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饮用水泵设计中需要考虑的几个重要因素饮用水泵设计中需要考虑的几个重要因素前言 从头开始设计一台新的泵并不容易，而且市场上没有任何东西能提供所有必要的工具来设计一台完全符合要求的泵。这些来源中的一些可以提供对叶轮设计的深入了解，而另一些可能有助过流零部件（壳体、蜗壳、扩散体等）的设计。 图1：不同流量和比转速下实际可达到的最大效率 - 来源于Hydraulic Institute, 2021, Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems – 2nd Edition 然而，这两个水力零部件的结合将决定泵的性能特性。例如，如果叶轮吸入孔的面积设计过大限制了泵的稳定运行空间，那么，即使增加蜗壳内的流动面积也可能对泵的整体性能没有什么影响。由于泵水力设计缺乏标准化，而且没有两家公司或工程师使用完全相同的方法、来源或技术，本文将重点讨论设计饮用水应用泵时业界公认的考虑因素。 大多数用于饮用水应用的泵都是旋转动力型的，更具体地说，是径向（或离心）设计。这并不是说混流或轴向流动泵不能用于饮用水应用，只是悬臂式水平端吸、悬臂立式管道、水平中开和立式涡轮（通过立柱排放）等泵传统上用于饮用水输送。饮用水离心泵是专门设计用于将清洁、新鲜的饮用水从一个位置循环或输送到另一个位置。 这些泵用于各种场合，如市政供水系统、水处理厂和农业灌溉系统，其设计应符合所有相关法规、标准和地方规范。在设计过程中，有一些重要的考虑因素需要解决，从结构材料到机械密封的类型和适当的管道冲洗方案。本文重点介绍了蜗壳式泵的重要注意事项，但根据应用或环境的不同，可能会有其它因素影响泵的设计。 泵设计 叶轮、蜗壳/泵壳体的水力设计在泵行业内没有标准化，也不包括在内。然而，有几个因素被普遍认为有助于饮用水水泵的水力设计，从设计工程师到终端用户，每个人都应该知道它们的价值。 在设计饮用水泵时，效率是需要考虑的一个重要参数。它受到多种因素的影响，如泵的类型、尺寸、方向和运行转速。影响泵效率的一个重要因素是泵的比转速。比转速（Ns）是一个用于描述旋转动力泵性能的参数。它被定义为在最大直径叶轮和给定转速下、泵的最佳效率点（BEP）流量和扬程下泵的性能指标，计算公式见公式1。 公式1： 这里， ns = 公制单位比转速，Ns = 美制单位比转速 n = 泵的转速，r/min Q = 泵总流量，m3/s（gpm） H = 每级扬程，m（ft） 泵沙龙注：将公制单位推导出的比转速乘以系数51.64就等于美制单位的比转速。 该指标告知设计工程师应用所需要的泵的类型。随着泵的类型，比转速还将确定特定设计可实现的最高可达到的效率。泵的可达到效率是基于泵的类型、设计流量和比转速，在给定的泵设计下所能达到的最高效率（见图1）。 图2：由于磨损（运行）间隙增加，估计效率下降-来源于Hydraulic Institute, 2020, HI 20.3-Rotodynamic Pump Efficiency Prediction 还有其它因素会影响可达到的效率，如流道的表面粗糙度和泵内部部件（耐磨环）的运行间隙。然而，它们对最大可达到效率的影响取决于泵的比转速（见图2和3）。当针对相似的比转速进行设计时，BEP下较高输出流量的泵通常比较低流量泵具有更高的可达效率，而且理解这种关系在设计过程中是至关重要的。 图3：由于改善了表面粗糙度，估计效率会提高 在设计吸入口和蜗壳扩展段产生的流动过渡区域也会影响泵的效率。这些过渡需要被设计成最小化损失，这可以通过最小化横截面面积（过流面积）的突然变化而平滑从吸入管口到叶轮吸入孔部分以及从蜗壳蜗舌到排放管口的过渡来实现。这通常是通过分别评估吸入流道和排放流道，并沿流动方向微调面积（扩张）来完成的。图4显示了水平中开（BB1）泵从蜗舌到排放管口蜗壳的横截面面积的典型逐渐扩张设计。 图4：水平中开（BB1）泵从蜗舌到排放管口蜗壳的横截面面积的典型逐渐扩张设计 泵设计中未涉及的其它考虑因素包括轴向和径向推力、轴承寿命、轴偏转和应力、壳体壁厚、壳体螺栓数量以及叶轮叶片之间的面积与叶轮吸入孔总面积的关系。 有关这方面的更多信息，请参见ANSI/HI 14.3-2019《Rotodynamic Pumps for Design and Application》和HI 20.3-2020《Rotodynamic Pump Efficiency Prediction》。 结构材料 在设计饮用水泵时，另一个关键考虑因素是润湿零部件（与饮用水直接接触的零部件）的材料选择。泵结构中使用的材料应符合所有相关法规和标准，如NSF/ANSI 61或FDA标准，并且不得污染供水。不锈钢、青铜和各种塑料是饮用水泵结构中常用的材料。图5是水力学会泵应用指南《Water Treatment Plant Pumps》附录B中概述的一个修改版本，显示了符合法规和标准的典型结构材料。 机械密封、压缩填料及冲洗方案 在设计饮用水泵时，选择合适的机械密封是另一个重要考虑因素。机械密封必须满足一定的要求，以确保其安全且适合与饮用水一起使用，并设计为防止泵泄漏。它还必须能够防止任何污染物进入。有几种类型的机械密封设计可能需要用于满足特定的应用要求，但最常见的是，单端面机械密封用于饮用水应用。 所使用机械密封的具体设计将根据应用要求而有所不同。密封面、密封平衡、不同金属组合部件和辅助密封的可接受材料都需要考虑，并在水力学会泵机械密封应用指南中进行了概述。然而，随着对全氟烷基物质和多氟烷基物质（PFAS）的监管越来越多，未来泵设计人员可能需要考虑垫片、O形圈、轴封和填料的替代材料。 在饮用水应用中，有几种不同类型的机械密封管道（冲洗）方案，包括Plan 2、11和13（图6）。Plan 2是一个没有冲洗流体循环的死端密封腔。Plan 11涉及产品通过流量控制孔板或阀门从泵出口到密封腔的再循环，Plan 13涉及产品从密封腔回到泵吸入口的再循环。密封管道（冲洗）方案的选择将取决于应用的具体要求，包括运行工况、环境和任何监管要求。 图5：饮用水应用中润湿部件的典型结构材料 另一种通常用于饮用水应用的轴封方法是压缩填料。在为饮用水应用选择密封填料时，选择符合相关行业标准和法规的材料非常重要。饮用水应用中用于密封填料的常见材料包括编织聚四氟乙烯（PTFE）合成纱、编织PTFE或石墨。但是，对于符合所有相关法规和标准的材料，请咨询供应商。 易于维护和提高可靠性 在设计任何类型的泵时，评估泵在标准维护期间的维护容易程度是一个必要的考虑因素，但对于负责向家庭、企业和公共设施提供安全饮用水的泵尤其重要。泵的任何故障都可能对公众健康和安全造成严重后果。通过在设计中优先考虑维护的方便性，工程师可以确保更容易获得可能需要长期更换或维修的关键部件。这包括叶轮、轴承、密封和其它在运行过程中可能磨损或退化的零部件。 图6：机械密封管道Plan 13示意图 在可靠性方面，选择耐用、耐腐蚀、符合所有相关法规和标准的材料是必不可少的。正确的泵设计以满足应用的需要也是至关重要的，因为一个尺寸过小或过大的泵会导致加速磨损、更高的故障风险和降低能源效率。 设计饮用水泵需要仔细考虑几个重要因素，从水力设计、结构材料、机械密封及其适当的管道方案到易于维护和可靠性。通过考虑这些因素，设计人员可以确保泵在广泛的饮用水应用中有效、高效和安全使用。 作者简介：Alex Moser是水力协会负责标准和培训的高级工程师。 |
