离心泵流动损失
液体从离心泵的进口到出口的过程中发生的损失称为流动损失，流动损失包括冲击损失和摩阻损失。
1. 冲击损失
在离心泵的设计过程中，认为泵在额定流量点工作时，液流进入叶片的相对液流角β1'与叶片的进口安放角β1相一致，即进口冲角为0°，理论上不会产生冲击损失。但用户在使用的过程中，很难保证离心泵在设计工况下工作，流量的大小也会发生变化。而流速和流量有关，当流量发生变化时，进入叶轮的液流的速度大小和方向也会发生变化，而叶片的方向是固定不变的，如果相对液流角与叶片的进口安放角不一致，在叶片进口处就会产生冲击损失。西安泵阀总厂有限公司生产的单级单吸离心泵绝大多数都是直锥形吸入室，现以直锥形吸入室为例（见图1），Vm1为进口轴面速度，u1为进口圆周速度，W1为进口相对速度 。当流量发生变化时，相对速度也会发生变化，而冲击损失与相对速度有关。实际运行工况偏离设计工况越远，冲击损失越大，这种损失与流速或流量的平方成正比。冲击损失h 冲为：
图1 流量变化时的速度三角形
如图2和图3所示，当Q ＜Qe时，液流以小于叶片进口安放角的角度（β1'<β1）冲击叶片的工作面，把液流挤到叶片工作面上，由于边界层内液体质点的动能不足以克服相对速度的减小所增加的压力，故在叶片背面上形成漩涡。当Q＞Qe时，液体以大于叶片的进口角的角度（β1'＞β1）冲击叶片的背面，液体被压到叶片的背面，在叶片的工作面上形成漩涡，损耗能量。
压水室的过流面积和形状也是按额定流量点设计的，理论上在额定流量点叶轮出口绝对速度的大小和方向与压水室进口流速的大小和方向一致。当偏离额定流量点时，从叶轮中流出的液体的绝对速度的大小和方向发生变化，压水室的水力损失和绝对速度有关；同时，压水室中的流速的大小和方向也发生变化，流量增大，流速增加，反之亦然。而流动方向是由压水室的形状所决定的，不随流量变化。所以，当偏离额定流量点时，从叶轮中流出的液体与压水室中的液流汇合，这两股速度大小和方向不同的液流相汇，必然产生漩涡，即发生冲击损失。
图2 冲击损失和流量的关系
图3 叶轮叶片
2. 摩阻损失
液体流经吸入室、叶轮、蜗壳或导叶等过流部件产生的摩擦阻力损失以及液流因转弯、突然收缩或扩大等所产生的局部阻力损失统称为摩阻损失。
液流在流道中运动时，流体质点的运动极不规则，在流体力学中，把流体质点的运动状态分为层流和紊流。层流状态的沿程阻力损失与速度的一次方成正比，而紊流状态的沿程阻力损失与速度的1.75～2次方成正比。流道截面积变化越大，紊流成分越大，液体与流道表面的摩擦阻力越大，则能量损失越大。在离心泵的设计中发现，流道越细，则液体与流道表面接触面积越大，摩擦阻力损失越大。液体黏度越大，液体流动过程中摩擦阻力损失越大。流道截面变化不均匀，突然收缩或扩大等所产生的局部阻力损失也越大。
文献[6]中提到叶轮流道内的摩擦阻力损失相关计算公式有：
从式（2）和式（3）可以看出，叶轮流道的摩擦阻力损失与叶轮外径D2、叶片数Z成正比。在水力设计的时候，可以考虑通过减小D2和Z 来减小叶轮流道内摩擦阻力损失，提高水力效率。但由于叶轮外径D2和叶片数Z 与泵的扬程有关，不能一味地降低D 2和Z 来提高效率。所以设计者在水利设计时要综合考虑D2和Z 的取值，以求达到良好的水力效率。
优化措施
1. 优化水力设计
- 减小进口相对速度可以降低扩散损失和冲击损失，所以，设计人员在水力设计时，在满足流量和扬程的前提下，适当地使叶片吸入口前伸并减薄，使液体提早受到叶片作用，以减小进口相对速度。
- 在低比转速离心泵中，效率首先取决于叶轮摩擦阻力损失和出口损失，因此，在设计中注意力应集中在改进蜗壳和叶轮的水力模型；在高比转速离心泵中的主要损失是叶轮流道中的摩擦阻力损失和相对速度降低所造成的能量损失，因此，在高比转速泵的设计中应力求减小摩擦面。
- 设计者在设计时应考虑泵的运行状况，如果泵长时间在小流量工况下运行时，设计时应减小叶片的进口安放角；如果泵长时间在大流量工况下运行时，应增大叶片的进口安放角，以此来减小进口冲击损失。
- 设计人员在水力设计时应尽可能地减小叶轮外径和叶片数来降低沿程损失，或者由于径向尺寸的限制，必须减小叶轮外径D 2，这样在保证扬程的前提下，D 2减小以后，需要选用较大的叶片出口安放角β 2和足够的叶片数，这样就会导致进口严重排挤，同时也会引起流道扩散严重。为了解决上述问题，对于低比转速离心泵，较好的方案是采用长短叶片，即复合叶片的方式来解决问题。
- 使相邻叶片间流道出口和进口面积之比控制在1.0～1.3，能够减小流动的扩散损失，从而提高水泵的效率。若该比值大于1.3，流道扩散严重，效率下降。
- 文献[1]指出，在涡室（导叶）宽度较小时，可以通过保留叶轮盖板切割出口叶片，来防止流动扩散，产生冲击损失。
- 取较大的出口安放角β 2，可相应地减小水力损失；一般β 2取20°～30°，高比转速取小值，低比转速取大值。
- 流道的水力半径越大越好，尽可能地使叶片进口截面接近正方形，以减少摩擦损失。由水力学知道，过水断面面积和湿周的比值叫做水力半径，即水力半径=过水断面面积/湿周。湿周大，实际上就是液体与壁面的接触面积大，所以液体与壁面的摩擦损失也大。
2. 优化加工工艺和使用条件
- 用户选用泵时，为了保证泵能够高效的运行，应当给泵一个优先选用的工作区，此工作区位于所提供泵的最佳效率点流量的70%～120%，额定流量点位于所提供泵最佳效率点流量的80%～110%。
- 在离心泵上使用高效节能的永磁调速电动机及双功率电动机等新型节能产品，来提高机组效率。
- 变频节能技术的应用，当泵的流量变化较大时，用户可以采用变速调速装置，因为这样调节没有节流损失，泵的效率变化不大，可以保证泵在高效区运行，取得良好的节能效果。
- 采用涂镀等方法改善流道的表面粗糙度，减少水力损失。
- 流道表面应尽可能地光滑，流道变化应平缓，避免在流道内存在尖角，突变转弯的情况；不得有粘砂、飞边和毛刺等缺陷。
参考文献
[1]关醒凡．现代泵理论与设计[M]．北京：中国宇航出版社，2011．
[2]叶朝东．叶片泵中能量损失的探讨[J]．通用机械，2017（4）：74-75．
[3]袁寿其．低比转速离心泵理论与设计[M]．北京：机械工业出版社，1997．
[4]张凤羽．流体力学[M]．北京：中国水利水电出版社，2013．
[5]丁成伟．离心泵与轴流泵[M]．北京：机械工业出版社，1981．
[6]谈明高，刘厚林，袁寿其．离心泵水力损失计算[J]．江苏大学学报（自然科学版），2007（5）：405-408．
[7]马雄飞．提高离心泵效率的探讨[J]．机械工程师，2012（6）：148-150．
[8]于志铭，梁向阳，尹翠凤．影响离心泵效率的因素及提高措施[J]．中国设备工程，2006 （6）：39．
以上节选自《通用机械》
离心泵流动损失与优化措施的探讨
作者：樊昊民 王 辉 李永龙
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