離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法分析

蔣昕 張祥 王恩輝

摘 要：大型自吸離心泵是一種無需灌水，通過自吸系統(tǒng)將進(jìn)口管內(nèi)空氣排凈，實(shí)現(xiàn)快速自吸，從而使離心泵正常工作的水利機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定以及自吸能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大面積噴灌供水系統(tǒng)、城市排水以及抗洪抗?jié)车?，?yīng)用前景十分廣闊。文章首先分析了大型自吸離心泵存在的問題，然后介紹了自吸離心泵結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)以及工作原理，最后對(duì)大型自吸離心泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；文丘里自吸系統(tǒng)

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)各行各業(yè)對(duì)大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應(yīng)用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業(yè)循環(huán)水等方面發(fā)揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)方法、完善大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)理論，能夠有效提高泵的工作效率，對(duì)提高自吸離心泵的性能有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大型自吸離心泵存在的問題

從上世紀(jì)60年代開始我國(guó)就開始了對(duì)大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應(yīng)用彈性橡膠閥來實(shí)現(xiàn)回流孔自動(dòng)關(guān)閉的理論，在此基礎(chǔ)上研制出了外混式結(jié)構(gòu)的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對(duì)大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及成本等方面對(duì)其進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，總結(jié)出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有待完善。在國(guó)內(nèi)離心泵生產(chǎn)企業(yè)中，大多數(shù)還是生產(chǎn)內(nèi)混式和外混式自吸離心泵，缺乏創(chuàng)新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數(shù)自吸離心泵采用的是上世紀(jì)90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動(dòng)關(guān)閉從而實(shí)現(xiàn)自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國(guó)生產(chǎn)大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會(huì)導(dǎo)致大型自吸離心泵比較重，也會(huì)一定程度上增大工作人員的工作強(qiáng)度。

2 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 大型自吸離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型自吸離心泵通過自吸系統(tǒng)將泵的進(jìn)口管內(nèi)空氣排凈并實(shí)現(xiàn)快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結(jié)構(gòu)由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統(tǒng)等組成，泵與自吸系統(tǒng)采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型自吸離心泵三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 大型自吸離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)流量為Q=500m3/h，揚(yáng)程H=45m，泵的轉(zhuǎn)速n=2200r/min，柴油機(jī)的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。

2.3 葉輪水利設(shè)計(jì)

大型自吸離心泵內(nèi)部水的流動(dòng)非常復(fù)雜，在自吸系統(tǒng)工作時(shí)涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設(shè)計(jì)關(guān)系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對(duì)于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結(jié)構(gòu)采用閉式結(jié)構(gòu)，葉輪的設(shè)計(jì)首先需要確定泵的比轉(zhuǎn)速，比轉(zhuǎn)速可以采用以下公式來計(jì)算：

n■=■=188

其次，需要確定泵的進(jìn)出口直徑，泵的進(jìn)口直徑是指進(jìn)口管法蘭處內(nèi)徑，常用泵的進(jìn)口直徑、流速以及流量之間的關(guān)系表1所示。

表1

根據(jù)圖表再加上實(shí)際情況選擇泵的進(jìn)口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進(jìn)口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計(jì)算可得，葉輪進(jìn)口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進(jìn)口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數(shù)為6片。

3 大型自吸離心泵自吸系統(tǒng)工作原理

本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統(tǒng)，文丘里自吸系統(tǒng)是一種以壓縮空氣作為動(dòng)力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網(wǎng)以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統(tǒng)的排氣裝置和進(jìn)口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網(wǎng)，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統(tǒng)內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以不需要設(shè)置潤(rùn)滑裝置，而且密封性能良好，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統(tǒng)通過壓縮空氣產(chǎn)生射流，這時(shí)逆止閥會(huì)被打開，射流會(huì)不斷地卷吸泵體內(nèi)的空氣，然后排出。與此同時(shí)，逆止閥會(huì)組織外部的氣體進(jìn)入泵體內(nèi)部，經(jīng)過這樣的反復(fù)排氣會(huì)使泵體產(chǎn)生真空，這時(shí)水流進(jìn)入葉輪，水流的作用力會(huì)將逆止閥關(guān)閉，這時(shí)離心泵開始了正常工作，實(shí)現(xiàn)了大型離心泵的自吸功能。

4 大型自吸離心泵試驗(yàn)研究

按照上述設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)水泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216-2005《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級(jí)和2級(jí)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。預(yù)測(cè)性能曲線與實(shí)驗(yàn)性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計(jì)算方法等都會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差在可以接受的范圍之內(nèi)。同時(shí)對(duì)大型自吸離心泵自吸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)自吸離心泵自吸高度達(dá)到5米時(shí)，自吸時(shí)間應(yīng)小于120s，本裝置進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，自吸高度達(dá)到5米時(shí)自吸時(shí)間為75s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)可以得出，大型自吸離心泵的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章對(duì)離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行了分析，介紹了泵的結(jié)構(gòu)、自吸系統(tǒng)以及葉輪等的設(shè)計(jì)，通過對(duì)大型自吸離心泵試驗(yàn)研究可以得出其性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，甚至一些參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)大型自吸離心泵進(jìn)行研究，提高了泵的工作效率和性能，對(duì)促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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