圓盤泵輸送性能與內(nèi)部流動研究進(jìn)展

何坤健，張惟斌，江啟峰，韓宇明，張慧宇，衡亞光，G·博華

（1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室,四川 成都 610039；3.西華大學(xué)航空航天學(xué)院,四川 成都 610039）

圓盤泵（Disc Pump），又稱為特斯拉泵或碟片泵，是一種具有特殊葉輪結(jié)構(gòu)的泵類流體機(jī)械。在工作時，被輸送流體軸向進(jìn)入泵內(nèi)，然后被引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)的圓盤中，在粘性力的作用下，能量傳遞給圓盤間連續(xù)的液體分子層，產(chǎn)生速度和壓力梯度，旋轉(zhuǎn)圓盤表面會形成邊界層。在這個過程中流體被加速，其動能增加，當(dāng)流動至圓盤外圍時會流入蝸殼，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，最后流出泵體。簡言之，圓盤泵是利用流體的粘性力和邊界層效應(yīng)將能量傳遞給流體，從而完成介質(zhì)的輸送。圓盤泵的工作特性使其可應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)學(xué)、機(jī)電等領(lǐng)域[1 ? 6]。

圓盤泵的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點使其在一些特殊的工作環(huán)境下更具有競爭力，可以解決傳統(tǒng)葉片泵和容積泵不易解決或無法解決的輸送問題，為工程應(yīng)用提供新的方案，但其工作時的總體效率較低，如何設(shè)計出高效穩(wěn)定的圓盤泵是目前的研究重點。本文針對圓盤泵的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，對其輸送性能和內(nèi)部流動進(jìn)行分析和綜述，并總結(jié)了對于圓盤泵仍需研究解決的問題。

1 圓盤泵總體概述

1.1 發(fā)展歷程

圓盤泵問世至今已有一百多年，最初的圓盤泵模型是由美國人Sargent 在1850 年提出的，其葉輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示，一組平行的光滑圓盤以一定的間距安裝在轉(zhuǎn)軸上，外圍以一塊帶有圓孔的卷制鋼板包裹起來。雖然該結(jié)構(gòu)比較新穎，但是由于效率較低，當(dāng)時沒有得到廣泛的應(yīng)用。1909 年，Tesla 進(jìn)一步發(fā)展了圓盤泵，使泵的性能有一定的提高，并申請了相關(guān)專利，之后于1913 年獲得了專利授權(quán)，因此圓盤泵也被稱為特斯拉泵[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。同年，基于與泵相同原理的渦輪機(jī)專利獲得授權(quán)[8]。在特斯拉泵發(fā)明的初期，由于其效率低于傳統(tǒng)葉片泵，而且葉片泵的設(shè)計理論和工程實際應(yīng)用發(fā)展較快，當(dāng)時被人們認(rèn)為是概念設(shè)計，因此將研究重點集中在葉片泵上。隨著工業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)泵的使用不能很好地解決部分介質(zhì)的泵送問題。到了1950 年左右，人們?yōu)榱藢で蠼鉀Q方法，將研究重點轉(zhuǎn)向了圓盤泵。為了深入了解圓盤泵內(nèi)的流動特性，對圓盤泵進(jìn)行了相關(guān)研究，促進(jìn)了特斯拉泵的進(jìn)一步發(fā)展。1988 年，Gurth 提出了一種新型結(jié)構(gòu)[9?10]，他用帶有若干徑直葉片的圓盤葉輪代替了平行的光滑圓盤，如圖3 所示，改進(jìn)后的泵揚程和效率有較大程度的提高，使其成為第二代圓盤泵。之后，Gurth 又不斷對圓盤泵進(jìn)行優(yōu)化，并申請了相關(guān)專利[11]。

圖1 Sargent 設(shè)計的圓盤泵葉輪

圖2 Tesla 設(shè)計的圓盤泵

圖3 Max 改進(jìn)的圓盤泵葉輪

目前最大的圓盤泵生產(chǎn)商是美國Discflo 公司。該公司成立于1982 年，專注于解決難泵送介質(zhì)的輸送，到目前為止已擁有眾多圓盤泵專利，所生產(chǎn)的圓盤泵已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，圖4 和圖5 為該公司部分圓盤泵系列產(chǎn)品。圖4 為玻璃襯里圓盤泵，該泵在葉輪表面襯有玻璃，使其具有高耐磨性、高耐腐蝕性等優(yōu)點。圖5 為SP 系列衛(wèi)生圓盤泵，該系列圓盤泵應(yīng)用了Discflo 公司特有的技術(shù)，可以在無損傷的情況下輸送玉米、番茄等食品和醫(yī)藥產(chǎn)品，還可以輸送對剪切力敏感的流體介質(zhì)。

圖5 SP 系列衛(wèi)生圓盤泵

相比其他類型的泵，圓盤泵的發(fā)展較慢，且國內(nèi)外關(guān)于圓盤泵的研究較少。此外，由于技術(shù)壁壘和商業(yè)機(jī)密的原因，圓盤泵生產(chǎn)商鮮有公開相關(guān)技術(shù)資料，因此所能參考的資料有限，到目前為止也沒有建立起完善的設(shè)計理論與方法。現(xiàn)階段，對圓盤泵的開發(fā)與研究主要是利用CFD 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬、樣機(jī)試驗和參考其他類型泵的文獻(xiàn)資料在Max 的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。在國內(nèi)，中國石油大學(xué)率先開展了圓盤泵的相關(guān)研究，主要集中在固液兩相流動、泵內(nèi)流場分析等方面，并成功將圓盤泵應(yīng)用于無隔水管海底泥漿舉升鉆井技術(shù)中，取得了豐富的研究成果[12?16]。在國外，針對圓盤泵的研究相比國內(nèi)起步較早，主要分析圓盤泵內(nèi)部流場和流體流動機(jī)理[17?19]。這些早期的研究成果對圓盤泵的發(fā)展起到了重要的作用，填補(bǔ)了相關(guān)研究方向的空白，對圓盤泵的設(shè)計和優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的參考和理論依據(jù)，為開展進(jìn)一步的研究以提升其輸送能力和工作性能打下了堅實的基礎(chǔ)。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

圓盤泵的葉輪結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)葉片泵相比具有差異性，使其具有獨特的優(yōu)點。目前，圓盤泵葉輪表面設(shè)有若干葉片，葉片軸向不連續(xù)，中間存在無葉區(qū)，如圖6 所示。這種結(jié)構(gòu)減少了被輸送介質(zhì)與過流部件的接觸，從而在一定程度上緩解了葉輪表面的磨損，提高了泵的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。傳統(tǒng)葉片式泵和容積式泵輸送含固體顆?；蛘承阅龎K的介質(zhì)時，會出現(xiàn)易堵塞、易纏繞、過流部件易磨損等問題，使泵發(fā)生故障，影響生產(chǎn)線的正常運行。而使用圓盤泵進(jìn)行輸送時，由于其特殊的結(jié)構(gòu)避免了上述困擾，解決了傳統(tǒng)泵難以輸送的問題。除此之外，圓盤泵還適合輸送剪切力敏感流體、高磨損性泥漿、高粘度或高含氣量的介質(zhì)等，具有空化性能良好、運行平穩(wěn)可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、壽命長等優(yōu)點。

圖6 圓盤泵特殊的葉輪結(jié)構(gòu)

圓盤泵特殊的結(jié)構(gòu)使其在經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的優(yōu)勢。圓盤泵、離心泵和螺桿泵在資本成本、維修成本、停工損失3 個方面的對比結(jié)果如圖7所示[20]。從圖中可以看出，這3 種泵的資本成本基本持平，但圓盤泵的維修成本和停工損失遠(yuǎn)低于另外兩種泵。這是因為當(dāng)輸送高磨損性、剪切力敏感流體等介質(zhì)時，傳統(tǒng)泵需要定期維護(hù)和更換零件，這些花銷可能比購買泵的價格還高，而圓盤泵具有無沖擊泵送的優(yōu)點，減少了對泵體的損耗。

圖7 圓盤泵、離心泵和螺桿泵成本對比

2 圓盤泵研究進(jìn)展

2.1 輸送性能

2.1.1 葉輪結(jié)構(gòu)變化對性能的影響

圓盤泵早期的結(jié)構(gòu)是一組光滑圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，即第一代圓盤泵，表面沒有葉片，泵的性能較差，因此當(dāng)時未能在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。隨著圓盤泵的發(fā)展，經(jīng)過研究人員的改進(jìn)和優(yōu)化，在圓盤上增加若干徑向直葉片，使得圓盤泵的性能大幅度提高，稱之為第二代圓盤泵。在國內(nèi)，早在1994年，河北省機(jī)械科學(xué)研究院張愛習(xí)[21]設(shè)計了一種MP 型圓盤摩擦泵，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。該泵采用了平滑的平行圓盤，揚程可達(dá)26 m，可輸送高粘度、含固體顆粒的介質(zhì)。中國石油大學(xué)（華東）尹樹孟等[22]設(shè)計了新型圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)，將葉輪進(jìn)口段和葉片形式改變成圓弧過渡形式，結(jié)構(gòu)如圖9 所示。圖10 為西華大學(xué)團(tuán)隊參考現(xiàn)有離心泵葉輪，設(shè)計制造的徑直葉片圓盤泵，圓盤上帶有徑向直葉片，葉片在軸向上不連續(xù)，前后圓盤采用圓柱連接臂連接。

圖8 MP 型圓盤摩擦泵[21]

圖9 圓弧流道圓盤泵[22]

圖10 徑直葉片圓盤泵

圖11 所示為上述幾種圓盤泵由于其葉輪結(jié)構(gòu)的改變引起的性能變化。第一代圓盤泵和張愛習(xí)所設(shè)計的圓盤泵均為光滑圓盤，揚程和效率都低于帶有葉片的葉輪圓盤泵。在圓盤上設(shè)置葉片后，一方面增加了邊界層厚度，使得能量轉(zhuǎn)化率更高，另一方面除了依靠粘性力和邊界層效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化以外，還依靠圓盤高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力。西華大學(xué)制造的圓盤泵與第二代圓盤泵在葉輪結(jié)構(gòu)上均采用了徑向直葉片葉輪，性能與后者相比有略微提升，進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能變化將在后續(xù)文獻(xiàn)中報道。尹樹孟設(shè)計的圓弧圓盤泵是在第二代圓盤泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的，圓弧過渡結(jié)構(gòu)有效減少了流體在輸送過程中從軸向流動到徑向時的損失，故而提高了總體性能。

除了上述幾種圓盤泵結(jié)構(gòu)外，其他學(xué)者根據(jù)圓盤泵的特性提出了新式葉輪結(jié)構(gòu)。陳永超等[23?24]參考傳統(tǒng)多級離心泵提出了一種葉輪內(nèi)表面為波紋狀的多級圓盤泵。該葉輪表面波紋形式可為正弦波或余弦波，能有效提高圓盤泵的抗磨損性能。衡亞光等[25]基于傳統(tǒng)離心泵提出了一種圓盤泵葉輪，即在葉片上沿徑向設(shè)置缺口，連通各葉片間流道，使泵能夠方便地輸送變粘度介質(zhì)。張惟斌等[26]提出了一種橫截面為半徑漸變的圓弧形葉輪葉片圓盤泵，這種結(jié)構(gòu)可以減少物料在泵送過程中的破損，最大程度保證輸送介質(zhì)的完整性。前面幾種葉輪結(jié)構(gòu)均采用了“凸型”葉片，而Wu 等[27]設(shè)計了一種帶凹槽的葉輪，結(jié)構(gòu)如圖12 所示，圖中r1為圓盤內(nèi)徑，r2為圓盤外徑，h為溝槽深度，H為盤間距。凹槽會影響圓盤泵內(nèi)流場從單相流到氣液兩相流的過渡特性，而且能夠減小作用在圓盤上的最大軸向力。

圖11 圓盤泵性能變化[7,9 ? 10,21 ? 22]

圖12 帶凹槽的葉輪[27]

圓盤泵葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計有別于傳統(tǒng)葉片泵，使其具有獨特的工作特性，但圓盤泵工作時效率較低，不能充分發(fā)揮自身的特點。為了提高圓盤泵工作性能，達(dá)到工程應(yīng)用的要求，需要進(jìn)一步對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。影響圓盤泵性能的因素眾多，如果清楚各影響因素的敏感性，則對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時更具有目的性，能夠節(jié)約時間和提高工作效率。王少平等[28]應(yīng)用了正交分析法研究了圓盤外徑、圓盤內(nèi)徑、圓盤間距和流量等因素對圓盤泵性能的影響程度，發(fā)現(xiàn)主要影響因素是圓盤外徑，其次是圓盤內(nèi)徑、盤間距和流量。陳永超等[29]研究了葉片的數(shù)量、寬度和形狀對泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著葉片數(shù)量的增加和葉片寬度的減少，以及采用梯形葉片能有效提高圓盤泵的性能。Martínez 等[30]在葉輪中分別設(shè)置橫截面為三角形、圓形、正方形的擾流器，觀察泵內(nèi)流場的變化，研究其對泵性能的影響，試驗結(jié)果表明在葉輪上設(shè)置正方形擾流器的泵表現(xiàn)出更好的性能。設(shè)置擾流器后，會在葉輪出口處形成如圖13 所示的環(huán)流，促進(jìn)了從葉輪到流體的能量傳遞，使泵表現(xiàn)出更好的性能。Gurth 通過試驗研究發(fā)現(xiàn)盤間距會影響圓盤泵性能[31]?，F(xiàn)階段圓盤泵葉輪葉片在軸向上是不連續(xù)的，中間存在無葉片區(qū)域，圓盤間距直接影響了該區(qū)域的大小，進(jìn)而影響圓盤泵的輸送性能。Dodsworth 等[32 ? 33]分析了盤間距和電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵的性能之間的關(guān)系，試驗結(jié)果表明較小的盤間距和較大的轉(zhuǎn)速會使圓盤泵具有更好的性能。Miller 等[34]研究了圓盤數(shù)分別為4～6、盤間距分別為3.81～6.35 mm 的圓盤泵性能最佳時的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果表明當(dāng)圓盤數(shù)為5、盤間距約為3.81 mm 時泵具有最佳性能。Dodsworth 和Miller 等的研究成果都表明了較小的盤間距會使泵表現(xiàn)出更好的性能，因為盤間距過大會造成對流體的控制能力下降，故而泵的性能受到影響，但盤間距也并不是越小越好，其值的大小也要考慮輸送介質(zhì)的性質(zhì)等因素。

圖13 正方形擾流器周圍的環(huán)流[30]

圓盤泵在工作狀態(tài)時流體壓力、離心力等多種載荷作用在葉輪上，優(yōu)化時需考慮其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，保證工作時的安全性和穩(wěn)定性。周昌靜等[35]在試驗研究的基礎(chǔ)上，預(yù)測了圓盤泵葉輪軸向力，結(jié)果表明葉輪前后盤外表面壓力不一致所產(chǎn)生的軸向力大于葉輪內(nèi)表面壓力不均勻所產(chǎn)生的軸向力，前者占總軸向力的大部分。解永超等[36]分析了圓盤泵葉輪徑向力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)徑向力分量按正弦規(guī)律變化，變化周期與葉輪轉(zhuǎn)動周期一致，且軸對稱葉輪結(jié)構(gòu)受到的徑向力較小。得出作用在葉輪上各種載荷的大小及分布規(guī)律后，可針對性地優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)，采取相應(yīng)措施平衡作用力，提高圓盤泵的運行可靠性和壽命。

圓盤泵從最初的光滑圓盤結(jié)構(gòu)發(fā)展到葉輪葉片結(jié)構(gòu)，工作機(jī)理也不僅僅依靠邊界層效應(yīng)和粘性力，還依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片圓盤所產(chǎn)生的離心力。這使得在保留圓盤泵本身特點的基礎(chǔ)上，其性能得到了顯著的提升。為了能進(jìn)一步提升圓盤泵的性能，發(fā)展其他傳統(tǒng)泵不具有的工作特性，以及運行時的可靠性和壽命，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，不僅要研究對泵性能的影響，還需要考慮本身的強(qiáng)度問題，因為結(jié)構(gòu)的改變可能會導(dǎo)致強(qiáng)度的降低，以及與輸送流體之間的相互作用和影響[37?38]。

2.1.2 其他因素對性能的影響

圓盤泵是利用邊界層效應(yīng)和粘性力來輸送流體的，其輸送性能會受到流體粘度的影響。Eskin[39]建立了用于輸送高粘度重油圓盤泵的工程模型，得到了內(nèi)部流體流動的近似解，并分析了流體粘度對泵性能的影響，結(jié)果如圖14 所示。從圖中可以看出泵的揚程隨著流體粘度的增加而增加，流量較大時輸送高粘度流體泵的效率會更高。Rice[40]進(jìn)行了理論分析和試驗研究，發(fā)現(xiàn)圓盤泵在小型化應(yīng)用、輸送黏度大于水的介質(zhì)與傳統(tǒng)泵相比更有優(yōu)勢。因此，相較其他葉片泵，圓盤泵更適合輸送高黏度介質(zhì)，可最大化利用其工作特性。

圖14 不同粘度時泵揚程與效率的變化[39]

2.2 內(nèi)部流動

早期學(xué)者研究圓盤泵內(nèi)部流體流動規(guī)律通常采用解析方法。Breiter 等[41]和Hasinger 等[42]研究了圓盤泵內(nèi)速度場分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)盤間距、轉(zhuǎn)速、黏度等因素都會影響圓盤間的速度場分布，并提出了以下關(guān)系式：

式中：b為盤間距；ω為轉(zhuǎn)速；ν為運動黏度。盤間距越大，流體徑向速度分布在圓盤中心位置會有一定的降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為過大的盤間距會削弱其對流體的控制能力，這與Gurth[31]的研究結(jié)論是一致的。Wang 等[43]總結(jié)前人的研究成果，將圓盤間的流場分為兩個部分——入口區(qū)和漸變區(qū)（或?？寺?庫埃特區(qū)），如圖15 所示。圖中，r1為圓盤內(nèi)徑，r2為圓盤外徑，ω為圓盤旋轉(zhuǎn)角速度，δ為邊界層厚度。在入口區(qū)，流動邊界層沒有充分發(fā)展，流體流動方向由軸向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较颍辉跐u變區(qū)，邊界層充分發(fā)展。Rice[40]建立了圓盤間流體流動的模型，能夠準(zhǔn)確地描述流體在漸變區(qū)的流動，但對于入口區(qū)的流動則存在一定的偏差。

圖15 圓盤間流場分布[43]

由于圓盤泵結(jié)構(gòu)的特殊性，采用解析方法求解流體流動的規(guī)律比較復(fù)雜，特別是多相流工況時。隨著計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸應(yīng)用于泵內(nèi)流場的求解。Wu 等[27]使用FLUENT 模擬了圓盤間油氣兩相流動，并通過得到的數(shù)值結(jié)果分析了兩相流體的運動規(guī)律，以及圓盤的受力分布。Pérez 等[44]采用CFX 對圓盤泵進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過計算得到的壓力和速度分布分析葉輪入口處的交互作用。Li 等[45]提出了用于求解圓盤泵內(nèi)氣固液三相流動的數(shù)值模擬方法，通過實際應(yīng)用得到了泵內(nèi)三相流動壓力和速度的變化規(guī)律，以及不同固相顆粒濃度和氣相濃度與泵揚程和效率的關(guān)系曲線。

3 總結(jié)與展望

近年來，有關(guān)圓盤泵的輸送性能與優(yōu)化設(shè)計研究取得了較大的進(jìn)展，泵的性能相較以前有了顯著的提高。但是，由于圓盤泵的發(fā)展起步較晚，相關(guān)文獻(xiàn)資料較少，為了能進(jìn)一步提升圓盤泵的性能，擴(kuò)大工程應(yīng)用范圍，有以下幾個方面的問題需要針對性的研究。

1）完善圓盤泵的設(shè)計理論及方法。目前圓盤泵的理論體系還不完善，在這種情況下，對于不同的工況和尺寸規(guī)格，圓盤泵設(shè)計經(jīng)濟(jì)性較差，會增加研發(fā)成本。參考其他傳統(tǒng)泵的設(shè)計理論，完善圓盤泵的理論體系，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)與泵性能的關(guān)系，為圓盤泵的系列化奠定基礎(chǔ)。

2）優(yōu)化圓盤泵葉輪葉片結(jié)構(gòu)。葉輪是圓盤泵的核心部件，葉片尺寸、數(shù)量、排布、盤間距等參數(shù)會影響圓盤泵的揚程和效率。鑒于此，可從葉片結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，將數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，研究其結(jié)構(gòu)的改變對泵性能的影響及變化規(guī)律，提出新型葉片結(jié)構(gòu)形式，改善圓盤泵的工作性能。

另外，目前大多數(shù)有關(guān)圓盤泵的仿真分析研究僅針對泵內(nèi)流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬。事實上，在泵運行時，被輸送流體介質(zhì)與葉輪之間存在流固耦合作用。如果葉輪振動頻率接近于其固有頻率，會發(fā)生共振，這可能會影響泵工作時的穩(wěn)定性和可靠性。隨著流固耦合方法的發(fā)展，不少學(xué)者利用該方法對流體機(jī)械的葉輪部分進(jìn)行強(qiáng)度分析。但是，目前針對圓盤泵的流固耦合研究較少，鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報道，尚不清楚輸送流體與圓盤泵葉輪之間的相互作用關(guān)系，以及葉輪葉片結(jié)構(gòu)的改變對強(qiáng)度的影響程度。流固耦合分析為圓盤泵的優(yōu)化設(shè)計提供了參考和依據(jù)，為進(jìn)一步改善圓盤泵的輸送性能和工作穩(wěn)定性提供了有效的手段，基于流固耦合分析的圓盤泵設(shè)計與優(yōu)化是未來的研究內(nèi)容之一。

隨著對圓盤泵研究的深入，逐漸完善相關(guān)設(shè)計理論和提升輸送性能，有助于圓盤泵的發(fā)展，實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，減少研發(fā)與制造成本，這對圓盤泵的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。圓盤泵所具有的優(yōu)點，能使其有廣闊的應(yīng)用前景，相信在未來，圓盤泵會逐步在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。