單吸單級自吸離心泵設計

唐欣怡，周應來，李志鵬

（1.長沙理工大學；2.湖南省應急排水搶險設備工程技術(shù)研究中心；3.長沙迪沃機械科技有限公司，湖南 長沙 410000）

1 前言

自吸泵一般屬于離心泵，在離心泵的基礎上做了改良，解決了每次向泵內(nèi)先灌水的繁瑣步驟，它依靠自身特殊結(jié)構(gòu)，利用氣液混合原理實現(xiàn)抽吸氣體，可在泵吸入管路內(nèi)形成一定程度真空狀態(tài)，它只需首次使用時引水，之后每次使用都無需再重復引水步驟，極大地提高了便利性。自吸泵具有操作簡便、性能穩(wěn)定、可遠程集中控制、自動化操控等優(yōu)點，因此自吸離心泵廣泛適用于跨度遠，難度大，需要啟動頻繁等場合，特別是在移動應急排澇搶險場合具有明顯優(yōu)勢。

提高泵的自吸高度和減少自吸時間是自吸離心泵設計者目標。而自吸泵的自吸高度和自吸時間主要由自吸方式、自吸結(jié)構(gòu)確定。較多的設計者主要是對液相回流孔參數(shù)、儲液體積、葉輪參數(shù)、泵體進口位置關(guān)系進行設計與試驗研究。自吸泵性能的優(yōu)劣與泵的水力設計密切相關(guān)，本文就單吸單級自吸泵葉輪、壓水室的水力及結(jié)構(gòu)設計進行分析探討。

2 結(jié)構(gòu)設計

離心自吸泵分為外混式和內(nèi)混式兩種。不論是外混式還是內(nèi)混式，都可使用雙渦殼泵體和單渦殼泵體結(jié)構(gòu)。雙渦殼泵體由于具有兩個隔舌，理論上氣水分離效果要比單渦殼泵體好，不過它存在鑄造工藝復雜、型線不易保證適合水流等問題。而單渦殼泵體結(jié)構(gòu)簡單，鑄造型線易以保證。因此一般采用單渦殼泵體結(jié)構(gòu)。

外混式自吸離心泵泵體與管路連接處高于葉輪外緣，從泵體進口到葉輪處形成了一個S形流道，并在泵體進口處加裝一個止回拍門，這樣可以保證泵體內(nèi)總是充滿水，在泵體吸入腔與壓出腔下部設置回流孔，從葉輪流到泵體內(nèi)流道的氣水混合物在泵體氣水分離體分離后，水從此回流到葉輪外緣處。葉輪旋轉(zhuǎn)對水氣混合物產(chǎn)生離心作用，在葉輪進口處形成真空，將吸入管中氣體吸入葉輪內(nèi)經(jīng)葉輪做功后流出葉輪與水混合，在慣性力差作用下氣水分離，氣體經(jīng)泵體排出口排出，而較重的水仍留在泵體內(nèi)不斷循環(huán)直至吸水管內(nèi)氣體排盡。

內(nèi)混式自吸離心泵在出水口裝有罐式氣水分離室，泵體吸水室上方開有一回水孔，該孔與氣水分離室回水流道相通，保證自吸過程中循環(huán)水返回吸水室。為防止循環(huán)水在吸水室流失，將吸水室做成向上傾斜形狀，使泵體與吸水管道連接處高于葉輪外緣。為防止停泵后虹吸，與外混式一樣加止回拍門。為了在排盡吸水管道內(nèi)氣體后正常泵水工作時回流損失，在氣水分離室上裝有手動回流閥，自吸時開、上水后關(guān)閉。

在葉輪離心力的作用下，吸水室內(nèi)的水沿著泵體流道被壓向出口，此時，葉輪的進口處形成真空。在啟動后立即打開回水閥，于是，氣水分離室里的水在進出口壓力差作用下經(jīng)過分離室下方的回水孔回到吸水室，與吸水室里的空氣同時被葉輪吸入，并在葉輪流道內(nèi)進行混合，氣水混合后的液流及未混合的氣水一起被葉輪甩出，當經(jīng)過壓水室時，將速度能轉(zhuǎn)換成壓力能，經(jīng)過內(nèi)套管到分離室上方，此時，斷面定然擴大，氣水混合的液流速度減慢，造成了氣體從液體自由表面逸出的有利條件，逸出的氣體從出水口排出，而水又從分離室下方的回水孔流入吸入室。

3 葉輪設計

葉輪是單吸立式多級自吸泵工作的主要元件，是能量轉(zhuǎn)換和動力傳輸主要部件，所以葉輪的設計對整個泵的運行性能起著決定性作用。自吸離心泵葉輪參數(shù)水力設計是提高自吸性能的關(guān)鍵，采多個輻射式直筋葉片的葉輪，自吸性能要優(yōu)于其他形式葉片葉輪，但效率偏低（圖1）。半開式葉輪比閉式葉輪自吸性好但效率會由于間隙流而降低（圖2），因此，為了有效提高泵的性能和運行效率，對比分析后，本設計選擇閉式葉輪。在水力計算中，因為考慮到自吸泵的回流損失和水力損失，本文所設計的單吸單級自吸離心泵葉輪排出口通徑D2比計算值增大5%～10%的設計方法，以便于滿足單吸立式多級自吸泵性能要求。

圖1 分級式葉片葉輪

圖2 半開式葉輪

設計參數(shù)：揚程H=12m，流量Q=74m3/h，轉(zhuǎn)速n=2950rpm，效率η=76%-78%，自吸時間T=6m/5min。

相關(guān)參數(shù)計算與確定：比轉(zhuǎn)速：ns=3.66n=3.65，取ns=240；葉輪吸入口通徑取D0=85mm；葉輪排出口通徑取=122mm；葉輪排出口寬度取25mm；葉輪排出口安放角取=22°；葉片包角取θ=95°。

4 泵體的設計與計算

泵體結(jié)構(gòu)設計成從泵體進口到葉輪處形成一個S形流道，泵體與管路連接處高于葉輪外緣，進口加裝拍門放回流（圖3）。

圖3 具有S形流道的混合-分離泵體結(jié)構(gòu)

按速度矩等于常數(shù)（Vu·r=常數(shù)）來計算Ⅲ過流斷面面積，按速度等于常數(shù)（Vu=常數(shù)）的規(guī)律計算其他斷面。

4.1 主要參數(shù)計算與確定

（1）求基圓半徑：R0=KR2

一般K=1.03-1.05，取K=1.041

∴ R0=1.041×60=62.5（mm）

D0=2×R0=2×62.5=125（mm）

（2）求物旋壓水室出口圓形斷面：

取ρ=34mm

則A8=πρ2=π×342=3630mm

A7=3350mm2，A6=3080mm2，A5=2540mm2，A4=1998mm2，A3=1452mm2，A2=906mm2，A1=363mm2。

4.2 壓水室設計

（1）為了達到自吸作用，葉輪內(nèi)必須要求一定的儲水量，故吸水室進口抬高的雙彎曲形。

（2）泵體采用有刮舌的單渦殼泵體，刮舌是為了增加隔舌對氣水混合物的刮削作用，促使氣水分離刮舌為三角刮刀形，舌底為圓形，與葉輪的配合間隙為0.5mm。

（3）原來國內(nèi)外的外混合式自吸泵多為雙渦殼，這樣使泵體形成內(nèi)外流道，而外流道作為回流，單渦殼泵體是開式泵膛，自吸過程中，軸中心以下都是負壓，故可以通過葉輪兩側(cè)開式泵膛回流，以使水氣混合。

（4）為提高自吸能力，葉輪后蓋板割切9.2%，增加氣水混合而在泵體側(cè)面的填料座上加4個小肋片。

（5）為增加氣水分離，泵體出口有一定容積的氣水分離箱。

（6）求進水寬度。

B0=b2+2.5+（4 ～ 10）=37。

式中，b2為葉輪出口寬度b2=25mm。

5 試驗

利用泵開式性能試驗臺、升降式自吸試驗臺對樣機一臺分別進行性能試驗和自吸試驗，結(jié)果達到了設計要求，具體試驗結(jié)果如下：

揚程H=12.3m，流量Q=74m3/h，轉(zhuǎn)速n=2950rpm，效率η=77%，自吸時間T=6.5m/4min。