微型自吸旋渦泵效率分析與水力設計

唐 濤,沙 毅

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院,杭州 310023)

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.05.004

2017-06-26

國家自然科學基金項目(51677171)

沙 毅(1961— ),男,山西省介休人,研究員,主要從事流體機械理論和設計研究。E-mail:shayi0l@sina.com。

微型自吸旋渦泵效率分析與水力設計

唐 濤,沙 毅

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院,杭州 310023)

為了探究旋渦泵內部流動狀況,基于旋渦泵結構及工作原理引入摩擦驅動流動模型。由Navier-Stokes方程推導出流量與揚程關系式并計算出旋渦泵最高效率值為30%。通過分析葉輪圓周速度對泵性能影響試驗及旋渦泵產品統計數據,表明理論計算與試驗結果及實際情況吻合較好。在總結研究結果的基礎上,提出微型自吸旋渦泵水力設計方法,并以25ZWB1.5-25泵的成功案例進行了較好的驗證,從而為完善旋渦泵優(yōu)化設計及應用提供參考。

旋渦泵;摩擦驅動原理;圓周速度;效率;水力設計

微型自吸旋渦泵一般界定為功率小于0.75 kW,首次灌水后可實現自吸,主要用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民家用或儀器設備輔助配件。因其具有流量小、揚程高的特殊性能,近年來部分車輛發(fā)動機油箱燃油供給[1]及汽車配油站輸油等采用旋渦泵。目前浙江已成為最大的微型自吸旋渦泵生產基地,但規(guī)格僅限在單相電幾個品種,主要的問題是泵效率等能量指標偏低。

由于研究投入較少,特別是對旋渦泵內部流動特性的研究更為缺少[2-5],對旋渦泵的優(yōu)化設計大多采用比較可靠的CFD(computational fluid dynamics)數值模擬[6-7]進行研究,施衛(wèi)東、董穎等[8-9]通過對旋渦泵不同流道截面形狀進行數值模擬,分析了旋渦泵內部流動狀況,證實了流道截面形狀對流動的影響,也證明了徑向旋渦和縱向旋渦的存在,但旋渦泵理論研究還相對落后。為了給旋渦泵的設計和生產活動提供參考,筆者提出微型自吸旋渦泵水力幾何參數計算新方法:抽象建立旋渦泵內部流動模型,求解得到微型旋渦泵體積流量與揚程關系方程,并驗證了該方程的變化規(guī)律與試驗時變化規(guī)律的一致性,同時對微型旋渦泵的最大效率進行理論計算,再通過案例進行驗證。

1 工作原理及體積流量與揚程關系方程推導

如圖1所示,微型自吸旋渦泵結構與普通旋渦泵最大的區(qū)別是,葉輪室上方多了氣水分離室和回流孔。葉輪開始旋轉的泵起動初期,泵進口管路中一般充滿空氣,氣體通過逆止閥和儲存于吸入口內的液體混合被葉輪經流道甩出到排出口。氣體密度小,通過泵出口逸出,液體密度大,通過回流孔又回到吸入口重新和空氣混合重復上述過程,直到排盡進口管道中氣體,形成揚程完成連續(xù)穩(wěn)定的流動[10]。摩擦湍流原理[11]認為,葉輪轉動時,葉片表面與流道內液體之間產生紊亂摩擦使液體發(fā)生攪和作用,即通過葉輪粗糙表面與流道內液體的相對運動,產生摩擦力。該摩擦力帶動液體轉動,從而把原動機的能量傳遞給流道內的液體。基于該原理和旋渦泵結構,可以把旋渦泵的內部流動簡化為摩擦動力泵流動模型[12],在旋渦泵內部截取一段微元體,如圖2所示。葉輪相當于一長為B、直徑為D的圓柱體,以一定的角速度ω在直徑為D3(即D+2h)的同心環(huán)形流道圓柱體內旋轉。為提高摩擦力矩,葉輪外緣機械加工銑出齒形葉片。受旋轉葉輪表面摩擦力的作用,泵進口呈負壓(真空度),液體在大氣壓作用下被攜帶入泵內,葉輪對液體做功使其動能和壓能等提高,繞行一周后在流道出口形成揚程排除泵體。其中隔舌的作用是將流道進口和出口隔開。

圖1 微型自吸旋渦泵結構Fig.1 Structure of miniature self-priming vortex pump

圖2 摩擦泵流動模型Fig.2 Flow model of frictionpump

表達旋渦泵內部微元體不可壓縮及動力黏度μ為常數流體運動最全面的N-S微分方程式

由旋渦泵流動模型可以簡化成x,y,z方向上的速度分量為vy=0,vz=0,vx=vx(y)。再由連續(xù)方程

可得

重力場中的x,y,z方向上的質量力分量為fx=fz=0,fy=g。當旋渦泵處于穩(wěn)定工作時是定常流動,則N-S微分方程可簡化為

(1)

對y積分兩次得

(2)

(3)

(4)

2 泵效率計算

由牛頓內摩擦定律和式(3)得葉輪表面切應力

作用在葉輪上的力矩可計算為

旋渦泵輸出功率

于是最大輸出功率為

相應的輸入功率

旋渦泵最高效率

(5)

這與國內旋渦泵的統計數據基本一致[13-14],大中型旋渦泵效率略高于30%。表1所列的三款微型自吸旋渦泵效率一般都低于30%。

表1 微型自吸旋渦泵性能試驗數據與水力幾何參數Table 1 Experimental dataand hydraulic design parameters of miniature self-priming vortex pump

3 葉輪圓周速度對泵的性能影響試驗

式(4)最后的表達形式可以看成葉輪圓周速度u作為中間變量的旋渦泵約束方程,其基本形式為直線方程qv=αu-βH。

本研究在25ZWB1-12微型自吸旋渦泵上進行試驗完成了該方程的驗證。泵性能和主要水力幾何參數如表2所示。在葉輪外徑D不變情況下,通過改變轉速分別測定5個圓周速度u1=7.948 m/s,u2=8.671 m/s,u3=9.393 m/s,u4=10.116 m/s,u5=10.839 m/s下泵性能及汽蝕特性,繪制成性能曲線,如圖3所示。

表2 25ZWB1-12自吸旋渦泵性能與水力幾何參數Table 2 Performance and hydraulic design parameters of 25ZWB1-12 self-priming vortex pump

通過分析可以看出,qv-H曲線呈線性遞減趨勢,也基本符合式(4)的變化規(guī)律,流量越高,揚程越低,從而驗證了旋渦泵流量和揚程關系方程的變化規(guī)律;圓周速度是影響旋渦泵性能的一個主要參數[15],揚程和功率曲線呈近似線性遞增,同時葉輪圓周速度越高,揚程和功率也越大;效率曲線呈上升趨勢,葉輪圓周速度越高,效率也越高;汽蝕余量曲線線性遞減,抗汽蝕性能呈提高趨勢?？梢钥隙ㄐ郎u泵的葉輪適合高速運轉,這也和中國旋渦泵產品基本配套同步轉速3 000 r/min電動機相一致。

圖3 葉輪圓周速度u的性能曲線Fig.3 Performance curves of impeller peripheral speed

4 水力設計方法及設計案例

4.1 水力設計方法

表1簡列了筆者研制的3款微型自吸旋渦泵主要性能試驗數據與水力幾何參數。用文獻[15]普通旋渦泵設計方法計算的數據列于表3。經與表1對比,微型自吸旋渦泵水力設計需修正:葉片外徑D、葉輪寬B、葉片數Z的計算值與樣機值相當,微調即可;流道面積A的計算值比實際值平均大近20 mm2,考慮到自吸旋渦泵有回流運動,故設計時應縮小計算值20 mm2左右。

經回歸分析,本研究提出的自吸旋渦泵回流孔面積S(mm2)和泵內儲水V(cm3)計算公式:

S=53qv,

(6)

V=330qv。

(7)

其中,式(6)和式(7)用于比轉速14～38范圍內的自吸旋渦泵,流量單位仍為m3/h。

4.2 設計案例

筆者將本研究的設計方法應用于微型自吸旋渦泵產品開發(fā),現取25ZWB1.5-25一例介紹。水力設計計算參數如表1;產品設計總裝、葉輪及壓水室技術圖見圖4;產品性能試驗數據及曲線見表4和圖5。圖5中qv-H曲線呈線性遞減趨勢,也基本符合式(4)的變化規(guī)律;該型旋渦泵最大效率ηmax=25.4%<30%,這也驗證了式(5)微型旋渦泵的最高效率一般不超過30%的正確性。

圖4 25WZB1.5-25自吸旋渦泵結構及尺寸Fig.4 Structure and sizes of 25WZB1.5-25 self-priming vortex pump

流量/(m3·h-1)揚程/m軸功率/kW泵效率/%汽蝕余量/m057．60．66800．3649．70．5748．50．5545．30．53312．80．7940．10．48517．83．21．132．10．43522．11．4425．20．38925．43．71．818．50．36624．84．52．211．20．34319．62．65．10．31711．3

圖5 25WZB1.5-25自吸旋渦泵性能曲線Fig.5 Performance curves of 25WZB1.5-25 self-priming vortex pump

5 結 論

筆者將旋渦泵的內部流動簡化為摩擦動力泵流動模型,推導出體積流量與揚程關系方程,并通過具體案例驗證了體積流量與揚程關系方程的變化規(guī)律基本上符合試驗結果的變化規(guī)律;還通過具體案例對計算出的微型旋渦泵的最高效率一般不超過30%進行了驗證,表明對微型旋渦泵的效率計算基本準確。本研究提出的微型自吸旋渦泵回流孔面積S與流量qv,以及泵內儲水V與流量qv經驗公式,在實踐中證明準確率較高。

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Efficiencyanalysisandhydraulicdesignofminiatureself-primingvortexpump

TANG Tao, SHA Yi

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

The model of friction driving flow was introduced to study the internal flow situation of the vortex pump,based on the structure and the working principle of the vortex pump. The relation between flow and lift was derived from Navier-Stokes equation, and the peak efficiency of vortex pump reached 30% through calculation.Through analysis of pump experiments in impeller peripheral speed and statistics about vortex pump products, the calculation results are well consistent with the experimental data and the actual situation. On the basis of the findings, the hydraulic design methods of the miniature self-priming vortex pump were elaborated and verified with an analysis on the pump 25WZB1.5-25, which has provided reference to optimize the vortex pump design.

vortex pump; friction driving principle; peripheral speed; efficiency; hydraulic design

TH314

A

1671-8798(2017)05-0339-07