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學校，河南 平頂山467001）

0 引言

從發明伊始，離心機經歷了長時間的進化發展才走到了今天，其因用途廣泛而廣為人們接受。早在幾個世紀前，離心泵的物理原理就在歐拉推導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，叫做渦輪機械的歐拉方程。如果沒有合理的分析，特別是關于泵的一些輸出參數如揚程和效率，離心泵的很多技術應用都無法實現。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。從最佳操作點的觀點來看，最佳操作點就是泵的最高效能點，由于流量是由分路器和氣節門控制，而這些都會導致泵的操作效能低下，因而解決泵因尺寸過大或節流導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。這個觀點是根據相似原理得到的，相似原理中提到如果不同的泵葉輪滿足幾何學和運動學上的相似條件的話它們就是相似的。然而，關于此命題的觀點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系。

泵葉輪削減后其幾何學和運動學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，所以運動學相似性也不復存在。同時，相似性可以從各種因素獲得，包括葉輪形狀、葉片的控制和數量、入口的運動情況、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，就會增加內部循環回流，導致泵效率降低。

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。為了驗證實驗的準確性及其應用的普遍性，泵葉輪被削減了6次，每次減少10 mm出口直徑。實驗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為轉速；Q為流量；H為揚程。

2 實驗設計

實驗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。裝置的安裝和實驗的進行必須遵循ISO9906—1999標準。

圖1 實驗裝置原理圖

泵的揚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ISO9906—1999標準，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形管進行校準。傳動軸的時間是通過高電壓C2＆KWS 3072扭力計測定的，軸轉速是通過ONO SOKKI HM－610轉速表測定的。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）進行測試的。Ib190離心泵的葉輪有7個單獨的彎曲半徑葉片。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 離心泵結構示意圖

圖3 離心泵葉輪實物圖

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

3 結果分析

泵的揚程—流量關系測試結果如圖4所示，圖中包含了6次削減的所有測量數據。

圖4 削減后的離心泵揚程—流量圖

圖4 雖然直觀地描述出了揚程—流量的關系，但是習慣上，泵的性能參數都是使用特征系數的無量綱圖表示，特征系數關系如下：

式中，ψ為揚程系數；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為揚程；φ為流量系數；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。

這些系數所表示的含義為每個流量Q和揚程H都會有對應的無量綱值φ和ψ。而且，無量綱參數φ和ψ的數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個相互相似的揚程—流量圖。根據以上關系重新繪制無量綱圖，如圖5所示。

圖5 ψ—φ關系曲線

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）的關系線。其中ψ＝ψ（φ）的走勢是根據原始直徑190 mm計算得到，顯然可以觀測到它與趨勢線走勢保持一致。

根據相似定律，效率線對于一系列被削減的葉輪應保持不變。將效率關系繪制在同一圖中，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 結語

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

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