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做座离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计

发布时间:2021-10-09 05:33:06 阅读: 来源:增压泵厂家

离心泵兼顾效率和汽蚀性能的理论分析与设计

摘要:从泵效率和抗汽蚀性能两者互为兼顾的观点出发,分析了离心泵叶轮几何参数与泵效率、汽蚀性能之间的定性关系。结合设计经验和实例,提出了叶轮主要几何参数的取值范围。

关键词:离心泵;叶轮设计;效率;汽蚀性能

离心泵的设计理论和经验表明,要使离心泵获得高效率,必须在一定程度上以降低汽蚀性能为代价;反之,要获得高汽蚀性能,也必须以降低泵的效率为代价。要使泵兼顾高效率和高汽蚀性能,必须在设计上对传统方法有所突破。下面结合试验研究,对离心泵如何兼顾高效和高汽蚀性能进行理论分析和设计探讨。

1 追求高效率的设计理论和设计参数的选择

离心泵的设计理论认为,泵损失可分为机械损失、容积损失和水力损失三大部分。机械损失主要是轴承摩擦损失和密封摩擦损失,在泵损失中所占比例较小,可视为常数,在本文中不作讨论。因此,可以认为,追求高效率的设计就是要最大限度地降低容积损失和水力损失。

1.1 容积损失分析与设计参数的选择

图1 容积损失示意图

离心泵的容积损失主要是叶轮与泵体密封环间隙泄漏损失(图1)。根据水力学理论,流经密封环间隙的泄漏q可表达为:(1)

式中 δ――密封环间隙的宽度(m);

D0――叶轮进口直径(m);

B――叶轮进口环壁厚(m);

ψ――密封环间隙圆角系数;

λ――密封环间隙摩擦系数;

l― ―密封环间隙长度(m);

b――叶轮叶片宽度(m);

ΔH――密封环间隙两端水头差(m)。

其中B、δ 由于泵零件加工工艺、装配、泵转子轴刚度等条件的限制,设计选择自由度很小,一般设计中可视为定量。此外,λ、ψ是与密封环间隙形状、几何尺寸有关的损失系数,在此视作常数。而对于给定的泵设计参数,Δ H亦可认为是常数,一般ΔH≈0.8H(H为设计扬程)。因此,从式(1)可看出,要使容积损失最小,就要在设计中选择尽可能小的 D0。

1.2 水力损失分析与设计参数的选择

对于设计工况而言,水力损失主要由叶轮、圆盘摩擦损失Δ hyf,叶轮流道摩擦损失Δhef,叶轮流道扩散损失Δhk组成。据文献[2],有下列各种计算公式 (有关尺寸见图2):

图2 泵尺寸示意图

(2)

(3)

(4)

(5)

式中 Kyf――圆盘摩擦损失修正系数;

g――重力加速度(m/s2);

ω――叶轮旋转角速度(r/s);

D2――叶轮外径(m);

Kef―― 流道水力摩擦损失系数;

ξ――沿程阻力系数;

R――叶轮流道模拟圆管水力半径(m);

β 2――叶片出口角(°);

Km2― ―叶轮出口轴面速度系数;

H――设计扬程(m);

Z――叶片数;

D1――叶片进口边平均直径(m);

Kk――叶轮流道扩散损失修正系数;

b2――叶轮叶片出口宽度(m);

b1――叶轮叶片进口宽度(m);

Vm2――叶轮出口轴面速度(m/s)。

从式(2)、(3)、(4)、 (5)可以看出,圆盘摩擦损失与叶轮外径D2的5次方成正比,叶轮流道摩擦损失和叶轮流道扩散损失均与叶轮外径D2、叶片数Z的一次方成正比,与叶轮出口轴面速度的2次方成正比,与叶片出口角β 2的正弦平方成反比。根据泵的设计理论,当选取较大的叶片出口角β2和叶片出口宽度b2时,泵的扬程将会提高,从而可减小叶轮外径D2,这样可使圆盘摩擦损失 Δhyf、叶轮流道摩擦损失Δhef、叶轮流道扩散损失Δhk同时减少,对提高泵效率很有效。而选取较少叶片数Z,虽然可使Δhef和Δ hk减少,但由于叶片数少,扬程将降低,若保持扬程不变,必须增大D2,从而增加Δhyf。因此,对叶片数的选择要全面分析考虑。

2 追求高汽蚀性能设计理论及设计参数选择

泵的汽蚀基本方程为:(6)

(7)

式中 NPSHr泵必须汽蚀余量,它表示从泵进口处到最低压力点间液体流动过程中的压力降(NPSHr越小,表明泵的汽蚀性能越好);

λ1与叶轮入口几何形状有关的经验系数;

λ2液流流过叶片头部引起的压力下降经验系数;

V0叶轮入口平均流速;

W1叶片入口相对速度;

Q泵流量;

ηV容积效率;

其余符号意义同前。

当加大 D0时,显然V0下降和桌面为不规则形状时的桌面水平耐久性实验方法,NPSHr数值变小,对改善泵汽蚀性能有好处。

另外,从叶片进口速度三角形可以看出(图3),当叶片进口轴面速度降低时,叶片前盖板处相对速度成比例下降。故选用较大的叶轮进口直径可以提高泵的汽蚀性能。

图3 叶片进口速度三角形

同样,当减少叶片数时,可以降低叶片进口处叶片对液流的排挤作用,提高过流量,或者说相同流量下降低了 V0和W1的数值,对提高泵汽蚀性能显然有利。

叶轮进口宽度b1和前盖板的曲率半径 r1(见图2)对汽蚀性能亦有影响。增大 b1可增大过流面积,降低进口处液流绝对速度和相对速度,即降低了NPSHr值。前盖板曲率半径r1过小将使液流进入叶轮后速度很快增大,造成脱流,而较大的r1可减弱前盖处液流转弯处流速的变化,使流速均匀平稳,改善汽蚀性能。在实际设计中,r1的取值可按式(8)选取:

r1=0.125D2 (8)

3 兼顾高效高汽蚀性能时设计参数的选择

根据前面所述,当β 2、b2变化时,显然仅对效率产生影响。当 Z变化时,对效率和汽蚀性能有共同增加或降低的影响。当D0 变化时,对效率和汽蚀性能的影响是:效率增加则汽蚀性能下降,效率下降时则汽蚀性能提高。这是一个定性的问题,在具体设计中应怎样进行选择,才能兼顾取得高效和高汽蚀性能,笔者根据设计经验认为,对于单级离心泵,对Z、 β2、D0、b2的选择按以下推荐值可以获得高效汽3、微机控制材料实验机的动力系统机电也叫马达蚀性能:

Z=4~5片;

β2=28°~35°,低比转速取大值,高比转速取小值;

b2=(1.3~1.6),低比转速取较大系数,高比转速取较小系数;

D0=(1.1~1.3)低比转速取较小系数,高比转速取较大系数。

其中、分别为常规设计中叶轮的出口宽度和进口直径。

4 设计实例

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表1中列举了应用上述分析及设计方法设计的几种比转速离心泵的β2、b2 、D0、Z几个几何参数值及试验数据,括号内数值分别为相同流量、扬程和比转速下GB/T中的效率值和高端产品大量进口GB/T (JB/T6663.)中的汽蚀余量值。表1 几何参数及试验性能数据

5 结语

理论分析和设计实例证明,与常规设计相比较,在叶轮几何参数的选择问题上,取较大的D0、β 2、b2、b1、 r1和较小叶片数Z可取得高效高汽蚀性能的效果。

作者单位:湖南省农业机械研究所 长沙市 410004

参考文献

1 《离心泵设计基础》编写组.离心泵设计基础.北京:机械工业出版社,1974

2 金树德.现代水泵设计方法.北京:兵器工业出版社,1993

3 关醒凡.现代泵技术手册.北京:宇航出版社, 1995

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