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[摘 要]作者对QP50-160型清水离心泵进行了水力设计。主要对叶轮、泵体进行了设计。利用速度系数法对叶轮、压水室、吸水室等水力部件进行了水力尺寸设计，并对泵轴、叶轮、泵体等主要部件进行强度校核。对水力元件进行设计时，主要考虑泵的水力性能达到高效率和高汽蚀性能的要求。
[关键词]离心泵 水力性能 水力设计 强度校核
中图分类号：S277.9；TH311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0099-01
1 前言
泵在国内是应用相当广泛的能用机械产品，不管是农业机械，还是工业机械，应用都很普通，大体类型主要有齿轮泵，离心泵，真空泵，液压齿轮泵，螺杆泵，高压齿轮泵，污水泵等等。基本用途主要用来输送液体，包括水，油，乳化液，液态金属等，也可以输送液体、气体混合物。
改革开放后，引进了一批国外技术，许多企业逐渐走上了以转化国外技术为主的发展道路，国家提出的“引进、消化、吸收、创新”方针，在实际执行过程中，真正做到消化吸收、自主创新的少，陷人了引进一转化一再引进的发展怪圈之中。
國家对国企的抓大放小和机械行业主管部门的撤消，使泵行业处于群龙无首的自由发展状态。国有大中型泵厂人才、技术流失，厂房设备大量闲置。在市场经济浪潮中，在外企和民营企业的夹击下，国企失去了竞争能力，多数被瓜分、被兼并、被合资或破产，上海水泵厂的消失，沈阳水厂的被重组更是令人遗憾。
2 清水离心泵情况
2.1 设计技术的发展
随着近年来国内外科学技术的发展，计算机技术的发展是异常迅速的，为离心泵设计研究带来了理想的手段，CAD、CAT、CFD技术在离心泵设计工作中的应用，对离心泵设计水平的提高有着非常重要的意义。
2.2 制作材料性能提高
材料性能对泵产品的性能有着举足轻重的作用，甚至在一定程度上决定了泵的工作范围，因此过去几十年科技工作者对泵材料的性能进行了深入研究，开发出了不少由特殊材料制造的泵，拓宽了泵的工作范围，为单级单吸泵的发展做出了巨大贡献。
2.3 先进制造技术的发展
随着CAM技术的快速发展和在泵行业的应用，对离心泵效率技术指标的提高是非常有利的。目前泵行业的部分企业已将该技术应用于水力模型模具的制作、零部件的制造加工，极大的提高水力尺寸的准确性和过流表面或流道表面的粗糙度精度，提高了效率指标。
2.4 相应配套技术的发展
与离心泵有关的配套技术最近得到了较大的发展，例如：电动机的设计与制造、自动调速、自动控制、自动报警、传动系统、密封设计制造技术、新材料、试验测试技术等等，这些技术的全面发展对提高离心泵系统的效率指标、可靠性指标及其它性能指标非常有利。
3 水力设计计算
3.1 国内外技术水平差异
国内单级单吸清水离心泵的效率合格率总体平均水平与国家标准相比偏低，没有达到国家标准要求，但按照国家标准GB/T3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》检测下限评定，多数产品仍然属于传统的合格品，合格率分布的比转速范围较大。比转速越低，合格品分布值越高。汽蚀余量的合格率总体水平与国家标准相比较略高，达到国家标准要求。比转速越低，汽蚀性能越好。卧式结构的效率、汽蚀余量在低比转速的范围内合格率分布值相对高一些。
國外卧式单级单吸清水离心泵，总体技术水平要比国内的技术水平要高一些，总体平均水平与国家标准规定值相比略高，达到国标要求。
3.2 水力设计的主要方法
3.2.1 相似设计法
相似设计法是根据流体力学中的相似原理， 选用性能好且与所设计泵相似的模型泵， 对其过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小而进行设计。其对模型泵的要求是：①与设计泵具有相等或者相似的比转速；②效率、抗气蚀性能、特性曲线均符合要求； ③技术资料齐全；④所设计的泵和模型泵雷诺数之比= 1.0～1.5。这样设计出的泵一般具有和模型泵相等或者相近的性能。
3.2.2 速度系数法
速度系数法就是设计时按选取速度系数，作为设计叶轮尺寸的依据。速度系数法实质也是相似设计，只是它是建立在一系列而不是1台相似泵的基础上，它是利用大量的经验公式、统计系数计算各个过流部件的尺寸。对于缺少合适的模型泵的情况，一般都广泛地采用速度系数法来确定泵各部件的尺寸。速度系数法总的经验公式和半经验公式很多，对于同一个变量的确定往往有不同的经验公式可以利用，因而不是生搬硬套就能设计出优秀的水力设计，而往往要融入设计人员的经验和智慧。和相似设计法一样的是，用速度系数法进行产品设计时，虽然设计计算比较方便，但是产品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系数法设计产品时，应结合模型试验，不断创造新的优秀的模型，并充分应用这些模型的速度系数图，才能提高产品的水平。
3.3 技术参数及泵能量损失分析
3.3.1 主要技术参数
本设计所提供的原始参数如下：流量Q=12.5m3/h，扬程H=32m，转速n=2900r/min，效率η=54%，汽蚀余量NPSH=2.0m。
此外比转速是比较重要的一个参数。其计算公式如下：
比转速的高低直接影响到泵效率的高低，=120～210的范围，泵的效率最好，当<60时，泵的效率显著下降；泵特性曲线的形状也和大小有关；比转速还和泵的级数有关，级数越多，越大。
3.3.2 能量损失分析
泵是把原动机的机械能转换成输送液体能量的机器。泵在能量传递的过程中， 要损耗一部分能量， 这部分损耗的能量包括机械损失、容积损失、水力损失， 要想提高泵的效率， 必须降低这部分的能量损耗。
1 机械损失
机械损失是指泵的轴封、轴承及叶轮圆盘摩擦损失所消耗的功率， 轴封和轴承摩擦损失功率ΔN很小，通常采用经验公式：
ΔN = （0.01～0.03）N
式中 N ——泵的轴功率
当采用机械密封时， 损失小于此公式的计算结果。其中圆盘摩擦损失是指叶轮外表面与液体
之间摩擦损失，通常采用经验公式：
式中 ΔNdf——泵的圆盘摩擦损失；
γ——输送液体的比重；
n——泵的转速；
D2——叶轮外径。
圆盘摩擦损失比较大， 在机械损失中占主要部分，尤其对于低转速的离心泵，圆盘摩擦损失急剧增加。当=30时，圆盘损失增大到接近于有效功率的30%。
2 容积损失
由于泵内部间隙压力大小不等， 液体在泵体内部循环流动， 因克服间隙阻力而产生的损失称为容积损失。容积损失大小主要与间隙的大小和泵的结构有关， 泵产品对间隙大小有统一的标准规定；泵的结构是由于泵内在的功能所要求的，不能轻易变动，如叶轮的平衡孔等。因此，对于一般产品要想进一步减少容积损失的潜力不大。
3 水力损失
水力损失是指液体与壁面的摩擦损失和液体在运动时速度的大小和方向变化时， 产生的旋涡损失、冲击损失等。损失的大小与液体速度的平方成正比。泵的吸入室、叶轮、压水室都有水力损失，叶轮占的比例最大，压水室次之，吸入室最小。
参考文献
[1] 关醒凡编.泵的理论与设计.北京，机械工业出版社，1987.2.
[2] 东北电力学院编.离心水泵.北京，水利电力出版社，1983.7.
[3] 合肥通用机械研究所编.机械工业知识丛书——泵.北京，机械工业出版社，1977.9.
[4] 姜培正编.过程流体机械.北京，化学工业出版社教材出版中心，2001.8.
[5] 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院主编.叶片泵设计手册.重庆，机械工业出版社，1983.7.
[关键词]离心泵 水力性能 水力设计 强度校核
中图分类号：S277.9；TH311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0099-01
1 前言
泵在国内是应用相当广泛的能用机械产品，不管是农业机械，还是工业机械，应用都很普通，大体类型主要有齿轮泵，离心泵，真空泵，液压齿轮泵，螺杆泵，高压齿轮泵，污水泵等等。基本用途主要用来输送液体，包括水，油，乳化液，液态金属等，也可以输送液体、气体混合物。
改革开放后，引进了一批国外技术，许多企业逐渐走上了以转化国外技术为主的发展道路，国家提出的“引进、消化、吸收、创新”方针，在实际执行过程中，真正做到消化吸收、自主创新的少，陷人了引进一转化一再引进的发展怪圈之中。
國家对国企的抓大放小和机械行业主管部门的撤消，使泵行业处于群龙无首的自由发展状态。国有大中型泵厂人才、技术流失，厂房设备大量闲置。在市场经济浪潮中，在外企和民营企业的夹击下，国企失去了竞争能力，多数被瓜分、被兼并、被合资或破产，上海水泵厂的消失，沈阳水厂的被重组更是令人遗憾。
2 清水离心泵情况
2.1 设计技术的发展
随着近年来国内外科学技术的发展，计算机技术的发展是异常迅速的，为离心泵设计研究带来了理想的手段，CAD、CAT、CFD技术在离心泵设计工作中的应用，对离心泵设计水平的提高有着非常重要的意义。
2.2 制作材料性能提高
材料性能对泵产品的性能有着举足轻重的作用，甚至在一定程度上决定了泵的工作范围，因此过去几十年科技工作者对泵材料的性能进行了深入研究，开发出了不少由特殊材料制造的泵，拓宽了泵的工作范围，为单级单吸泵的发展做出了巨大贡献。
2.3 先进制造技术的发展
随着CAM技术的快速发展和在泵行业的应用，对离心泵效率技术指标的提高是非常有利的。目前泵行业的部分企业已将该技术应用于水力模型模具的制作、零部件的制造加工，极大的提高水力尺寸的准确性和过流表面或流道表面的粗糙度精度，提高了效率指标。
2.4 相应配套技术的发展
与离心泵有关的配套技术最近得到了较大的发展，例如：电动机的设计与制造、自动调速、自动控制、自动报警、传动系统、密封设计制造技术、新材料、试验测试技术等等，这些技术的全面发展对提高离心泵系统的效率指标、可靠性指标及其它性能指标非常有利。
3 水力设计计算
3.1 国内外技术水平差异
国内单级单吸清水离心泵的效率合格率总体平均水平与国家标准相比偏低，没有达到国家标准要求，但按照国家标准GB/T3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》检测下限评定，多数产品仍然属于传统的合格品，合格率分布的比转速范围较大。比转速越低，合格品分布值越高。汽蚀余量的合格率总体水平与国家标准相比较略高，达到国家标准要求。比转速越低，汽蚀性能越好。卧式结构的效率、汽蚀余量在低比转速的范围内合格率分布值相对高一些。
國外卧式单级单吸清水离心泵，总体技术水平要比国内的技术水平要高一些，总体平均水平与国家标准规定值相比略高，达到国标要求。
3.2 水力设计的主要方法
3.2.1 相似设计法
相似设计法是根据流体力学中的相似原理， 选用性能好且与所设计泵相似的模型泵， 对其过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小而进行设计。其对模型泵的要求是：①与设计泵具有相等或者相似的比转速；②效率、抗气蚀性能、特性曲线均符合要求； ③技术资料齐全；④所设计的泵和模型泵雷诺数之比= 1.0～1.5。这样设计出的泵一般具有和模型泵相等或者相近的性能。
3.2.2 速度系数法
速度系数法就是设计时按选取速度系数，作为设计叶轮尺寸的依据。速度系数法实质也是相似设计，只是它是建立在一系列而不是1台相似泵的基础上，它是利用大量的经验公式、统计系数计算各个过流部件的尺寸。对于缺少合适的模型泵的情况，一般都广泛地采用速度系数法来确定泵各部件的尺寸。速度系数法总的经验公式和半经验公式很多，对于同一个变量的确定往往有不同的经验公式可以利用，因而不是生搬硬套就能设计出优秀的水力设计，而往往要融入设计人员的经验和智慧。和相似设计法一样的是，用速度系数法进行产品设计时，虽然设计计算比较方便，但是产品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系数法设计产品时，应结合模型试验，不断创造新的优秀的模型，并充分应用这些模型的速度系数图，才能提高产品的水平。
3.3 技术参数及泵能量损失分析
3.3.1 主要技术参数
本设计所提供的原始参数如下：流量Q=12.5m3/h，扬程H=32m，转速n=2900r/min，效率η=54%，汽蚀余量NPSH=2.0m。
此外比转速是比较重要的一个参数。其计算公式如下：
比转速的高低直接影响到泵效率的高低，=120～210的范围，泵的效率最好，当<60时，泵的效率显著下降；泵特性曲线的形状也和大小有关；比转速还和泵的级数有关，级数越多，越大。
3.3.2 能量损失分析
泵是把原动机的机械能转换成输送液体能量的机器。泵在能量传递的过程中， 要损耗一部分能量， 这部分损耗的能量包括机械损失、容积损失、水力损失， 要想提高泵的效率， 必须降低这部分的能量损耗。
1 机械损失
机械损失是指泵的轴封、轴承及叶轮圆盘摩擦损失所消耗的功率， 轴封和轴承摩擦损失功率ΔN很小，通常采用经验公式：
ΔN = （0.01～0.03）N
式中 N ——泵的轴功率
当采用机械密封时， 损失小于此公式的计算结果。其中圆盘摩擦损失是指叶轮外表面与液体
之间摩擦损失，通常采用经验公式：
式中 ΔNdf——泵的圆盘摩擦损失；
γ——输送液体的比重；
n——泵的转速；
D2——叶轮外径。
圆盘摩擦损失比较大， 在机械损失中占主要部分，尤其对于低转速的离心泵，圆盘摩擦损失急剧增加。当=30时，圆盘损失增大到接近于有效功率的30%。
2 容积损失
由于泵内部间隙压力大小不等， 液体在泵体内部循环流动， 因克服间隙阻力而产生的损失称为容积损失。容积损失大小主要与间隙的大小和泵的结构有关， 泵产品对间隙大小有统一的标准规定；泵的结构是由于泵内在的功能所要求的，不能轻易变动，如叶轮的平衡孔等。因此，对于一般产品要想进一步减少容积损失的潜力不大。
3 水力损失
水力损失是指液体与壁面的摩擦损失和液体在运动时速度的大小和方向变化时， 产生的旋涡损失、冲击损失等。损失的大小与液体速度的平方成正比。泵的吸入室、叶轮、压水室都有水力损失，叶轮占的比例最大，压水室次之，吸入室最小。
参考文献
[1] 关醒凡编.泵的理论与设计.北京，机械工业出版社，1987.2.
[2] 东北电力学院编.离心水泵.北京，水利电力出版社，1983.7.
[3] 合肥通用机械研究所编.机械工业知识丛书——泵.北京，机械工业出版社，1977.9.
[4] 姜培正编.过程流体机械.北京，化学工业出版社教材出版中心，2001.8.
[5] 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院主编.叶片泵设计手册.重庆，机械工业出版社，1983.7.