自吸泵的發展史及發展趨勢探討

王護橋

(新界泵業集團股份有限公司,浙江溫嶺 317525)

自吸泵的發展史及發展趨勢探討

王護橋

(新界泵業集團股份有限公司,浙江溫嶺 317525)

自吸泵是一種特殊的離心泵，廣泛的應用于噴灌和消防等場合。理論上說，自吸泵應該是離心泵的一種進步和發展，也就是說，自吸泵是對傳統離心泵的原理加以改善和拓展，讓離心泵的應用更加廣泛。本文主要從自吸泵的結構和功能的演變出發，具體介紹自吸泵的發展過程和性能演變。在此基礎上，筆者進行了嚴密的論證和推理，對自吸泵的發展趨勢做以研究和探討，并指出了自吸泵進一步發展的具體方向，為自吸泵的發展提供了重要的理論依據。

自吸泵 發展史 前景

自吸泵的工作原理是：水泵啟動前先在泵殼內灌滿水(或泵殼內自身存有水)。啟動后葉輪高速旋轉使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時入口形成真空，使進水逆止門打開，吸入管內的空氣進入泵內，并經葉輪槽道到達外緣。自吸泵的優點就是使用起來十分方便，而且，工作可靠性也得到了提升。尤其在流動灌溉和消防系統上運用最為廣泛，也最為適合。不過隨著我國水資源使用量的不斷增長，導致我國地下水位的下降，也就對自吸泵的自吸性能提出了更高的要求。所以自吸泵在經過了巨大的發展和改善之后又迎來了新的發展瓶頸，所以筆者在對自吸泵的演變深入研究之后提出了新的發展方向。

1 自吸泵的應用介紹

我國是一個水資源的大國，然而人均占有量卻遠低于世界的平均水平，這也就為我國對水資源的節約提出了很高的要求。再加上我國又是農業大國，所以農業灌溉方面的技術也直接影響著我國的水資源保護問題。由于我國目前很多地方采用漫灌的手法，不僅對水資源是一種極大的浪費，而且灌溉的使用效率也并不算高，所以農業灌溉時的輸水和用水成為了我國水利研究的主要課題。

自吸泵的研究是我國氣液綜合能力的主要成果。尤其是80年代中期，回流孔的開發與使用，讓自吸泵才真正得到了發展和創新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以，自從自吸泵幾十年的發展史以來，人們在使用過程中越來越關注和接受自吸泵的發展應用。不過，目前我國仍以自吸泵為實例進行氣液相流的研究，并在這一領域處于較為領先的地位。然而，總的來說，自吸泵的研究仍然以探索為主。自吸泵在工作時需要在自吸泵內部預先存入一定量的水，在管路內制造出接近真空的環境，然后通過外界大氣壓與自吸泵內部構造的綜合作用將水輸送到預定位置。這是自吸泵的基本工作原理和基本應用方式。

2 自吸泵的結構以及性能的演變

自吸泵的出現，最早要追溯到20世紀的30年代。當時一些國家對自吸泵進行基礎性研究，并提出了設計方案。但是直到20世紀50年代的時候才真正進行生產和銷售。而我國對自吸泵的應用較晚，在20世紀70年代時才開始推廣使用。但是最早的自吸泵無論是性能還是工作效率都不盡人意。直到80年代中期，自吸泵才真正得到了發展和創新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。

到了20世紀90年代，外混式自吸泵的研究成果使自吸泵提升了一個層次。尤其在最近一二十年之內，自吸泵的發展極為迅速，自吸泵的發展也逐漸邁向高速、高揚程的小型泵的發展領域。其中，自動化技術在自吸泵的應用也逐漸增多，使自吸泵逐漸向更高的科技上發展。與此同時，自吸泵在實際使用過程中操作十分簡單，同時，其揚程與流量的實際值大約能達到標牌值的80%~90%，總體效率是很高的。再加上其結構和運行時的具體優勢，可以說自吸泵的發展在一定程度上改善了具體的勞動條件。

影響自吸泵自吸性能的因素很多。理論上來說，葉輪的圓周速度以及回流孔的面積都會對自吸性能產生較大的影響。根據自吸泵的構造結構來看，葉輪邊和泵體隔舌之間存在著一定的間隙，這一間隙的大小直接決定了自吸能力的大小。同時，儲液容積和氣液分離室的容積更是對自吸泵的自吸功能和效率起到決定作用。根據分析可以發現，儲液容積以及氣液分離室容積、回流孔、以及自吸泵氣密性都對自吸泵的性能具有較大影響。

根據上文所說，對自吸泵的影響分為不同的因素，下面筆者就從數學模型的建立上出發，對每一種因素進行深入探討和改進。

(1)儲液容積和氣液分離室容積的計算和模型建立。首先，設泵體內儲液容積為V，泵體設計的流量為Q，那么根據數學的極限原理可以得出以下結論：

V/Q＜0．35 泵不能完成自吸工作

V/Q=0．35~1．27 泵可以完成自吸工作，但是自吸時間隨儲水量的增加而縮短

V/Q＞1．27 泵能完成自吸工作，而且泵體自吸時間隨儲水量的增加而增加

由此可見，泵體的自吸工作完成容易，最主要的是尋找儲液容積與流量之比的最佳值。在保證性能的情況下，盡量減少資源的浪費。在設計時，V/Q的值一般要大于0．5，而且，當轉速少于50轉/s時，一般V/Q的值為1．25左右。而當轉速超過50轉/s而小于150轉/s時，取V/Q的值為0．7左右。所以，可以看出V/Q參數的圖像應該顯示“U”字型圖像。其中，V的單位為m3，Q的單位為m3/s。根據上述條件，利用歸納統計原理可以得出最終的表達式：

式中，q1表示儲液室的容積、q2表示分離室容積、ns為轉速、ε為系數。

(2)回流孔的數學模型建立。由于在最早時期的自吸泵應用過程中，基本上不堵回流孔，直到80年代中期，自吸泵才真正得到了發展和創新，對回流孔有了更加深入的認識。而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以回流孔的位置大小以及作用都是自吸泵的重要進步。所以對自吸泵回流孔的數學模型建立對自吸泵的改善會起到更加重要的作用。根據自吸泵的具體分類來看，內混式自吸泵回流水能直接進入葉輪進口，有非常良好的抽吸作用。對于回流孔的大小來說，不能過大，也不能過小，只能取中間值，而中間值的計算就需要用到不同自吸泵的預算公式。

式中，Q為泵的流量，單位為m3/s，n為泵的轉速，單位為r/min。在此公式中，可以看出，系數的取值與轉速的高低相關，一般轉速越高，系數的取值就越大。而當泵口直徑越當回流孔回流的液體體積等于葉輪排除液體體積時自吸性能最佳。所對應的回流孔的面積就是最佳取值。所以，可以得出回流孔最佳取值的最終表達式如下：

式中，pa為吸入管路中空氣的壓力，G為自吸時間內的排氣量，G0為吸入管路及泵體內原始排氣量，K5為系數，ρ為被輸送的液體的密度(一般液體為水，密度取值1．0kg/m3)。根據上式可以普遍性確定回流孔的最佳面積取值以及回流孔對自吸泵的具體影響的量化值。

圖1 浸入深度和流速關系圖

(3)在上述兩個因素量化之外，還有一個比較重要的影響因素，那就是自吸泵的氣密性。自吸泵的氣密性分為兩種種，一是軸封氣密性，二是管路氣密性。如果能將氣密性進一步提高對整個自吸泵的性能提升是比較大的。上文中已經提到，自吸泵的原理是將泵中入口管路部分出現真空，然后利用壓強的不同進行具體工作。所以管路和軸封的氣密性對真空形成的時間和效果影響極大，如果能在短時間內形成高度的真空，那么對于自吸泵來說是一種整體的性能提升。除此之外，能加以量化的還有管路的浸入深度。隨著浸入深度的不同，會導致入口管路液體流入的速度不同。具體表現如圖1所示。

縱坐標為：流速，橫坐標為浸入深度。

總體看來，浸入深度和流速并不是完全的線性比例關系，而是隨著浸入深度的增加反而是流速逐漸減緩。這是因為浸入深度增加的同時，水壓也逐漸變大，而入口管路的直徑是一定的，并沒有隨之增大，又因為水下壓強的方向是不固定的，所以流速會相應減少。所以根據具體量化結果可以分析計算出最佳的浸入深度與流速關系圖。

3 從自吸泵的改進技巧談自吸泵的發展趨勢

自吸泵的改進與發展是我國液汽作用領域的主要課題。而具體論述，應該從上文所說的幾個量化特點上進行對自吸泵的改進。下面筆者就從以下三個方面具體論述自吸泵的改進與發展趨勢。

(1)以國內技術為核心對材質進行改進。自吸泵的外殼一直以來是利用金屬構造，經過逐漸的發展和改換，目前氟塑料自吸泵的出現成為了國際標準結合非金屬泵技術的代表，所謂氟塑料自吸泵主要是內襯氟塑料，過流部件采用氟塑料制作，這就有效的防止了水蝕的現象對自吸泵的影響。這一技術的產生無疑會在一定程度上增加自吸泵的壽命，并對自吸泵的工作效率產生一定的促進。

(2)設計開發以回流孔和儲液容積與氣液離室容積量化最優值的自吸泵。上文中已經說到，當轉速少于50轉/s時，一般V/Q的值為1．25左右。而當轉速超過50轉/s而小于150轉/s時，取V/Q的值為0．7左右。可以根據轉速和V/Q值具體建立起合適的儲液容積與氣液分離室容積比的自吸泵。而回流孔的位置大小以及作用都對自吸泵有著極大的影響。所以，對于回流孔的大小來說，不能過大，也不能過小，只能取中間值，而中間值的計算就需要用到不同自吸泵的預算公式進行實際計算得來。所以自吸泵的一大改進方向就是利用量化的數值進行最優結合。

(3)在普通離心泵的基礎上加大自吸泵的設計應用。普通離心泵的使用更加廣泛，而自吸泵的使用是更加全面的，所以根據普通離心泵的具體使用途徑加快自吸泵的研發是自吸泵發展的主要趨勢和前景。自吸泵的使用很多時候是在噴灌和消防等場合，對于這些場合的使用更多的要求高壓水泵和準確控制的水泵。所以對管口氣密性以及軸封氣密性的重視會具體提升自吸泵的使用效率。并在一定程度上減少自吸泵的啟動時間。如果能在短時間內形成高度的真空，那么對于自吸泵來說是一種整體的性能提升，也是對噴灌和消防工作的具體支持。

4 自吸泵的發展研究意義

自吸泵的研究是我國氣液綜合能力的主要成果。尤其到80年代中期，回流孔的開發與使用，讓自吸泵才真正得到了發展和創新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。自吸泵利用其自吸性能對傳統離心泵加以改善和拓展，讓離心泵的應用更加廣泛。所以具體說來，對自吸泵的發展還是具有許多重大的意義的。下面筆者將具體從三個方面介紹自吸泵的發展研究意義。

(1)水資源的利用方面的意義。上文中已經介紹，我國是一個水資源的大國，然而人均占有量卻遠低于世界的平均水平，這也就為我國對水資源的節約提出了很高的要求。再加上我國又是農業大國，所以農業灌溉方面的技術也直接影響著我國的水資源保護問題。自吸泵的發展對水資源利用具有一定的意義。

(2)對我國氣液相流研究領域的意義。氣液相流領域是對液體利用方式開發的新型領域，這一領域在很多地方得到了重視和利用。而自吸泵在一定程度上來說應該是氣液相流研究領域的具體表現。所以，自吸泵的發展的速度和方向就代表了氣液相流技術的發展的速度和方向。而且自吸泵在實際利用時出現的具體問題可以為氣液相流研究領域提出新的發展模式與發展前景。在解決自吸泵的實際問題同時，對氣液相流技術加以增強和改進。所以自吸泵的發展與研究對氣液相流研究領域的意義也是比較重要的。

(3)人們對自吸泵應用的意義。近一二十年之內，自吸泵的發展極為迅速，自吸泵的發展也逐漸邁向小型泵發展領域，并向高速、高揚程發展。其中，自動化技術在自吸泵的應用也逐漸增多。所以，自從自吸泵幾十年的發展史以來，人們在使用過程中越來越關注和接受自吸泵的發展應用。所以自吸泵的發展和研究具有著方便人們使用與接受的意義。

5 結語

吸泵在工作時需要在自吸泵內部預先存在一定量的水，從而在泵吸入管路內制造出接近真空的環境，然后通過外界大氣壓將水輸送到預定位置。目前，我國仍以自吸泵為實例進行氣液相流的研究，并在這一領域處于較為領先的地位。總的來說，自吸泵的研究仍然以探索為主。所以對自吸泵的改進和探索仍然具有著十分重要的意義。所以筆者就自吸泵的發展歷程和趨勢加以研究，利用量化的方式將儲液容積和氣液分離室容積的計算和模型加以研究。并對回流孔的數學模型予以研究，同時引出回流孔最佳情況的判定公式。然后利用這些量化數據以及科技發展趨勢的綜合，總體介紹了自吸泵的發展歷程和研究意義。

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