王 凱，蔣玲林，張子旭，陳 昆

(1. 江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 寧波巨神制泵實(shí)業(yè)有限公司，浙江 寧波 315135)

0 引 言

自吸泵是一種特殊的離心泵，解決了離心泵在吸上情況時(shí)需要借助真空泵或者在啟動(dòng)之前向進(jìn)口管路內(nèi)灌引水才能啟動(dòng)開機(jī)的問題，因此在某些特殊情況下可以代替長軸泵、潛污泵等輸送低位流體[1-3]。同時(shí)具有體積小、維護(hù)方便、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市環(huán)保、消防、化工、引用供水等領(lǐng)域[4-6]。

多級自吸離心泵對揚(yáng)程要求較高，但是泵和電機(jī)安裝位置有限、灌液困難或啟動(dòng)、停車頻繁的場合，如灑水車泵、消防泵等。由于多級自吸離心泵的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前國內(nèi)外對多級自吸離心泵的研究比較少[7,8]。因此，本文對一灑水車用兩級外混式自吸離心泵設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，并對其進(jìn)行了試制和試驗(yàn)，以期為多級自吸離心泵的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了借鑒。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水力設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

自吸式離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H=105 m，轉(zhuǎn)速n=3 540 r/min，η=60%；在自吸高度為4 m時(shí)，自吸時(shí)間Ts<180 s。該自吸離心泵安裝在灑水車上，作為灑水車泵使用，要求結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，同時(shí)在運(yùn)行過程中振動(dòng)和噪聲較小。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)齒輪箱的增速比為1:3?？紤]到該泵有限的安裝空間，泵軸采用齒輪軸這一可以減小變速箱徑向空間的形式。同時(shí)為了傳動(dòng)平穩(wěn)、產(chǎn)生較小的噪聲并且提高齒輪的承載能力，因此選擇斜齒輪這一齒輪傳動(dòng)類型。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，若該泵設(shè)計(jì)為單級泵，則比轉(zhuǎn)速ns=50.85，屬于低比轉(zhuǎn)速泵，葉輪出口直徑約為245 mm。綜合考慮該泵的徑向空間大小、低比轉(zhuǎn)速泵揚(yáng)程曲線易出現(xiàn)駝峰等問題，因此將該泵設(shè)計(jì)為兩級自吸離心泵。同時(shí)考慮到鑄造、安裝等問題，將泵設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好的節(jié)段式兩級離心泵，兩級壓水室分別選擇為徑向?qū)~和蝸殼。

(3)該泵安裝于灑水車上，由灑水車的發(fā)動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)速，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)急?，F(xiàn)象，同時(shí)該泵對效率要求不高。為了盡可能縮短自吸時(shí)間，因此選擇自吸時(shí)間較短的外混式自吸式。

綜上所述，將該泵設(shè)計(jì)為帶有齒輪箱的節(jié)段式兩級外混式自吸離心泵，首級泵分配揚(yáng)程H1=50 m，次級泵分配揚(yáng)程H2=55 m。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-首級葉輪；2-徑向?qū)~；3-泵體；4-次級葉輪；5-機(jī)械密封；6-增速齒輪；7-齒輪軸；8-泵軸；9-齒輪箱圖1 兩級自吸離心泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a two-stage self-priming centrifugal pump

1.3 水力設(shè)計(jì)

1.3.1 首級葉輪水力設(shè)計(jì)

首級葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H1=50 m，轉(zhuǎn)速n=3 540 r/min，由式(1)計(jì)算得到比轉(zhuǎn)速ns1=88.7。

(1)

(1)葉輪進(jìn)口直徑Dj1。確定葉輪進(jìn)口直徑Dj1前，首先要確定葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑D01：

D01=k0(Q/n)1/3

(2)

(3)

式中：k0為進(jìn)口直徑系數(shù)。兼顧效率和汽蝕，取k0=4.3，則D01=72.1 mm。取首級葉輪輪轂dh1=20 mm，經(jīng)計(jì)算得到Dj1=74.79 mm。圓整后取Dj1=75 mm。

(2)葉輪出口直徑D21。

D21=kD2(Q/n)1/3

(4)

kD2=(9.35～10.1)(ns1/100)-1/2

(5)

考慮該泵結(jié)構(gòu)形式與比轉(zhuǎn)速，取kD2的系數(shù)為9.43，計(jì)算得D21=167.8 mm。圓整后取D21=170 mm。

(3)葉輪出口寬度b21。研究表明比轉(zhuǎn)速小于120時(shí)，采用式(6)計(jì)算得到的葉輪出口寬度更為準(zhǔn)確[9]。

b21=0.78(ns1/100)0.5(Q/n)1/3

(6)

考慮葉輪材料的種類以及葉輪流道表面粗糙度，根據(jù)式(6)計(jì)算得b21為12.3 mm。為了減小該泵的自吸時(shí)間，稍許增大首級葉輪葉片出口寬度，最終確定b21=14 mm。

(4)葉片出口安放角β21。泵葉片出口安放角一般取值范圍為22°～30°。根據(jù)出口安放角確定的方法以及該泵首級葉輪的設(shè)計(jì)揚(yáng)程、出口直徑和比轉(zhuǎn)速，最終確定β21=25°。

(5)葉片包角φ1。葉片包角較大可以改善流道內(nèi)流態(tài)，但是摩擦損失會(huì)增加。因此綜合考慮，最終確定φ1=110°。

(6)葉片數(shù)Z1的確定。葉輪的葉片數(shù)對泵的性能有很重要的影響。葉片數(shù)過多會(huì)造成葉輪流道內(nèi)排擠嚴(yán)重、摩擦損失增加；而葉片數(shù)過少葉輪流道內(nèi)流態(tài)則比較差。參考類似優(yōu)秀水力模型的同時(shí)考慮到首級葉輪對空化性能的要求，最終確定Z1=6。

(7)首級葉輪水力圖。首級葉輪水力圖，如圖2所示。

圖2 首級葉輪水力圖Fig.2 Hydraulic chart of first-stage impeller

1.3.2 次級葉輪水力設(shè)計(jì)

次級葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H2=55 m，轉(zhuǎn)速n=3 540 r/min，由式(1)計(jì)算得到比轉(zhuǎn)速ns2=82.5。

(1)葉輪進(jìn)口直徑Dj2。根據(jù)泵軸的結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度要求，確定次級葉輪輪轂直徑dh2=28 mm。由于該泵的次級葉輪進(jìn)口處有較高的壓力，一般不會(huì)發(fā)生空化，因此，次級葉輪設(shè)計(jì)過程中主要考慮效率，從而k0取為4.1；由式(2)和(3)，計(jì)算得Dj2=74.2 mm。圓整后取Dj2=75 mm。

(2)葉輪出口直徑D22。根據(jù)式(4)、(5)計(jì)算次級葉輪出口直徑，同時(shí)考慮自吸泵的特殊設(shè)計(jì)要求及該泵整體結(jié)構(gòu)的工藝要求，最終確定D22=175 mm。

(3)葉輪出口寬度b22。根據(jù)式(6)計(jì)算次級葉輪出口寬度，同時(shí)由于該泵為外混式自吸離心泵，因此葉片出口寬度需要適當(dāng)加大，最終確定b22=13 mm。

(4)葉片出口安放角β22。根據(jù)次級葉輪設(shè)計(jì)揚(yáng)程、次級葉輪出口直徑和比轉(zhuǎn)速的大小，同樣取β22=25°。

(5)葉片包角φ2。綜合考慮次級葉輪葉片間的流態(tài)以及摩擦產(chǎn)生的流動(dòng)損失，最終確定φ2=110°。

(6)葉片數(shù)Z2的確定。綜合考慮次級葉輪對揚(yáng)程、效率、空化性能等的要求，最終確定Z2=6。

(7)次級葉輪水力圖。次級葉輪水力圖，如圖3所示。

圖3 次級葉輪水力圖Fig.3 Hydraulic chart of second-stage impeller

1.3.3 徑向?qū)~水力設(shè)計(jì)

徑向?qū)~設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H1=50 m，轉(zhuǎn)速n=3 540 r/min，比轉(zhuǎn)速ns1=88.7。

(1)進(jìn)口直徑D13。

D13=D21+(2～10)

(7)

間隙較大，泵的效率會(huì)降低，同時(shí)泵的自吸性能變差，導(dǎo)致自吸時(shí)間增加，最終確定正導(dǎo)葉進(jìn)口直徑D13=174 mm。

(2)進(jìn)口寬度b13。

b13=b21+(2～5)

(8)

一般，可以適當(dāng)減小徑向?qū)~進(jìn)口寬度來減小多級泵的軸向尺寸，最終確定b13=17.5 mm。

(3)螺旋線的角度與線型。徑向?qū)~進(jìn)口與首級葉輪出口間的流體速度矩相等，即vuR=K2(常數(shù))。因此，徑向?qū)~進(jìn)口速度的圓周分量vu3：

(9)

式中：vu2為首級葉輪出口速度的圓周分量。

徑向?qū)~進(jìn)口軸面速度vm3：

(10)

(11)

為了改善在大流量工況下徑向?qū)~流道內(nèi)流體的流動(dòng)情況，正導(dǎo)葉的進(jìn)口安放角α3必須稍大于進(jìn)口液流角，即：

(12)

式中：Δα為沖角，Δα=3°～8°。取Δα=4°，則α3=13°。

螺旋線部分為對數(shù)螺旋線，即：

R=R3eφtanα3

(13)

根據(jù)式(13)可以計(jì)算出各個(gè)角度對應(yīng)的半徑，從而確定螺旋線。

(4)喉部面積S與葉片數(shù)Z3。喉部面積是決定徑向?qū)~性能的關(guān)鍵參數(shù)，確定喉部面使用最廣泛的水力設(shè)計(jì)方法是速度系數(shù)法。

喉部面積

喉部速度

S=a3b3，若取a3=b3，則正導(dǎo)葉的葉片數(shù)Z3：

(14)

式中：k3為速度系數(shù)。根據(jù)圖4可以查取，由于此時(shí)壓水室為徑向?qū)~，用于計(jì)算的速度系數(shù)k3為查得系數(shù)的0.8倍。算出Z3值后取整，最終得到徑向?qū)~正導(dǎo)葉的葉片數(shù)Z3為7。

圖4 壓水室速度系數(shù)k3Fig.4 Velocity coefficient of dischargechamber

(5)擴(kuò)散角φ。擴(kuò)散角φ一般為6°～10°，取φ=8°。

(6)出口直徑D23。

D23=(1.3～1.5)D13

(15)

取系數(shù)為1.36，計(jì)算后D23=236.64 mm，圓整后取D23=237 mm。

(7)反導(dǎo)葉。反導(dǎo)葉進(jìn)口直徑D14，一般略小于正導(dǎo)葉出口直徑D23，反導(dǎo)葉出口直徑D24，一般和下一級葉輪進(jìn)口直徑相當(dāng)或者稍小，軸向?qū)挾萣24根據(jù)要求的速度變化確定，一般

(16)

最終確定D14=165 mm、D24=64 mm、b24=24 mm。采用與正導(dǎo)葉進(jìn)口安放角、出口安放角相同的設(shè)計(jì)方法，最終確定反導(dǎo)葉進(jìn)口安放角α14為19°，出口安放角α24為65°，葉片數(shù)Z4與正導(dǎo)葉葉片數(shù)Z3相同為7。

(8)徑向?qū)~水力圖。徑向?qū)~水力模型如圖5所示。

圖5 徑向?qū)~水力圖Fig.5 Hydraulic chart of radial guide-vane

1.3.4 蝸殼水力設(shè)計(jì)

蝸殼的設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=60 m3/h，揚(yáng)程H2=55 m，轉(zhuǎn)速n=3 540 r/min，比轉(zhuǎn)速n2s=82.5。

(1)基圓直徑D15。為了使蝸殼隔舌和次級葉輪之間存在大小合適的間隙，D15應(yīng)稍大于次級葉輪出口直徑D22。若該間隙較小，蝸殼流道內(nèi)容易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象而且隔舌附近也容易產(chǎn)生空化，從而導(dǎo)致較大的振動(dòng)和噪聲；若該間隙較大，蝸殼流道會(huì)產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)致泵效率降低，同時(shí)影響該泵的自吸性能，增加自吸時(shí)間，通常?。?/p>

D15=(1.03～1.08)D22

(17)

綜合考慮該泵的比轉(zhuǎn)速、次級葉輪外周流動(dòng)的均勻性以及自吸泵水力設(shè)計(jì)的要求，取系數(shù)為1.03，最終圓整后D15=180 mm。

(2)蝸殼進(jìn)口寬度b15。為了補(bǔ)償次級葉輪在泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的竄動(dòng)、葉輪自身的制造誤差以及回收一部分圓盤摩擦損失，蝸殼進(jìn)口寬度通常大于次級葉輪出口寬度，通常b15=b22+(5～10)mm。綜合考慮上述要求以及自吸泵特殊的水力設(shè)計(jì)要求，最終確定b15=22 mm。

(3)蝸殼隔舌安放角φ5。蝸殼隔舌安放角與次級泵比轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如表1所示[9]。

表1 隔舌安放角φ和比轉(zhuǎn)速ns的關(guān)系Tab.1 Relation between tongue angle φand specific speed ns

根據(jù)次級泵的比轉(zhuǎn)速大小，蝸殼隔舌安放角推薦取值為15°到25°之間。根據(jù)該泵結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了保證螺旋線部分與擴(kuò)散管連接光滑，因此稍微增大安放角，以協(xié)調(diào)形狀，最終確定蝸殼隔舌安放角為29°。

(4)蝸殼斷面面積。

(18)

式中：v5為蝸殼斷面的平均速度，m/s；Q8為第8斷面的流量。

(19)

式中：k5為速度系數(shù)。根據(jù)圖4，確定速度系數(shù)為0.42。

通過式(18)、(19)計(jì)算得蝸殼第Ⅷ斷面面積F8=1.2×10-3m2，其他斷面的面積，根據(jù)蝸殼斷面速度相等原則確定：

(20)

(5)蝸殼水力圖。蝸殼水力圖，如圖6所示。

圖6 蝸殼水力圖(單位：mm)Fig.6 Hydraulic chart of volute

(6)出口斷面。由于自吸泵的擴(kuò)散管出口一般在氣液分離室內(nèi)部，并與氣液分離室出口保持一定距離，因此，蝸殼出口確定為第10斷面，如圖6所示。

圖7 回流孔的位置圖Fig.7 Location of reflowing valve

1.3.5 回流孔設(shè)計(jì)

該泵為外混式自吸離心泵，回流孔在該泵的自吸過程中發(fā)揮非常重要的作用，因此回流孔是泵體中不可缺少的一個(gè)結(jié)構(gòu)。外混式自吸離心泵回流孔的位置通常位于從蝸殼隔舌起沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向190°～220°之間。若回流孔布置在蝸殼流道最低的位置處，自吸性能會(huì)較差。綜合考慮該泵的結(jié)構(gòu)以及該泵對自吸要求，因此，回流孔布置在從隔舌起沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向214°處的蝸殼壁面上。同時(shí)，為了滿足自吸泵中回流孔形狀的要求以及為了加工方便，所以將該泵的回流孔設(shè)計(jì)為矩形?；亓骺椎奈恢?，如圖7所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的兩級自吸離心泵的水力性能及自吸時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求，對該兩級自吸式離心泵進(jìn)行試制，同時(shí)進(jìn)行了外特性試驗(yàn)和自吸時(shí)間的試驗(yàn)。各零部件實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 兩級自吸離心泵Fig.8 The two-stage self-priming centrifugal pump

該自吸離心泵進(jìn)行外特性試驗(yàn)和自吸性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)由離心泵試驗(yàn)裝置和泵性能參數(shù)采集系統(tǒng)組成。為了提高測試精度，試驗(yàn)測試采用計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)，采用了高精度的檢測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)在給定的采樣時(shí)間內(nèi)可多次采集數(shù)據(jù)，然后用算術(shù)平均的方法來求出本次采樣的值，避免人工讀數(shù)帶來的誤差，從而提高了測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性和測試精度。

(1)外特性試驗(yàn)。兩級自吸離心泵外特性試驗(yàn)裝置如圖9所示。

1-電機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-變速箱；4-聯(lián)軸器；5-模型泵；6-出口壓力傳感器；7- 壓力顯示儀；8- 進(jìn)口壓力傳感器；9-電磁流量計(jì)；10- 流量計(jì)顯示表；11- 閘閥；12-水池圖9 外特性試驗(yàn)裝置示意圖Fig.9 Sketch of hydraulic characteristic experiment

外特性性能曲線如圖10所示。從圖10中可以看出：設(shè)計(jì)工況下，揚(yáng)程的試驗(yàn)值為108.65 m，試驗(yàn)值的試驗(yàn)效率為60.43%，滿足了該兩級自吸離心泵的水力設(shè)計(jì)要求。揚(yáng)程隨著流量的增加降低得很快，但是該泵的高效區(qū)較寬，在流量為52～85 m3/h范圍內(nèi)，試驗(yàn)效率均高于58%，滿足使用要求。

圖10 外特性性能曲線Fig.10 Hydraulic characteristic curve

(2)自吸時(shí)間試驗(yàn)。兩級自吸離心泵自吸時(shí)間試驗(yàn)裝置如圖11所示，將該兩級自吸式離心泵放置位于水面4 m處的高臺(tái)上，對該兩級自吸離心泵進(jìn)行自吸時(shí)間的試驗(yàn)。為了使泵首次工作前液體高于泵軸，在該泵進(jìn)口處接一個(gè)向上彎的彎管，彎管高于泵軸約300 mm。接通電源，電機(jī)帶動(dòng)葉輪開始高速旋轉(zhuǎn)，記錄從接通電源到該離心泵完成自吸過程，即該離心泵出口開始正常出水這個(gè)過程的時(shí)間。

1-電機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-變速箱；4-聯(lián)軸器；5-模型泵；6-出口壓力傳感器；7- 壓力顯示儀；8- 進(jìn)口壓力傳感器；9-閘閥；10- 水池圖11 自吸試驗(yàn)裝置示意圖Fig.11 Sketch of self-priming experiment

為了提高試驗(yàn)測試過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，進(jìn)行了3次試驗(yàn)，對3次測得的時(shí)間取平均值，即為該泵的自吸時(shí)間。測得3次自吸時(shí)間分別為154、155、153 s，求平均值。得到在自吸高度為4 m的情況下，該兩級自吸式離心泵的自吸時(shí)間為154 s，滿足設(shè)計(jì)要求中對自吸時(shí)間的要求。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的兩級外混式自吸離心泵能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)灑水車用兩級自吸離心泵的設(shè)計(jì)要求，采用速度系數(shù)法對其首級葉輪、次級葉輪、徑向?qū)~、蝸殼進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)對該兩級自吸離心泵進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)和自吸試驗(yàn)。設(shè)計(jì)工況下，該泵的揚(yáng)程為108.65 m，效率為60.58%，并且高效區(qū)較寬，在52～85 m3/h的流量范圍內(nèi)，試驗(yàn)效率均高于58%。自吸高度為4 m時(shí)，該泵的自吸時(shí)間為154 s，滿足該泵的設(shè)計(jì)要求。

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