低比转数旋喷泵的试验研究

Tab.1 比转数 ns 叶片数 Z 表 1 叶片数与比转数关系 The relationship between the number of blade and the specific speed 30~45 8~10 45~60 7~8 60~120 6~7 120~300 4~6
本试验考虑旋喷泵叶轮的特殊性及铸造工艺 要求, 设计为 10 个流道均布的方式, 如图 2 所示. b. 叶片出口安放角β 2
2 v m2 60 vm 2 D2 = + 2 tan β + gH t ∞ + u1v u1 (4) nπ 2 tan β 2 2 式中 n ——水泵转速 vm2 ——出口绝对速度的轴面分量 H t ∞ ——无限叶片数时的理论扬程 由式(4) 可知 , 在其他参数不变时 , β 2 越大 , D2 越小 , 则与叶轮外径 D2 的 5 次方成正比的圆盘摩 擦损失越小 , 从而提高了水泵的效率. 另外 , 在增 加β 2 的同时 , 若保持 D2 和其他参数均不变 , 则可 提高水泵的理论扬程 H t ∞ .
Q n
1/ 3
≤
1/ 2
n b2 ≤ 0.78 s 100 2.3 集流管几何参数的确定
Q n
1/3
(7)
β 2 对水泵性能的影响是多方面的 , 因此 , β 2 的增加是有一定限制的 . 随着 β 2 的增加 , 叶轮出 口绝对速度 vu2 增加 , 则动扬程增大 , 此时液体的 水力损失增加. 泵内的损失主要有机械损失、 容损失和水力 损失 . 对低比转速离心泵而言 , 机械损失主要是 圆盘的摩擦损失 , 它与叶轮外径 D 2 的 5 次方成正 比, 且比转速越低, 圆盘摩擦损失越大 , 表 2 为圆盘 摩擦损失与比转数之间的关系[3].
同样假设被输送的液体为无黏 , 则液体从叶 轮出口到集流管进口间的能量守恒, 液体在泵体
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上 海 理 工 大 学 学 报
2003 年 第 25 卷
中的速度就是叶轮出口处的圆周速度 vu2 . 集流管进口速度为 vu2, 进口直径为 d1, 则 π 2 d v = Q tη 2 4 1 u2 将式(8)代入式(9)得 d1 = 4u 2Q tη 2 πgH t (9)
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2003 年 第 25 卷
量 - 扬程曲线的特点 , 提出了旋喷泵叶轮、 集流管 的水力设计方法.
u2 ——叶轮出口圆周速度 vu1 ——进口绝对速度的圆周分量 vu2 ——出口绝对速度的圆周分量 g ——重力加速度 对于叶轮, 设 vu1 = 0, 用进口无预旋的斯托道 拉(Stodola)方法表示的叶轮扬程为 Q h0 u 2 − η πD b ψ tan β 2 2 2 2 2 式中 h0 ——Stodola 滑移系数 η2 ——叶轮的容积效率 Ht = u2 g ψ2 ——叶轮出口排挤系数 D2 ——叶轮出口直径 b2 ——叶轮出口宽度 β2 ——叶片出口安放角 由于旋喷泵叶轮的工作条件与一般的低比转 数叶轮不同 , 它没有圆盘摩擦损失. 因此 , 设计过 程中 , 在保证旋喷泵有较高效率的前提下 , 还必须 满足性能曲线平稳的工作要求. 由式(2) 可见 , 在给定设计参数 Q 、 H 和 n 的情 况下 , 选择参数 D 2、 β2、 b2 和ψ 2 必须满足相关的准 则, 才能达到预期的设计效果. 2.2 叶轮几何参数的确定 (2)
Abstract： The structure, principle and performance of a low specific speed roto-jet pump are introduced in the paper. The relationship between the performance and the configuration of impeller and flow arrester is revealed through analysing and testing of the product. Key words ： roto-jet pump; impeller; flow arrester; hydraulic performance 目前我国生产的泵类产品主要有离心泵、 混 流泵、 轴流泵、 旋涡泵和往复泵等. 虽然已有较为 广泛的型谱覆盖范围, 但在小流量、 高扬程的范围 内 , 仍没有较为理想的产品 , 在此领域应用的产品 大多为高速泵、 多级泵和往复泵 . 通常的工业离 心泵不能适用于小流量、 高扬程的工况条件 , 而高 速泵、 多级泵和往复泵则体积庞大笨重、 易损件 多、 维修费用高、 工作量大且价格昂贵 , 往复泵出 口压力有脉动无法满足工业生产的需要. 旋喷泵是一种具有小流量、 高扬程、 流量 -扬 程曲线非常平稳等特性的特种泵. 该泵结构简单、 密封可靠、 操作方便且维修成本低 , 在相同比转数 的情况下, 比容积式泵或多级离心泵的体积小、 重 量轻. 因此 , 它特别适用于油田注水、 原料油的输 送( 例如乙烯焦油、 煤焦油由泵通过喉管送入燃烧
收稿日期： 2003-02-28 作者简介： 程云章(1964－), 男, 博士研究生.
炉 )、 高压冲洗除垢等要求流量平稳、 无脉动的流 [1] 体输送场合 . 20 世纪 80 年代末, 我国首先在炭黑新工艺改 造中引进了旋喷泵 , 用于原料油的输送 , 这种原料 油为乙烯焦油、 煤焦油 , 由泵通过喉管送入燃烧 炉 . 在这种场合 , 要求泵有较高的压头和稳定的 流量 . 由于原料油为富含芳烃的非润滑性油, 用 一般螺杆泵、 齿轮泵和多级离心泵输送时磨损严 重、 使用寿命很短. 随着国外旋喷泵产品的引进及国内市场的需 求, 我国某制造企业于 20 世纪 90 年代中期生产了 规格不成系列的产品. 但由于缺乏对旋喷泵工作 机理及设计方法的研究 , 其产品的各项性能指标 与国外同类产品相比还有很大的差距. 作者通过对旋喷泵工作机理的研究, 根据流
a. 叶片数 Z 一般来说, 泵的叶片数与其比转数、 叶片负荷 和扬程有关. 选择叶片数时 , 不但要考虑使叶轮 流道有足够的长度 , 以保证液流的稳定性和叶片 对液体的充分作用 , 而且还要考虑尽量减少叶片 的排挤和表面的摩擦 . 对于低比转数铸造叶轮 , 叶片数 Z 的计算式为[4] β + β1 D + D1 Z = 6.5 2 sin 2 (3) D2 − D1 2 D1 ——叶轮进口直径 β 1, β 2 ——叶轮进、 出口安放角 一般情况下 , 叶片数与比转数的关系如表 1 所示. 式中
表2 Tab.2 圆盘摩擦损失与比转数关系 Relationship between the disc friction loss and the specific speed
集流管的结构如图 3 所示, 它由吸入段、 扩散 段和稳定段组成. 叶轮流出的液体经过吸入段进 入扩散段 , 扩散段的作用是将液体的速度能转化 为压力能 , 使被输送的液体在管路中以能量损失 最小的速度运动.
第2期
程云章等: 低比转数旋喷泵的试验研究
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计方案的叶片出口安放角β 2 = 75º, 如图 2 所示. c. 叶片出口宽度 b2 在旋喷泵叶轮设计过程中 , 为了降低叶轮出 口轴面速度 , 使叶轮性能曲线平稳 , 采用加大流量 设计法 . 实践证明使用该方法 , 既能使性能曲线 平稳 , 又能使叶轮直径在满足流量、 扬程的情况下 尽可能地小. 低比转数叶轮的几何特征除叶轮外径较大之 外, 就是叶轮的轴面流道较狭窄 , 即 b2 较小. 通常 情况下的计算式为[3,4] 叶轮出口安放角 β 2 是影响泵性能的主要几 何参数之一. 在低比转数离心泵的设计中 , 为了 减小叶轮外径 , 降低圆盘摩擦损失, 首先考虑选择 较大的β 2 . 叶轮外径 D2 与β 2 的关系为
Q b2 = K b2 n
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(5)
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Hale Waihona Puke n K b2 = 0.64 s (6) 100 而实际上, 旋喷泵叶轮出口宽度 b2 比按上述 方法计算得到的要大. 通过计算及试验证明, b2 的选择范围为 n 0.64 s 100
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30 40 50 60 70 80 比转数 ns 圆盘摩擦损失/水功率(%) 28.5 20.4 15.7 12.7 10.6 9.1
a. 集流管进口直径 d1 假设液体进入叶轮前没有预旋 , vu1 = 0, 式(1) 变为 Ht = 1 vu2u2 g (8)
由于旋喷泵叶轮没有圆盘摩擦损失, 故有较 平稳的工作曲线. 综合考虑上述因素及旋喷泵的特殊性 , 本设
扩压损失较大. 因此 , 在高扬程、 小流量工况下, 旋 喷泵比多级泵及高速泵的效率要高很多.
(10)
由式 (10) 可知 , 当旋喷泵的扬程一定时 , 流量 增大 , 集流管的进口直径增大 ; 同样 , 当流量一定 时 , 扬程增大 , 集流管进口直径减小. 该结论与试 验结果相一致. b. 集流管出口直径 d3 集流管出口直径 d 3 的计算方法参照离心泵 蜗壳喉部直径的计算方法[2], 则 4Q t d3 = πv3 式中 其中 v3——喉部流速 v3 = K 3 2 gH K3——速度系数 c. 设计集流管外部形状考虑的因素 由于集流管在泵体中有液体绕流作用 , 在设 计过程中 , 既要满足制造工艺及集流管内部面积 变化的要求 , 又要满足绕流阻力最小的要求. 试 验及计算表明本设计达到了预期的设计效果. (11)
1 结构与工作原理
旋喷泵的结构如图 1 所示. 液体通过吸入室 , 流经轴向集流管的外侧 , 进入高速旋转叶轮内 . 由于离心力的作用 , 使液体在叶轮内获得一定的 能量 , 液流以轴向排出的方式进入高速旋转的转 子腔内 , 然后进入静止的径向集流管内. 由于径向 集流管是扩散管 , 它把液体的速度能转换成压力 能, 使之成为压力很高的液体从轴向集流管内输出.