叶轮出口的旋转动能(在数值上等于补偿扬程h_b)之间的关系曲线。泵设计工作者在设计泵时只需按此关系曲线查出某一扬程H及比转数n_s时叶轮出口的旋转动能，并用叶轮直径将两曲线联系起来，即可选出合适的叶轮出口的旋转动能。泵的扬程按H＋h_b进行计算，这可以使泵的设计参数与运行参数基本吻合。
　　在轴流泵的设计过程中，比转数可由上面的已知量求得，叶轮的轮毂比可根据比转数n_s来选定，见表1^［3～6］。由此，根据轮毂比，对不同的叶轮直径D即可算出D_av。这样，就可以得到在相同的叶轮直径D下不同的泵的扬程H与叶轮出口的旋转动能之间的关系曲线，此时再变换直径这一参数即可得到一组曲线，见图2；同样，假定叶轮直径D、流量Q及泵效率η不变的情况下，对于不同的比转数n_s，其扬程H是随比转数n_s变化而变化的，此时也可将比转数n_s作为横坐标，作出其与叶轮出口的旋转动能之间的关系曲线，见图3。据此，可进行比较准确的参数选择。

表1　轮毂比d_h／D与比转数n_s的关系

图2　H与h_b的关系

图3　n_s与h_b的关系

3　结束语
　　从理论上解决了目前国内化工行业中使用的强制循环泵——无导叶轴流泵选型设计上存在的主要问题，给出了补偿曲线。这对该类型泵的选型设计具有一定的实用意义。按此方法对国内某厂产品进行了泵的选型设计及结构的有关改进^［7］，经性能测试及用户使用证明，运行参数基本达到设计要求。
　　为进一步提高强制循环泵的性能指标，应针对化工设计部门提出的使用参数，进行专门的水力模型的设计及试验研究，研制出符合流程要求的强制循环泵的高效模型泵，以供用户选择。

作者单位：杨敏官　江苏理工大学动力系　教授， 212013　镇江市
　　　　　孙国梓　江苏理工大学动力系　硕士生

参考文献
　1　杨敏官. 轴流式强制循环泵的选型设计. 江苏理工大学学报, 1997, 18(6): 24～28
　2　［美］斯捷潘诺夫 A J. 离心泵和轴流泵理论、设计和应用. 徐行健 译. 北京: 机械工业出版社, 1980.
　3　查森. 叶片泵原理及水力设计. 北京: 机械工业出版社, 1988.
　4　关醒凡 编. 现代泵技术手册. 北京: 宇航出版社, 1995.
　5　丁成伟. 离心泵与轴流泵原理及水力设计. 北京: 机械工业出版社, 1981.
　6　沈阳水泵研究所, 中国农业机械化科学研究院 编. 叶片泵设计手册. 北京: 机械工业出版社, 1983.
　7　杨敏官. φ500mm轴流式强制循环泵的改进设计. 流体机械, 1997(11): 32～35