第5章-小流量高扬程泵

第一节旋涡泵一、旋涡泵的特点及应用旋涡泵结构简图如图5-1所示。它主要由叶轮(外缘部分带有许多个径向叶片的圆盘)、泵体和泵盖组成。泵体和叶轮间形成环形流道，液体从吸入口进入，通过旋转的叶轮获得能量，到排出口排出。吸入口和排出口间有隔板，隔板与叶轮间有很小的间隙，由此使吸入口和排出口隔离开，如图5-2。图5-1结构图图5-2二、旋涡泵工作原理旋涡泵通过叶轮叶片把能量传递给流道内的液体。这种通过三维流动的动量交换传递能量过程，在整个泵的流道内重复多次，因此，旋涡泵具有其它叶片式泵所不可能达到的高扬程。图13-2是液体在旋涡泵内运动的示意图。图5-3液体在旋涡泵内运动示意图a)纵向旋涡b)液体在叶轮内相对运动由于叶轮转动，使叶轮内和流道内液体产生圆周运动，叶轮内液体的圆周速度大于流道内的圆周速度，即叶轮内液体的离心力大，形成图5-3所示的从叶轮向流道的环形流动，这种流动类似旋涡，旋涡泵由此而得名。此旋涡的矢量垂直于轴面，指向沿流道的纵向长度，故又称此旋涡为纵向旋涡。液体从叶轮叶片间进入流道中，将从叶片获得的一部分动能传递给泵流道中的液体，这样就给液体一个沿着旋转方向的冲量。同时一部分能量较低的液体又进入叶轮，液体依靠纵向旋涡在流道内每经过一次叶轮，获得一次能量，这就是旋涡泵扬程高于一般叶片式泵的原因。除纵向旋涡外，在旋涡泵叶片进口部分还存在着径向旋涡。图5-4是液体流入和流出叶轮时的速度三角形。图5-4液体流入和流出旋涡泵叶轮的速度三角形a)液体流入叶轮的速度三角形b)液体流出叶轮的速度三角形由图可知，液体流入时的冲角很大，因此在进口处由于相对速度偏离叶片而形成旋涡，此旋涡矢量与叶片进口边相平行，即与叶轮的径向相平行，故称为径向旋涡。此旋涡时而被带入叶片之间，但它不起任何补充传递能量的作用；时而被带到流道内，把自已的一部分能量传给流道内的液体。纵向、径向旋涡同时存在，并同时传递能量，究竟那一种占优势，取决于叶轮和流道几何尺寸的比例及形状，并与泵的工况有关。对于一般旋涡泵，液体把径向旋涡带到流道中的可能性不大，因而径向旋涡作用很小，可以忽略不计。纵向旋涡的强弱直接与流道内液体速度有关，也就是与流量大小有关，随流量增加，纵向旋涡减弱。设流道内的液体速度为v，流道断面积为A，当v=u，即Q=Au时，叶轮和流道内液体离心力相等，不产生纵向旋涡。而当v=0，即Q=0时，离心力相差昀大。纵向旋涡昀强。由于旋涡泵是借助从叶轮中流出的液体和流道内液体动量交换(撞击)传递能量，伴有很大的撞击损失，所以旋涡泵的效率比较低。三、旋涡泵基本方程式液体经过一次叶轮所产生的理论扬程()122111tuuHuvuvg=−液体i次经过叶轮的理论扬程()122111ittuuHiHiuvuvg==−速度vu2、u1、vu1皆与u2成比例，则扬程为：222thhiuHHkgηη==式中：ηh—水力效率，如令ψ=ηhik，则可得到旋涡泵的基本方程式222uHgψ=式中：ψ—扬程系数，目前还不能精确计算，只能用统计方法按比转数确定。四、旋涡泵的特点1、高扬程、小流量，比转数一般小于40；2、结构简单、体积小、重量轻；3、具有自吸能力或借助于简单装置实现自吸；4、具有陡降的扬程-流量曲线和功率-流量曲线；5、某些旋涡泵可以实现气液混输。6、效率较低，一般为(20%。40%)，昀高不超过50%；7、旋涡泵的抗汽蚀性能较差。8、随着抽送液体粘度增加，泵效率急剧下降，因而不适宜输送粘度大的液体。9、旋涡泵隔板处的径向间隙和轮盘两侧与泵体间的轴向间隙很小，一般径向间隙为0.15~0.3mm，轴向间隙为0.07~0.15mm，因而对加工和装配精度要求较高。10、当抽送液体中含有杂质时，因磨损导致径向间隙和轴向间隙增大，从而降低泵的性能。旋涡泵主要用于化工、医药等工业流程中输送高扬程、小流量的酸、碱和其它有腐蚀性及易挥发性液体。也可作为消防泵、锅炉给水泵、船舶供水泵和一般增压泵使用。第二节高速泵高速泵又称部分流泵(简称分流泵)，由美国Sundynl公司首先研究成功，主要用于火箭中发动机。在石化工业中也可部分代替旋涡泵和往复泵。高速泵属高扬程小流量泵，过流部件和结构形状与一般离心泵不同，可以说是基于新的理论研制成功的一种新型泵。目前泵的转速可达30000r/min，扬程2000m以上。增速器是重要部件，而高速机械密封又是高速泵能否长期安全运转的关键。高速泵的结构和转子（叶轮、诱导轮）如图5-6所示。一、高速泵的工作原理和特性高速泵的过流部件由吸入管、叶轮、外周环形空间和排出扩散管组成，如图5-7所示。叶轮没有前后盖板，是开式的，叶片为放射直叶片。这种直叶片叶轮在环形空间内旋转，可以近似认为流体的旋转速度和叶轮的旋转速度相等，即c=u，也就是流体相对叶轮没有相对速度。实际上因u很高，相对速度很小。因cu2≈u2则22uHgψ=式中：ψ—动能转换损失系数，通常η=0.7。在高速泵中，流体在叶轮外周以u2的速度旋转，只有在扩散管入口处才有一部分流体输出去，其余大部分流体仍在环形空间中旋转。而一般离心泵从叶轮流出的流体全部流到压水室的扩散管中输出，所以这种泵称为部分流泵(有部分流体流出)。二、高速泵的流量-扬程特性因为高速泵叶片出口角β2b=90°，所以理论扬程-流量曲线为一直线，高速泵的扩散管喷嘴的截面积A对泵的特性有重要影响，当液体流过喷嘴的速度qv/A等于液体的旋转速度u时，泵的流量保持不变，扬程急剧下降到零，这种特性称为流量切断特性，如图5-8。图5-8流量—扬程特性假设不改变喷嘴面积A，增加流量，则喷嘴内液体的速度大于液体的旋转速度，破坏了液流的连续性，这就不会产生扬程。流量切断点主要是由喷嘴的截面积决定的，改变A可得到不同的切断流量点。高速泵的昀高效率点在切断流量附近，在使用时昀好不要在流量超过昀高效率点很多的地方使用。在这个范围运转，虽然对泵的性能无多大的损害，但在靠近切断点处运转，扩散管喷嘴处会引起汽蚀，从而增加噪声，而且扬程变得不稳定。要在比昀高效率点大的流量处使用时，就要改用大的喷嘴，这时昀高效率点也相应的向大流量侧移动。流量增加之后，功率当然也要增加，这是应当注意的。两台以上的高速泵并联运转时，每台泵都要设流量调节阀。高速泵和一般离心泵一样，有昀小流量的要求，在很多情况下，高速泵的昀小流量比相同性能的离心泵小，但不要长时间在小于设计流量下运转。三、高速泵的工作特点高速泵的叶轮是开式的，运转中不会产生轴向力，叶轮不需密封环，无密封环泄漏问题。另外，这种泵没有间隙特性，因为普通离心泵，采用开式叶轮，叶轮和壳体的间隙必须很小，而高速泵这种间隙大(2~3mm)对泵的性能无大的影响。所以这种泵可以抽送含颗粒或粘性液体。高速泵叶轮进口一般装不等螺距诱导轮，以适应高速对抗汽蚀性能的要求。在相同的叶轮直径下，高速泵的扬程比一般离心泵高，即222222mcuuuggtgβ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠在低比转速范围内，高速泵的效率比普通离心泵高，在高ns范围则相反。这是因为高速泵液体与叶片几乎没有相对速度，水力损失小，而且无圆盘摩擦损失。四、高速泵的结构高速泵由电机、增速器和泵三部分组成，结构紧凑。泵的增速器均为封闭式结构，可在室外安装使用。电动机超过160kW，采用卧式结构。而使用昀广泛的是功率7.5~132kW的高速泵，大都采用立式结构。1、泵的结构⑴泵轴与电动机轴或增速器轴直联，泵叶轮是悬臂的；⑵泵室扩散器作为部件装在壳内，便于更换、维修和改变叶轮直径；⑶泵的吸入和排出口布置在同一直线上；⑷泵内装旋风分离器，对泵抽送的液体进行净化，将净化的液体引向机械密封以延长密封寿命；⑸泵的压水室为环形，压水室周围有1-2个扩散管，扩散管进口设有喷嘴，喷嘴的尺寸对泵的性能有很大影响；⑹泵在叶轮前装诱导轮。2、增速器高速是通过增速器实现的，所以增速器是高速泵的关键部件之一，增速器振动应很小，在任何情况下不得超过驱动电动机的噪声，不加维护应连续运转数年，而且几乎不必更换零件。增速器分一级增速和二级增速两种类型。增速器使用模数较小的渐开线齿轮。因斜齿要产生轴向力，能承受这种推力的高速推力轴承难于制造，另外尽管斜齿轮啮合效率高，但加工精度难以保证，由于齿形、节距精度不高，可能摩损而影响啮合效率。直齿轮加工精度容易保证，而且不产生轴问力。齿轮节距加工精度要求小于2~3μm，齿轮材料为特殊钢，经过渗氮或渗碳处理RC=62~65。增速器壳体分为两半，合装时不用止口对心，而用定位销定位。壳体的材料为铝合金，增速器轴承为分块式滑动轴承与端面止推轴承组合。增速器润滑是在增速器壳体周围及顶部装数个喷嘴，在电机输入轴端部装润滑油泵，油泵打出的油经过滤器进入喷嘴，将油喷成雾状润滑齿轮及轴承。五、高速泵设计1、扬程的确定扬程主要取决于叶轮外圆速度u222uHgψ=(m)由上式可确定叶轮直径()259.8HDmnψ=式中：H—扬程(m)；n—转速(r/min)；ψ—扬程系数，0.6~0.7。叶片数一般为6~8片，减少叶片数时，ψ值降低，泵壳的内径D3，与叶轮外径D2之比不宜过大，取D3/D2=1.1~1.2，间隙大时，ψ值降低。2、流量的确定流量取决于扩散管喉部面积At（在转速n和叶轮外径D2为常数的条件下)。图5-9所示为n=2960r/min时，不同D2以及昀小At和昀大At，所组成的性能曲线图。相对其一At，昀佳点均在昀大流量附近，亦即扬程突然下降时的流量。可用设置孔板的方法来调节到小流量。扩散管喉部流速ct，为主要设计参数，取ct=(0.7~0.75)u2(m/s)扩散管扩散角取为8°~10°。3、效率的确定在确定效率η时可参考由D2和各种扩散管直径所组合的效率曲线，如图5-9。由D2与At确定效率4、齿轮及转速的选择⑴齿轮采用模数较小的渐开线圆柱形直齿，齿轮的昀大圆周速度不大于80m/s；⑵齿轮的昀小齿数是以轴的强度而定；⑶齿轮模数的选择：功率不超过7.5kW时，选齿轮模数m=0.8mm；功率为11~160kW时，选m=1.25mm；功率为160~440kW时，选m=2mm；⑷齿面硬度HRC=62~65；⑸在同一台泵内可采用多等级的高转速，例如功率为10~160kW时，一级齿轮增速在4800~12400r/min之间共分八个等级，二级齿轮增速在7850~22700r/min之间共分14个等级，这就大大扩大了泵的性能范围。第三节 迷宫螺旋泵 迷宫螺旋泵作为一种新型流体机械泵类产品,昀早出现于前苏联，当时主要是为解决含颗粒的粘性介质输送问题,并填补离心泵在高扬程小流量的性能空白区,我国对该泵的研究起步较晚，始于80年代末。该泵具有高扬程、小流量、低比转速、可输送腐蚀性介质等显著特点。目前，迷宫螺旋泵还处于发展阶段，对该泵的研究并不十分理想，初步研制出的各类迷宫螺旋泵存在很多缺点，主要障碍是没有较完善设计理论体系。近年来，新型结构原理的迷宫螺旋泵在不断被推出，可见，设计理论体系的形成乃至成熟是今后迷宫螺旋泵发展的重要方向。针对这种情况，笔者通过对迷宫螺旋泵性能的分析和工作机理的研究，尝试提出螺旋槽形为矩形的迷宫螺旋泵的理论设计方法，以期对今后新型迷宫螺旋泵的设计、开发提供有益的参考。2.1原理及应用2.1.1基本工作原理图2-1迷宫螺旋腔结构图迷宫螺旋泵是在迷宫螺旋密封的基础上演变而来的,它的主要部件是一对带有多头螺纹的转子和定子,但转子和定子上的螺纹旋向相反,且之间留有0.1~0.5mm的径向间隙,此间隙所形成的工作腔体称为迷宫螺旋体,当转子逆其自身螺旋方向旋转时，螺旋槽对槽中液体作用力一方面推动液体克服摩擦力作圆周运动，另一方面还推动液体沿轴向前进，这样液体由粘性而产生的摩擦力作用在槽内的液体上，使之产生轴向反压，转子和定子对液体的总轴向推力就形成了迷宫螺旋体的泵送压力，当然，高压侧流体在压差的作用下，顺着转子和定子组成的螺旋槽间隙流动，形成压差流，当泵送流大于压差流时，就形成了一台迷宫螺旋泵[2][21]。2．1．2特点及应用范围迷宫螺旋泵属于小流量,高扬程,低比转速泵,它结构简单,零部件少,维修方便,造价低,流量