兩級自吸離心泵設計及實驗測試

王 凱，蔣玲林，張子旭，陳 昆

(1. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013；2. 寧波巨神制泵實業有限公司，浙江 寧波 315135)

0 引 言

自吸泵是一種特殊的離心泵，解決了離心泵在吸上情況時需要借助真空泵或者在啟動之前向進口管路內灌引水才能啟動開機的問題，因此在某些特殊情況下可以代替長軸泵、潛污泵等輸送低位流體[1-3]。同時具有體積小、維護方便、安裝簡單等優點，廣泛應用于農業灌溉、城市環保、消防、化工、引用供水等領域[4-6]。

多級自吸離心泵對揚程要求較高，但是泵和電機安裝位置有限、灌液困難或啟動、停車頻繁的場合，如灑水車泵、消防泵等。由于多級自吸離心泵的結構較為復雜，目前國內外對多級自吸離心泵的研究比較少[7,8]。因此，本文對一灑水車用兩級外混式自吸離心泵設計進行了深入研究，并對其進行了試制和試驗，以期為多級自吸離心泵的設計與優化提供了借鑒。

1 結構設計與水力設計

1.1 設計要求

自吸式離心泵的設計參數：流量Q=60 m3/h，揚程H=105 m，轉速n=3 540 r/min，η=60%；在自吸高度為4 m時，自吸時間Ts<180 s。該自吸離心泵安裝在灑水車上，作為灑水車泵使用，要求結構緊湊、安裝方便，同時在運行過程中振動和噪聲較小。

1.2 結構設計

(1)齒輪箱的增速比為1:3。考慮到該泵有限的安裝空間，泵軸采用齒輪軸這一可以減小變速箱徑向空間的形式。同時為了傳動平穩、產生較小的噪聲并且提高齒輪的承載能力，因此選擇斜齒輪這一齒輪傳動類型。

(2)根據設計要求，若該泵設計為單級泵，則比轉速ns=50.85，屬于低比轉速泵，葉輪出口直徑約為245 mm。綜合考慮該泵的徑向空間大小、低比轉速泵揚程曲線易出現駝峰等問題，因此將該泵設計為兩級自吸離心泵。同時考慮到鑄造、安裝等問題，將泵設計為結構緊湊、工藝性好的節段式兩級離心泵，兩級壓水室分別選擇為徑向導葉和蝸殼。

(3)該泵安裝于灑水車上，由灑水車的發動機提供轉速，會經常出現急停現象，同時該泵對效率要求不高。為了盡可能縮短自吸時間，因此選擇自吸時間較短的外混式自吸式。

綜上所述，將該泵設計為帶有齒輪箱的節段式兩級外混式自吸離心泵，首級泵分配揚程H1=50 m，次級泵分配揚程H2=55 m。其結構如圖1所示。

1-首級葉輪；2-徑向導葉；3-泵體；4-次級葉輪；5-機械密封；6-增速齒輪；7-齒輪軸；8-泵軸；9-齒輪箱圖1 兩級自吸離心泵結構圖Fig.1 Structure of a two-stage self-priming centrifugal pump

1.3 水力設計

1.3.1 首級葉輪水力設計

首級葉輪設計參數：流量Q=60 m3/h，揚程H1=50 m，轉速n=3 540 r/min，由式(1)計算得到比轉速ns1=88.7。

(1)

(1)葉輪進口直徑Dj1。確定葉輪進口直徑Dj1前，首先要確定葉輪進口當量直徑D01：

D01=k0(Q/n)1/3

(2)

(3)

式中：k0為進口直徑系數。兼顧效率和汽蝕，取k0=4.3，則D01=72.1 mm。取首級葉輪輪轂dh1=20 mm，經計算得到Dj1=74.79 mm。圓整后取Dj1=75 mm。

(2)葉輪出口直徑D21。

D21=kD2(Q/n)1/3

(4)

kD2=(9.35～10.1)(ns1/100)-1/2

(5)

考慮該泵結構形式與比轉速，取kD2的系數為9.43，計算得D21=167.8 mm。圓整后取D21=170 mm。

(3)葉輪出口寬度b21。研究表明比轉速小于120時，采用式(6)計算得到的葉輪出口寬度更為準確[9]。

b21=0.78(ns1/100)0.5(Q/n)1/3

(6)

考慮葉輪材料的種類以及葉輪流道表面粗糙度，根據式(6)計算得b21為12.3 mm。為了減小該泵的自吸時間，稍許增大首級葉輪葉片出口寬度，最終確定b21=14 mm。

(4)葉片出口安放角β21。泵葉片出口安放角一般取值范圍為22°～30°。根據出口安放角確定的方法以及該泵首級葉輪的設計揚程、出口直徑和比轉速，最終確定β21=25°。

(5)葉片包角φ1。葉片包角較大可以改善流道內流態，但是摩擦損失會增加。因此綜合考慮，最終確定φ1=110°。

(6)葉片數Z1的確定。葉輪的葉片數對泵的性能有很重要的影響。葉片數過多會造成葉輪流道內排擠嚴重、摩擦損失增加；而葉片數過少葉輪流道內流態則比較差。參考類似優秀水力模型的同時考慮到首級葉輪對空化性能的要求，最終確定Z1=6。

(7)首級葉輪水力圖。首級葉輪水力圖，如圖2所示。

圖2 首級葉輪水力圖Fig.2 Hydraulic chart of first-stage impeller

1.3.2 次級葉輪水力設計

次級葉輪設計參數：流量Q=60 m3/h，揚程H2=55 m，轉速n=3 540 r/min，由式(1)計算得到比轉速ns2=82.5。

(1)葉輪進口直徑Dj2。根據泵軸的結構以及強度要求，確定次級葉輪輪轂直徑dh2=28 mm。由于該泵的次級葉輪進口處有較高的壓力，一般不會發生空化，因此，次級葉輪設計過程中主要考慮效率，從而k0取為4.1；由式(2)和(3)，計算得Dj2=74.2 mm。圓整后取Dj2=75 mm。

(2)葉輪出口直徑D22。根據式(4)、(5)計算次級葉輪出口直徑，同時考慮自吸泵的特殊設計要求及該泵整體結構的工藝要求，最終確定D22=175 mm。

(3)葉輪出口寬度b22。根據式(6)計算次級葉輪出口寬度，同時由于該泵為外混式自吸離心泵，因此葉片出口寬度需要適當加大，最終確定b22=13 mm。

(4)葉片出口安放角β22。根據次級葉輪設計揚程、次級葉輪出口直徑和比轉速的大小，同樣取β22=25°。

(5)葉片包角φ2。綜合考慮次級葉輪葉片間的流態以及摩擦產生的流動損失，最終確定φ2=110°。

(6)葉片數Z2的確定。綜合考慮次級葉輪對揚程、效率、空化性能等的要求，最終確定Z2=6。

(7)次級葉輪水力圖。次級葉輪水力圖，如圖3所示。

圖3 次級葉輪水力圖Fig.3 Hydraulic chart of second-stage impeller

1.3.3 徑向導葉水力設計

徑向導葉設計參數：流量Q=60 m3/h，揚程H1=50 m，轉速n=3 540 r/min，比轉速ns1=88.7。

(1)進口直徑D13。

D13=D21+(2～10)

(7)

間隙較大，泵的效率會降低，同時泵的自吸性能變差，導致自吸時間增加，最終確定正導葉進口直徑D13=174 mm。

(2)進口寬度b13。

b13=b21+(2～5)

(8)

一般，可以適當減小徑向導葉進口寬度來減小多級泵的軸向尺寸，最終確定b13=17.5 mm。

(3)螺旋線的角度與線型。徑向導葉進口與首級葉輪出口間的流體速度矩相等，即vuR=K2(常數)。因此，徑向導葉進口速度的圓周分量vu3：

(9)

式中：vu2為首級葉輪出口速度的圓周分量。

徑向導葉進口軸面速度vm3：

(10)

(11)

為了改善在大流量工況下徑向導葉流道內流體的流動情況，正導葉的進口安放角α3必須稍大于進口液流角，即：

(12)

式中：Δα為沖角，Δα=3°～8°。取Δα=4°，則α3=13°。

螺旋線部分為對數螺旋線，即：

R=R3eφtanα3

(13)

根據式(13)可以計算出各個角度對應的半徑，從而確定螺旋線。

(4)喉部面積S與葉片數Z3。喉部面積是決定徑向導葉性能的關鍵參數，確定喉部面使用最廣泛的水力設計方法是速度系數法。

喉部面積

喉部速度

S=a3b3，若取a3=b3，則正導葉的葉片數Z3：

(14)

式中：k3為速度系數。根據圖4可以查取，由于此時壓水室為徑向導葉，用于計算的速度系數k3為查得系數的0.8倍。算出Z3值后取整，最終得到徑向導葉正導葉的葉片數Z3為7。

圖4 壓水室速度系數k3Fig.4 Velocity coefficient of dischargechamber

(5)擴散角φ。擴散角φ一般為6°～10°，取φ=8°。

(6)出口直徑D23。

D23=(1.3～1.5)D13

(15)

取系數為1.36，計算后D23=236.64 mm，圓整后取D23=237 mm。

(7)反導葉。反導葉進口直徑D14，一般略小于正導葉出口直徑D23，反導葉出口直徑D24，一般和下一級葉輪進口直徑相當或者稍小，軸向寬度b24根據要求的速度變化確定，一般

(16)

最終確定D14=165 mm、D24=64 mm、b24=24 mm。采用與正導葉進口安放角、出口安放角相同的設計方法，最終確定反導葉進口安放角α14為19°，出口安放角α24為65°，葉片數Z4與正導葉葉片數Z3相同為7。

(8)徑向導葉水力圖。徑向導葉水力模型如圖5所示。

圖5 徑向導葉水力圖Fig.5 Hydraulic chart of radial guide-vane

1.3.4 蝸殼水力設計

蝸殼的設計參數為：流量Q=60 m3/h，揚程H2=55 m，轉速n=3 540 r/min，比轉速n2s=82.5。

(1)基圓直徑D15。為了使蝸殼隔舌和次級葉輪之間存在大小合適的間隙，D15應稍大于次級葉輪出口直徑D22。若該間隙較小，蝸殼流道內容易出現阻塞現象而且隔舌附近也容易產生空化，從而導致較大的振動和噪聲；若該間隙較大，蝸殼流道會產生循環流動，導致泵效率降低，同時影響該泵的自吸性能，增加自吸時間，通常取：

D15=(1.03～1.08)D22

(17)

綜合考慮該泵的比轉速、次級葉輪外周流動的均勻性以及自吸泵水力設計的要求，取系數為1.03，最終圓整后D15=180 mm。

(2)蝸殼進口寬度b15。為了補償次級葉輪在泵運行過程中產生的竄動、葉輪自身的制造誤差以及回收一部分圓盤摩擦損失，蝸殼進口寬度通常大于次級葉輪出口寬度，通常b15=b22+(5～10)mm。綜合考慮上述要求以及自吸泵特殊的水力設計要求，最終確定b15=22 mm。

(3)蝸殼隔舌安放角φ5。蝸殼隔舌安放角與次級泵比轉速之間的關系，如表1所示[9]。

表1 隔舌安放角φ和比轉速ns的關系Tab.1 Relation between tongue angle φand specific speed ns

根據次級泵的比轉速大小，蝸殼隔舌安放角推薦取值為15°到25°之間。根據該泵結構，同時為了保證螺旋線部分與擴散管連接光滑，因此稍微增大安放角，以協調形狀，最終確定蝸殼隔舌安放角為29°。

(4)蝸殼斷面面積。

(18)

式中：v5為蝸殼斷面的平均速度，m/s；Q8為第8斷面的流量。

(19)

式中：k5為速度系數。根據圖4，確定速度系數為0.42。

通過式(18)、(19)計算得蝸殼第Ⅷ斷面面積F8=1.2×10-3m2，其他斷面的面積，根據蝸殼斷面速度相等原則確定：

(20)

(5)蝸殼水力圖。蝸殼水力圖，如圖6所示。

圖6 蝸殼水力圖(單位：mm)Fig.6 Hydraulic chart of volute

(6)出口斷面。由于自吸泵的擴散管出口一般在氣液分離室內部，并與氣液分離室出口保持一定距離，因此，蝸殼出口確定為第10斷面，如圖6所示。

圖7 回流孔的位置圖Fig.7 Location of reflowing valve

1.3.5 回流孔設計

該泵為外混式自吸離心泵，回流孔在該泵的自吸過程中發揮非常重要的作用，因此回流孔是泵體中不可缺少的一個結構。外混式自吸離心泵回流孔的位置通常位于從蝸殼隔舌起沿葉輪旋轉方向190°～220°之間。若回流孔布置在蝸殼流道最低的位置處，自吸性能會較差。綜合考慮該泵的結構以及該泵對自吸要求，因此，回流孔布置在從隔舌起沿葉輪旋轉方向214°處的蝸殼壁面上。同時，為了滿足自吸泵中回流孔形狀的要求以及為了加工方便，所以將該泵的回流孔設計為矩形。回流孔的位置，如圖7所示。

2 實驗驗證

為了驗證本文設計的兩級自吸離心泵的水力性能及自吸時間是否滿足設計要求，對該兩級自吸式離心泵進行試制，同時進行了外特性試驗和自吸時間的試驗。各零部件實物圖如圖8所示。

圖8 兩級自吸離心泵Fig.8 The two-stage self-priming centrifugal pump

該自吸離心泵進行外特性試驗和自吸性能試驗測試系統由離心泵試驗裝置和泵性能參數采集系統組成。為了提高測試精度，試驗測試采用計算機輔助測試技術，采用了高精度的檢測器和模數轉換技術，利用計算機在給定的采樣時間內可多次采集數據，然后用算術平均的方法來求出本次采樣的值，避免人工讀數帶來的誤差，從而提高了測試數據的重復性和測試精度。

(1)外特性試驗。兩級自吸離心泵外特性試驗裝置如圖9所示。

1-電機；2-聯軸器；3-變速箱；4-聯軸器；5-模型泵；6-出口壓力傳感器；7- 壓力顯示儀；8- 進口壓力傳感器；9-電磁流量計；10- 流量計顯示表；11- 閘閥；12-水池圖9 外特性試驗裝置示意圖Fig.9 Sketch of hydraulic characteristic experiment

外特性性能曲線如圖10所示。從圖10中可以看出：設計工況下，揚程的試驗值為108.65 m，試驗值的試驗效率為60.43%，滿足了該兩級自吸離心泵的水力設計要求。揚程隨著流量的增加降低得很快，但是該泵的高效區較寬，在流量為52～85 m3/h范圍內，試驗效率均高于58%，滿足使用要求。

圖10 外特性性能曲線Fig.10 Hydraulic characteristic curve

(2)自吸時間試驗。兩級自吸離心泵自吸時間試驗裝置如圖11所示，將該兩級自吸式離心泵放置位于水面4 m處的高臺上，對該兩級自吸離心泵進行自吸時間的試驗。為了使泵首次工作前液體高于泵軸，在該泵進口處接一個向上彎的彎管，彎管高于泵軸約300 mm。接通電源，電機帶動葉輪開始高速旋轉，記錄從接通電源到該離心泵完成自吸過程，即該離心泵出口開始正常出水這個過程的時間。

1-電機；2-聯軸器；3-變速箱；4-聯軸器；5-模型泵；6-出口壓力傳感器；7- 壓力顯示儀；8- 進口壓力傳感器；9-閘閥；10- 水池圖11 自吸試驗裝置示意圖Fig.11 Sketch of self-priming experiment

為了提高試驗測試過程中數據的準確性和可重復性，進行了3次試驗，對3次測得的時間取平均值，即為該泵的自吸時間。測得3次自吸時間分別為154、155、153 s，求平均值。得到在自吸高度為4 m的情況下，該兩級自吸式離心泵的自吸時間為154 s，滿足設計要求中對自吸時間的要求。

綜上所述，本文設計的兩級外混式自吸離心泵能夠滿足設計要求，可以進行批量生產。

3 結 論

(1)根據灑水車用兩級自吸離心泵的設計要求，采用速度系數法對其首級葉輪、次級葉輪、徑向導葉、蝸殼進行了水力設計，并對其進行了結構設計。

(2)對該兩級自吸離心泵進行了水力性能試驗和自吸試驗。設計工況下，該泵的揚程為108.65 m，效率為60.58%，并且高效區較寬，在52～85 m3/h的流量范圍內，試驗效率均高于58%。自吸高度為4 m時，該泵的自吸時間為154 s，滿足該泵的設計要求。

□

[1] 龔傳炳.自吸泵的研究方向[J].水輪泵，1997,(1)：22-24.

[2] 湯 超.立式長軸泵與無密封自吸泵在鋼鐵企業的應用比較[J]. 冶金動力，2010,(6)：1-4.

[3] 范宗霖，薛建欣，楊從新.立式自吸泵的研究[J].蘭州理工大學學報，1998,(1)：52-55.

[4] 劉培鋒.自吸泵在MBR污水處理工藝中的應用[J].科技傳播，2012,(22)：183-184.

[5] 王遠德.無密封自吸泵在旋流井的應用[J].甘肅冶金，2008，30(3)：66-67.

[6] 楊偉娟.強自吸泵在給排水工程的應用[J].科技資訊，2006,(14)：51.

[7] 韓建勇，陳靜媛，劉玉波.立式多級自吸離心泵的研究[J].煤礦機械，2006，27(3)：410-411.

[8] 王 川.低比速多級自吸噴灌泵能量損失與自吸機理研究[D]. 江蘇鎮江：江蘇大學，2016.

[9] 關醒凡．現代泵理論與設計[M]．北京：中國宇航出版社，2011．