離心泵優化設計理論與方法分析

蔣昕 張祥 王恩輝

摘 要：大型自吸離心泵是一種無需灌水，通過自吸系統將進口管內空氣排凈，實現快速自吸，從而使離心泵正常工作的水利機械，具有結構緊湊、效率高、運行穩定以及自吸能力強等特點，廣泛應用于大面積噴灌供水系統、城市排水以及抗洪抗澇等，應用前景十分廣闊。文章首先分析了大型自吸離心泵存在的問題，然后介紹了自吸離心泵結構、參數設計以及工作原理，最后對大型自吸離心泵進行了試驗研究。

關鍵詞：離心泵；數值分析；優化設計；文丘里自吸系統

引言

隨著我國社會經濟的快速發展，我國各行各業對大型自吸離心泵的需求不斷增加，大型自吸離心泵應用廣泛，在城市給排水、灌溉工程以及工業循環水等方面發揮著重要的作用，所以，研究大型自吸離心泵的設計方法、完善大型自吸離心泵的設計理論，能夠有效提高泵的工作效率，對提高自吸離心泵的性能有重要的現實意義。

1 大型自吸離心泵存在的問題

從上世紀60年代開始我國就開始了對大型自吸離心泵的研究，到90年代提出了應用彈性橡膠閥來實現回流孔自動關閉的理論，在此基礎上研制出了外混式結構的自吸離心泵，提高了泵的可靠性，這種離心泵得到了廣泛的使用。隨著時代的發展，對大型自吸離心泵的要求也在不斷提高，文章針對大型自吸離心泵的結構、參數以及成本等方面對其進行了廣泛的調查，總結出了目前大型自吸離心泵存在的主要問題：（1）自吸結構設計方法有待完善。在國內離心泵生產企業中，大多數還是生產內混式和外混式自吸離心泵，缺乏創新，離心泵的工作效率和自吸性能有待提高；（2）自吸原理比較單一。大多數自吸離心泵采用的是上世紀90年代提出的通過彈性橡膠閥壓縮來控制回流孔自動關閉從而實現自吸的理論，這種自吸原理雖然得到了廣泛的應用，但隨著科學技術的進步，這種自吸原理逐漸變得單一、落后；（3）大型自吸離心泵的材料單一。我國生產大型自吸離心泵的主要材料是鑄鐵，這會導致大型自吸離心泵比較重，也會一定程度上增大工作人員的工作強度。

2 大型自吸離心泵結構及參數設計

2.1 大型自吸離心泵結構設計

大型自吸離心泵通過自吸系統將泵的進口管內空氣排凈并實現快速自吸，保證了泵的工作效率，提高了泵的自吸性能。大型自吸離心泵的主要結構由吸入段、泵體、冷卻油箱、軸承以及自吸系統等組成，泵與自吸系統采用螺栓連接，密封形式為油冷卻，保證泵工作效率和可靠性，大型自吸離心泵的結構如圖1所示。

圖1 大型自吸離心泵三維結構圖

2.2 大型自吸離心泵的設計參數

設計流量為Q=500m3/h，揚程H=45m，泵的轉速n=2200r/min，柴油機的功率為P=100kW，泵的效率ηh=83.5%，泵及裝置效率ηm%=65.5%。

2.3 葉輪水利設計

大型自吸離心泵內部水的流動非常復雜，在自吸系統工作時涉及到氣液的混合，葉輪是非常重要的過流部分，葉輪的設計關系到泵的流量和抗氣蝕性能等，對于大型自吸離心泵的正常工作起著重要的作用。本裝置葉輪的結構采用閉式結構，葉輪的設計首先需要確定泵的比轉速，比轉速可以采用以下公式來計算：

n■=■=188

其次，需要確定泵的進出口直徑，泵的進口直徑是指進口管法蘭處內徑，常用泵的進口直徑、流速以及流量之間的關系表1所示。

表1

根據圖表再加上實際情況選擇泵的進口直徑為200mm，大型自吸離心泵的出口直徑選擇與進口直徑相同，也為200mm；最后要確定葉輪的主要尺寸，葉輪直徑也叫做葉輪頸部直徑，本裝置使用的是懸臂式葉輪。通過一系列計算可得，葉輪進口直徑為200mm，葉輪出口寬度為200mm，葉片包角為120°，進口安放角為25°，出口安放角為30°，葉片厚度為8mm，葉片數為6片。

3 大型自吸離心泵自吸系統工作原理

本大型自吸離心泵采用了文丘里自吸系統，文丘里自吸系統是一種以壓縮空氣作為動力的排氣裝置，主要由噴嘴、逆止濾網以及排氣裝置外殼等組成。文丘里自吸系統的排氣裝置和進口管采用螺栓連接，中間安裝金屬濾網，用來過濾固體顆粒，文丘里自吸系統內部沒有運動部件，所以不需要設置潤滑裝置，而且密封性能良好，結構相對簡單，系統工作可靠性也大幅提升。文丘里自吸系統通過壓縮空氣產生射流，這時逆止閥會被打開，射流會不斷地卷吸泵體內的空氣，然后排出。與此同時，逆止閥會組織外部的氣體進入泵體內部，經過這樣的反復排氣會使泵體產生真空，這時水流進入葉輪，水流的作用力會將逆止閥關閉，這時離心泵開始了正常工作，實現了大型離心泵的自吸功能。

4 大型自吸離心泵試驗研究

按照上述設計，在產品質量檢測水泵試驗臺上進行檢測，并按照國家標準GB/T3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》進行實驗。預測性能曲線與實驗性能曲線重合度非常高，由于集合造型、湍流模型以及計算方法等都會對計算結果產生一定的影響，所以實驗結果產生的誤差在可以接受的范圍之內。同時對大型自吸離心泵自吸性能進行實驗，按照相關標準，當自吸離心泵自吸高度達到5米時，自吸時間應小于120s，本裝置進行自吸實驗時，自吸高度達到5米時自吸時間為75s，遠遠高于國家標準，通過實驗可以得出，大型自吸離心泵的性能參數滿足設計要求。

5 結束語

綜上所述，文章對離心泵優化設計理論與方法進行了分析，介紹了泵的結構、自吸系統以及葉輪等的設計，通過對大型自吸離心泵試驗研究可以得出其性能參數滿足設計要求，甚至一些參數遠遠超過了國家相關標準。對大型自吸離心泵進行研究，提高了泵的工作效率和性能，對促進我國社會經濟發展具有重要的現實意義。

參考文獻

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