單吸單級自吸離心泵設計

唐欣怡，周應來，李志鵬

（1.長沙理工大學；2.湖南省應急排水搶險設備工程技術研究中心；3.長沙迪沃機械科技有限公司，湖南 長沙 410000）

1 前言

自吸泵一般屬于離心泵，在離心泵的基礎上做了改良，解決了每次向泵內先灌水的繁瑣步驟，它依靠自身特殊結構，利用氣液混合原理實現抽吸氣體，可在泵吸入管路內形成一定程度真空狀態，它只需首次使用時引水，之后每次使用都無需再重復引水步驟，極大地提高了便利性。自吸泵具有操作簡便、性能穩定、可遠程集中控制、自動化操控等優點，因此自吸離心泵廣泛適用于跨度遠，難度大，需要啟動頻繁等場合，特別是在移動應急排澇搶險場合具有明顯優勢。

提高泵的自吸高度和減少自吸時間是自吸離心泵設計者目標。而自吸泵的自吸高度和自吸時間主要由自吸方式、自吸結構確定。較多的設計者主要是對液相回流孔參數、儲液體積、葉輪參數、泵體進口位置關系進行設計與試驗研究。自吸泵性能的優劣與泵的水力設計密切相關，本文就單吸單級自吸泵葉輪、壓水室的水力及結構設計進行分析探討。

2 結構設計

離心自吸泵分為外混式和內混式兩種。不論是外混式還是內混式，都可使用雙渦殼泵體和單渦殼泵體結構。雙渦殼泵體由于具有兩個隔舌，理論上氣水分離效果要比單渦殼泵體好，不過它存在鑄造工藝復雜、型線不易保證適合水流等問題。而單渦殼泵體結構簡單，鑄造型線易以保證。因此一般采用單渦殼泵體結構。

外混式自吸離心泵泵體與管路連接處高于葉輪外緣，從泵體進口到葉輪處形成了一個S形流道，并在泵體進口處加裝一個止回拍門，這樣可以保證泵體內總是充滿水，在泵體吸入腔與壓出腔下部設置回流孔，從葉輪流到泵體內流道的氣水混合物在泵體氣水分離體分離后，水從此回流到葉輪外緣處。葉輪旋轉對水氣混合物產生離心作用，在葉輪進口處形成真空，將吸入管中氣體吸入葉輪內經葉輪做功后流出葉輪與水混合，在慣性力差作用下氣水分離，氣體經泵體排出口排出，而較重的水仍留在泵體內不斷循環直至吸水管內氣體排盡。

內混式自吸離心泵在出水口裝有罐式氣水分離室，泵體吸水室上方開有一回水孔，該孔與氣水分離室回水流道相通，保證自吸過程中循環水返回吸水室。為防止循環水在吸水室流失，將吸水室做成向上傾斜形狀，使泵體與吸水管道連接處高于葉輪外緣。為防止停泵后虹吸，與外混式一樣加止回拍門。為了在排盡吸水管道內氣體后正常泵水工作時回流損失，在氣水分離室上裝有手動回流閥，自吸時開、上水后關閉。

在葉輪離心力的作用下，吸水室內的水沿著泵體流道被壓向出口，此時，葉輪的進口處形成真空。在啟動后立即打開回水閥，于是，氣水分離室里的水在進出口壓力差作用下經過分離室下方的回水孔回到吸水室，與吸水室里的空氣同時被葉輪吸入，并在葉輪流道內進行混合，氣水混合后的液流及未混合的氣水一起被葉輪甩出，當經過壓水室時，將速度能轉換成壓力能，經過內套管到分離室上方，此時，斷面定然擴大，氣水混合的液流速度減慢，造成了氣體從液體自由表面逸出的有利條件，逸出的氣體從出水口排出，而水又從分離室下方的回水孔流入吸入室。

3 葉輪設計

葉輪是單吸立式多級自吸泵工作的主要元件，是能量轉換和動力傳輸主要部件，所以葉輪的設計對整個泵的運行性能起著決定性作用。自吸離心泵葉輪參數水力設計是提高自吸性能的關鍵，采多個輻射式直筋葉片的葉輪，自吸性能要優于其他形式葉片葉輪，但效率偏低（圖1）。半開式葉輪比閉式葉輪自吸性好但效率會由于間隙流而降低（圖2），因此，為了有效提高泵的性能和運行效率，對比分析后，本設計選擇閉式葉輪。在水力計算中，因為考慮到自吸泵的回流損失和水力損失，本文所設計的單吸單級自吸離心泵葉輪排出口通徑D2比計算值增大5%～10%的設計方法，以便于滿足單吸立式多級自吸泵性能要求。

圖1 分級式葉片葉輪

圖2 半開式葉輪

設計參數：揚程H=12m，流量Q=74m3/h，轉速n=2950rpm，效率η=76%-78%，自吸時間T=6m/5min。

相關參數計算與確定：比轉速：ns=3.66n=3.65，取ns=240；葉輪吸入口通徑取D0=85mm；葉輪排出口通徑取=122mm；葉輪排出口寬度取25mm；葉輪排出口安放角取=22°；葉片包角取θ=95°。

4 泵體的設計與計算

泵體結構設計成從泵體進口到葉輪處形成一個S形流道，泵體與管路連接處高于葉輪外緣，進口加裝拍門放回流（圖3）。

圖3 具有S形流道的混合-分離泵體結構

按速度矩等于常數（Vu·r=常數）來計算Ⅲ過流斷面面積，按速度等于常數（Vu=常數）的規律計算其他斷面。

4.1 主要參數計算與確定

（1）求基圓半徑：R0=KR2

一般K=1.03-1.05，取K=1.041

∴ R0=1.041×60=62.5（mm）

D0=2×R0=2×62.5=125（mm）

（2）求物旋壓水室出口圓形斷面：

取ρ=34mm

則A8=πρ2=π×342=3630mm

A7=3350mm2，A6=3080mm2，A5=2540mm2，A4=1998mm2，A3=1452mm2，A2=906mm2，A1=363mm2。

4.2 壓水室設計

（1）為了達到自吸作用，葉輪內必須要求一定的儲水量，故吸水室進口抬高的雙彎曲形。

（2）泵體采用有刮舌的單渦殼泵體，刮舌是為了增加隔舌對氣水混合物的刮削作用，促使氣水分離刮舌為三角刮刀形，舌底為圓形，與葉輪的配合間隙為0.5mm。

（3）原來國內外的外混合式自吸泵多為雙渦殼，這樣使泵體形成內外流道，而外流道作為回流，單渦殼泵體是開式泵膛，自吸過程中，軸中心以下都是負壓，故可以通過葉輪兩側開式泵膛回流，以使水氣混合。

（4）為提高自吸能力，葉輪后蓋板割切9.2%，增加氣水混合而在泵體側面的填料座上加4個小肋片。

（5）為增加氣水分離，泵體出口有一定容積的氣水分離箱。

（6）求進水寬度。

B0=b2+2.5+（4 ～ 10）=37。

式中，b2為葉輪出口寬度b2=25mm。

5 試驗

利用泵開式性能試驗臺、升降式自吸試驗臺對樣機一臺分別進行性能試驗和自吸試驗，結果達到了設計要求，具體試驗結果如下：

揚程H=12.3m，流量Q=74m3/h，轉速n=2950rpm，效率η=77%，自吸時間T=6.5m/4min。