內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)

摘要：文章著重介紹了內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、自吸過程和輸液過程，提出了液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)方法，可為液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)排氣；液環(huán)式；自吸離心泵

中圖分類號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）18-0001-02

自吸離心泵是一種特殊結(jié)構(gòu)的離心泵，它依靠泵本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無需附加任何外部輔助設(shè)施即可完成自吸過程，然后進(jìn)入正常輸液。為了拓展自吸離心泵的應(yīng)用范圍，研究人員已經(jīng)研發(fā)出一種液環(huán)式自吸離心泵，液環(huán)式自吸離心泵是將液環(huán)輪與葉輪組合在一個(gè)殼體中，借助液環(huán)輪將氣體排出，實(shí)現(xiàn)自吸，然后進(jìn)入正常輸液。

現(xiàn)有液環(huán)式自吸離心泵都設(shè)有專門的排氣裝置，排氣裝置上安裝排氣閥。在排氣過程中，需關(guān)閉泵的出口閥門，打開排氣閥，泵中及管路中的氣體排到大氣中；排氣完畢后，需及時(shí)關(guān)閉排氣閥，打開泵的出口閥門。其不足之處：操作步驟多，不能實(shí)現(xiàn)泵的排氣引液、抽送液體的全程自動(dòng)化；易造成輸送介質(zhì)的外泄，從而污染環(huán)境。

為了克服現(xiàn)有液環(huán)式自吸離心泵操作步驟多、易造成輸送介質(zhì)外泄的缺陷，近年來相關(guān)人員已經(jīng)研發(fā)出一種內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵。

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液環(huán)式自吸離心泵按液環(huán)輪的位置可以分為在葉輪前和葉輪后兩種，本文介紹的內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵采用液環(huán)輪在葉輪后的型式，其結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵由泵體（其A-A剖視圖結(jié)構(gòu)如圖2所示）、進(jìn)口腔體、進(jìn)口接頭、拍門、葉輪、液環(huán)泵蓋、液環(huán)泵殼、液環(huán)輪、軸、支架、排氣管、機(jī)械密封等組成。泵體和進(jìn)口腔體組成自吸泵泵體，與普通的外混式自吸離心泵泵體結(jié)構(gòu)相似，具有吸入S形彎、儲(chǔ)液室、氣液分離室、不完整的蝸殼擴(kuò)散段及下回流孔等。泵體和液環(huán)泵蓋固定在支架上，泵體和支架的外部由排氣管聯(lián)接，進(jìn)口接頭和進(jìn)口腔體之間設(shè)有拍門，液環(huán)泵殼固定在液環(huán)泵蓋上，葉輪在泵體和液環(huán)泵殼的內(nèi)部，葉輪的后蓋板上開有數(shù)個(gè)小孔，液環(huán)輪在液環(huán)泵殼和液環(huán)泵蓋的內(nèi)部，葉輪和液環(huán)輪固定在同一根軸上。

這種設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、鑄造方便、操作方便、維護(hù)方便、自吸性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)泵的排氣引液、抽送液體的全程自動(dòng)化，減少輸送介質(zhì)的外泄。

2自吸過程

自吸過程可分為4個(gè)階段。即:葉輪上形成液體封環(huán)過程，氣液混合過程，氣液分離過程，再循環(huán)過程。

①葉輪上形成液體封環(huán)過程。由于要隔離泵入口和泵出口，必須在葉輪出口及稍遠(yuǎn)處形成一個(gè)液體封環(huán)。自吸時(shí)，泵中儲(chǔ)液室存有一定的儲(chǔ)液，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉輪在離心力的作用下，將液體拋向葉輪出口側(cè)，加上葉輪出口側(cè)液體的不斷補(bǔ)充，可在葉輪出口及稍遠(yuǎn)處形成一個(gè)液體封環(huán)。

②氣液混合過程。由于葉輪和液環(huán)輪的高速旋轉(zhuǎn)，葉輪入口和液環(huán)輪入口形成負(fù)壓，使泵入口和吸入管路中的氣體和葉輪處的液體在液環(huán)輪入口處混合。高速旋轉(zhuǎn)的液環(huán)輪和液環(huán)泵殼、液環(huán)泵蓋一起形成液環(huán)泵，使拍門處于開啟狀態(tài)，完成氣液混合物從泵入口→葉輪入口→葉輪后蓋板小孔→液環(huán)輪入口→液環(huán)輪出口→排氣管→氣液分離室的抽送。

③氣液分離過程。由于液環(huán)輪的作用，使氣液混合物通過排氣管進(jìn)入氣液分離室。此時(shí)流速降低，由于空氣和液體的密度相差非常大，氣液混合物的泡沫不斷破裂，使較輕的氣體從氣液混合物中分離出來，并通過泵出口逸出，而較重的液體由于自身重力的作用，回流到儲(chǔ)液室。

④再循環(huán)過程。由于儲(chǔ)液室存有一定的液體，通過回流孔，補(bǔ)充葉輪內(nèi)部的液體損失，自吸過程中，始終在葉輪出口及稍遠(yuǎn)處形成一個(gè)液體封環(huán)。泵入口和吸入管路中的氣體和葉輪處的液體在液環(huán)輪入口處重新混合，繼續(xù)上述的氣液混合過程和氣液分離過程。隨著整個(gè)過程周而復(fù)始地進(jìn)行，吸入管道內(nèi)的氣體越來越少，其液位越來越高，直到把吸入管道中的氣體全部排盡為止，泵便完成了自吸過程。

3輸液過程

泵完成自吸過程后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入輸液過程，其工作過程即為普通離心泵的工作過程。

4設(shè)計(jì)方法

液環(huán)式自吸離心泵將液環(huán)輪與葉輪組合在一個(gè)殼體中，在設(shè)計(jì)方法上與普通離心泵和普通自吸離心泵存在一定的差異，所以在水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加以考慮。

4.1水力設(shè)計(jì)

4.1.1葉輪

液環(huán)式自吸離心泵的葉輪和一般離心泵的葉輪設(shè)計(jì)方法基本一致，但需注意以下兩點(diǎn)：

由于泵體上存在不完整的擴(kuò)散段和回流孔，要達(dá)到一般離心泵相同揚(yáng)程，葉輪外徑需在計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大，設(shè)計(jì)時(shí)葉輪放大的比例為1.03~1.05。

液環(huán)式自吸離心泵汽蝕性能要求高，因此要采用提高汽蝕性能的設(shè)計(jì)方法，注意采用加大葉輪進(jìn)口直徑、加大葉片進(jìn)口寬度及加大葉輪前蓋板進(jìn)口部分的曲率半徑等措施。

4.1.2蝸殼

液環(huán)式自吸離心泵的蝸殼和一般離心泵的蝸殼設(shè)計(jì)方法一致。特別注意隔舌與葉輪外徑間隙可按一般離心泵是要求設(shè)計(jì)。

4.1.3氣液分離室和儲(chǔ)液室

液環(huán)式自吸離心泵的氣液分離室和儲(chǔ)液室與一般自吸離心泵的氣液分離室和儲(chǔ)液室設(shè)計(jì)方法一致。

4.1.4回流孔

由于回流孔只用于補(bǔ)充葉輪內(nèi)部的液體損失，所以液環(huán)式自吸離心泵的回流孔面積遠(yuǎn)小于一般自吸離心泵的回流孔面積。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于50 mm、80 mm、100 mm吸入口徑的液環(huán)式自吸離心泵的回流孔直徑選擇詳見表1，比轉(zhuǎn)速低時(shí)取大值，比轉(zhuǎn)速高時(shí)取小值，其它規(guī)格吸入口徑的液環(huán)式自吸離心泵的回流孔直徑選擇可見表1。

4.1.5液環(huán)輪的設(shè)計(jì)步驟

①根據(jù)泵設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，查泵的允許吸上高度，確定吸入管徑及長度。

②根據(jù)要求的自吸時(shí)間，確定液環(huán)輪的排氣量q（m3/s）。

③根據(jù)排氣壓力和吸氣壓力計(jì)算液環(huán)輪的最小圓周速度U2 min，U2 min的取值范圍為：15~17 m/s，排氣壓力一般為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，吸氣壓力為泵所允許的吸上真空度Hs（Pa）。

④根據(jù)泵的轉(zhuǎn)速n和修正系數(shù)λ計(jì)算液環(huán)輪半徑r2（m），此值可圓整。根據(jù)排氣量q、轉(zhuǎn)速n、液環(huán)輪半徑r2、容積效率ηv等參數(shù)計(jì)算液環(huán)輪的寬度b（m），此值可圓整。

⑤根據(jù)輪轂比γ計(jì)算輪轂半徑r1（m），此值可圓整。

⑥根據(jù)相對(duì)淹深α計(jì)算淹深a（m）。

⑦確定葉片數(shù)Z和葉片安放角β，一般取Z=12，β=90。

⑧計(jì)算偏心距e和殼體半徑R。

⑨設(shè)計(jì)吸氣口及排氣口。主要是確定吸氣口、排氣口始端角、末端角以及形狀，吸氣口和排氣口分別設(shè)計(jì)在液環(huán)輪的兩側(cè)。

上述步驟中的計(jì)算方法與公式參見文獻(xiàn)。

4.2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。支架上設(shè)有排氣通道，支架、泵體設(shè)有排氣管固定結(jié)構(gòu)，泵體和支架的外部由排氣管聯(lián)接。在自吸過程中，液環(huán)輪排出的液體依次通過液環(huán)泵蓋、支架、排氣管，然后進(jìn)入泵體的氣液分離室進(jìn)行氣液分離。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)泵的排氣引液、抽送液體的全程自動(dòng)化，減少輸送介質(zhì)的外泄。

②儲(chǔ)液室和氣液分離室分體的自吸泵泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種自吸泵泵體包括泵體、進(jìn)口腔體、O形圈和緊固件，泵體上設(shè)有氣液分離室、蝸室和回流孔，進(jìn)口腔體上設(shè)有儲(chǔ)液室和S形流道，進(jìn)口腔體和泵體通過上回流孔聯(lián)通，從而聯(lián)通氣液分離室和儲(chǔ)液室，進(jìn)口腔體和泵體之間的密封采用O形圈密封，進(jìn)口腔體和泵體之間的聯(lián)接通過緊固件聯(lián)接。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足自吸泵自吸功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了自吸泵泵體結(jié)構(gòu)，改善了泵體的鑄造工藝性，降低了泵體鑄件的廢品率，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

5結(jié)語

①內(nèi)排氣液環(huán)式自吸離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，具有一定的新穎性，并具有結(jié)構(gòu)緊湊、鑄造方便、操作方便、維護(hù)方便、自吸性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)泵的排氣引液、抽送液體的全程自動(dòng)化，減少輸送介質(zhì)的外泄。

②液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證是可行的，此方法為液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，豐富了液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)理論，可為液環(huán)式自吸離心泵的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

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