1、2 0 14 年第 期冻叔 高速泵的研究现状孔繁余 柏宇星 冯子政江苏大学流体机械工程技术研究中心 ， 江苏镇江；摘要： 为了深人研究髙速泵的结构优化、 水力性能与运行稳定性， 本文综述了高速泵的研究现状。 髙速泵的研究主要采用了试验研究、 理论分析和数值模拟的方法。 文内总结了髙速菜的主要研究内容： 髙速菜结构的优化选型， 高速泵内部流场的研究， 汽蚀性能的研究以及髙速菜工作稳定性的研究， 并对髙速泵的发展作了展望， 提出了今后高速泵的主要研究趋势。关键词 ： 高速泵 部分流泵 切线泵） 研究现状 选型 优化设计随着 技术的髙速发展， 解决了在传统髙弓 胃 速系设计中耗时长、 花费大、 工期
2、复杂的问题 。基于 平台 ， 分别选用 种湍髙速泵具有单级扬程髙、 结构紧凑、 维护方 流模型 （标准 湍流模型， 湍流模型 ，便、可靠性髙等优点， 被广泛应用于石油化工和航 湍流模型） 对髙速泵进行结构最优化设计时空航天等领域。 近年来， 在市场需求和国家产业政 湍流模型选取的研究。 研究结果表明 ， 采用策推动下，在国内整个石化行业迅速发展的大背景 湍流模型和 湍流模型的模型所得到的模拟数下 ， 与石化相关的产业， 如石化行业应用的通用机 据要比选取标准 湍流模型模拟数据更加接近械设备的研发和制造也有长足发展。 由于石化产品 试验结果； 同时， 研究结果表明采用 湍流模的种类繁多， 生产工
3、艺流程复杂， 菜送的介质多种 型和 湍流模型的模型要比采用标准 湍流多样， 所以石化专用泵的技术进步神速， 髙速泵的 模型在提前预示汽蚀性能方面更加迅速。发展尤为瞩目。 传统的髙速泵大都使用齿轮箱进行增速， 这种高速泵又称为部分流泵、 切线泵或巴斯克泵 结构方式不能满足现在对高速电机体积微型化的要泵 ， 其过流部件和结构形状与一般离心 求。 应用变频高速电机直接驱动泵 不仅使机组在菜不同。 由于它采用了提髙转速和特殊的叶轮设计， 结构上更显紧凑， 而且克服了传统髙速菜增速带来所以能产生只有多级离心泵或容积泵才能达到的低起动冲击大等问题。 使用变频髙速电机直接驱动流量、 髙扬程， 即低比转速境界
4、，而无需多级化。 泵， 能够实现机组的平滑无级调速， 由于变频器的加之具有可采用完全开放式叶轮的特点 ， 结构简单 不断小型化， 可靠性增强， 变频髙速电机直接驱动紧凑， 维护方便， 髙速菜已经成为发展的一大趋势。 泵将是今后髙速菜的主要结构型式。 目前， 江苏大目前， 国内外对高速泵的研究主要集中在优化 学孔繁余等 基于煤矿透水事故时快速排水要求设计、 流场分析、 汽蚀特性及性能提升等方面。 设计的高速矿用抢险泵就采用了变频技术， 不但在原有基础上减小了轴向尺寸， 减轻了机组重量， 还高速泉的优化设计力 大了机组转速的调速范围， 使水泵的工作性能范围变宽， 在高速果高扬程化、 髙效率化和微型
5、化的道路上迈出了重要一步。 图 为正在开发的新型髙基金项目 ：矿透水快速救援排水设备研究与开龄 国家速泵结构。科技支圓 【丨】 等人通过数值模拟对高速系进? 2 .2 0 1 4 年第 期行叶轮叶片数最优化数的研究。研究发现， 在叶片与隔舌距离保持一致时， 使用 叶片结构高速泵的力性能要明显优于使用 叶片结构和 叶片结构的高速粟。高速泵内部流场的研究，针对高速泵的高转速， 泵内流场的分析至关重要， 基于数值模拟软件对高速泵内部流场的研究分：析也曰益增多。 崔宝玲等通过试验研究和数值丨 丨模拟获得了高速菜内叶轮内部的回流是影响 流量稳定性的一个重要因素。 在该研究中 ， 研究人员通丨：过采用长、
6、 中、 短叶片复合叶轮的方式很好地改善 ：了回流问题。 王志强 对转速为 的高速 丨 ；磁力泵运用 软件进行模拟分析在设计工况下内部流场和压力场的分布。 研究结果表明高速磁力泵设计工况下内部流道中绝对速度、 相对速度和总压的分布欠均匀 ， 轴向旋润较明显， 如图所示。王文廷对转速画 的高速泵进行流场模拟， 模拟结果表明叶轮流道内同一半径处叶片的工作压力略高于叶片的背面压力 ， 且在叶轮出口处有謂 職糊明显的射流 尾迹现象。 宿向辉【力对转速为高纖水織擁场分析，職结果細高速叶轮流道内出现剧烈的轴向旋涡。 龙慧斌 对高速部分流泵的速度场和压力场进行模 流存在。 通过添置复合叶片 ，水力性能有明显改
7、拟分析， 研究结果表明每个叶片流道中随着半径的 善。 钱玉琴 通过数值模拟的方式对增大， 静压上升，呈明显层状分布。 最靠近叶轮出 高速泵流场进行分析研究， 研究结果表明整个流场口的叶轮流道流速明显高于其它流道，并有严重的 内的最大静压在隔舌附近出现，在叶轮的进出口都水力损失。 叶轮出口有大面积旋涡区， 并有明显回 形成了大面积的旋涡区。 综上所述，在高速泵的流流场绝对速度分布 （ 流场静压分布图 高速泵设计工况下内部流场和压力场分布2 0 1 4 年第 期 道之内 ，主要受压力分布不均匀和二次流的影响 ， 栅来进一步提高泵的汽蚀性能】。 江苏大学王志随着高速泵转速的不断提高 ， 旋涡区的出现
8、面积越 强对 的高速磁力泵加装导流栅， 并通过大， 轴向旋涡越剧烈； 而通过长短叶片的合理配 模拟分析 ， 获得了 良好的汽蚀性能 ， 高速磁力置， 可以改善高速泵流道中的水力性能。 泵的吸人口结构如图所示。汽烛特性的研究汽蚀性能的研究在国外， 高速泵汽蚀的非稳定特性的研究都是由于高速粟高转速的特点， 使高速泵汽蚀性能的 髙速泵领域内比较前沿的课题， 国内有学者基于研究更凸显其重要性。 对高速泵汽烛性能的研究则集 实验研究和数值分析 对高速泵汽蚀特性进行研究。中在抗汽蚀材料、 吸入性能以及汽蚀恃性的研究上。研究结果表明， 在汽蚀初生时， 叶轮流道内部每个点的 睹、态压力变化不大， 说明此时气体
9、 叶抗；飞材科晒艽 轮流道内部的压力影响不大， 而在临界汽蚀佘量时，为了增强高速泵过流部件的抗汽蚀能力 ， 国外 叶轮流道内的每个点的压力变化趋势不一样。 越靠近在髙速泵上大量使用的防汽蚀材料是在 牌号 叶片进口处的压力变化趋势越大， 说明越靠近叶片进不锈钢的基础上升级到含有 的铬、口处的汽蚀变化对压力变化的影响越大。、 钨铬钴合金、 铸铁的混合涂层国 内 近年 来 引 进 了 新 型 防 汽蚀材 料 即运行稳定性的研究抗磨蚀不绣钢揮条和环氧金刚砂，并采取堆焊工艺及涂层技术 ， 对汽蚀严重处使用 高速泵在实际运行中常产生振动和噪声， 以及抗磨蚀不锈钢焊条补焊， 对全部 机组中使用的滑动轴承的磨
10、损 ， 都影响泵机组运行过流部件表面整体采用环氧金刚砂保护 ， 试验结果 的稳定性， 严重时会影响到机组的正常温升。 而近表明该方法对汽蚀性能有显著提高 【“ 。 年来， 对高速泵运行稳定性能的研究集中在压力脉、 动、 滑动轴承以及转子动力学研究这三个方面。局速泵吸入性能的研究由于髙速果的抗汽蚀性能要求很高 ， 目前的研 力究主要采取添加诱导轮的方式来提高高速泵的汽蚀 为了研究高速泵内的流体诱发压力脉动 ， 徐朝性能。针对高速泵对汽蚀性能越来越高的要求 ， 研 辉等【采用流场分析软件对高速泵进行了究人员添加两级串联诱导轮或在变螺距诱导轮前添 全流道的定常和非定常湍流计算， 通过设置监测加引射装
11、置来提高汽蚀性能 近期 ， 针对部分 点 ， 获得了不同位置处的压力脉动结果。 研究发髙速菜进口较窄的特殊情况， 在泵进口端增加导流 现， 轮叶与导叶间的相互干扰对流体造成不稳定流动， 产生了较大的压力脉动。 流体压力脉动沿圆周方向呈正弦变化规律。 压力脉动的最大值出现在导細压力赚。 断骑賴醜体压力腕）赚流体瓶義躺 游传 原有压力 分親律棚下传递耐财 叶切 辟咖图 高速磁力泵的吸人口结构导流栅 口环 泵体 内磁转子隔离套 外磁转子 图 高速磁力泵的吸人口结构冻社 年第 期部这种压力脉动的变化呈现平缓趋势， 且幅值也大 表 预应力下的固有频率与振幅大衰减。 对叶轮切割前后的瞬态力阶数 固有频率
12、临界转速 振幅进行了试验研究， 发现叶轮和隔舌间隙减小会引起】瞬态力的明显增加。 窦唯等 对高速泵三维流场进行非定常计算 研究了高速栗叶轮上的稳态径向：力和脉动径向力 ， 分析了流体激振力对高速泵叶轮系统的振动及其轴心轨迹的影响。 主， 、 、 阶电机转子振动不明显， 水泵端振动较明显 ， 、 阶以电机转子的剧烈振动为主。通滑动轴承的研究 过对比分析有无预应力下的固有频率和激振频率，高速泵的滑动轴承起到转子径向支承、 轴向定 发现转子在 阶和 阶振型下更容易发生共振， 应位的作用。 轴承性能直接影响到菜机组运行的可靠 避免， 如表 所示。性及使用寿命。 郭杰 运用数值模拟的方法对推 王庆方对髙
13、速泵转子系统分别在完全刚性支力滑动轴承进行承载能力分析， 研究结果表明轴承承、 弹性支承以及湿态 种n态下的一阶固有频率和承载油膜的刚度系数和油膜厚度参数 成正比 ， 临界转速进行研究， 研究结果表明这次种状态下差别在选取轴承时， 越大， 则轴承抗形变、 抗振能力较大， 在进行设计 需要分别滞干态和湿态下的越好，所以动态性能就越好。余四平阒 等利用径 临界转速才能保证高速菜转子系统的稳定性。向基配对法对 方程求解， 对高速粟径向滑动轴承承载能力进行了理论分析， 研究表明滑动 发展前景轴承随着宽径比的增大， 油膜压力峰值增大， 承载力增太， 偏位角增加， 摩擦力也随之增加， 端泄量 髙速泵运行时
14、， 对汽蚀性能要求较高， 提也有增加。 而随着高速泵结构不断精简化的要求 ， 高汽蚀性能是高速泵设计中需要重点考虑的因素。润滑轴承将在髙速泵的使用中得到越来越广泛的 现在的研究成果大都集中在添加不同形式的诱导轮运用。针对更具体高速泵滑动轴承的研究 ， 孔繁余 方面， 缺少其他形式提髙汽烛性能的研究成果。等 通过试验研究了具有 形结构、 使用 髙速泵在实际运行中 ，振动和噪声问题是复合新材料作为滑动轴承的特性研究， 研究结果表 影响机组安全稳定运行的重要因素 因此， 机组振明 复合耐磨材料滑动轴承在髙速系上具有卓 动和噪声问题是今后值得深入研究的内容。越的性能并具有推广的可行性。 王其磊等口针对
15、 由于电机的高速旋转， 电机温升和轴承磨髙速泵滑动轴承易磨损、 寿命低和噪声大的缺点 ， 损的问题凸显， 对冷却润滑循环系统的要求日益升设计了电磁轴承， 并在高速菜上获得成功应用， 如 高。 目前冷却润滑循环系统形式比较单一， 今后针图 所示。研究结果表明电磁轴承由于无接触、无 对髙速泵冷却润滑循环回路的设计研究将是髙速系需润滑和无摩擦，不但可以有效解决髙速泵轴承的 的重点研究方向。失效问题， 而且通过理论分析， 能够满足在高速泵 由于髙速泵运转环境的特殊性， 对髙速泵上应用的具体要求。机组监控系统和诊断系统的要求日益增髙， 目前的研究缺少对监控系统和诊断系统智能一体化方面的转子动力学的研究研
16、究， 今后会作为一个重点的研究领域。目前国内外学者对高速菜的转子动力学领域的参考文献研究较少 国内学者对高速系转子动力学的研究大都集中在麵数值仿真软件进行模拟分析。 江苏大 ：学研究团队基于 软件平台对变频电机直接驱动的髙速潜水转子系统有无预应力状态下进行了模态分析 研究结果表明高速潜水泵转子有无预 ：应力的模态分析显示两种情形下转子的振型总体一 孔 余等 矿用变频髙速潜水菜技术探讨 水栗技术致，均呈现出 阶振型以电机转子的轻微振动为20 1 4 年第 期恚旅 究 农业机械学报 ：王秀礼， 袁寿其等 离心泵汽烛非稳定流动特性数值模拟： 农业机械工程学报， ：王志强 高速磁力泵能耗分析及关键技术
17、研究 江苏大 徐朝辉 高速果内全流道三维流动及其流体诱发压力脉动研学硕士学位论文， 究 清华大学博士学位论文，王文廷傾趣 大学硕士学位论文，宿向辉 高速变频湿式矿用抢险菜的结构研究 江苏大例学硕士学位论文，：龙慧斌 髙速部分流泵的内部流场模拟及性能预测 兰 窦唯， 刘占生 流体 对高速泵转子振动特性的影响研州理工大学顼士学位论文，究 机械科学与技术， ：钱玉琴 高速离心菜流固辆合动力特性的研究 江苏大 郭杰 高速菜推力滑动轴承承载能力分析 南京林业大学硕士学位论文 学顼士学位论文，余西平 髙速菜径向滑动轴承承载能力分析 南乐林业， 大学研士学位论文孔繁余， 刘建播等 高速磁力泵滑动轴承的试验研
18、究张亚利 新型材料在菜站防汽蚀中的应用 中国农村水利 润滑与密封， ：水电， ： 王其磊， 杨逢输等 电磁轴承在立式髙速菜中的应用 排朱祖超等 高速离心菜串联诱导轮的设计及工程实现 工程灌机械工程学报，热物理学报， ： 王庆方 部分流泵水动力学及转子部件临界转速的计算与分析 兰州理工大学硕士学位论文，：本文编辑 王振华）孔繁余等 基于流场数值模拟的高速磁力菜汽蚀性能的研（收稿日期 上接第 页）程减去中压给水系统阻力后大于主给水系初生必需额定流量下主给水泵的初生必 汽蚀余量的 倍。需汽蚀余量 根据汽烛比转速关系式进行前置泵扬程的在值保持不变的情况下将规范书要求的校核，最大流量工况下的前置菜扬程应
19、大于最大流最大流量 咖 通常为 根据 （ 式计量工况下的主给水泵初生必需汽烛余量。算 得到最大流量工况下主给水泵的初生必需汽烛余量 的值。根据前置泵的性能曲线 找出最大流量对郑明光 叶成， 韩旭 新能源中的核电发展 核技术，应的前置泵扬程判断 是否满足大于 若满足则 林诚格， 非能动安全先进压 堆核电技术设计 要求， 若不满足则需重新调整菜组的设 。北京： 原子能出版社，中国电力企业联合会 大中型火力发电厂设计规范】 北京： 中国计划出版社中国电力建设工程咨询公司 火力发电厂设本文根据大型先进压水堆 工程的特 计技术规程 】 北京： 中国电力出版社，点， 分析讨论了常规岛主给水果组前置菜和主给水菜的扬程分配原则以及校核条件， 得出了以下结论：工程常规岛主给水泵组的额定流量为 额定扬程为 。（本文编辑 陈丽霞）进行泵组的扬程分配时， 应满足前置泵扬（收稿日期
