泵葉輪削減對離心泵性能的影響研究

羅麗賓

（河南省平頂山市工業(yè)學(xué)校，河南 平頂山467001）

0 引言

從發(fā)明伊始，離心機(jī)經(jīng)歷了長時間的進(jìn)化發(fā)展才走到了今天，其因用途廣泛而廣為人們接受。早在幾個世紀(jì)前，離心泵的物理原理就在歐拉推導(dǎo)的一個著名方程中得到了描述，后來該公式以歐拉的名字命名，叫做渦輪機(jī)械的歐拉方程。如果沒有合理的分析，特別是關(guān)于泵的一些輸出參數(shù)如揚(yáng)程和效率，離心泵的很多技術(shù)應(yīng)用都無法實(shí)現(xiàn)。盡管離心泵的種類很多，尺寸也很多，但是就一個特定的用途選擇一種適合的型號卻仍然是個棘手的問題。從最佳操作點(diǎn)的觀點(diǎn)來看，最佳操作點(diǎn)就是泵的最高效能點(diǎn)，由于流量是由分路器和氣節(jié)門控制，而這些都會導(dǎo)致泵的操作效能低下，因而解決泵因尺寸過大或節(jié)流導(dǎo)致超壓這個問題的方法之一就是替換泵葉輪或削減泵葉輪。

1 泵葉輪削減

通過削減泵葉輪來提高泵的性能是很多作者都關(guān)注的命題，它通過改變泵葉輪的加工工藝來縮短其直徑。這個觀點(diǎn)是根據(jù)相似原理得到的，相似原理中提到如果不同的泵葉輪滿足幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)上的相似條件的話它們就是相似的。然而，關(guān)于此命題的觀點(diǎn)大部分都局限于理論方面，而且目前為止沒有人闡明泵葉輪削減與其相似原理間的定量關(guān)系。

泵葉輪削減后其幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)上的相似性條件并沒有被完全保留下來。另外，由于葉片角度會隨著半徑的改變而改變，所以運(yùn)動學(xué)相似性也不復(fù)存在。同時，相似性可以從各種因素獲得，包括葉輪形狀、葉片的控制和數(shù)量、入口的運(yùn)動情況、葉輪寬度和入口直徑之間的比例等。因而，很多作者認(rèn)為削減必須限制在最大泵葉輪直徑的75%左右。過多的削減可能導(dǎo)致葉輪和泵殼不相配，且葉輪直徑減小，葉輪與固定泵殼的間隙便增大，就會增加內(nèi)部循環(huán)回流，導(dǎo)致泵效率降低。

本文對泵葉輪削減后被忽視的幾何差異性的影響做了測試。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及其應(yīng)用的普遍性，泵葉輪被削減了6次，每次減少10 mm出口直徑。實(shí)驗(yàn)是在低比速離心泵下完成的（比速為nsp＝19 745 r/min）。

比速的定義如下：

式中，n為轉(zhuǎn)速；Q為流量；H為揚(yáng)程。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)中所使用的裝置原理如圖1所示，裝置包括泵、文丘里流量計、控制閥及封閉自循環(huán)的水池。泵通過一根50 mm的直管連接水池，直管長度必須足夠長以確保泵入口可以形成充分的流量。流量計和控制閥安裝在用來連接泵出口和水池的管道中。裝置的安裝和實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行必須遵循ISO9906—1999標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

泵的揚(yáng)程以及文丘里流量計的氣壓下降都是通過帶有M6電池的ATM薩格勒布壓力傳感器P151測定的。根據(jù)ISO9906—1999標(biāo)準(zhǔn)，壓力傳感器通過四探針接口連接泵出口和入口。2種壓力傳感器都通過U形管進(jìn)行校準(zhǔn)。傳動軸的時間是通過高電壓C2＆KWS 3072扭力計測定的，軸轉(zhuǎn)速是通過ONO SOKKI HM－610轉(zhuǎn)速表測定的。泵葉輪削減后被忽視的幾何差異性的影響是使用Ib190“Jedinstvo－Zagreb”離心泵（圖2）進(jìn)行測試的。Ib190離心泵的葉輪有7個單獨(dú)的彎曲半徑葉片。每一步泵葉輪被削減10 mm直徑，出口直徑從原來的190 mm削減到最終的130 mm，且葉輪寬度保持在4 mm不變。削減到最終直徑的泵葉輪如圖3所示。

圖2 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 離心泵葉輪實(shí)物圖

每一次削減后的葉輪都需要與同樣的泵殼匹配，每次調(diào)整葉輪出口直徑后都及時記錄下泵的性能參數(shù)。性能參數(shù)的測定在不同放電率情況下由以下因素決定：泵和流量計內(nèi)的氣壓上升、軸時間、轉(zhuǎn)速、水溫以及圍壓。泵的放電率是通過控制閥調(diào)節(jié)的。

3 結(jié)果分析

泵的揚(yáng)程—流量關(guān)系測試結(jié)果如圖4所示，圖中包含了6次削減的所有測量數(shù)據(jù)。

圖4 削減后的離心泵揚(yáng)程—流量圖

圖4 雖然直觀地描述出了揚(yáng)程—流量的關(guān)系，但是習(xí)慣上，泵的性能參數(shù)都是使用特征系數(shù)的無量綱圖表示，特征系數(shù)關(guān)系如下：

式中，ψ為揚(yáng)程系數(shù)；u為葉輪出口直徑的圓周速度；g為引力常量，g＝9.806 65 m/s2；H為揚(yáng)程；φ為流量系數(shù)；A為葉輪出口的表面積，A＝Dπb，其中D為葉輪出口直徑，b為葉輪寬度；Q為流量。

這些系數(shù)所表示的含義為每個流量Q和揚(yáng)程H都會有對應(yīng)的無量綱值φ和ψ。而且，無量綱參數(shù)φ和ψ的數(shù)值對很多互相相似的Q和H值保持不變。這就允許我們在同一個ψ—φ無量綱圖中表示出7個相互相似的揚(yáng)程—流量圖。根據(jù)以上關(guān)系重新繪制無量綱圖，如圖5所示。

圖5 ψ—φ關(guān)系曲線

圖5 給出了所有直徑下的趨勢線及相似定律線。在同一幅圖中繪制了所有情況下的趨勢線，直觀地展示了相似定律線和ψ＝ψ（φ）的關(guān)系線。其中ψ＝ψ（φ）的走勢是根據(jù)原始直徑190 mm計算得到，顯然可以觀測到它與趨勢線走勢保持一致。

根據(jù)相似定律，效率線對于一系列被削減的葉輪應(yīng)保持不變。將效率關(guān)系繪制在同一圖中，如圖6所示，圖中描繪出了7種直徑下的效率線，從曲線走向可以看出其完全遵循相似定律。曲線同樣表明隨著削減量的增多，葉輪直徑縮小，效率顯著降低。主要原因很可能在于葉輪和缸體的間隙增大。

圖6 效率曲線

4 結(jié)語

盡管存在理論制約，但實(shí)驗(yàn)證實(shí)本文提出的泵葉輪削減法很實(shí)用。揚(yáng)程—流量圖與無量綱圖高度一致。7組被檢測葉輪直徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過一條曲線顯示，并得到很高的揚(yáng)程相關(guān)系數(shù)R2＝0.989 5。分布在趨勢線周圍的揚(yáng)程系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致為95%±3.94%。考慮到測定誤差相對較小，我們可以得出這樣的結(jié)論：葉輪削減后產(chǎn)生的被忽視的幾何學(xué)差異性僅會造成與相似定律極其微小的不一致。這些結(jié)果是由高壓泵推測出來的，因?yàn)楦鷮?shí)際情況相比其比速相對較低。如果要得出有關(guān)低比速葉輪削減后被忽視的幾何差異性的影響的結(jié)論，仍需進(jìn)行多次葉輪削減實(shí)驗(yàn)。

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