低汽蝕余量的軸流葉片式屏蔽泵設(shè)計(jì)與制作

摘要：介紹了采用圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軸流葉輪設(shè)計(jì)的技術(shù)路線(xiàn)以及屏蔽泵設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)調(diào)整方式。進(jìn)行了將誘導(dǎo)輪作為屏蔽泵的工作葉輪的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)和驗(yàn)證了葉片拉伸成型的方法，并介紹了工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)、效果和要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：屏蔽泵；軸流式葉片；誘導(dǎo)輪制作

中圖分類(lèi)號(hào)：TH325" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0027-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.007

0" " 引言

屏蔽泵是機(jī)泵一體化產(chǎn)品，因其內(nèi)部的屏蔽套結(jié)構(gòu)而得名，以其無(wú)泄漏、低振動(dòng)、低噪聲、免維護(hù)的特性而廣泛應(yīng)用于化工、制冷以及“風(fēng)光氫儲(chǔ)”等各個(gè)領(lǐng)域。屏蔽泵需依靠?jī)?nèi)部液體冷卻電機(jī)和潤(rùn)滑軸承，所以電機(jī)的正常工作對(duì)循環(huán)液有一定的要求，該循環(huán)液會(huì)對(duì)泵的性能造成影響，所以在屏蔽泵設(shè)計(jì)中要綜合考慮電機(jī)與泵的需求，二者兼顧才能制造出合格的屏蔽泵。

常見(jiàn)屏蔽泵大多采用離心式葉輪，具有離心泵的水力特性。近來(lái)也有學(xué)者及工程師研發(fā)旋渦式或齒輪式屏蔽泵，用以應(yīng)對(duì)小流量高揚(yáng)程的工況，但鮮有關(guān)于大流量低揚(yáng)程屏蔽泵的研究。生產(chǎn)實(shí)踐中，大流量低揚(yáng)程工況大多采取切割離心葉輪的方式，其效果自然不盡如人意，而軸流泵則適用于大流量低揚(yáng)程工況，所以如果使用軸流式葉輪作為泵內(nèi)的驅(qū)動(dòng)輪則可以較好地解決大流量低揚(yáng)程工況性能不佳的問(wèn)題。

誘導(dǎo)輪作為一種特殊的軸流葉輪，具有揚(yáng)程低、汽蝕余量小的特性，將誘導(dǎo)輪作為軸流葉輪與屏蔽電機(jī)結(jié)合起來(lái)即可構(gòu)成低汽蝕余量的軸流式屏蔽泵。本文將結(jié)合實(shí)例，介紹一個(gè)簡(jiǎn)易的軸流式低汽蝕余量的屏蔽泵設(shè)計(jì)過(guò)程及葉片的制作方法。

1" " 工況需求

某工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)需求一款工質(zhì)循環(huán)泵，輸送介質(zhì)為L(zhǎng)iBr溶液，密度1 600 kg/m3，流量450 L/min，揚(yáng)程3 m，要求流量具有1.2倍余量，適用于在真空系統(tǒng)中運(yùn)行，汽蝕余量低，體積小，重量輕。

根據(jù)真空系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，該工況應(yīng)使用屏蔽泵。屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)速略低，轉(zhuǎn)速取2 550 r/min，根據(jù)流量、揚(yáng)程計(jì)算比轉(zhuǎn)速ns=354。根據(jù)比轉(zhuǎn)速劃分離心泵類(lèi)型，ns在10～80范圍內(nèi)為低比轉(zhuǎn)速泵，在80～150范圍內(nèi)為中比轉(zhuǎn)速泵，在150～300范圍內(nèi)為高比轉(zhuǎn)速泵。該泵比轉(zhuǎn)速已經(jīng)超出離心泵范圍，所以不宜用離心泵結(jié)構(gòu)，而應(yīng)采用混流泵或軸流泵，根據(jù)汽蝕余量低的要求，該泵適宜將誘導(dǎo)輪作為工作動(dòng)力葉輪，所以該泵主要設(shè)計(jì)點(diǎn)為制作一個(gè)滿(mǎn)足該工況的誘導(dǎo)輪，并與屏蔽電機(jī)結(jié)合構(gòu)成屏蔽泵。

2" " 葉片設(shè)計(jì)

誘導(dǎo)輪根據(jù)螺距可以分為等螺距誘導(dǎo)輪和變螺距誘導(dǎo)輪，根據(jù)輪轂形狀可以分為圓柱形誘導(dǎo)輪和錐形誘導(dǎo)輪，其中圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪最為常見(jiàn)，錐形變螺距誘導(dǎo)輪性能最好，但制造也較為復(fù)雜，需要精密鑄造成型，重量和成本均較大。考慮到要求體積小、重量輕，誘導(dǎo)輪選取為圓柱形等螺距形式，葉片由薄板拉伸成型，制作簡(jiǎn)便，重量較輕，而且表面光潔度好。

2.1" " 設(shè)計(jì)參數(shù)

流量450 L/min=27 m3/h，1.2倍則為32.4 m3/h，屏蔽電機(jī)需有內(nèi)部循環(huán)液用以冷卻電機(jī)，假設(shè)電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量全部由循環(huán)液帶走，則循環(huán)流量q（L/min）計(jì)算公式為：

q=[860×0.85P（1/ηm-1）]/（60r·c·Δt）[1]

式中：P為電機(jī)額定功率；ηm為電機(jī)效率；r為液體比重；c為液體比熱；Δt為液體溫升限值。

估算電機(jī)功率為2.2 kW，查L(zhǎng)iBr溶液比熱約為0.5 kcal/（kg·℃），按電機(jī)效率65%、溫升2 ℃計(jì)算，q=9 L/min=0.54 m3/h，考慮不同介質(zhì)的通用性及屏蔽泵的內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，循環(huán)流量增大為1 m3/h。誘導(dǎo)輪輪緣間隙的泄漏量通常為（0.02～0.06）Q[2]（Q為理論流量），考慮到屏蔽泵泄漏量較大，取0.1Q，則設(shè)計(jì)流量=（32.4+1）×1.1≈37 m3/h，取設(shè)計(jì)流量Qt=40 m3/h。

考慮泵內(nèi)損失，取設(shè)計(jì)揚(yáng)程Ht=3.5 m。

2.2" " 直徑計(jì)算

進(jìn)口當(dāng)量直徑D0：

D0=K0

式中：K0為系數(shù)，一般取4.5～5.5；Qt為設(shè)計(jì)流量；n為轉(zhuǎn)速；ηv為效率。

系數(shù)K0取5.5，效率ηv取0.9，按屏蔽電機(jī)較低轉(zhuǎn)速取n=2 550 r/min，可得D0=93 mm，根據(jù)軸徑選取輪轂直徑d=32 mm。

進(jìn)口直徑D1：

D1=

式中：D0為當(dāng)量直徑；d為輪轂直徑。

計(jì)算可得D1=98.4 mm，取100 mm。

輪轂比=32/100=0.32，一般輪轂比的合理范圍為0.2～0.4，本設(shè)計(jì)的0.32在范圍之內(nèi)，所以輪緣直徑與輪轂直徑是合理的，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

2.3" " 翼型安放角計(jì)算

進(jìn)口直徑圓周速度u：

u=

本次取進(jìn)口直徑D1=100 mm，計(jì)算可得u=13 m/s。

軸面速度vm：

vm=

式中：φ為葉片排擠系數(shù)，一般取0.8～0.95。

本次葉片排擠系數(shù)φ取0.8，計(jì)算可得vm=2.2 m/s。

輪緣進(jìn)口直徑相對(duì)液流角βy1′：

βy1′=tan-1

式中：vm為軸面速度；u為圓周速度。

計(jì)算可得βy1′=9.7°。

輪緣進(jìn)口葉片角βy1：

βy1=βy1′+Δβy1

式中：βy1′為輪緣進(jìn)口直徑相對(duì)液流角；Δβy1為沖角。

取沖角Δβy1=5°，計(jì)算可得βy1=14.7°。

出口直徑的圓周速度u2=u=13 m/s，出口直徑絕對(duì)速度的圓周分量vu2：

vu2=

式中：Ht為設(shè)計(jì)揚(yáng)程；u2為圓周速度；ηh為水力效率。

一般誘導(dǎo)輪水力效率ηh=0.8～0.9[3]，考慮到屏蔽泵效率低，ηh取為0.7，則計(jì)算可得vu2=3.8 m/s。

出口直徑相對(duì)液流角βy2′：

βy2′=tan-1

式中：vu2為出口直徑絕對(duì)速度的圓周分量。

計(jì)算可得βy2′=13.5°。

輪緣出口葉片角βy2：

βy2=βy2′+Δβy2

式中：βy2′為出口直徑相對(duì)液流角；Δβy2為沖角。

取沖角Δβy2=3°，計(jì)算可得βy2=16.5°。

輪緣翼型安放角βcy：

βcy=（βy1+βy2）/2

式中：βy1為輪緣進(jìn)口葉片角；βy2為輪緣出口葉片角。

計(jì)算可得βcy=15.6°，取為16°。

2.4" " 導(dǎo)程和軸向高度計(jì)算

導(dǎo)程S：

S=πD·tan βcy

式中：D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑；βcy為輪緣翼型安放角。

D=D1=100 mm，計(jì)算可得S=90 mm。

葉片輪緣包角φ1：

φ1=360°·

式中：為葉柵稠密度；z為葉片數(shù)。

葉柵稠密度選取最優(yōu)值1.5[4]。葉片數(shù)一般選取3時(shí)性能較好，但是制作較復(fù)雜，考慮制作的簡(jiǎn)便性，本次取葉片數(shù)z=2。計(jì)算可得φ1=260°。

輪緣軸向高度hy：

hy=S·φ1/360

式中：S為導(dǎo)程；φ1為葉片輪緣包角。

計(jì)算可得hy=65 mm。

葉片輪轂包角φ2：

φ2=φ1+Δφ

式中：φ1為葉片輪緣包角；Δφ為葉片進(jìn)口后掠角，一般取60°～180°。

本次后掠角Δφ取為100°，則計(jì)算φ2=260°+100°=

360°，湊成360°便于加工。

輪轂軸向高度hh：

hh=S·φ2/360

式中：φ2為葉片輪轂包角。

計(jì)算可得hh=90 mm。

3" " 葉片制作

葉片平面圖如圖1所示，根據(jù)圓柱螺旋線(xiàn)展開(kāi)公式和圓環(huán)面積公式，可推導(dǎo)出葉片：

R=B

B=

式中：R為葉片外圓半徑；B為葉片寬度；D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑；d為輪轂直徑；S為導(dǎo)程。

代入數(shù)值計(jì)算可得R=57.9 mm，留出加工余量3 mm，則外徑A=2R+3≈119 mm。

內(nèi)徑C=2R-2B=47.8 mm，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)內(nèi)徑需減小3 mm，取45 mm。

角度θ：

θ=·

計(jì)算可得θ=36.6°。

將葉片拉伸到規(guī)定導(dǎo)程后焊接到輪轂上，如圖2所示。

為便于拉伸與批量生產(chǎn)，可將多個(gè)葉片焊接在一起拉伸成型，拉伸前根據(jù)計(jì)算角度畫(huà)線(xiàn)，拉伸成型后根據(jù)畫(huà)線(xiàn)切割出合適尺寸的葉片。兩片葉片對(duì)稱(chēng)布置，按輪緣軸向高度車(chē)削。精加工后打磨葉片。打磨葉片進(jìn)口邊能夠提高抗汽蝕性能，打磨葉片出口邊能夠提高效率。因?yàn)檎T導(dǎo)輪本身效率不高，生產(chǎn)實(shí)踐中一般對(duì)葉片出口邊不進(jìn)行特殊打磨，只需去掉毛刺和銳邊即可，而葉片入口對(duì)汽蝕性能影響較大，一般要進(jìn)行后掠修圓，汽蝕性能能夠提高10%～25%。為獲得較好的汽蝕性能，葉片入口需要打磨成刀尖型，為避免葉片過(guò)薄導(dǎo)致不穩(wěn)定，可以在葉片入口鉆孔以平衡葉片兩側(cè)的壓力。

4" " 整機(jī)結(jié)構(gòu)與性能

泵體設(shè)計(jì)成軸向吸入徑向排出的結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子分別焊接屏蔽套保護(hù)繞組和轉(zhuǎn)子，電機(jī)與泵間開(kāi)小孔引入工作介質(zhì)作為循環(huán)液，流經(jīng)屏蔽套縫隙和軸承間隙，從軸內(nèi)中心孔流回入口端。該循環(huán)液用于冷卻電機(jī)和潤(rùn)滑軸承，同時(shí)不會(huì)腐蝕電機(jī)，也不會(huì)泄漏。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)采用軸內(nèi)循環(huán)方式，軸內(nèi)回流的循環(huán)液會(huì)與入口處的液體發(fā)生沖擊，對(duì)汽蝕性能略有影響，如果采取在輪轂側(cè)面開(kāi)孔進(jìn)行循環(huán)則會(huì)有所改善，但制作較為復(fù)雜，本次仍采用從軸頭處循環(huán)回流的方式。經(jīng)測(cè)試，性能符合要求，額定點(diǎn)汽蝕余量小于0.6 m，小流量時(shí)汽蝕余量可達(dá)0.45 m，性能曲線(xiàn)如圖4所示。

5" " 工程應(yīng)用

該類(lèi)型屏蔽泵適用于裝置汽蝕余量較低的工況，這種工況一般都是由于條件所限而液位較低，或者因?yàn)楣に囆枰獨(dú)庀鄥^(qū)壓力較低（如制冷系統(tǒng)，所輸送液體基本為飽和狀態(tài)），當(dāng)揚(yáng)程要求不高時(shí)完全可以只用一個(gè)軸流式誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，從而同時(shí)滿(mǎn)足汽蝕余量和揚(yáng)程的需求。

該誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)也可以安裝在葉輪前側(cè)，達(dá)到降低汽蝕余量的目的，泵的揚(yáng)程主要由后部主葉輪實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)還是老產(chǎn)品技術(shù)改造，都可以考慮在葉輪前加裝誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)，一般至少可以降低0.5 m的汽蝕余量，很多可以降低1 m以上。某些標(biāo)準(zhǔn)（如API標(biāo)準(zhǔn)）中不建議使用誘導(dǎo)輪，但實(shí)際應(yīng)用中有大量帶誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)的泵運(yùn)行狀態(tài)良好，尤其本文介紹的誘導(dǎo)輪重量輕，制作簡(jiǎn)單，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的不利影響較小，而且設(shè)計(jì)制作的難度較小。但是要注意誘導(dǎo)輪外徑與管壁內(nèi)徑的間隙要合理，如果間隙較小則有摩擦的風(fēng)險(xiǎn)，如果間隙較大則性能不佳，一般推薦間隙為（0.005～0.01）D1[3]。一般認(rèn)為間隙在一定區(qū)間內(nèi)對(duì)性能影響不大，根據(jù)筆者的試驗(yàn)，在測(cè)量精度較高時(shí)還是能測(cè)試出間隙增大后抗汽蝕性能有一定的下降，而且一般不宜減小誘導(dǎo)輪外徑，而應(yīng)該通過(guò)增加泵入口管徑的方式增加間隙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪間隙通常在0.75～1.5 mm之間。

6" " 結(jié)論

本次實(shí)踐驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方法同樣適用于屏蔽泵，設(shè)計(jì)中需特殊考慮循環(huán)液流量和間隙泄漏的影響。只裝誘導(dǎo)輪形成的軸流葉片式屏蔽泵結(jié)構(gòu)是可以滿(mǎn)足高比轉(zhuǎn)速的特殊工況的，具有汽蝕余量低、體積小、重量輕、制作便捷等優(yōu)點(diǎn)，最優(yōu)汽蝕余量可達(dá)0.45 m。本次實(shí)踐也驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪葉片拉伸成型的平面圖尺寸公式，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際確認(rèn)了留3 mm工藝余量是適宜的。最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦了常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪與管壁的最小間隙范圍為0.75～1.5 mm。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 汪細(xì)權(quán).液化氣屏蔽泵流量限定及配管要求[J].水泵技術(shù)，2000（3）：24-26.

[2] 沈陽(yáng)水泵研究所，中國(guó)農(nóng)業(yè)化機(jī)械研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[3] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011.

[4] 潘中永，袁壽其.泵空化基礎(chǔ)[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版社，2013.

收稿日期：2024-07-03

作者簡(jiǎn)介：陳智達(dá)（1982—），男，吉林長(zhǎng)春人，機(jī)電工程師，合肥新滬屏蔽泵有限公司研發(fā)部副部長(zhǎng)，從事屏蔽泵研發(fā)工作。