低汽蝕余量的軸流葉片式屏蔽泵設(shè)計(jì)與制作

摘要：介紹了采用圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軸流葉輪設(shè)計(jì)的技術(shù)路線以及屏蔽泵設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)調(diào)整方式。進(jìn)行了將誘導(dǎo)輪作為屏蔽泵的工作葉輪的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)和驗(yàn)證了葉片拉伸成型的方法，并介紹了工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)、效果和要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：屏蔽泵；軸流式葉片；誘導(dǎo)輪制作

中圖分類號：TH325" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0027-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.007

0" " 引言

屏蔽泵是機(jī)泵一體化產(chǎn)品，因其內(nèi)部的屏蔽套結(jié)構(gòu)而得名，以其無泄漏、低振動、低噪聲、免維護(hù)的特性而廣泛應(yīng)用于化工、制冷以及“風(fēng)光氫儲”等各個領(lǐng)域。屏蔽泵需依靠內(nèi)部液體冷卻電機(jī)和潤滑軸承，所以電機(jī)的正常工作對循環(huán)液有一定的要求，該循環(huán)液會對泵的性能造成影響，所以在屏蔽泵設(shè)計(jì)中要綜合考慮電機(jī)與泵的需求，二者兼顧才能制造出合格的屏蔽泵。

常見屏蔽泵大多采用離心式葉輪，具有離心泵的水力特性。近來也有學(xué)者及工程師研發(fā)旋渦式或齒輪式屏蔽泵，用以應(yīng)對小流量高揚(yáng)程的工況，但鮮有關(guān)于大流量低揚(yáng)程屏蔽泵的研究。生產(chǎn)實(shí)踐中，大流量低揚(yáng)程工況大多采取切割離心葉輪的方式，其效果自然不盡如人意，而軸流泵則適用于大流量低揚(yáng)程工況，所以如果使用軸流式葉輪作為泵內(nèi)的驅(qū)動輪則可以較好地解決大流量低揚(yáng)程工況性能不佳的問題。

誘導(dǎo)輪作為一種特殊的軸流葉輪，具有揚(yáng)程低、汽蝕余量小的特性，將誘導(dǎo)輪作為軸流葉輪與屏蔽電機(jī)結(jié)合起來即可構(gòu)成低汽蝕余量的軸流式屏蔽泵。本文將結(jié)合實(shí)例，介紹一個簡易的軸流式低汽蝕余量的屏蔽泵設(shè)計(jì)過程及葉片的制作方法。

1" " 工況需求

某工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)需求一款工質(zhì)循環(huán)泵，輸送介質(zhì)為LiBr溶液，密度1 600 kg/m3，流量450 L/min，揚(yáng)程3 m，要求流量具有1.2倍余量，適用于在真空系統(tǒng)中運(yùn)行，汽蝕余量低，體積小，重量輕。

根據(jù)真空系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，該工況應(yīng)使用屏蔽泵。屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)速略低，轉(zhuǎn)速取2 550 r/min，根據(jù)流量、揚(yáng)程計(jì)算比轉(zhuǎn)速ns=354。根據(jù)比轉(zhuǎn)速劃分離心泵類型，ns在10～80范圍內(nèi)為低比轉(zhuǎn)速泵，在80～150范圍內(nèi)為中比轉(zhuǎn)速泵，在150～300范圍內(nèi)為高比轉(zhuǎn)速泵。該泵比轉(zhuǎn)速已經(jīng)超出離心泵范圍，所以不宜用離心泵結(jié)構(gòu)，而應(yīng)采用混流泵或軸流泵，根據(jù)汽蝕余量低的要求，該泵適宜將誘導(dǎo)輪作為工作動力葉輪，所以該泵主要設(shè)計(jì)點(diǎn)為制作一個滿足該工況的誘導(dǎo)輪，并與屏蔽電機(jī)結(jié)合構(gòu)成屏蔽泵。

2" " 葉片設(shè)計(jì)

誘導(dǎo)輪根據(jù)螺距可以分為等螺距誘導(dǎo)輪和變螺距誘導(dǎo)輪，根據(jù)輪轂形狀可以分為圓柱形誘導(dǎo)輪和錐形誘導(dǎo)輪，其中圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪最為常見，錐形變螺距誘導(dǎo)輪性能最好，但制造也較為復(fù)雜，需要精密鑄造成型，重量和成本均較大?？紤]到要求體積小、重量輕，誘導(dǎo)輪選取為圓柱形等螺距形式，葉片由薄板拉伸成型，制作簡便，重量較輕，而且表面光潔度好。

2.1" " 設(shè)計(jì)參數(shù)

流量450 L/min=27 m3/h，1.2倍則為32.4 m3/h，屏蔽電機(jī)需有內(nèi)部循環(huán)液用以冷卻電機(jī)，假設(shè)電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量全部由循環(huán)液帶走，則循環(huán)流量q（L/min）計(jì)算公式為：

q=[860×0.85P（1/ηm-1）]/（60r·c·Δt）[1]

式中：P為電機(jī)額定功率；ηm為電機(jī)效率；r為液體比重；c為液體比熱；Δt為液體溫升限值。

估算電機(jī)功率為2.2 kW，查LiBr溶液比熱約為0.5 kcal/（kg·℃），按電機(jī)效率65%、溫升2 ℃計(jì)算，q=9 L/min=0.54 m3/h，考慮不同介質(zhì)的通用性及屏蔽泵的內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，循環(huán)流量增大為1 m3/h。誘導(dǎo)輪輪緣間隙的泄漏量通常為（0.02～0.06）Q[2]（Q為理論流量），考慮到屏蔽泵泄漏量較大，取0.1Q，則設(shè)計(jì)流量=（32.4+1）×1.1≈37 m3/h，取設(shè)計(jì)流量Qt=40 m3/h。

考慮泵內(nèi)損失，取設(shè)計(jì)揚(yáng)程Ht=3.5 m。

2.2" " 直徑計(jì)算

進(jìn)口當(dāng)量直徑D0：

D0=K0

式中：K0為系數(shù)，一般取4.5～5.5；Qt為設(shè)計(jì)流量；n為轉(zhuǎn)速；ηv為效率。

系數(shù)K0取5.5，效率ηv取0.9，按屏蔽電機(jī)較低轉(zhuǎn)速取n=2 550 r/min，可得D0=93 mm，根據(jù)軸徑選取輪轂直徑d=32 mm。

進(jìn)口直徑D1：

D1=

式中：D0為當(dāng)量直徑；d為輪轂直徑。

計(jì)算可得D1=98.4 mm，取100 mm。

輪轂比=32/100=0.32，一般輪轂比的合理范圍為0.2～0.4，本設(shè)計(jì)的0.32在范圍之內(nèi)，所以輪緣直徑與輪轂直徑是合理的，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

2.3" " 翼型安放角計(jì)算

進(jìn)口直徑圓周速度u：

u=

本次取進(jìn)口直徑D1=100 mm，計(jì)算可得u=13 m/s。

軸面速度vm：

vm=

式中：φ為葉片排擠系數(shù)，一般取0.8～0.95。

本次葉片排擠系數(shù)φ取0.8，計(jì)算可得vm=2.2 m/s。

輪緣進(jìn)口直徑相對液流角βy1′：

βy1′=tan-1

式中：vm為軸面速度；u為圓周速度。

計(jì)算可得βy1′=9.7°。

輪緣進(jìn)口葉片角βy1：

βy1=βy1′+Δβy1

式中：βy1′為輪緣進(jìn)口直徑相對液流角；Δβy1為沖角。

取沖角Δβy1=5°，計(jì)算可得βy1=14.7°。

出口直徑的圓周速度u2=u=13 m/s，出口直徑絕對速度的圓周分量vu2：

vu2=

式中：Ht為設(shè)計(jì)揚(yáng)程；u2為圓周速度；ηh為水力效率。

一般誘導(dǎo)輪水力效率ηh=0.8～0.9[3]，考慮到屏蔽泵效率低，ηh取為0.7，則計(jì)算可得vu2=3.8 m/s。

出口直徑相對液流角βy2′：

βy2′=tan-1

式中：vu2為出口直徑絕對速度的圓周分量。

計(jì)算可得βy2′=13.5°。

輪緣出口葉片角βy2：

βy2=βy2′+Δβy2

式中：βy2′為出口直徑相對液流角；Δβy2為沖角。

取沖角Δβy2=3°，計(jì)算可得βy2=16.5°。

輪緣翼型安放角βcy：

βcy=（βy1+βy2）/2

式中：βy1為輪緣進(jìn)口葉片角；βy2為輪緣出口葉片角。

計(jì)算可得βcy=15.6°，取為16°。

2.4" " 導(dǎo)程和軸向高度計(jì)算

導(dǎo)程S：

S=πD·tan βcy

式中：D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑；βcy為輪緣翼型安放角。

D=D1=100 mm，計(jì)算可得S=90 mm。

葉片輪緣包角φ1：

φ1=360°·

式中：為葉柵稠密度；z為葉片數(shù)。

葉柵稠密度選取最優(yōu)值1.5[4]。葉片數(shù)一般選取3時性能較好，但是制作較復(fù)雜，考慮制作的簡便性，本次取葉片數(shù)z=2。計(jì)算可得φ1=260°。

輪緣軸向高度hy：

hy=S·φ1/360

式中：S為導(dǎo)程；φ1為葉片輪緣包角。

計(jì)算可得hy=65 mm。

葉片輪轂包角φ2：

φ2=φ1+Δφ

式中：φ1為葉片輪緣包角；Δφ為葉片進(jìn)口后掠角，一般取60°～180°。

本次后掠角Δφ取為100°，則計(jì)算φ2=260°+100°=

360°，湊成360°便于加工。

輪轂軸向高度hh：

hh=S·φ2/360

式中：φ2為葉片輪轂包角。

計(jì)算可得hh=90 mm。

3" " 葉片制作

葉片平面圖如圖1所示，根據(jù)圓柱螺旋線展開公式和圓環(huán)面積公式，可推導(dǎo)出葉片：

R=B

B=

式中：R為葉片外圓半徑；B為葉片寬度；D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑；d為輪轂直徑；S為導(dǎo)程。

代入數(shù)值計(jì)算可得R=57.9 mm，留出加工余量3 mm，則外徑A=2R+3≈119 mm。

內(nèi)徑C=2R-2B=47.8 mm，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)內(nèi)徑需減小3 mm，取45 mm。

角度θ：

θ=·

計(jì)算可得θ=36.6°。

將葉片拉伸到規(guī)定導(dǎo)程后焊接到輪轂上，如圖2所示。

為便于拉伸與批量生產(chǎn)，可將多個葉片焊接在一起拉伸成型，拉伸前根據(jù)計(jì)算角度畫線，拉伸成型后根據(jù)畫線切割出合適尺寸的葉片。兩片葉片對稱布置，按輪緣軸向高度車削。精加工后打磨葉片。打磨葉片進(jìn)口邊能夠提高抗汽蝕性能，打磨葉片出口邊能夠提高效率。因?yàn)檎T導(dǎo)輪本身效率不高，生產(chǎn)實(shí)踐中一般對葉片出口邊不進(jìn)行特殊打磨，只需去掉毛刺和銳邊即可，而葉片入口對汽蝕性能影響較大，一般要進(jìn)行后掠修圓，汽蝕性能能夠提高10%～25%。為獲得較好的汽蝕性能，葉片入口需要打磨成刀尖型，為避免葉片過薄導(dǎo)致不穩(wěn)定，可以在葉片入口鉆孔以平衡葉片兩側(cè)的壓力。

4" " 整機(jī)結(jié)構(gòu)與性能

泵體設(shè)計(jì)成軸向吸入徑向排出的結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子分別焊接屏蔽套保護(hù)繞組和轉(zhuǎn)子，電機(jī)與泵間開小孔引入工作介質(zhì)作為循環(huán)液，流經(jīng)屏蔽套縫隙和軸承間隙，從軸內(nèi)中心孔流回入口端。該循環(huán)液用于冷卻電機(jī)和潤滑軸承，同時不會腐蝕電機(jī)，也不會泄漏。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)采用軸內(nèi)循環(huán)方式，軸內(nèi)回流的循環(huán)液會與入口處的液體發(fā)生沖擊，對汽蝕性能略有影響，如果采取在輪轂側(cè)面開孔進(jìn)行循環(huán)則會有所改善，但制作較為復(fù)雜，本次仍采用從軸頭處循環(huán)回流的方式。經(jīng)測試，性能符合要求，額定點(diǎn)汽蝕余量小于0.6 m，小流量時汽蝕余量可達(dá)0.45 m，性能曲線如圖4所示。

5" " 工程應(yīng)用

該類型屏蔽泵適用于裝置汽蝕余量較低的工況，這種工況一般都是由于條件所限而液位較低，或者因?yàn)楣に囆枰獨(dú)庀鄥^(qū)壓力較低（如制冷系統(tǒng)，所輸送液體基本為飽和狀態(tài)），當(dāng)揚(yáng)程要求不高時完全可以只用一個軸流式誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，從而同時滿足汽蝕余量和揚(yáng)程的需求。

該誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)也可以安裝在葉輪前側(cè)，達(dá)到降低汽蝕余量的目的，泵的揚(yáng)程主要由后部主葉輪實(shí)現(xiàn)。無論是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)還是老產(chǎn)品技術(shù)改造，都可以考慮在葉輪前加裝誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)，一般至少可以降低0.5 m的汽蝕余量，很多可以降低1 m以上。某些標(biāo)準(zhǔn)（如API標(biāo)準(zhǔn)）中不建議使用誘導(dǎo)輪，但實(shí)際應(yīng)用中有大量帶誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)的泵運(yùn)行狀態(tài)良好，尤其本文介紹的誘導(dǎo)輪重量輕，制作簡單，對轉(zhuǎn)動部件的不利影響較小，而且設(shè)計(jì)制作的難度較小。但是要注意誘導(dǎo)輪外徑與管壁內(nèi)徑的間隙要合理，如果間隙較小則有摩擦的風(fēng)險，如果間隙較大則性能不佳，一般推薦間隙為（0.005～0.01）D1[3]。一般認(rèn)為間隙在一定區(qū)間內(nèi)對性能影響不大，根據(jù)筆者的試驗(yàn)，在測量精度較高時還是能測試出間隙增大后抗汽蝕性能有一定的下降，而且一般不宜減小誘導(dǎo)輪外徑，而應(yīng)該通過增加泵入口管徑的方式增加間隙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪間隙通常在0.75～1.5 mm之間。

6" " 結(jié)論

本次實(shí)踐驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方法同樣適用于屏蔽泵，設(shè)計(jì)中需特殊考慮循環(huán)液流量和間隙泄漏的影響。只裝誘導(dǎo)輪形成的軸流葉片式屏蔽泵結(jié)構(gòu)是可以滿足高比轉(zhuǎn)速的特殊工況的，具有汽蝕余量低、體積小、重量輕、制作便捷等優(yōu)點(diǎn)，最優(yōu)汽蝕余量可達(dá)0.45 m。本次實(shí)踐也驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪葉片拉伸成型的平面圖尺寸公式，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際確認(rèn)了留3 mm工藝余量是適宜的。最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦了常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪與管壁的最小間隙范圍為0.75～1.5 mm。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 汪細(xì)權(quán).液化氣屏蔽泵流量限定及配管要求[J].水泵技術(shù)，2000（3）：24-26.

[2] 沈陽水泵研究所，中國農(nóng)業(yè)化機(jī)械研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[3] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國宇航出版社，2011.

[4] 潘中永，袁壽其.泵空化基礎(chǔ)[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版社，2013.

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：陳智達(dá)（1982—），男，吉林長春人，機(jī)電工程師，合肥新滬屏蔽泵有限公司研發(fā)部副部長，從事屏蔽泵研發(fā)工作。