射流式自吸離心泵的設(shè)計(jì)與研究

王維軍，唐宇，馬鴻，楊征

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州121001）

射流式自吸離心泵的設(shè)計(jì)與研究

王維軍，唐宇，馬鴻，楊征

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州121001）

針對(duì)傳統(tǒng)的自吸式離心泵存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自吸時(shí)間過長(zhǎng)、工作效率較低等缺點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型離心泵外循環(huán)射流自吸裝置，該裝置是在普通離心泵的進(jìn)口管路和出口管路間增設(shè)了一個(gè)射流和汽水分離裝置，根據(jù)水射流的卷吸原理實(shí)現(xiàn)泵的自吸功能。本文主要介紹了該射流自吸泵的各結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。

離心泵；射流式自吸；外循環(huán)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，自吸式離心泵憑借著其自吸性能強(qiáng)、高效節(jié)能等特點(diǎn)在實(shí)際工作及日常生活中被廣泛應(yīng)用，有著十分良好的市場(chǎng)前景。但目前自吸式離心泵還存在著一定的問題，可靠性還需加強(qiáng)完善，而很多生產(chǎn)廠家把主要精力放在了它的保護(hù)系統(tǒng)上，雖然這起到了一定的效果，但并不能從根本上解決問題。而射流式自吸離心泵與其他自吸式離心泵相比，有效地提高了水泵的性能，完善了水泵的結(jié)構(gòu)，使得自吸式離心泵的性能得到了較好的提高。

1 自吸式離心泵概述

所謂自吸水泵就是指首次啟動(dòng)前只需向泵體內(nèi)加入一定量的水，啟動(dòng)后經(jīng)過一段時(shí)間可將進(jìn)水管內(nèi)的氣體排空，依靠葉輪旋轉(zhuǎn)而使水產(chǎn)生的離心力來工作的泵。自吸式離心泵按其作用可分為以下幾類：水環(huán)輪式、氣液混合式、射流式[1]。而普通自吸泵存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、效率低等問題，為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎、體積小、重量輕、效率高的新型離心泵體外射流自吸引水裝置，通過泵體自身體外循環(huán)，利用形成的高壓水流經(jīng)射流器抽真空引水，吸入管路中的氣體在泵體外進(jìn)行分離，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心泵外循環(huán)射流自吸引水裝置

2 射流式自吸離心泵的工作原理

在泵首次啟動(dòng)前，泵體內(nèi)先灌滿液體即管泵環(huán)節(jié)，之后打開止回閥，然后啟動(dòng)水泵，此時(shí)泵的入口和出口閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，在離心力的作用下，泵出水口處的壓力增加，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開啟射流閥和引水閥，此時(shí)離心泵自吸系統(tǒng)在外循環(huán)氣水分離裝置的作用下分離氣體，在泵的入口處形成負(fù)壓，從而開始引水工作。當(dāng)液位開關(guān)檢測(cè)到液體時(shí)，打開泵的入口閥，同時(shí)關(guān)閉射流閥、止回閥和引水閥并打開出水閥，水泵啟動(dòng)工作完成[2，3]，從而進(jìn)入正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3 自吸裝置的設(shè)計(jì)

3.1 射流裝置的工作原理

射流器的原理即在泵的出口處安裝自吸裝置，在其工作時(shí)液體通過射流噴嘴射出，由于噴嘴的截面積比管道的截面積小得多，流體流過噴嘴時(shí)速度迅速增大，該處的靜壓強(qiáng)急速減小，造成吸入管道真空，從而將入口管中的空氣吸入，氣水混合物在擴(kuò)大管中速度降低，壓強(qiáng)隨之增大，最后將氣水混合物送出。

3.2 射流器的基本參數(shù)確定及計(jì)算

在滿足自吸式離心泵壓力差及工作流量的前提下，設(shè)計(jì)條件如下：工作流量Q0=5 m3/h，揚(yáng)程H0=94 m，自吸入體積流量Qs=12.5 m3/h，自吸入體積揚(yáng)程Hs=0 m.就連續(xù)射流來說，其主要參數(shù)為射流流量、射流壓力、功率、流速以及反沖力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及射流寬度、射流起始長(zhǎng)度等機(jī)構(gòu)參數(shù)[4]。對(duì)于連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)間，即可得出下列關(guān)系式：

式中：P1、P2為噴嘴的內(nèi)、外靜壓力；V1、V2為噴嘴的內(nèi)、外流體的平均流速。

兩點(diǎn)間應(yīng)用連續(xù)性方程可得：

式中：vt為射流流速（m/s）；p為射流壓力（MPa）.

而由q=v·A可算出它的射流流量[5]，即

式中：qt為射流流量（L/min）；d為噴嘴出口直徑（mm）.

在這里要說明的是，由式（4）與式（5）得出的是流速及流量的理論值，但是通過噴嘴的流速v和流量q的實(shí)際值比理論值小。將工作流量q與理論流量qt的比值定義為流量系數(shù)μ，則射流流量為

根據(jù)式（5）與式（6）可得

式中：μ為流量系數(shù)。

3.3 射流器噴嘴的設(shè)計(jì)

噴嘴是射流式自吸離心泵的重要組成部件，針對(duì)噴嘴的形式，按照形狀可以分為圓柱形噴嘴、扇形噴嘴、異形噴嘴等幾類；而按照孔數(shù)又可以分為單孔噴嘴、多孔噴嘴等。考慮到射流器的性能及加工制造等因素，本次設(shè)計(jì)的射流式自吸泵采用的就是圓錐收斂型噴嘴。

3.3.1 噴嘴出口直徑d1

噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)首先要選定的重要參數(shù)是噴嘴噴孔的直徑，也是確定其它參數(shù)的依據(jù)[6]，一般噴嘴的出口直徑d1按下式確定：

式中：φ1為噴嘴的入口處的流速系數(shù)，通常為φ1=0.95～0.975；g為重力加速度（m/s2）；a為喉管入口修正系數(shù)，通常為a=1～1.05；△p0為工作壓力（MPa）；ρ0為工作液體的密度（kg/m3）.

3.3.2 確定喉管直徑

喉管直徑d3由下式確定：

根據(jù)射流器的設(shè)計(jì)公式可以計(jì)算出射流器的其他幾何參數(shù)，繪制出射流器的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 射流器結(jié)構(gòu)圖

3.4 氣水分離裝置

其工作原理是水和氣通過分離器內(nèi)部的進(jìn)水口進(jìn)入分離器后，把射流器排出的氣和水混合物中的氣體充分分離[7]，因?yàn)闅怏w和水的比重不同，重的水可以通過下部的排水孔排出，輕的氣通過頂部排氣孔順利排出，使得進(jìn)入離心泵吸入管路的介質(zhì)為不含氣體的液體，可以最終導(dǎo)致回流。

而根據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，取設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度常溫（取25℃），通徑120 mm，容積0.03 m3，介質(zhì)為水和空氣的混合物。根據(jù)壓力容器的設(shè)計(jì)公式計(jì)算出幾何參數(shù)，可得出汽水分離器外部筒體尺寸。但是，為了更有效地分離氣體，使水流經(jīng)汽水分離器時(shí)降低水的流速，所以設(shè)計(jì)中在筒體內(nèi)部增設(shè)另一個(gè)小型尺寸的開口筒體，根據(jù)連接管尺寸得出內(nèi)部筒體尺寸，從而繪制出汽水分離器的整體結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 汽水分離器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

通過對(duì)射流式自吸泵的研究和試驗(yàn)表明：射流系統(tǒng)可以明顯縮短自吸時(shí)間，尤其在箱內(nèi)水位比較低時(shí)作用更明顯，可以有效減小自吸裝置體積，且連接時(shí)對(duì)泵的外特性影響較小，具有節(jié)能的效果，而且外部的氣水分離裝置可以有效地將氣水混合物中的氣體分離出去，減小對(duì)葉輪的氣腐蝕作用，有效地提高離心泵的使用壽命，解決了傳統(tǒng)自吸泵的存在的問題。而且新型射流式自吸泵其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，體積小，重量輕，安裝操作方便，適用于農(nóng)作物的噴灌及排澇等場(chǎng)所，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]康勇，張建偉，李桂水.過程流體機(jī)械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：37-39.

[2]吳文俊，朱汝清.大口徑自吸離心泵設(shè)計(jì)[J].水泵技術(shù)，2011（03）：23-26.

[3]吳衛(wèi)東.回流孔對(duì)自吸離心泵自吸性能影響的研究[J].水泵技術(shù)，2013（01）：26-30.

[4]陳茂慶.高比轉(zhuǎn)數(shù)自吸離心泵設(shè)計(jì)方法的探討[J].水泵技術(shù)，2011（02）：33-36.

[5]陶悌森.自吸離心泵自吸性能影響因素的探討[J].水泵技術(shù)，2008（06）：33-35.

[6]彭學(xué)斌.立式無密封自吸泵的研究與應(yīng)用[J].通用機(jī)械，2007（02）：63-65.

[7]蘭才有.自吸泵的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].糧油加工與食品機(jī)械，2009（01）：31-32.

Design and Research of Jet Self-priming Centrifugal Pump

WANG Wei-jun，TANG Yu，MA Hong，YANG Zheng
（Mechanical Engineering and Automation College of Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning 12100，China）

The article is aimed at improving the disadvantages of the current traditional self-sucking pump，including the complex structure，the long self-priming time，the law working efficiency of the pump and so on. With structure improved，we design a late-model self-priming device which could bring about external jetting circulating of centrifugal pumps.This device adds a installation that could realize jet-flow and steam-water separation between entrance piping and exit piping of pumps，realizing self-priming according to the entrainment principle of water.This paper mainly introduces the structure as well as the operation principle of the self-priming pump.

centrifugal pump；jet self-priming；external circulation

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0032-03

2017-02-17

王維軍（1994-），男，遼寧海城人，本科，研究方向：過程裝備與控制工程；唐宇（1986-），男，遼寧錦州人，碩士，研究方向：過程裝備控制技術(shù)。