离心泵蜗壳结构参数对泵性能的影响.pdf

(至)，2 f，钐 离心泵蜗壳结构参数对泵性能的影响 郭自 杰任 景思睿 丁一 弓 J I 3 _。-_-一。_ _-_ _ _ 一(西安交大流体力学教研室)摘要：用试 验研 究了 改变 I S，0 3 2 1 2 5 离心泵 蜗壳截 面 的形状，大小 以及 蜗壳 隔舌 的 间 隙 大小 等 结构参数耐泵性能的影响本项研究结果有助于低比转数中小型离心泵的设计与改进 主 题 词：塑 墨 鱼 踅 究 够 蜗壳截面形状对泵性能的影响 蜗壳是按 自由流动 的规律设计 的蜗壳 截 面形状有矩形、梨形、梯形和圆形 等(图 1)。在这些截 面中，从 结构 和制 造来 看矩形 的最简 单，但矩 形蜗壳径 向尺寸较 大；梨形的则 刚好相 反；梯形的介于这两者之间关于蜗壳截面结构 形状对离心泵水力性 能 的影 响，作 者对矩 形 和 梨形截面的蜗壳进行 了对 比试验试验中采用 同一叶轮，保持蜗壳截面积、进 口宽度 b 基圆 直径 D，和蜗壳外壁径 向尺寸 咫 不变。试 验获 得的设计点参数与最高效率列于表 1。由表 1 看 出，矩形截 面泵 的设 计点效 事 比梨 形 截 面泵 3 2 囤 l 蜗壳截 面 形状(1 j 梯形 2)圆形；(3 j 梨形；(4 J 矩形 水 泵技 术 l 9 9 3 i 的效率 低 n 8，但最 高效率 又 比梨 形截 面的泵高 1 2 以上对 比试验说明，对低 比转 数的中小型泵来说，采用矩形或梨形蜗壳截面 形状对泵的水力性能影响不犬。文献 1 也指 出蜗壳截面形状对流动的影响不太大，因此采 用何种截面形状的蜗壳，可 根 据泵 的 结构 和制 造上的方便 来考虑 表 l 矩 形与梨 形蜗 壳截 面泵 的性 能 比较 参 数 设 计 点 m u 蜗壳 Q H 截面形状(m3 h)I m)()【)矩形 I 2 2 7 6 62 6&2 梨形 l 2 7 2 6 6 7 6 7 2 隔舌间隙对泵性能的影响 蜗壳 隔舌 与叶轮外 径之问的间隙尺寸对 泵 的设计 比较重要。离心 泵叶片数较少，因此叶 片载荷较 大，叶轮 出 口处液 流 周 向的 不均匀 性 严重 如选取 的隔 舌 间隙太 小，则可 能 在 隔舌 处发 生汽蚀，使 泵 的效率 降低 并伴 随着 噪声 和振 动增 大；如适 当增大隔舌间隙，可使 叶轮周 向液流的不均匀性 减弱，降低泵的噪声和振动，并使泵的效率有所提高；但过份地增 大隔舌间 隙，除 了增大泵壳的径 向尺寸外，在 间隙处会 出 现 旋转 的液流环，并消耗一定的 能量，使 泵的效 一1 9 C=(=维普资讯 表 2 隔舌间隙对泵性能的影响 设 计 点 最 高效 率点 D Q Q H()(h (m)()(m h：(m)()n4 1 2 8 l 2 0 4 8 6 3 4 1 5 3 7 1 9 1 3 6 5 4 t 6 1 2 9 7 2 O 8 3 6 5 3 1 5 5 6 l 9 5 3 6 5 4 44 1 2 6 5 2 O 7 6 6 2 1 5 6 6 1 9 4 6 6 8 2 下 降。作者 在 I S 5 0 3 1 1 2 5 离 心泵 上进 行 了 隔舌 间隙对泵性 能 的对 比试验。试验采用 同一 叶轮，在 保证 蜗壳 截 面大小 与形状、流 动角，不变的情况下，设计了蜗壳隔舌相对间隙 D：分 别 为 0 4、1 6 和 4 4 三种 不 同 间 隙蜗 壳，井 进行 了对 比试 验，其性能列于表 2。从表 2中看 出，隔舌相对 间隙 6 D 2=4 4 时，泵的 设计 点效率和最高 效率都 最高；隔舌 相对 间隙 减至 D 2=0 4 时，泵 的设 计点效 率和 最 高 效率分别 下 降 2 8。试 验证 明对低 比转数的 中小型泵，隔舌相对间隙 D =1 6 4,4 之间，即 D 3：D L 0 3 1 0 9)之间可获得较高 的效 率，而且在该范 围内选取较大的 隔舌 间隙，泵的效率较高。此试验结果与文献 2 给出的 选取范围 D，=D 1 0 3、一1 0 5)相比较，所不同 的是 试验证 明 D 还可以选 取更 大的值，直至取 D，1 0 9 D：仍能 获得 较 高 的 效率 分 析 其 原 因，这可能是 由于 近 十年来 普通 离心 泵 的设 计(如I S和I B ，都选 用较 大的叶片出 口角 率试验用泵 的叶片 出口角=3 5。较大的叶 片 出口角会 使叶轮 出 口绝对 速度增 大，因此选 用较大 的隔舌间 隙时，还不致于 在 隔舌 间隙处 出现旋转的液流环，却 能使 叶 轮 四周液 流的不 均匀性(冲击隔舌)减弱，使泵获得较高的效率。F F 囤 2 喉都截 面F 及 隔舌 长度 变化 位置 扬程却主要取 决于 蜗 壳 中的水 力 损失，增太 蜗 壳喉部 面积，流量 增大时水力损 失相对较小，可 使泵的最高效率点偏 向 大流量，同时扬 程 曲线 趋于平坦；减小蜗壳喉部面积，在减 小流量 时水 力损失较小，使泵的最高效率点偏 向小流量，同 时使扬程曲线趋于陡峭。因此改变蜗壳 的喉部 面积可 以改变扬程曲线的形状 和最高效率点 的 位置。而且用改变喉部面积 来改 变泵 的性能，要 比用改变 叶轮结构 参数 来改变泵 的性能更敏 感 些 作者在轴面投影图上分别把蜗壳 宽度 b 加宽和切割隔舌长度 来 改变 蜗 壳 喉部 面积，在 此 基础上 进行 了对 比试 验。表 3为在 轴 面 投 影 图上 把蜗 壳 宽度 b 加宽 前后 的试 验 性 能。试验是在剖分式特殊结构的矩形截面的蜗壳上 进行 的。原蜗壳宽度 b 3=1 8 mn 1 喉部 面积，=3 6 0 r fl m2。对 比 蜗 壳 是 在 原 蜗 壳 的 剖 分 面上夹 了一块 厚 3 r n m 的塑 料板，井 把 塑 料板 的中心部分加工成 与原蜗壳型线 一致 的形 状。对 比 蜗 壳 的 宽 度 b ：2 1 r n r n，蜗 壳 喉 部 面 积 3 蜗壳喉部面积对泵性能的影响 表3 加 宽 蜗 壳 宽 度 对 泵性 能 的 影 响 叶轮的出 口面积与蜗壳的喉部面积之 比是 决定 泵性能的重要因素，所谓喉部面积 如 图 2 所示，同一 叶轮在 蜗壳喉部 截而积不 同的泵壳 巾运行时，泵 的理 论扬程 曲线 的形状仅 取决于 叶轮，而与泵 壳无关。但最佳流量范围内的实际 一2 O 一 设 计 点 最 高效 率 点 F-6】Q H Q (r r a n )(ta r a)【h：(m)()(mV h)m】()3 6 0 1 8 r 1 2 43 2 3 75 66 H 59 23 O8 69 I 4 1 4 2 1 1 2 7 2 2 3 1 4 6 2 2 1 5 9 5 2 2 O1 6 6 3 水 泵技 术 1 9 9 3 1 维普资讯 F=4 1 4 mm=,比原蜗壳喉部面积增大 了 1 7 通 过 比较 可以看 出，蜗壳 流道截 面 过分 地 增大 了 1 7 ，使 泵 的设计 点效 率和 最 高效 率 分别 下降了 3 和 2 8，并 使最 高效 率点 向 大流量偏移 了8、5。实 际上加 宽蜗 壳轴面投影 匿的宽度，不仅使蜗壳截而和喉部面积增大，使 泵的效率下降，而且 过大 的蜗壳进 口宽度 b 使 自叶轮 出口的液流并不完全充满蜗壳进 口的空 问，于是在该处会产生 旋 涡区并 带来 较大 的损 失。另外，蜗壳宽度 增加会 使 蜗壳 内液 流的流 动角 减小，又增 加 了流 动损失，同样 会 使泵 的效率下降。改变蜗壳隔舌长度 可以改变蜗壳的喉 部面 积。切割隔舌长度 会 使 喉部 面积增 大，且 泵的 最高 效率 点向大流 量 方 向移动；延长 隔舌 长度 会使喉部面积减小，泵 的最 高效 率点 向小 流量 方向移动，且泵的效 率有所 下 降。因 为泵 壳的 喉部 面积是很 敏感 的，如果泵 壳和 叶轮 是最 佳 的匹 配，无论哪种 原 因使泵壳 的 喉部面 积 增大 或 减小 均会 引起 效率 下 降。表 4是切 割 蜗 壳 隔舌长度前后的试验性能。从 表 4看 出，切割蜗 壳隔舌使 喉部 面积增大 8 1，切割后的泵设 计 点效率和最 高效率 均有 所 下降，且 最 高效 率点 偏 向大 流量。裹 4 切割 隔舌 长度对 蔡性能 的影 响 设 计 点 最 高效 率 点 Q H Q H 。(m h】(m)(】(m h】(m】()切割隔舌前 1 2 7 9 加 7 2 6 5 I l 4 2 8 2 0 1 6 6 7 切割隔舌后 l 2 4 1 2 0 7 l 6 4 5 I 5 I 3 I 9 4 l 6 6 4 4 蜗壳进 口导 流板 对泵性能 的影晌 离心泵在设 计 工况 运行 时，叶轮前 吸人 管 中的周 向分 速度 C u的 分布 比较 均匀，其大 小 近 似等于 零。因此 在设 计 泵 时假 定 Cu =0，即液流进入叶轮的绝对速度 的方向角 ：9 O。当泵 在偏 离设 计工 况运行 时，流 量的变化会 使 水 泵技 术 1 9 9 3 1 圆锥形吸人室 中形成 自由预 旋】。自 由预 旋 使 吸人 管 的周 向分 速度 Cu分布 不 均匀，在 管 中心处仍接近或等于零。髓着吸人管半径 的增 大，周 向速 度 Cu也增 大，在 管壁处 达 到最 大。自由预旋使离心泵基本 方程式 中的“，C u 项 不等于零，因此使泵的扬 程降低。实际上，无论 设计工 况或非设计 工 况，由于泵 的结 构 或设 计 的 原因，或 多或少总会 引起 一些预旋(包括强制 或 自由预旋)，并 影响 着泵 的性 能。因此 在I S 泵的设计 中普遍采用 了加进 口导流 板 的结 构，目的是 为 了消除预 旋。作 者 在 I S 5 03 21 2 5 离心泵上作 了有无导流板 的对 比试 验 导流板 是沿流动方 向长为6 0 mm、高与 吸人 管半 径相 同为2 5 mm，厚 为 5 ram 的一块 钢板，并把 顶部 锉成 圆弧，流 动方 向 的两端 锉成 尖 角，如 图 3，焊接在一内径与吸人管相同的法兰上。再把其 安装在吸人管与泵壳进 口端 的两个 法 兰之问，并使其伸人 蜗壳 内的顶端 与 叶轮进 口端 面之 间的距离 为 4 mm。有无导 流板 的对 比试 验性 能列 于表 5。囤 3 导 流 板 示 意 围 表 5 有 无 导流板肘 泵 性能 的影 响 设 计 点 最 高效率 点、Q H Q H (n a ；h)(m)()(m h】(m J (1 无 导 流 板 I 2 43 2 3 7 5 6 6 l 4 5 9 2 3,3 8 6 9 1 有 导 流 板 L 2 l 2 4 4l 6 8 L 4 7I l 2 3 21 6 9 3 (下转第 4 3页)一2 1 维普资讯 一叶轮旋转角速度 一水 泵水 力效率 其他符号意义参见图 3。另外，因水泵出口水流速度的切 向分量 C 可用 下式表之。c c t 邸：(2 0)式 中r 2 一 叶轮半径 b一 叶轮 出口宽度 一叶轮 叶片排挤系数 口 2 一 叶轮叶片 出口角 另水泵流量 Q 又可 以叶轮 进 口诸 参 数表 示如 下 Q：(卜 d 2)2 (2 1)将式(2 1)代入式(2 0】并代人式(1 9)得 n=兰 垒 二【!二 !胁 叻一 c t 鹏 (2 2)因此，比速相等的两 台泵，其几何参数及部分性!二 ：(。一 i 罄 c tg 晟 )j =常数(2 3)能参数必满足(2 3)式 上式说明 了满 足 比速相 等 的两 台水 泵，其 几何参数(D D b d )和 性 能参 数(n、)等可有多种组合，由于国内外设计 思路不 同，导致上述各参数 不可 能一一对应，这 就决定 了两 台水泵 的不相 似 性，从而 引起 两 者 特性 的差异，如 出口叶片角 口：增加将 引起 扬程 特性 曲线上斜，弯 曲程度加 剧，并 出现 驼 峰；出 口宽 度 b减 少，则 扬 程 性 能 曲线 下 降，并 变 得愈来 愈陡等。此外压 出管 喉部 尺寸及蜗 壳等 对泵特性也有影响，因此 在利 用 不 同系列 泵特 性资料时，应充分注意两种 泵的差异 此外，需指 出的 是 同型式 不 同系 列的 水泵 间尚且存在较大的 特性差 异，则 不 同型式 的水 泵问则差异更太，因此，要获得完 整且 可靠 的垒 特性，必须对每一系列、每一 比速 的泵 进 行试 验，同时，对特性 的引用最好采用 同比速同系列 的资料，这样可提高水锤分 析结 果的精确性。参考文献 l 第一机 械工业 部 泵 共产 品样率机械工 业 出版 社 2 龚时宏，刘竹谖水泵全特性研究中几个问题柏探讨水 泵技术 1 98 9年第 二 期 3 B c 咄 n Do n s k y C o mp l e tP u mp C h a rac t e r i s t i c s a n d t h e E c t s o f S p e e d s o n Hy d m u|i T ran s i e n t s 1 h n s AS M E J o u rna l o f B a s i c E ng i n e e r i n g 1 9 6 1 1 2 (率 文编辑王 振华】(上接第 2 l 页)从表 5 可以看出 加了导流板以后使 泵的 设计 流量点 的扬程和效率 的相 对值 分别 提高 了 2 7 和 3 泵 的高 效区范 围 明显扩 大 了，从 效率 6 8 的范围看，没有 导 流板 的流 量和 扬 程 范 围 分 别 是 Q=1 3 3 8 1 5 1 8 m h，H=2 2 7 2 2 3 7 6 r a；有导流板的 Q=1 2 72 1 6 6 6 m H=2 1 5 6 2 4 4 1 m。根据 比较可 以看 出，在 叶轮进 口前 加消 除 预旋的导 流 板是 弥补泵设计 与安装 不 良，改 善泵 性能 的简 单而 又有效 的措施 之一。本文通过 对 比试验，研究 了改变 蜗壳 结 构 参数对 泵性 能的影响。至 于离心泵叶轮 的结 构 水 秉技 术 9 9 3 1 参数对泵性能的影 响请见 E 4 。泵的内部流动 的计算与测量则有待进一步研究 本工 作得 到了吴达人教 授的帮助谨此 表示 感谢。参考文献 1西 安交大 遗平压缩机教研室等 编离心式压缩机原理 1 9 7 3 2关 醒凡泵 的理 论与设 计机械 工业 出版社，1 9 8 7 3吴选嫡泵与风机西安交通大学出版杜，1 9 8 9 4郭 自杰等商心泵叶乾参数 对泵 性 能 的影 响水 聚 技 术1 991 3 t 率文编辑王振华)一4 3 维普资讯