離心泵在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中起著至關重要重要的作用，其廣泛用于電力、化工、礦產(chǎn)、污水排放、物料輸送、農(nóng)業(yè)灌溉等領域，同時也是各工況領域內(nèi)耗能大的機械設備，總耗能占到全國發(fā)電總量的40%左右。而由于流體機械結(jié)構(gòu)的*性，其設計效率普遍不高，據(jù)有關文獻統(tǒng)計，高比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在65%~85%，中比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在75%~50%，低比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在50%左右，甚至更低。加上在選型階段的工況偏差，實際效率往往低于設計點的較率，使得泵在使用過程中，能源利用率低，能耗過大，造成嚴重的浪費。因此找到提高離心泵綜合效率的方法措施，對節(jié)能減排具有重大意義。

影響離心泵效率主要有三個方面：1） 設計結(jié)構(gòu)不合理，泵本身效率低；2）選型不當，與原動機及中間調(diào)速機構(gòu)匹配不合理；3）*運行時間短，維護維修不到位，造成整個生命周期內(nèi)經(jīng)濟運行成本高。以上因素導致了離心泵實際運行效率不高，現(xiàn)從其設計開發(fā)到使用維護各個環(huán)節(jié)入手、分析，總結(jié)問題的根源，并提出改善效率的主要措施，以供設計者和使用者參考。

1 設計階段的結(jié)構(gòu)改進措施

1.1 影響離心泵的各項損失分析及應對措施

以設計的角度來看，影響離心泵本身效率的損失包括：機械損失、容積損失與水力損失。

1）機械損失。指軸承、軸封及葉輪圓盤摩擦引起的損失，其中前兩項損失約占總功率的1%~3%，是機械的一般性損失，在此不進行討論，而主要考慮圓盤摩擦損失P d 。計算圓盤摩擦損失的經(jīng)驗公式很多，原石家莊雜質(zhì)泵研究所的何希杰教授對此做了詳細的整理、試驗驗證和結(jié)果對比，提出了更為的計算公式：

式中：R e 為雷諾系數(shù)；γ為液體重度；g為重力加速度；μ ₂ 為葉輪出口速度；D ₂ 為葉輪外徑。

此公式與其他公式形式一致，區(qū)別在于其在試驗的基礎上利用回歸分析的數(shù)學方法優(yōu)化了參數(shù)系數(shù)，表明圓盤摩擦損失與轉(zhuǎn)速的三次方及葉輪直徑的平方成正比關系。由此可見，如果在設計過程中盡量提高轉(zhuǎn)速、減小葉輪直徑，有助于降低圓盤摩擦損失，同時也可以降低泵體尺寸，符合離心泵設計的基本理念。

2）容積損失。主要指介質(zhì)從出口到入口的回流和平衡孔與多級泵級間泄漏引起的損

失，比較直觀，如圖1所示。對此項計算，經(jīng)驗公式也很多，但本質(zhì)問題仍與結(jié)構(gòu)有關，因為口環(huán)間隙、葉輪與泵體件及平衡孔等結(jié)構(gòu)的客觀存在，必然導致泵體內(nèi)的流體從高壓區(qū)流入低壓區(qū)。對于給定的離心泵，要提高容積效率，必須降低泄漏量，可采取的措施包括：

a.減少密封間隙的環(huán)形面積或增加密封環(huán)間隙阻力，實現(xiàn)回流節(jié)流，不僅有助于降低容積損失，同時也有助于降低圓盤摩擦損失。對此做了深入地研究分析，其中以低比轉(zhuǎn)速離心泵為對象，證明了口環(huán)的減小能顯著提高泵的整體效率，且與葉輪形式無關，并進一步給出了總效率的計算公式（2），可以看出總效率是泄漏量q的二次函數(shù)，并存在極值。

η=(η_h/PQ t)［－(ρgH－ρgH_1sp －ρgH_c )q² +(ρgQ_tH－ρgQ_tH_1sp －ρgQ_t H_c －p+P_m′)q+(p－P_m ′)Q_t ］  （2）

式中：η為總效率；η_h 水力效率；P為軸功率；Q_t 為理論流量；ρ為流體密度；g為重力加速度；H_1sp 為流出口環(huán)后泄漏液體具有水頭；H_c 為口環(huán)間隙中總壓降水頭；P_m ′為未考慮泄漏的圓盤摩擦損失。

b.減小葉輪與泵體的間隙，尤其是開式葉輪與前泵蓋之間的間隙。從多年的實踐來看，這種措施，一般都會使離心泵（低比轉(zhuǎn)速的居多）綜合效率提高1%~3%，甚至更高，且間隙的調(diào)整越小提高的比率越大。除此之外，口環(huán)間隙的減小還可以提高流量揚程等指標。

c.取消平衡孔結(jié)構(gòu)，代之以增加背葉片結(jié)構(gòu)，或在多級泵中采用葉輪背靠背設計，既能保證葉輪的軸向平衡，又有助于容積效率的改善。結(jié)構(gòu)間隙的減小，一定程度上增加了制造的困難及成本，應當綜合考慮，但隨著加工制造技術(shù)高精化發(fā)展，許多間隙已可調(diào)整的很小，如部分離心泵口環(huán)間隙已經(jīng)做到0.1 mm，葉輪與泵體間隙能做到0.3 mm ，對提高離心泵的綜合效率是非常明顯的。

3）水力損失。是液體流過泵的過流部件時產(chǎn)生的水力摩擦損失和沖擊、脫流等局部損失，也稱沿程損失，主要產(chǎn)生于葉輪、壓水室和吸水室之內(nèi)，與過流部件的幾何形狀、表面粗糙度、液體黏度和流速等因素有關。盡管許多文獻著眼于此，但由于流體在泵內(nèi)流動的

復雜性，計算每項損失非常困難，通用性也差，許多研究者只能以統(tǒng)計學手段進行分析估算，其中談高明等對該項損失進行了詳細研究，值得參考，其思路是:按照管道沿程損失的計算模式將離心泵水力損失分為摩擦損失、局部損失、擴算損失或收縮損失等幾部分，分別對各結(jié)構(gòu)的過流部件進行水力損失計算，同時用回歸分析法對以往經(jīng)驗系數(shù)進行修正并進行試驗驗證，得到了更為的計算公式，提高了其通用性和實用性。

1.2 提高離心泵自身效率的優(yōu)選結(jié)構(gòu)

從各文獻研究結(jié)果以及實際分析表明:幾何結(jié)構(gòu)與離心泵自身效率有密切聯(lián)系，雖然許多經(jīng)驗公式都是基于統(tǒng)計學的數(shù)學方法，參數(shù)修正亦有不同，但從改變幾何結(jié)構(gòu)以提高離心泵效率的手段是行之有效的，由于泵模型的多樣性，現(xiàn)僅以定性的方式，對主要幾何參數(shù)對泵的效率影響加以分析論述。

1）葉片的彎曲形狀。在離心泵發(fā)展過程中，先后出現(xiàn)三類比較有代表性的葉片形狀，包括直葉片、前彎葉片以及后彎葉片。前彎葉片可以使流體具有較高的初速度，但不能給流體提供較大的靜壓能，造成沿程損失及沖擊損失高，能量轉(zhuǎn)移效率低，這種葉片的離心泵效率一般很難過50%，利用價值不高，多見于低比轉(zhuǎn)速泵中，事實上有逐漸被淘汰的趨勢。

與其相反，后彎葉片式葉輪，主要將動能轉(zhuǎn)化為流體的靜壓能，流體依靠靜壓能差從泵體中流出，流體流速低，由此造成的沖擊損失及沿程損失相對較少，降低了轉(zhuǎn)能量化過程中的損失，符合離心泵“在滿足揚程的情況下，盡量大的輸送物料”這樣一種客觀需求，是比較主流的葉片形式，在中高比轉(zhuǎn)速的離心泵中非常普遍，其效率多分布在65%~85%區(qū)間內(nèi)，部分性能好的能達到90%以上。直葉片形式的葉輪，效率介于前兩者之間，一般不高于65%，多用于切線泵。

另外從葉片的曲線形式來看，又分為單曲率圓柱葉片、多曲率圓柱形葉片以及扭曲形葉片。其中扭曲性葉片以三元流設計方法入手，改變不同流面處的液流角，使相同流面內(nèi)的流體獲得基本一致的靜壓能及流速，避免內(nèi)部液流的相互“侵擾”，降低葉輪進口的沖擊損失，改善了流體在葉輪中的流動狀態(tài)，是提高離心泵綜合效率的有效方法之一。

2）長短葉片相間。長短葉片的工作機理是通過在主葉片之間增加尺寸較短的分流葉片，能夠?qū)θ~輪內(nèi)部液流起到導向作用，控制內(nèi)部流動分離的發(fā)生，降低混流湍流，實踐研究表明，分流葉片長度及位置的合理設計可降低射流-尾跡結(jié)構(gòu)，有效提高離心泵的綜合效率和其他性能。

3）葉片數(shù)量及厚度。從理論上講，葉片數(shù)量越少，厚度越薄，對流體的排擠效應越小，其效率越高，但這兩項參數(shù)又關乎離心泵的揚程及結(jié)構(gòu)強度，一味地追求效率指標勢必影響到其綜合性能，為此，設計過程中對此兩參數(shù)的處理應做到保證基本性能的前提下，盡量減少葉片數(shù)量并減薄葉片厚度。

4）葉片進出口安放角。通常離心泵設計時葉片進口角略大于液流角，相差范圍一般在3°~5° ，采用正沖角能減小葉片彎曲，進而增加葉片進口過流面積和減小葉片排擠，有利于提率；而選擇較大的出口安放角，可以增大揚程，減小葉輪直徑，從而降低圓盤摩擦損失，同樣可以一定程度上提高離心泵效率，但出口安放角增加，相同流量下葉輪出口速度增加，壓水室水力損失增加，相對流動擴散嚴重，反而不利于綜合效率的提高，一般出口安防角在22°~30° 之間。

5）葉片包角。離心泵設計過程中，對其他幾何參數(shù)有比較明確詳細的解釋論證，但對葉輪包角的選擇留有相當大的空間，其選取仍以滿足性能為前提條件。過小的葉片包角會降低葉片對流體的控制能力和液流的穩(wěn)定性。從此角度講，增大葉片包角有利于改善離心泵性能，而且隨著包角的增大，流道內(nèi)的流動擴散減小，流動更貼近葉片形狀，水力損失會減?。坏沁^大，葉片的摩擦面積偏大，流道內(nèi)摩擦阻力會增加，反而不利于效率的提高。依此可以看出，應當存在使離心泵效率高的葉片包角，需進行進一步研究。

6）壓水室。壓水室主要作用是從葉輪中收集流出的液體，并輸送到排出口或下一級葉輪入口，降低液流速度，使速度轉(zhuǎn)換成壓能，消除流體的旋轉(zhuǎn)運動，避免由此造成過多的水力損失，壓水室的設計對提高離心泵綜合效率有重要的影響，但其結(jié)構(gòu)已基本成熟，主要有三種：螺旋形壓水室、葉片式壓水室、加導葉的壓水室。從效率角度講，螺旋形壓水室中的流動理想，半徑向排出口逐漸增加，有利于實現(xiàn)動能向壓能的轉(zhuǎn)換，能消除流動過程的旋轉(zhuǎn)分量，水力損失小，范圍寬，是應當首先考慮的設計結(jié)構(gòu)。

7）吸水室。吸水室功能是把液體按要求的條件導入葉輪，流體速度較小，由此造成的水利損失相對于壓水室而言要小的多，但內(nèi)部的流動狀態(tài)會直接影響葉輪中的流動情況，對泵的效率也有一定影響，尤其在低揚程泵中，占揚程比例較大，其設計應首先考慮滿足葉輪進口要求的速度場，如速度分布均勻性、大小、方向等因素。此處僅對部分主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)對離心泵效率的影響進行了論述，許多因素還未被涉及，比如隔舌角度、流道粗糙度選擇等，而且多是單方面的，事實上離心泵許多參數(shù)是相互干涉相互影響的。例如葉片出口安放角的提高會減小摩擦損失，卻又增加了沖擊損失等，還會影響到綜合水力性能，今后仍需要做細致定量研究分析。此外在設計手段上應更好地利用CFD計算流體軟件進行驗證，既能降低試驗的成本，又便于理論上的分析。

2 選型應用的改進措施

造成離心泵實際效率低的另一重要原因是不合理的選型應用，這主要包括兩方面的因素：一是選型時片面地追求流量揚程參數(shù)或者體積小型化，而造成的偏離泵設計區(qū)間太多；二是傳遞鏈復雜，且各個機構(gòu)之間不匹配，綜合效率低。解決此類問題，宜從以下入手。

2.1 明確離心泵點，盡量使泵工作在范圍區(qū)

離心泵在設計工況點效率較高，如果管路阻力曲線與泵外特性曲線在該點交叉，是理想的應用狀態(tài)，如圖2（a）中的P點，但現(xiàn)場工藝條件各異，有時候還存在變工況的應用，使得泵很難工作在設計點，如單靠為每個工況點設計專門的離心泵來解決，很不現(xiàn)實。事實上，許多廠家或標準根據(jù)實際情況規(guī)定效率波動的5%~8%為其區(qū)，如圖2（b）中的a、b之間，再在此基礎上進行速度變換或切割葉輪實現(xiàn)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)，擴大了其工作應用范圍,如圖2（c）中的ABCD之間，在此區(qū)間進行性能參數(shù)調(diào)節(jié)，至少是合理的。

2.2 簡化傳動鏈，合理匹配各機構(gòu)工作范圍

一般離心泵應用時，大都采用與電動機或發(fā)動機直連，復雜一點的兩者中間會加入齒輪箱或耦合器，更復雜的機構(gòu)在消防車、灑水車等特種車輛上應用較多，如圖3所示，除了取力器變速外，泵本身亦帶有齒輪箱，這樣做的目的是為了使泵本身與發(fā)動機轉(zhuǎn)速匹配，以便適用于多種車型，但兩級速比的傳動結(jié)構(gòu)，勢必會增加功率損耗，影響效率，且可靠性低，可以通過適合消防的泵型設計及合理的取力器速比選取來簡化傳動鏈，以達到提率和可靠性的目的。

在變工況運行情況下，基本已經(jīng)摒棄了調(diào)節(jié)出口閥門實現(xiàn)的做法，但應用中也應注意：1）離心泵的工作范圍是否超過了區(qū)，宜選用范圍寬的離心泵；2）原動機或中間機構(gòu)是否工作在的范圍，如變頻電動機的區(qū)、柴油機或汽油機的低耗燃油區(qū)、耦合器的區(qū)等。

如果每個環(huán)節(jié)多損耗5%或更高，對整體機組效率的影響是明顯的。例如：假定電動機額定效率是90%，變頻器額定效率是85%，泵額定效率是75%，整個機組效率為90%×85%×75%=53.75%。偏離設計工況點后，假如泵效率70%，其他效率權(quán)且以低5個百分點來計算，綜合效率變?yōu)?/span>85%×80%×70%=47.6%，變頻系統(tǒng)不但起不到節(jié)能作用，反而成了耗能設備。由此可見，做好離心泵選型及配套設計工作非常重要，需具體問題具體分析。

3 運行維護維護階段的措施

以往在追求離心泵效率提高的理念上，往往多關注泵的設計與應用選項，而忽略后期的維護保養(yǎng)，這是片面的。事實上過流件及其傳動件的磨損對離心泵的效率影響非常大，特別是雜質(zhì)泵，由于磨損造成效率下降10%~20%的現(xiàn)象非常普遍，有的甚至燒毀電動機而不能正常工作；除此之外，還會影響到離心泵的可靠性、維修性、保障性、安全性等指標，與各離心泵結(jié)構(gòu)及應用工況有關。雖然在策略上，各廠家建議要求的維護方式及周期略有不同，但應注意檢查口環(huán)間隙、葉輪蓋板與泵腔間隙、葉片及其他過流件的磨損、機封與軸承的磨損，嚴格按照要求更換易損件、過流件及耗材，清理泵腔異物，保證管道清潔，都將有助于保障離心泵長期運行在范圍，提高其使用壽命和*運行時間，也是一種間接意義上的效率提高。

4 結(jié)語

1）離心泵各過流部件的結(jié)構(gòu)是影響其效率的根源，提高轉(zhuǎn)速，減小葉輪直徑、減小各間隙、優(yōu)選結(jié)構(gòu)組合是提升泵自身效率的有效手段;2）合理地應用選型及傳動設計對提高整機效率影響明顯，盡量使各個機構(gòu)工作在自身范圍內(nèi);3）泵的使用維護應當重視，按要求檢查各間隙，更換易損件有助于保障運行。效率是評價一種產(chǎn)品的重要經(jīng)濟技術(shù)指標，中國工業(yè)已經(jīng)進入成熟期，許多產(chǎn)品，尤其是綜合效率不高的離心泵，仍需要進行精細化、高品質(zhì)研究，不僅對提升整體產(chǎn)品質(zhì)量、品牌效應及綜合競爭力有很大幫助，而且符合節(jié)能減排的國家宏觀政策和綠色經(jīng)濟發(fā)展的時代理念，是未來泵產(chǎn)品及應用研究的主要方向。