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| 离心泵从产生到目前大规模的使用经历了一个漫长的历史过程，在每一个不同的历史时期，离心泵的设计方法和设计思路都有了不同的变化，一方面是为了减少设计人员的工作量，缩短设计周期，另一方面是为了减少生产成本，不同的发展时期采用的手段是不一样的，在计算机没有普遍使用的年代，为了从大量的水力计算中节省时间，从大量的设计成功的水力模型中总结关键参数的经验系数，建立了一整套的设计方法，如目前仍被广泛使用的速度系数设计法，就是其中一种典型设计方法，为了减少设计人员的计算时间，缩短设计周期，对比转速相同或相近的泵，利用性能较好的水力模型进行相似换算设计，也是一种非常理想的设计方法。 但是随着计算机技术的发展，计算对于水泵设计人员来说，已经不再是一种需要大量的时间和精力的事情，至于用什么样的方法设计的产品，既能够满足用户的需求，又能够降低生产、设计成本才是最为关键的，这就是一种明显的变化，假如不及时更新思路，还是用传统的设计方法和设计理念就可能设计不出价廉物美的产品，就会得不到用户满意，所以要改变设计观念和方法。 本文根据自己的设计实践，和参考国外一些公司的产品信息，总结了一套新的设计思路，不妥处请提出异议，共同探讨。 2.离心泵传统设计方法的特点和优、缺点分析 离心泵的传统设计方法有速度系数法、相似换算法等等，这几种设计方法目前仍然被广泛使用，他们都有一种共同的特点就是，在设计过程中使用的经验系数和经验公式非常多，给设计人员留出了大量的设计空间，可以充分发挥一个设计人员的潜能，设计人员可以根据自己的水平和对不同用途的产品的理解情况，选择不同的经验系数，这样就会得到不同的设计结果，这对于能够设计出更加优秀的水力模型创造了机会，但是每一次的设计也同样存在非常大的风险，设计的成功率和一个人的设计经验，对经验系数的熟练使用程度，对产品的理解程度等等都有着密切的关系。因为传统的设计方法就是在大量的、成功的设计经验基础上得出的设计结论。 传统设计方法的另一重要特点是，可以利用现有的、成功的设计资源，进行相似换算，计算量相对较小。特别是进行产品的系列化设计，为了减少计算量，首先对全系列产品的设计参数进行统计分析，计算出每一种泵的设计点参数的比转速，确定几种典型的水力模型，计算出这几种水力模型的相关结构参数，再用相似换算的方法确定其他规格的产品结构参数。 这样在设计之前，所有的设计参数已经确定，为了减少计算量，至于结构参数是否合理，只有屈就于设计参数的确定。这样由设计参数定结构的设计方法，导致泵的零部件的结构相对较为混乱，零部件的数量多，通用性差，量、检具数量大等等。 我们可以利用具有国际规范的IS系列泵为例，说明用传统设计方法设计的系列产品的主要特征。IS系列泵的性能参数和相关的安装尺寸在近几年的的《中国机电产品目录》均有。（《中国机电产品目录》国家机械工业局编 第4册 泵分册 机械工业出版社 4~6页） IS系列泵型谱： IS系列单级单吸离心泵型谱图 图1 上图1中Ns表示比转速，比转速对于泵来说是一个非常重要的相似判别数，一般来说对于比转速相同的泵，是几何相似和运动相似的，也就是说几何相似的泵，在相似工况下，用相同的单位计算，比转速是相同的，可以利用相似换算的方法进行放大或缩小计算。从上图1可以看出，每一个圆点表示泵的设计点参数，对应一种规格的泵，这样整个系列包括31种规格的产品，比转速确定为7种，分别表示图中序号1~2 Ns=23、序号3~5 Ns=33，序号6~10 Ns=47，序号11~16 Ns=66……序号28~31 Ns=189这7种，这样在设计过程中，只要详细计算7种模型的水力结构尺寸，其他的24种规格泵，可以利用这7种模型进行相似换算设计，大大降低了设计者计算工作时间，在计算技术还 表1： 序号顺序按照图1种的标注。 序号 泵型号 序号 泵型号 1 50-32-250 12 65-50-160 2 65-40-315 13 80-50-200 3 50-32-200 14 100-65-250 4 65-40-250 15 125-100-315 5 80-50-315 16 150-125-400 6 50-32-160 17 65-50-125 7 65-40-200 18 80-65-160 8 80-50-250 19 100-65-200 9 100-65-315 20 125-100-250 10 125-100-400 21 150-125-315 11 50-32-125 22 200-150-400 不发达的时代，这种设计方法的确得到了全世界泵行业的设计者的认可。由于设计参数在设计之前已经确定，所以计算出的泵体和叶轮的结构尺寸，如泵体基圆大小D3，叶轮外经D2的大小等均不能在进一步的改变，只有使用已经设计计算得出的结论，以满足泵性能的要求。这样尽管泵的名义直径是相同的，如表2，但在设计计算过程中，因泵的规格和流量的变化，经验系数的选择等原因，造成实际的叶轮直径参差不齐，泵的安装泵盖的定位止口尺寸不统一，如图2中的D1、D2、D3，造成本来可以使用一种泵盖和钻模、检具的，不得不设计为多种泵盖和量、检具等。 上述的情况是明显的为了降低设计计算量，而采用的一种设计方法，这种方法的特点是系列化设计时水力模型数量少，计算量小，但零部件的通用性差，量、检具数量多，管理混乱。模型、模具投入费用高等。 对于IS系列其他型号，因为在本文中没有应用，在此省略。我们选择了其中有代表型的集中进行问题的说明。 表2： 泵型号 进口直径 出口直径 叶轮名义直径 叶轮实际直径 IS80-50-315 80 50 315 304 IS100-65-315 100 65 315 315 IS125-100-315 125 100 315 317 IS150-125-315 150 125 315 325 IS200-150-315 200 150 315 348 表3： 泵型号 D1 D2 D3 IS80-50-315 401 365 320 IS100-65-315 421 385 330 IS125-100-315 421 385 330 IS150-125-315 421 385 330 IS200-150-315 425 390 350 对表2中可以看出，尽管泵的名义叶轮外径相同，但由于采用先确定参数的方法进行设计，随着泵的规格的加大，如果要达到预先规定的设计性能参数值，就必须调整叶轮外径的大小，从表3的5种规格的产品中，因叶轮外径有3种，引起的泵的定位止口尺寸、螺栓安装尺寸为3种，增加了一系列相关零部件的数量，统计了IS系列的31种规格的产品，泵盖的数量为25个，轴4种，机封规格4种。这样给泵的生产和加工带来了许多不必要的麻烦，零部件的使用者也因零件数量太多而难以分清。 图2 对图2中代码说明： D1—泵体外圆尺寸 D2—泵体与泵盖把合螺栓分布圆尺寸 D3—泵体与泵盖定位止口尺寸 3.离心泵设计新思路 我们知道，随着计算机技术的日新月异，对于计算已经不再是一种难题，在全国的许多高校和科研院所，有许多泵的水力设计方面的软件，只要输入相关的技术参数，在很短的时间内就可以得到泵的结构参数设计结果，这样对结构参数进行统一，优化产品的结构要素，减少零部件的数量，增加零部件的通用性。尽管结构参数的统一造成了泵的性能参数的无规律性，泵的比转速是无规律变化，泵的水力模型数量大大增加，计算量增大，很难达到图1中的有规律分布，但是用水力软件进行泵的水力模型设计计算，只要输入相关的性能参数，在很短的时间内就可以得到设计结果，本来是一个计算量非常大的工作，现在完全由计算机替代，我们完全从计算的困扰中摆脱出来，选择能够降低泵的总体成本的方面努力。并且现在有许多三维流体仿真软件，可以对泵内部流场进行仿真模拟，对有设计缺陷的地方及时进行调整，优化产品的设计。这一点是传统设计方法无发替代的。 从我们多年的设计经验和测绘国外一些公司的相关产品，我们可以发现，用参数定结构的设计方法，除了计算量减少外，其他方面很难看出其优越性；而用结构定参数的设计方法，可能就不会出现上述的许多弊端，为了说明此种方法的可行性，我们利用该方法设计了一个系列的管道专用循环泵，采用了新的设计方法。先确定泵的结构参数，特别是影响泵体和叶轮配合安装的尺寸，在能够统一的情况下，尽量的一致，只有这样才能保证零部件的通用性。叶轮外径就是一个非常重要的参考数值，它不仅影响叶轮的性能，关键对于泵体与泵盖的配合，把合螺栓的分布圆尺寸都有决定作用。 表4： 泵型号 叶轮直径 泵型号 叶轮直径 泵型号 叶轮直径 610 152.4 825 203 1050 254 615 152.4 830 203 1220 305 620 152.4 840 203 1225 305 625 152.4 1015 254 1230 305 630 152.4 1020 254 1240 305 810 203 1025 254 1250 305 815 203 1030 254 820 203 1040 254 从表4可以看出，叶轮外径的一致，使得与泵体安装的配合尺寸也是统一的，在表4的22种产品中，叶轮外径数量分别为152.4（6”）、203（8”）、254（10）”、305（12”）四种，与之相关的泵盖数量4种，图2中的D1、D2、D3尺寸4种，轴2根，机械密封2种，与泵盖、泵体相关的钻模、量、检具数量也是很少的。根据我们的初步统计，该系列产品的量具、检具、钻模数量约为原系列的35%左右，工装数量为原来的50%左右。 4.小结 本文对传统的由参数确定结构的设计方法的弊端进行了简单的分析，随着时代的发展，计算机技术为水泵的设计提供了快速的计算手段，改变传统设计观念，改变以往的设计思路，改用结构定参数的设计方法来设计产品，对增加零部件的通用性，降低生产成本是非常有效的。 对设计人员来说可能只是习惯上的一种变化，或者是随着时代的发展，采取的措施不一样，但设计结果对于一个生产企业来说却是在生产、管理、工装、模具上的具体投入大大降低，方法的改变对于企业生产和管理成本的降低是非常有效的。 参考文献： 1.高章发、规范化在水泵设计中的应用 《通用机械》 2003/9 33~35。 2.高章发 胡斯兵 管道专用循环泵提高效率的措施 《水泵技术》2004/2 35~37. |
