內排氣液環式自吸離心泵的設計

摘要：文章著重介紹了內排氣液環式自吸離心泵的結構特點、自吸過程和輸液過程，提出了液環式自吸離心泵的設計方法，可為液環式自吸離心泵的設計提供可靠的依據。

關鍵詞：內排氣；液環式；自吸離心泵

中圖分類號：TH311 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）18-0001-02

自吸離心泵是一種特殊結構的離心泵，它依靠泵本身的內部結構，無需附加任何外部輔助設施即可完成自吸過程，然后進入正常輸液。為了拓展自吸離心泵的應用范圍，研究人員已經研發出一種液環式自吸離心泵，液環式自吸離心泵是將液環輪與葉輪組合在一個殼體中，借助液環輪將氣體排出，實現自吸，然后進入正常輸液。

現有液環式自吸離心泵都設有專門的排氣裝置，排氣裝置上安裝排氣閥。在排氣過程中，需關閉泵的出口閥門，打開排氣閥，泵中及管路中的氣體排到大氣中；排氣完畢后，需及時關閉排氣閥，打開泵的出口閥門。其不足之處：操作步驟多，不能實現泵的排氣引液、抽送液體的全程自動化；易造成輸送介質的外泄，從而污染環境。

為了克服現有液環式自吸離心泵操作步驟多、易造成輸送介質外泄的缺陷，近年來相關人員已經研發出一種內排氣液環式自吸離心泵。

1結構特點

液環式自吸離心泵按液環輪的位置可以分為在葉輪前和葉輪后兩種，本文介紹的內排氣液環式自吸離心泵采用液環輪在葉輪后的型式，其結構型式如圖1所示。內排氣液環式自吸離心泵由泵體（其A-A剖視圖結構如圖2所示）、進口腔體、進口接頭、拍門、葉輪、液環泵蓋、液環泵殼、液環輪、軸、支架、排氣管、機械密封等組成。泵體和進口腔體組成自吸泵泵體，與普通的外混式自吸離心泵泵體結構相似，具有吸入S形彎、儲液室、氣液分離室、不完整的蝸殼擴散段及下回流孔等。泵體和液環泵蓋固定在支架上，泵體和支架的外部由排氣管聯接，進口接頭和進口腔體之間設有拍門，液環泵殼固定在液環泵蓋上，葉輪在泵體和液環泵殼的內部，葉輪的后蓋板上開有數個小孔，液環輪在液環泵殼和液環泵蓋的內部，葉輪和液環輪固定在同一根軸上。

這種設計具有結構緊湊、鑄造方便、操作方便、維護方便、自吸性能好等優點，同時可實現泵的排氣引液、抽送液體的全程自動化，減少輸送介質的外泄。

2自吸過程

自吸過程可分為4個階段。即:葉輪上形成液體封環過程，氣液混合過程，氣液分離過程，再循環過程。

①葉輪上形成液體封環過程。由于要隔離泵入口和泵出口，必須在葉輪出口及稍遠處形成一個液體封環。自吸時，泵中儲液室存有一定的儲液，葉輪高速旋轉，葉輪在離心力的作用下，將液體拋向葉輪出口側，加上葉輪出口側液體的不斷補充，可在葉輪出口及稍遠處形成一個液體封環。

②氣液混合過程。由于葉輪和液環輪的高速旋轉，葉輪入口和液環輪入口形成負壓，使泵入口和吸入管路中的氣體和葉輪處的液體在液環輪入口處混合。高速旋轉的液環輪和液環泵殼、液環泵蓋一起形成液環泵，使拍門處于開啟狀態，完成氣液混合物從泵入口→葉輪入口→葉輪后蓋板小孔→液環輪入口→液環輪出口→排氣管→氣液分離室的抽送。

③氣液分離過程。由于液環輪的作用，使氣液混合物通過排氣管進入氣液分離室。此時流速降低，由于空氣和液體的密度相差非常大，氣液混合物的泡沫不斷破裂，使較輕的氣體從氣液混合物中分離出來，并通過泵出口逸出，而較重的液體由于自身重力的作用，回流到儲液室。

④再循環過程。由于儲液室存有一定的液體，通過回流孔，補充葉輪內部的液體損失，自吸過程中，始終在葉輪出口及稍遠處形成一個液體封環。泵入口和吸入管路中的氣體和葉輪處的液體在液環輪入口處重新混合，繼續上述的氣液混合過程和氣液分離過程。隨著整個過程周而復始地進行，吸入管道內的氣體越來越少，其液位越來越高，直到把吸入管道中的氣體全部排盡為止，泵便完成了自吸過程。

3輸液過程

泵完成自吸過程后，自動轉入輸液過程，其工作過程即為普通離心泵的工作過程。

4設計方法

液環式自吸離心泵將液環輪與葉輪組合在一個殼體中，在設計方法上與普通離心泵和普通自吸離心泵存在一定的差異，所以在水力設計和結構設計中應適當加以考慮。

4.1水力設計

4.1.1葉輪

液環式自吸離心泵的葉輪和一般離心泵的葉輪設計方法基本一致，但需注意以下兩點：

由于泵體上存在不完整的擴散段和回流孔，要達到一般離心泵相同揚程，葉輪外徑需在計算的基礎上適當加大，設計時葉輪放大的比例為1.03~1.05。

液環式自吸離心泵汽蝕性能要求高，因此要采用提高汽蝕性能的設計方法，注意采用加大葉輪進口直徑、加大葉片進口寬度及加大葉輪前蓋板進口部分的曲率半徑等措施。

4.1.2蝸殼

液環式自吸離心泵的蝸殼和一般離心泵的蝸殼設計方法一致。特別注意隔舌與葉輪外徑間隙可按一般離心泵是要求設計。

4.1.3氣液分離室和儲液室

液環式自吸離心泵的氣液分離室和儲液室與一般自吸離心泵的氣液分離室和儲液室設計方法一致。

4.1.4回流孔

由于回流孔只用于補充葉輪內部的液體損失，所以液環式自吸離心泵的回流孔面積遠小于一般自吸離心泵的回流孔面積。根據以往經驗，對于50 mm、80 mm、100 mm吸入口徑的液環式自吸離心泵的回流孔直徑選擇詳見表1，比轉速低時取大值，比轉速高時取小值，其它規格吸入口徑的液環式自吸離心泵的回流孔直徑選擇可見表1。

4.1.5液環輪的設計步驟

①根據泵設計的基本參數，查泵的允許吸上高度，確定吸入管徑及長度。

②根據要求的自吸時間，確定液環輪的排氣量q（m3/s）。

③根據排氣壓力和吸氣壓力計算液環輪的最小圓周速度U2 min，U2 min的取值范圍為：15~17 m/s，排氣壓力一般為標準大氣壓力，吸氣壓力為泵所允許的吸上真空度Hs（Pa）。

④根據泵的轉速n和修正系數λ計算液環輪半徑r2（m），此值可圓整。根據排氣量q、轉速n、液環輪半徑r2、容積效率ηv等參數計算液環輪的寬度b（m），此值可圓整。

⑤根據輪轂比γ計算輪轂半徑r1（m），此值可圓整。

⑥根據相對淹深α計算淹深a（m）。

⑦確定葉片數Z和葉片安放角β，一般取Z=12，β=90。

⑧計算偏心距e和殼體半徑R。

⑨設計吸氣口及排氣口。主要是確定吸氣口、排氣口始端角、末端角以及形狀，吸氣口和排氣口分別設計在液環輪的兩側。

上述步驟中的計算方法與公式參見文獻。

4.2關鍵結構設計

①排氣結構設計。支架上設有排氣通道，支架、泵體設有排氣管固定結構，泵體和支架的外部由排氣管聯接。在自吸過程中，液環輪排出的液體依次通過液環泵蓋、支架、排氣管，然后進入泵體的氣液分離室進行氣液分離。這種結構設計可實現泵的排氣引液、抽送液體的全程自動化，減少輸送介質的外泄。

②儲液室和氣液分離室分體的自吸泵泵體結構設計。這種自吸泵泵體包括泵體、進口腔體、O形圈和緊固件，泵體上設有氣液分離室、蝸室和回流孔，進口腔體上設有儲液室和S形流道，進口腔體和泵體通過上回流孔聯通，從而聯通氣液分離室和儲液室，進口腔體和泵體之間的密封采用O形圈密封，進口腔體和泵體之間的聯接通過緊固件聯接。

這種結構設計在滿足自吸泵自吸功能的基礎上，優化了自吸泵泵體結構，改善了泵體的鑄造工藝性，降低了泵體鑄件的廢品率，提高了生產效率，降低了生產成本。

5結語

①內排氣液環式自吸離心泵的結構設計是合理的，具有一定的新穎性，并具有結構緊湊、鑄造方便、操作方便、維護方便、自吸性能好等優點，同時可實現泵的排氣引液、抽送液體的全程自動化，減少輸送介質的外泄。

②液環式自吸離心泵的設計方法，經實際使用驗證是可行的，此方法為液環式自吸離心泵的設計積累了經驗，豐富了液環式自吸離心泵的設計理論，可為液環式自吸離心泵的設計提供可靠的依據。

參考文獻：

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