CN1089333A - 可调扬程离心泵 - Google Patents

Abstract

一种可调扬程离心泵，由压出室1、叶轮2、密封 环3、圆环形吸入室4、骨架式橡胶轴封5、轴6和托 架部件7等组成，其结构特点是：①Fi≥F₂，其中Fi 为压出室的任意流道截面积，F₂为叶轮出口端流道 截面积；②压出室内布置适当多的径向叶片。由于本 发明将现有的涡壳式压出室改为了叶轮式压出室，避 免了流体在压出室内高速流动带来的能量损失，且其 扬程可以调节，节约了能量，提高了效率。

Description

本发明涉及一种可调扬程离心泵。

离心泵是一种通用机械，广泛地应用于国民经济的各个领域。但是，现有离心泵存在三个突出的问题：一是其基础理论很不完善，起不到应有的理论指导作用。二是现行压出室内流体能量损失很大，使得离心泵效率不高。三是扬程不能调节，由此造成的能源浪费相当可观。

下面就对以上问题分别作详细的阐述。

1.现行离心泵基础理论及其存在问题

现行离心泵理论，在无限多无限薄叶片的假设前提下，以欧拉涡轮方程为基础（参见文献[1]）。由此所得离心泵H＝f（Q）方程为（参见文献[2]）

H＝ (U² ₂)/(g) - (U₂)/(g) · (ctgβ₂)/(F) （1）

式中，H-离心泵单位重量流体能量（以下简称流体能量，俗称扬程）

U-叶轮圆周速度，

β-叶片角，

F-流道截面积，

Q-流量，

g-重力加速度，

脚注2-表示叶轮出口端。

但是（1）式与试验曲线的误差很大，各国学者们修正了百余年，至今仍然效果不大。

本发明人认为，由于历史的原因，欧拉涡轮方程缺一项二分之一科氏惯性力矩，因此做了修正（详见文献[3]）。

更值得提出的是，叶轮机械应分为两大娄：将流体能转换为机械能的叶轮机称为涡轮，将机械能转换为流体能的叶轮机称为泵。流体在涡轮和泵内的运动规律有原则区别，无限多无限薄叶片的假设不符合泵实际情况，涡轮方程既或修正之后也不适用泵。

本发明人根据试验曲线，已推导出离心泵实用H＝f（Q）方程（详见文献[4]），其基本形式为

$H=\frac{{V_{2c}}^2}{g}-K\·\frac{{(\frac{Q}{F_2}-[W{]}_{\mathrm{eq}})}^2}{2g}---\left(2\right)$

式中，V_2℃-叶轮出口端流体绝对速度的圆周（切向）分量;对确定的泵，在一定的转速和介质下，V_2℃＝常量。

K-压出室形状系数，对确定的压出室和介质K＝常量。

[W]eq-决定零工况流体能量Ho的当量旋涡速度;对确定的泵，在一定的转速和介质下，[W]eq＝常量。

分析计论离心泵性能曲线，能量损失等问题时，（2）式很有实用价值。

2.影响涡壳式离心泵效率的决定性因素。

我们以（2）式为基础，讨论影响具有涡壳式（或导叶式）压出室离心泵效率的决定性因素。

为了简化问题，突出主要矛盾;假设离心泵零工况能量Ho等于最大能量Hmax。于是，（2）式变为

H= (V_2℃ ²)/(g) -K· (Q²)/(2gF₂ ²) （3）

1）离心泵比流量-比能量方程

令

h＝ (H)/(Hmax) -比能量

于是，（3）式变为

h=1- (Kq²)/2 （4）

2）离心泵比流量-比流体功率方程

离心流体功率为

N＝HrQ  （5）

式中，N-流体功率，

r-流体重度。

令，

故，将（5）式改写为

n=h·q=(1- (Kq²)/2 )·q （6）

3）离心泵比流量-比轴功率方程

因为，原动机通过叶轮对单位重量流体可做的功Hmax＝V² _2℃/g＝常量，该能量从叶轮输出之后，在压出室内究竟损失多少与原动机无关。所以，对确定的叶轮，在均匀介质和一定的转速下，离心泵轴功率可写成

Ne＝A+BQ  （7）

式中，Ne-轴功率，

A、B-均为常数

令，

可以，（7）式变为

n_e＝a+bq （8）

式中，a、b-分别为对应A、B的常数。

值得注意，在（8）式中，a表示零工况（q＝0）比轴功率。b表示q-n_e直线的斜率。对不同的叶轮、转速和介质a、b取不同值。为与附图2所示试验曲线做比较，在此取a＝0.2，b＝0.25。因此，将（8）式改写为

n_e＝0.2+0.25q （9）

4）离心泵比流量-效率方程

离心泵效率为

$\mathrm{\η}=\frac{n}{n_e}=\frac{(1-\frac{{\mathrm{kq}}^2}{2})\·q}{0.2+0.25q}---\left(10\right)$

应该注意到，在（4）、（9）、（10）式中，除自变量和因变量之外，只有一个未知数K。因此，应用（4）、（9）、（10）式，对应不同K值，绘制离心原q-h、q-n_e、q-η曲线如附图1。附图2为说明涡室喉部面积影响离心泵性能的试验曲线（取之文献[2]）。

显而易见，在附图1、图2中，相应各曲线的形状很相近。这表明，以上计算公式比较客观的反映了流体在离心泵内的运动规律。

至此可以看出，对确定的叶轮，在一定的转速和介质下，压出室形状系数K，决定最高效率工况比流量q_η。K愈大，q_η愈小;与此同时，压出室内流体能量损失亦愈大，最高效率η_max就愈低。当K从14变为100时，η_max从58%降为25%。反之亦然。

我们还可以进一步计论，K愈大、q_η愈小、η_max就愈低的实质又是什么？为此，将（3）式等式右端第二项改写为

K (Q²)/(2gF² ₂) =ξ· ((K′V_Q)²)/(2g) （11）

式中，V_Q= (Q)/(F₂) -叶轮出口端平均流量速度。

K=ξ·(K′)²，其中ξ-称为能量损失系数，与流道粗糙度和流体粘度等有关;K′-称为实际流速系数。

再将（10）式改写为

于是，由（11）式可以知道，对确定的压出室结构、材料、工艺和介质，ξ可视为不变量。因此，使K变大的唯一因素就是K′。

双由（12）式可以知道，由于K很大，q-η曲线变得很陡，q_η变为很小，（12）式中的分母就很大，η_max必然很低。

故得结论，影响涡壳式离心泵效率的决定性因素是压出室内流体能损失，它是由压出室内流体高速流动引起的。

推论，若能取消K值较大的现行压出室，而采用K值很小的新型压出室，那么必将大幅度地提高离心泵效率。

3.离心泵的分类及其能量调节问题

按用途将离心泵分为输送泵和喷射泵两类。所谓输送泵系指，该泵借助压出室内的流体能量，克服管网（吸入管路和吐出管路的简称）阻力和几何高度，将流体输送到某一远处，或某一高处。用于农田排灌、城市给排水、各类石化产品的输送等大多数离心泵都属于输送泵。所谓喷射泵系指，该泵将压出室内的流体能量，主要以动能的形式喷射出去。用于消防、高压注水等离心泵都属于喷射泵。

所有的离心泵都具有输送功能，但离心泵是否具有喷射功能，取决于压出室的形状。现有涡壳式（或导叶式）等压出室都具有喷射功能，因此现有离心泵既可做为输送泵，又可做为喷射泵。

压出室具有喷射功能的显著特点是，由压出室输出的流体能量不能调节。压出室出口阀门一量开启之后，压出室内单位重量流体能量，除损失部分之外，全部输出。

大家知道，在离心泵的实际应用中，管网的阻力不可能估算得很准确。另外，管网本身有时也可能发生变化。因此，选用离心泵的原则是要满足管网所需最大流体能量。

由于现有离心泵的输出流体能量不能调节，所以很难避免出现如下情况：离心泵输入管网的流体能量H大于管网实际需要的流体能量H′。此时，离心泵流体功率中的△N＝（H-H′）rQ部分纯属浪费。根据离心泵的应用之广泛，运转台数之多，不难推测，由此造成的能源浪费是相当可观的。

4.离心泵的能量损失

离心泵的能量损失可分为四类：一般机械摩擦损失、圆盘摩擦损失、容积损失和流体能损失。

前三项能量损失的概念与通常一样。只不过，通常将一般机械摩擦损失和圆盘摩擦损失统称机械摩擦损失。此处将它们分开是因为，在可调扬程离心泵的总能量损失中，圆盘摩擦损失所占的比例显得很突出，有必要引起重视。

关于流体能损失，本发明人认为，其最终表现形式为热能。主要由流动摩擦引起的，与流速的平方成正比。流动包括沿程流动和旋涡流动;前者以V_Q＝ (Q)/(F) （F为流通截面积）来表示;后者在流通截面积发生突变、流速方向改变等情况下，流体与流体之间、流体与管壁之间碰撞而流速重新分布时出现。

离心泵内流体-以清水为例，是不可压缩的，流道管壁也可看做绝对刚性。因此，当发生碰撞时，如果采取有效措施消除旋涡流动，那么流体动能可以完全转化为压力能-碰撞所产生的热能忽略不计。

本发明的目的是提供一种可调扬程离心泵，它能够避免流体在压出室内高速流动带来的能量损失，且其扬程可以调节，从而节约能量，提高效率。

为实现上述目的，本发明的具体解决方案是：本发明的可调扬程离心泵由压出室1、叶轮2、密封环3、圆环吸入室4、骨架式橡胶轴封5、轴6和托架部件7等组成。其结构的特点是：①Fi≥F2，其中Fi为压出室的任意流道截面积，F2为叶轮出口端流道截面积，②压出室内布置适当多的径向叶片。

由于本发明将现有的涡壳式压出室改为了叶轮式压出室，使得流体进入压出室时，其旋转动能转化为压力能，流体在压出室内仅做V_Q＝Q/Fi（其中Q-流量，Fi-压出室的任意流道截面积）的沿程流动，而不出现旋涡流动和高速流动，从而能够大幅度提高效率，其最高效率可从目前的60-70%左右提高到85-90%以上。同时压出室输入管网的流体能量可以根据管网的实际需要通过压出室出口阀门来调节，使得能源的利用率总是处在最合理状态，此项能量节约带来的经济效益是十分可观的。

本发明的可调扬程离心泵的关键两个部件-叶轮和压出室的水力设计变得非常简单，而且有一组设计计算的经验公式（后面详述），在大量地减少，甚至勿需水力模型试验的情况，可以实现标准化、系列化和通用化。

图1涡壳式压出室形状系数，影响离心泵性能的计算曲线。

图2涡壳式压出室喉部面积，影响离心泵性能的试验曲线。

图3可调扬程离心泵结构图。

其中：1.压出室  2.叶轮  3.密封环  4.圆环形吸入室  5.骨架式橡胶轴封  6.轴  7.托架部件

图4可调扬程离心泵的估算性能曲线。

下面对本发明的可调扬程离心泵的特性作进一步详细说明：

1.可调扬程离心泵特性曲线

我们将压出室输出最大流体能量的工况，称为设计工况，其最高效率工况，称为额定工况;输出部分流体能量的工况，称为调节工况。

（1）设计工况特性曲线

a.流量-扬程曲线

可用如下经验公式计算

H=f(Q)=H_吐+H_吸= (U₂ ²)/(2g) =H_max=常量 （13）

式中，H_吐、H_吸-分别为吐出、吸入管路中的流体能量。

b.流量-轴功率曲线

计算公式与（7）式相同，即

Ne＝A+BQ  （14）

式中，A、B-对确定的泵，在一定的转速，介质和确定的工况下均为常数。

c.流量-效率曲线

η＝ (HrQ)/(102Ne) ＝ (HrQ)/(102（A+BQ）) （15）

式中各参数计算单位为，H-m，r-kg/m³，Q-m³/s，Ne-kw。

（2）调节工况特性曲线

a.流量-扬程曲线

H′＝f（Q）＝H′_吐+H′_吸＝（H_max-H′_吸）（F_x/F₂）²+H′_吸（16）

式中，Fx-压出室出口阀开启面积。

b.流量-轴功率曲线

Ne′＝A+B′Q  （17）

式中，B′＝常量，但注意B′不等于设计工况B。

c.流量-效率曲线

η＝ (H′rQ)/(102（A+B′-Q）) （18）

以上各特性曲线如附图4所示。实线为设计工况，虚线为调节工况。

很容易看出，Q-η，Q-η′曲线无极值，送表明，同样的H或H′下，Q愈大，η_max（η′_max）愈高;或者说，比转数愈高，效率愈高。

在调节工况，H′减小，Q可增加。但是，当H′过分减小时，由于增加Q受到汽蚀条件、管网中的流速不宜过高等限制，从而原动机功率不能充分发挥，效率将下降。

2.可调扬程离心泵比转数

现有理论当中离心泵比转数只能以性能参数来计算。可调扬程离心泵比转数不仅能用性能参数来计算，而且也能用设计参数和能耗参数来计算，方法如下：

（1）以性能参数表示的比转数

与通常一样（参见文献[2]）

$n_s=\frac{3.65\·n\·\sqrt{Q}}{H^{3/4}}---\left(19\right)$

计算单位，n-rpm，Q-m³/s，H-m。

（2）以设计参数表示的比转数（额定工况）

n_s＝1151.26√入b （20）

式中，

入＝ (Q)/(F₂U₂) -流量速度系数

b＝ (B′)/(D₂) -叶轮出口端流道宽度系数。

其中，B′为叶轮出口端流道当量宽度，用下式表示，

B′＝B(1- (S)/(πD₂) ) （21）

其中，B为叶轮出口端流道宽度，S为由于叶片厚度、或堵塞部分流道而引起的无效叶轮圆周长度。

很明显，（10）式表明，只要b.入不变，那么比转数，对任意的D₂、n都不变。

（3）以能耗参数表示的比转数（额定工况）

${\mathrm{\η}}_s=27.25\sqrt{\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }}{f}}---\left(22\right)$

式中，η_max-额定工况效率。

f＝ (△Nf)/(Ne) -圆盘摩擦损失系数。其中△Nf为圆盘摩擦损失功率，可按下式估算（参见文献[2]），

△Nf＝0.126×10^-9·rn³D⁵ ₂（23）

对清水泵用下式估算，

△Nf＝0.126×10^-6n³D⁵ ₂（24）

f对η_max的影响按下式估算，

f＝（1-η_max）·ψ （25）

其中，ψ＝0.2～0.9，对低比转数泵取大值。

（22）式清楚地表明，可调扬程离心泵效率与圆盘摩擦系数和比转数密切相关。我们希望η_max愈高愈好，但提高η_max，必须减小f，增加η_S。因此，提出合理选取比转数问题。例如，某一台中比转数可调扬程离心泵，欲达η_max＝0.87，相应的f＝（1-0.87）×0.4＝0.052，将以上代入（22）式得合理比转数为η_s＝110。

3.有关可调扬程离心泵的使用问题

（1）可调扬程离心泵对吐出管路流道截面积有特殊要求。如果泵在某一确定的工况下工作，相应的压出室出口阀开启面积为Fx，此处流速为Vx＝Q/Fx;那么吐出主管道任意处流通截面积Fgi，必须满足该处流速Vgi（＝Q/Fgi）≤Vx;支管道任意处流道截面积F′_gi，必须满足该处流速V′_gi（＝Q′/F′_gi）≤Vx。

（2）离心泵压出室的喷射功能与可调扬程功能是对立的，得此失彼，二者不能兼有。因此，可调扬程离心泵没有喷射功能，只能做为输送泵。

但是，如果可调扬程离心泵之后加一级通常的导叶式离心泵，那么这种组合式多级泵就具有喷射功能。

实施例：

按附图3所示的结构方案，本发明的最佳实施例中，其叶轮叶片为径向直叶片，即叶轮叶片进出口角均为90°，其它参数选用如下：

叶轮直径D₂＝0.16m，叶片数Z＝8，叶轮出口端流道宽度系数b＝0.056，流量速度系数入＝0.146，泵吐出口径＝吸入口径＝0.08m（3″）

电机功率Ne＝5.5kw，转速n＝2900rpm

则相应的性能参数为

H＝30m，Q＝0.0159m³/s＝57m³/h η_max＝0.85 n_s＝104

参考文献

（1）.理论力学教程，下册第一分册

洛强斯基著，人民教育出版社1962年。

（2）.离心泵设计基础，离心泵设计基础编写组编，机械工业出版社，1974年。

（3）.“试论欧拉涡轮方程误差很大的原因”，赖轩明，中国工程热物理学会92年年会论文集，第六分册（流体机械）。

（4）“探索离心泵实用H＝f（Q）方程”，赖轩明，《林业机械》1987年第4期。

Claims (2)

1、一种可调扬程离心泵，由压出室1、叶轮2、密封环3、圆环形吸入室4、骨架式橡胶轴封5、轴6和托架部件7等组成，其特征在于：

1)Fi≥F₂，其中Fi为压出室的任意流道截面积，F₂为叶轮出口端流道截面积。

2)压出室内布置适当多的径向叶片。

2、根据权利要求1所述的可调杨程离心泵，其特征在于：压出室的径向叶片为径向直叶片。

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