立式扩散体叶片泵对于各种行业的高压、大流量应用至关重要，包括灌溉、防洪、消防和发电。这些泵通过一级或多级（或碗）垂直输送流体，使用扩散体将动能转化为压力能。
在运行过程中，叶轮将流体引导到由扩散体叶片形成的多个通道中，扩散体叶片均匀地围绕叶轮分布。当流体从叶轮流向泵立柱（立管）或排放头（压出段）时，每个通道的横截面积通常会扩大。这种设计能够在多级大容量或高压应用提供高效的流体处理，但也带来了特定的设计挑战。
本文探讨了在给定的比转速范围【Ns=1,500至13,000（ns=30至250）】内运行的立式扩散体叶片泵的基本设计因素。它涵盖了水力要求、叶轮和扩散体设计考虑因素、机械设计方面和水力负荷，强调了基于比转速影响设计选择的关键因素。
在设计立式扩散体叶片泵时，效率是一个需要考虑的重要参数。它受到泵的类型、尺寸（大小）、方向和运行速度等各种因素的影响。影响泵效率的一个重要因素是泵的比转速。比转速Ns是用于描述旋转动力泵性能的参数。它被定义为在泵的最佳效率点（BEP）流量和每级扬程下，在最大直径叶轮和给定转速下的泵性能指标（见公式1）。
公式1：
ns (or Ns)=[n∙(Q)0.5] / (H)0.75
式中，
ns = 比转速，公制单位
Ns = 比转速，美制单位
n = 转速，rpm
Q = 泵的总流量，m3/s（美制单位为gpm）
H = 每级扬程，m（美制单位为ft）
该信息告知设计工程师设计所需要的最佳叶轮类型（见图2）。与叶轮类型一起，比转速将确定特定设计可以达到的最大效率。泵可达到的效率是基于泵类型、设计流量和比转速的给定泵设计所能达到的最大效率。还有一些其它因素会影响可达到的效率，如流道的表面光洁度和泵内部部件的运转或耐磨环间隙等。然而，它们对可达到的最大效率的影响取决于泵的比转速。当针对相似的比转速进行设计时，BEP下较高输出容量的泵通常比较低容量的泵具有更高的可实现效率，并且了解这种关系在设计过程中是至关重要的。
在开始水力设计之前，应明确定义泵的整个工作范围。这包括但不限于设计流量、总扬程、最大级数、叶轮类型（闭式、半开式或开式）和必需净正吸入压头NPSHr或可用净正吸入压头NPSHa的最低要求。还应考虑一些次要因素，如液体类型、粘度范围和比重。在许多情况下，所需的转速是一个关键的设计因素，在相关的情况下，应计算叶轮出口叶片叶尖速度（圆周速度）。当出口叶片叶尖速度超过90英尺/秒（27.4米/秒）时，可能会出现过大的噪音和汽蚀现象，尤其是在远离BEP运行时。一般准则（Dicmus，1987年）是设计低于90英尺/秒（27.4米/秒）的出口叶片叶尖速度，并确保最大旋转速度保持叶片叶尖速度低于100英尺/秒（30.5米/秒）。
水力设计通常是一个反复试验（迭代）的过程，除非在相同的比转速下将泵缩放到不同的尺寸。最初的计算通常是近似的，并随着设计的进展而不断完善。由于在泵行业中没有用于立式扩散体叶片泵的标准化水力设计过程，因此省略了对该过程的详细描述。然而，几个普遍接受的因素指导着这些泵的水力设计，了解它们的重要性对于设计工程师和最终用户都是至关重要的。
立式扩散叶体叶片泵可以是单级或多级泵。它们的功能是通过叶轮将速度传递给液体，然后通过周围的扩散体叶片将速度转化为压力能。叶轮旋转以增加液体的动能，而固定的扩散体叶片收集液体并将其动能转化为压力能。
叶轮考虑因素
叶轮的设计对泵的整体性能至关重要。像泵工程的其它方面一样，这是一个迭代的过程，包括通过分析不断改进。叶轮必须量身定制，以满足泵的特定流量和扬程要求。叶轮类型、尺寸大小和叶片形状等关键因素会显著影响水力效率。立式扩散体叶片泵可以适应各种叶轮设计 - 闭式、半开式或开式 - 从改良的径向（弗朗西斯叶片，Francis vane）到混流和轴流式配置。
对于以较低比转速【Ns = 1,500和4,500（ns = 30和90）之间】运行的立式扩散体叶片泵，通常使用改进的径向叶轮（也称为弗朗西斯叶片叶轮）来最小化水力损失、最大限度地提高能量传递并减少冲击损失。叶片的数量对泵的效率和平稳运行也至关重要：叶片太少可能会导致湍流，而叶片太多可能导致摩擦损失增加。
比转速在Ns = 4,500和10,000（ns = 90和190）之间的混流叶轮会更加复杂，通常使用“误差三角形（error triangle）”方法进行设计。这个过程包括两个主要阶段：第一，选择合适的速度和叶片角度，以达到预期的性能；第二，根据这些角度和相应的横截面积布置叶轮（Stepanoff，1957年）。对于任何给定的设计，都有可能进行多次迭代，每次迭代都会产生水力性能的变化。
轴流式叶轮的比转速为Ns = 10,000（ns = 190）或者更高，其设计流程与改进的径向（弗朗西斯叶片）叶轮相似。然而，必须考虑适应未来应用所需的扬程范围，尤其是在具有挑战性的吸入条件下。叶轮叶片的数量由比转速决定。通常，四叶片用于Ns = 10,000，三叶片用于Ns = 13,000，两叶片用于Ns = 15,000以上的比转速（Stepanoff，1957年）。轮毂比和叶片间距也受到比转速的影响。典型的叶片桨距角（俯仰角，vane pitch angle）范围从12度到22度，应尽量减少叶片厚度，以在遵守铸造实践的同时保持机械强度。
叶片扩散体考虑因素
扩散体叶片在将泵中的动能转化为压力能方面起着关键作用（见图4）。它们的设计必须确保液体从叶轮平稳过渡到立柱（立管）或下一级叶轮，使湍流和流动分离最小化。
关键的设计方面包括叶片角度、长度和叶片之间的间距，所有这些都应该优化，以减少摩擦损失并避免机械干扰。叶轮和扩散体之间的关系，以及扩散体后面的流道形状，是整体设计的关键组成部分。扩散体的出口可以定制以满足下游需求。
扩散体叶片的初始选择通常是任意的，因为设计过程是迭代的，涉及反复试错。通常，扩散体叶片的数量范围从小型轴流泵的四个到大型低比转速立式涡轮机的九个。在所有情况下，叶片应保持合理的锋利和相对足够薄。通常的做法是设计比叶轮多一个叶片的扩散体，因为使用相同数量的叶片会导致潜在的脉动问题。
扩散体叶片的长度应基于通道长度，以确保有效的扩散和能量转换。如果叶片太短，能量转换可能不完全，导致效率降低。叶片之间的面积应该从扩散体的入口到出口逐渐增加，在叶片长度的最后三分之一内面积保持相对恒定。这种设计可使液体平稳地过渡到下一级叶轮或压出段。
机械考虑
管理轴向和径向推力载荷对于确保机械可靠性和寿命至关重要。轴向推力来自叶轮级间的压差以及叶轮和轴的静态重量，必须小心控制，以避免轴承故障或叶轮损坏。带平衡孔的耐磨环或平衡盘/平衡鼓等技术有助于减轻轴向载荷。径向推力通常较低，这是由于碗形扩散体平衡了由不平衡的液体流动产生的压力，可以通过适当的对中和精心设计的扩散体叶片几何形状来减小。推力轴承的设计必须能够承受泵产生的轴向载荷和转子的重量。
Hydraulic Institute遵循美国国家标准协会（ANSI）/美国水工程协会（AWWA）E103-21来设计立式长轴。本标准规定，泵轴系上的最大组合剪切应力不应超过材料屈服拉伸强度（YTS）的30 %或极限拉伸强度（UTS）的18 %。对于螺纹联轴器，最大剪切应力限制在YTS的20 %或UTS的12 %。
轴拉伸是立式悬吊泵设计中的一个关键因素，尤其是半开式叶轮和深坑布置（deep-setting）设计。轴在轴向下推力下伸长，需要正确的叶轮定位以避免损坏。在长或深坑布置泵中，轴拉伸可能超过可用间隙，需要特殊加工或增加轴的直径。
当计算长轴的干临界速度时，考虑横向振动是至关重要的。两轴承之间的间距通常不应超过10英尺（3.0米），实践经验表明，水润滑橡胶轴承衬套可以在1,800 rpm的转速下成功运行，振动最小。对于更高的转速，如3,000或3,600 rpm，应尽量减少轴承之间的间距。
在立式泵中，实心轴配置使用刚性或柔性联轴器。刚性联轴器是通过电机轴承处理泵轴向推力的首选，可以调整以方便轴向设置。另一方面，弹性联轴器与独立的泵推力轴承一起使用。空心轴电机允许轴向调整和补偿制造公差和热效应。联轴器的要求取决于轴和轴承的配置：刚性联轴器用于轴向推力较大的应用场合，而柔性联轴器则用于其它场合。
长轴轴承支撑水力端和上支撑板或压出段之间的轴。在正常运行中，这些轴承承受最小的径向载荷，但是泵碗区域的载荷会增加。需要适当的设计和同心度来管理意外载荷并确保轴承间隙。
立式扩散体叶片泵对于高压、大容量应用至关重要，可在多个行业提供高效的液体处理。必须仔细分析叶轮、叶片配置和扩散体几何形状等关键设计要素，以满足特定的性能要求。轴向推力的正确管理以及轴对中和轴承支撑对机械可靠性和泵的使用寿命至关重要。设计过程是迭代的，旨在优化效率、最小化噪声和振动、防止汽蚀并确保系统安全可靠。
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