傳統(tǒng)軸流葉輪和新型軸流葉輪功率特性的研究

湯利亞　黃光旭

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司）（杭州崇峻科技有限公司）

傳統(tǒng)軸流葉輪和新型軸流葉輪功率特性的研究

湯利亞*黃光旭

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司）（杭州崇峻科技有限公司）

在不同的攪拌條件下，對(duì)傳統(tǒng)軸流葉輪和新型軸流葉輪測(cè)得其扭矩值，以此推導(dǎo)出其相應(yīng)的功率準(zhǔn)數(shù)，并比較兩種葉輪功率特性的異同。

軸流葉輪功率特性功率準(zhǔn)數(shù)導(dǎo)流筒擋板

0　前言

大量的攪拌設(shè)備用于低黏物系的混合和固液懸浮操作，這時(shí)需要葉輪能以低能耗提供高的軸向循環(huán)流量，傳統(tǒng)的螺旋推進(jìn)式葉輪能滿足這個(gè)要求。但是，傳統(tǒng)的螺旋推進(jìn)式葉輪（我公司將其命名為SP301葉輪）的葉片是個(gè)復(fù)雜的立體曲面，制造較困難，特別是葉輪較難以大型化。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多攪拌設(shè)備公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)節(jié)能高效、造價(jià)低廉且易于大型化的軸向流葉輪，如萊寧公司的A310葉輪、A410葉輪、A6000葉輪等。

我公司開(kāi)發(fā)的代號(hào)SP302新型軸流葉輪，類似于A310葉輪，它的葉片由鋼板按一定規(guī)律彎曲制成，不必使用銑或精密澆注等成型工藝，且三枚葉片可拆卸，易于裝配出較大型的葉輪。當(dāng)用于固-液懸浮操作時(shí)，達(dá)到同樣的懸浮效果，SP302葉輪比傳統(tǒng)的45°折葉渦輪要減小50%的能耗。

1　功率特性測(cè)試原理

本文主要對(duì)傳統(tǒng)軸流葉輪（SP301）和新型軸流葉輪（SP302）在不同條件下進(jìn)行了攪拌試驗(yàn)，并比較了試驗(yàn)條件對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響。試驗(yàn)?zāi)Ｐ停翰蹚?600 mm，直邊高度2500 mm，上為平蓋、下為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，減速機(jī)轉(zhuǎn)速為242 r/min。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，在不同頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從扭矩傳感儀上讀取三個(gè)扭矩值，求出平均負(fù)載扭矩，然后其值減去相同頻率下的空載扭矩，即得實(shí)際平均負(fù)載扭矩值。根據(jù)公式P=Tn/9550可算出實(shí)際消耗功率，根據(jù)公式Np=P/（n3dj5ρ）可算出其相應(yīng)的功率準(zhǔn)數(shù)。最后，根據(jù)上述計(jì)算所得的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)比較兩種葉輪功率特性的異同。

（1）導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板情況下，測(cè)雙層SP301－600、SP302－600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)。

圖1表示導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板條件下雙層SP301-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停粓D2表示導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板條件下雙層SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)數(shù)據(jù)：導(dǎo)流筒直徑743 mm，導(dǎo)流筒內(nèi)四塊均布擋板寬度50 mm，雙層葉輪直徑均為600 mm，層間距650 mm，下層葉輪離釜底高度為650 mm。

圖1　雙層SP301-600葉輪（帶導(dǎo)流筒）

圖2　雙層SP302-600葉輪（帶導(dǎo)流筒）

導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋扳情況下的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。將有關(guān)扭矩值代入功率與扭矩的關(guān)系式

表1　導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

即可算出實(shí)際消耗功率P。然后再根據(jù)功率與功率準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式

可求出不同頻率（轉(zhuǎn)速）下的功率準(zhǔn)數(shù)。擬合成的功率準(zhǔn)數(shù)特性曲線如圖3所示。

圖3　攪拌器頻率與功率準(zhǔn)數(shù)特性

圖3中曲線1表示SP301－600葉輪帶導(dǎo)流筒時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，求其平均值，即得根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的雙層SP301攪拌器在導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板情況下的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.496。曲線2表示SP302－600葉輪帶導(dǎo)流筒時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，求其平均值，即得雙層SP302攪拌器在導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板情況下的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.542。

（2）全擋板條件下，在不同層間距時(shí)測(cè)雙層SP301-600及SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)。

圖4表示全擋板條件下雙層SP301-600葉輪在不同層間距時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停粓D5表示全擋板條件下雙層SP302-600葉輪在不同層間距時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)數(shù)據(jù)：槽徑1600 mm；四塊均布擋板寬度均為120 mm，離壁距離40 mm；雙層SP301和SP302葉輪直徑均為600 mm，下層葉輪離釜底高度為650 mm，層間距分別為300 mm、600 mm。

圖4　雙層SP301-600葉輪（全擋板，層間距不同）

圖5　雙層SP302-600葉輪（全擋板，層間距不同）

按本章（1）中的計(jì)算方法，擬合成圖6所示的曲線。其中，曲線3表示全擋板下雙層SP301－600葉輪層間距為300 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線4表示全擋板下雙層SP301－600葉輪在層間距為600 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線5表示全擋板下雙層SP302－600葉輪在層間距為300 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線6表示全擋板下雙層SP302－600葉輪在層間距為600 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)。曲線3去除10 Hz、15 Hz時(shí)這兩個(gè)誤差較大的功率準(zhǔn)數(shù)值，再求其平均值，即得全擋板下雙層SP301－600葉輪在層間距為300 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.467。曲線4的功率準(zhǔn)數(shù)值遞減，無(wú)需求其平均值。根據(jù)曲線5的數(shù)值，求得全擋板下雙層SP302－600葉輪在層間距為300 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.577。曲線6去除10 Hz、15 Hz時(shí)這兩個(gè)誤差較大的功率準(zhǔn)數(shù)值，再求其平均值，即得全擋板下雙層SP302－600葉輪在層間距為600 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.627。

圖6　攪拌器頻率與功率準(zhǔn)數(shù)特性

（3）全擋板條件下，不同離底高度時(shí)測(cè)SP301-600和SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)。

圖7表示全擋板條件下單層SP301-600葉輪在不同離底高度時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停粓D8表示全擋板條件下單層SP302-600葉輪在不同離底高度時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)數(shù)據(jù)：槽徑1600 mm；四塊均布擋板寬度均為120 mm，離壁距離40 mm；單層SP301和SP302葉輪直徑均為600 mm，計(jì)算葉輪距離釜底高度分別為300 mm、600mm、900 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)。

圖7　單層SP301-600葉輪（全擋板，離底高度不同）

圖8　單層SP302-600葉輪（全擋板，離底高度不同）

按本章（1）中計(jì)算方法，擬合成圖9所示的曲線。其中，曲線7表示全擋板下單層SP301－600葉輪在離底高度為300 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線8表示全擋板下單層SP301－600葉輪在離底高度為600 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線9表示全擋板下單層SP301－600葉輪在離底高度為900 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線10表示全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為300 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線11表示全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為600 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線12表示全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為900 mm時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)。其中曲線7、8、9的功率準(zhǔn)數(shù)值遞減，無(wú)需求其平均值。根據(jù)曲線10的數(shù)值，求得全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為300 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.312。根據(jù)曲線11的數(shù)值，求得全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為600 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.328。根據(jù)曲線12的數(shù)值，求得全擋板下單層SP302－600葉輪在離底高度為900 mm時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.320。

圖9　攪拌器頻率與功率準(zhǔn)數(shù)特性

（4）無(wú)擋板條件下，測(cè)單層SP301－600、SP302－600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)。

圖10　單層SP301-600葉輪（無(wú)擋板）

圖10表示無(wú)擋板條件下單層SP301-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停粓D11表示無(wú)擋板條件下單層SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)數(shù)據(jù)：槽徑1600 mm，不帶擋板，單層葉輪直徑為600 mm，葉輪離釜底高度為600 mm。

圖11　單層SP302-600葉輪（無(wú)擋板）

圖12　攪拌器頻率與功率準(zhǔn)數(shù)特性

按本章（1）中計(jì)算方法，擬合成圖12所示的曲線。其中，曲線13表示無(wú)擋板單層SP301-600葉輪不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)，曲線14表示無(wú)擋板單層SP302-600葉輪不同轉(zhuǎn)速下的功率準(zhǔn)數(shù)。其中曲線13的功率準(zhǔn)數(shù)值遞減，無(wú)需求其平均值。根據(jù)曲線14的數(shù)值，求得無(wú)擋板單層SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)，約為0.294。

2　結(jié)論

（1）導(dǎo)流筒內(nèi)帶窄擋板的情況下，測(cè)雙層SP301-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)Np約為0.496，SP302-600葉輪的功率準(zhǔn)數(shù)比SP301略大，約為0.542。

（2）全擋板條件下，相同的槳徑、轉(zhuǎn)速下，SP301和SP302葉輪在層間距小于槳徑時(shí)，層間距越小，功率越低。

（3）全擋板條件下，不同離底高度對(duì)單層SP301、SP302葉輪的功率影響不大。

（4）無(wú)擋板條件下，相同槳徑的SP301葉輪在相同轉(zhuǎn)速時(shí)比SP302葉輪的功率略大；無(wú)擋板條件下的相同槳徑、轉(zhuǎn)速下的功率比全擋板條件下低10%左右。

總之，相同工況下，新型軸流葉輪的功率比傳統(tǒng)的推進(jìn)式葉輪功率消耗稍大，具有軸流特性好、耗能小、易大型化、安裝簡(jiǎn)便、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，在較大直徑的設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］王凱，馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Research on Power Performance of Traditional and Neotype Axial Impellers

Tang LiyaHuang Guangxu

The torque values of traditional and neotype axial impellers are measured under different stirring conditions，from which the corresponding power number is deduced.Then the similarities and differences of the power performance between these two kinds of impellers are compared.

Axial impeller；Power performance；Power number；Draft tube；Baffle

TQ 051.7

2015-02-14）

*湯利亞，女，1979年生，工程師。杭州市，310012。