專利名稱：可調(diào)揚(yáng)程離心泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)揚(yáng)程離心泵。
離心泵是一種通用機(jī)械，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有離心泵存在三個(gè)突出的問題一是其基礎(chǔ)理論很不完善，起不到應(yīng)有的理論指導(dǎo)作用。二是現(xiàn)行壓出室內(nèi)流體能量損失很大，使得離心泵效率不高。三是揚(yáng)程不能調(diào)節(jié)，由此造成的能源浪費(fèi)相當(dāng)可觀。
下面就對(duì)以上問題分別作詳細(xì)的闡述。
1.現(xiàn)行離心泵基礎(chǔ)理論及其存在問題現(xiàn)行離心泵理論，在無限多無限薄葉片的假設(shè)前提下，以歐拉渦輪方程為基礎(chǔ)(參見文獻(xiàn)[1])。由此所得離心泵H＝f(Q)方程為(參見文獻(xiàn)[2])H＝ (U22)/(g) - (U2)/(g) · (ctgβ2)/(F) (1)式中，H-離心泵單位重量流體能量(以下簡(jiǎn)稱流體能量，俗稱揚(yáng)程)U-葉輪圓周速度，β-葉片角，F(xiàn)-流道截面積，Q-流量，g-重力加速度，腳注2-表示葉輪出口端。
但是(1)式與試驗(yàn)曲線的誤差很大，各國學(xué)者們修正了百余年，至今仍然效果不大。
本發(fā)明人認(rèn)為，由于歷史的原因，歐拉渦輪方程缺一項(xiàng)二分之一科氏慣性力矩，因此做了修正(詳見文獻(xiàn)[3])。
更值得提出的是，葉輪機(jī)械應(yīng)分為兩大婁將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的葉輪機(jī)稱為渦輪，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體能的葉輪機(jī)稱為泵。流體在渦輪和泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有原則區(qū)別，無限多無限薄葉片的假設(shè)不符合泵實(shí)際情況，渦輪方程既或修正之后也不適用泵。
本發(fā)明人根據(jù)試驗(yàn)曲線，已推導(dǎo)出離心泵實(shí)用H＝f(Q)方程(詳見文獻(xiàn)[4])，其基本形式為H=V2c2g-K·(QF2-[W]eq)22g---(2)]]>式中，V2℃-葉輪出口端流體絕對(duì)速度的圓周(切向)分量;對(duì)確定的泵，在一定的轉(zhuǎn)速和介質(zhì)下，V2℃＝常量。
K-壓出室形狀系數(shù)，對(duì)確定的壓出室和介質(zhì)K＝常量。eq-決定零工況流體能量Ho的當(dāng)量旋渦速度;對(duì)確定的泵，在一定的轉(zhuǎn)速和介質(zhì)下，[W]eq＝常量。
分析計(jì)論離心泵性能曲線，能量損失等問題時(shí)，(2)式很有實(shí)用價(jià)值。
2.影響渦殼式離心泵效率的決定性因素。
我們以(2)式為基礎(chǔ)，討論影響具有渦殼式(或?qū)~式)壓出室離心泵效率的決定性因素。
為了簡(jiǎn)化問題，突出主要矛盾;假設(shè)離心泵零工況能量Ho等于最大能量Hmax。于是，(2)式變?yōu)镠= (V2℃2)/(g) -K· (Q2)/(2gF22) (3)
與經(jīng)轉(zhuǎn)化的Hylon Vll淀粉的摻混物更容易加工，如能在更低的注塑壓力甚至在更低的水含量下模塑表明的那樣。
表Ⅳ列出在相對(duì)濕度10%、50%和90%下通過調(diào)制得到的這兩種摻混物的物理性質(zhì)。
值得注意，在(8)式中，a表示零工況(q＝0)比軸功率。b表示q-ne直線的斜率。對(duì)不同的葉輪、轉(zhuǎn)速和介質(zhì)a、b取不同值。為與附圖2所示試驗(yàn)曲線做比較，在此取a＝0.2，b＝0.25。因此，將(8)式改寫為ne＝0.2+0.25q (9)4)離心泵比流量-效率方程離心泵效率為η=nne=(1-kq22)·q0.2+0.25q---(10)]]>應(yīng)該注意到，在(4)、(9)、(10)式中，除自變量和因變量之外，只有一個(gè)未知數(shù)K。因此，應(yīng)用(4)、(9)、(10)式，對(duì)應(yīng)不同K值，繪制離心原q-h、q-ne、q-η曲線如附

圖1。附圖2為說明渦室喉部面積影響離心泵性能的試驗(yàn)曲線(取之文獻(xiàn)[2])。
顯而易見，在附圖1、圖2中，相應(yīng)各曲線的形狀很相近。這表明，以上計(jì)算公式比較客觀的反映了流體在離心泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
至此可以看出，對(duì)確定的葉輪，在一定的轉(zhuǎn)速和介質(zhì)下，壓出室形狀系數(shù)K，決定最高效率工況比流量qη。K愈大，qη愈小;與此同時(shí)，壓出室內(nèi)流體能量損失亦愈大，最高效率ηmax就愈低。當(dāng)K從14變?yōu)?00時(shí)，ηmax從58%降為25%。反之亦然。
我們還可以進(jìn)一步計(jì)論，K愈大、qη愈小、ηmax就愈低的實(shí)質(zhì)又是什么？為此，將(3)式等式右端第二項(xiàng)改寫為K (Q2)/(2gF22) =ξ· ((K′VQ)2)/(2g) (11)式中，VQ= (Q)/(F2) -葉輪出口端平均流量速度。
K=ξ·(K′)2，其中ξ-稱為能量損失系數(shù)，與流道粗糙度和流體粘度等有關(guān);K′-稱為實(shí)際流速系數(shù)。
再將(10)式改寫為
于是，由(11)式可以知道，對(duì)確定的壓出室結(jié)構(gòu)、材料、工藝和介質(zhì)，ξ可視為不變量。因此，使K變大的唯一因素就是K′。
雙由(12)式可以知道，由于K很大，q-η曲線變得很陡，qη變?yōu)楹苄。?12)式中的分母就很大，ηmax必然很低。
故得結(jié)論，影響渦殼式離心泵效率的決定性因素是壓出室內(nèi)流體能損失，它是由壓出室內(nèi)流體高速流動(dòng)引起的。
推論，若能取消K值較大的現(xiàn)行壓出室，而采用K值很小的新型壓出室，那么必將大幅度地提高離心泵效率。
3.離心泵的分類及其能量調(diào)節(jié)問題按用途將離心泵分為輸送泵和噴射泵兩類。所謂輸送泵系指，該泵借助壓出室內(nèi)的流體能量，克服管網(wǎng)(吸入管路和吐出管路的簡(jiǎn)稱)阻力和幾何高度，將流體輸送到某一遠(yuǎn)處，或某一高處。用于農(nóng)田排灌、城市給排水、各類石化產(chǎn)品的輸送等大多數(shù)離心泵都屬于輸送泵。所謂噴射泵系指，該泵將壓出室內(nèi)的流體能量，主要以動(dòng)能的形式噴射出去。用于消防、高壓注水等離心泵都屬于噴射泵。
所有的離心泵都具有輸送功能，但離心泵是否具有噴射功能，取決于壓出室的形狀?，F(xiàn)有渦殼式(或?qū)~式)等壓出室都具有噴射功能，因此現(xiàn)有離心泵既可做為輸送泵，又可做為噴射泵。
壓出室具有噴射功能的顯著特點(diǎn)是，由壓出室輸出的流體能量不能調(diào)節(jié)。壓出室出口閥門一量開啟之后，壓出室內(nèi)單位重量流體能量，除損失部分之外，全部輸出。
大家知道，在離心泵的實(shí)際應(yīng)用中，管網(wǎng)的阻力不可能估算得很準(zhǔn)確。另外，管網(wǎng)本身有時(shí)也可能發(fā)生變化。因此，選用離心泵的原則是要滿足管網(wǎng)所需最大流體能量。
由于現(xiàn)有離心泵的輸出流體能量不能調(diào)節(jié)，所以很難避免出現(xiàn)如下情況離心泵輸入管網(wǎng)的流體能量H大于管網(wǎng)實(shí)際需要的流體能量H′。此時(shí)，離心泵流體功率中的△N＝(H-H′)rQ部分純屬浪費(fèi)。根據(jù)離心泵的應(yīng)用之廣泛，運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)之多，不難推測(cè)，由此造成的能源浪費(fèi)是相當(dāng)可觀的。
4.離心泵的能量損失離心泵的能量損失可分為四類一般機(jī)械摩擦損失、圓盤摩擦損失、容積損失和流體能損失。
前三項(xiàng)能量損失的概念與通常一樣。只不過，通常將一般機(jī)械摩擦損失和圓盤摩擦損失統(tǒng)稱機(jī)械摩擦損失。此處將它們分開是因?yàn)?，在可調(diào)揚(yáng)程離心泵的總能量損失中，圓盤摩擦損失所占的比例顯得很突出，有必要引起重視。
關(guān)于流體能損失，本發(fā)明人認(rèn)為，其最終表現(xiàn)形式為熱能。主要由流動(dòng)摩擦引起的，與流速的平方成正比。流動(dòng)包括沿程流動(dòng)和旋渦流動(dòng);前者以VQ＝ (Q)/(F) (F為流通截面積)來表示;后者在流通截面積發(fā)生突變、流速方向改變等情況下，流體與流體之間、流體與管壁之間碰撞而流速重新分布時(shí)出現(xiàn)。
離心泵內(nèi)流體-以清水為例，是不可壓縮的，流道管壁也可看做絕對(duì)剛性。因此，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，如果采取有效措施消除旋渦流動(dòng)，那么流體動(dòng)能可以完全轉(zhuǎn)化為壓力能-碰撞所產(chǎn)生的熱能忽略不計(jì)。
本發(fā)明的目的是提供一種可調(diào)揚(yáng)程離心泵，它能夠避免流體在壓出室內(nèi)高速流動(dòng)帶來的能量損失，且其揚(yáng)程可以調(diào)節(jié)，從而節(jié)約能量，提高效率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體解決方案是本發(fā)明的可調(diào)揚(yáng)程離心泵由壓出室1、葉輪2、密封環(huán)3、圓環(huán)吸入室4、骨架式橡膠軸封5、軸6和托架部件7等組成。其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是①Fi≥F2，其中Fi為壓出室的任意流道截面積，F(xiàn)2為葉輪出口端流道截面積，②壓出室內(nèi)布置適當(dāng)多的徑向葉片。
由于本發(fā)明將現(xiàn)有的渦殼式壓出室改為了葉輪式壓出室，使得流體進(jìn)入壓出室時(shí)，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，流體在壓出室內(nèi)僅做VQ＝Q/Fi(其中Q-流量，F(xiàn)i-壓出室的任意流道截面積)的沿程流動(dòng)，而不出現(xiàn)旋渦流動(dòng)和高速流動(dòng)，從而能夠大幅度提高效率，其最高效率可從目前的60-70%左右提高到85-90%以上。同時(shí)壓出室輸入管網(wǎng)的流體能量可以根據(jù)管網(wǎng)的實(shí)際需要通過壓出室出口閥門來調(diào)節(jié)，使得能源的利用率總是處在最合理狀態(tài)，此項(xiàng)能量節(jié)約帶來的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。
本發(fā)明的可調(diào)揚(yáng)程離心泵的關(guān)鍵兩個(gè)部件-葉輪和壓出室的水力設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，而且有一組設(shè)計(jì)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式(后面詳述)，在大量地減少，甚至勿需水力模型試驗(yàn)的情況，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。
圖1渦殼式壓出室形狀系數(shù)，影響離心泵性能的計(jì)算曲線。
圖2渦殼式壓出室喉部面積，影響離心泵性能的試驗(yàn)曲線。
圖3可調(diào)揚(yáng)程離心泵結(jié)構(gòu)圖。
其中1.壓出室 2.葉輪 3.密封環(huán) 4.圓環(huán)形吸入室 5.骨架式橡膠軸封 6.軸 7.托架部件圖4可調(diào)揚(yáng)程離心泵的估算性能曲線。
下面對(duì)本發(fā)明的可調(diào)揚(yáng)程離心泵的特性作進(jìn)一步詳細(xì)說明1.可調(diào)揚(yáng)程離心泵特性曲線我們將壓出室輸出最大流體能量的工況，稱為設(shè)計(jì)工況，其最高效率工況，稱為額定工況;輸出部分流體能量的工況，稱為調(diào)節(jié)工況。
(1)設(shè)計(jì)工況特性曲線a.流量-揚(yáng)程曲線可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算H=f(Q)=H吐+H吸= (U22)/(2g) =Hmax=常量 (13)式中，H吐、H吸-分別為吐出、吸入管路中的流體能量。
b.流量-軸功率曲線計(jì)算公式與(7)式相同，即Ne＝A+BQ (14)式中，A、B-對(duì)確定的泵，在一定的轉(zhuǎn)速，介質(zhì)和確定的工況下均為常數(shù)。
c.流量-效率曲線η＝ (HrQ)/(102Ne) ＝ (HrQ)/(102(A+BQ)) (15)式中各參數(shù)計(jì)算單位為，H-m，r-kg/m3，Q-m3/s，Ne-kw。
(2)調(diào)節(jié)工況特性曲線a.流量-揚(yáng)程曲線H′＝f(Q)＝H′吐+H′吸＝(Hmax-H′吸)(Fx/F2)2+H′吸(16)式中，F(xiàn)x-壓出室出口閥開啟面積。
b.流量-軸功率曲線Ne′＝A+B′Q (17)式中，B′＝常量，但注意B′不等于設(shè)計(jì)工況B。
c.流量-效率曲線η＝ (H′rQ)/(102(A+B′-Q)) (18)以上各特性曲線如附圖4所示。實(shí)線為設(shè)計(jì)工況，虛線為調(diào)節(jié)工況。
很容易看出，Q-η，Q-η′曲線無極值，送表明，同樣的H或H′下，Q愈大，ηmax(η′max)愈高;或者說，比轉(zhuǎn)數(shù)愈高，效率愈高。
在調(diào)節(jié)工況，H′減小，Q可增加。但是，當(dāng)H′過分減小時(shí)，由于增加Q受到汽蝕條件、管網(wǎng)中的流速不宜過高等限制，從而原動(dòng)機(jī)功率不能充分發(fā)揮，效率將下降。
2.可調(diào)揚(yáng)程離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)現(xiàn)有理論當(dāng)中離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)只能以性能參數(shù)來計(jì)算?？烧{(diào)揚(yáng)程離心泵比轉(zhuǎn)數(shù)不僅能用性能參數(shù)來計(jì)算，而且也能用設(shè)計(jì)參數(shù)和能耗參數(shù)來計(jì)算，方法如下(1)以性能參數(shù)表示的比轉(zhuǎn)數(shù)與通常一樣(參見文獻(xiàn)[2])ns=3.65·n·QH3/4---(19)]]>計(jì)算單位，n-rpm，Q-m3/s，H-m。
(2)以設(shè)計(jì)參數(shù)表示的比轉(zhuǎn)數(shù)(額定工況)ns＝1151.26√入b (20)式中，入＝ (Q)/(F2U2) -流量速度系數(shù)b＝ (B′)/(D2) -葉輪出口端流道寬度系數(shù)。
其中，B′為葉輪出口端流道當(dāng)量寬度，用下式表示，B′＝B(1- (S)/(πD2) ) (21)其中，B為葉輪出口端流道寬度，S為由于葉片厚度、或堵塞部分流道而引起的無效葉輪圓周長度。
很明顯，(10)式表明，只要b.入不變，那么比轉(zhuǎn)數(shù)，對(duì)任意的D2、n都不變。
(3)以能耗參數(shù)表示的比轉(zhuǎn)數(shù)(額定工況)ηs=27.25ηmaxf---(22)]]>式中，ηmax-額定工況效率。
f＝ (△Nf)/(Ne) -圓盤摩擦損失系數(shù)。其中△Nf為圓盤摩擦損失功率，可按下式估算(參見文獻(xiàn)[2])，△Nf＝0.126×10-9·rn3D52(23)對(duì)清水泵用下式估算，△Nf＝0.126×10-6n3D52(24)f對(duì)ηmax的影響按下式估算，f＝(1-ηmax)·ψ (25)其中，ψ＝0.2～0.9，對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)泵取大值。
(22)式清楚地表明，可調(diào)揚(yáng)程離心泵效率與圓盤摩擦系數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)密切相關(guān)。我們希望ηmax愈高愈好，但提高ηmax，必須減小f，增加ηS。因此，提出合理選取比轉(zhuǎn)數(shù)問題。例如，某一臺(tái)中比轉(zhuǎn)數(shù)可調(diào)揚(yáng)程離心泵，欲達(dá)ηmax＝0.87，相應(yīng)的f＝(1-0.87)×0.4＝0.052，將以上代入(22)式得合理比轉(zhuǎn)數(shù)為ηs＝110。
3.有關(guān)可調(diào)揚(yáng)程離心泵的使用問題(1)可調(diào)揚(yáng)程離心泵對(duì)吐出管路流道截面積有特殊要求。如果泵在某一確定的工況下工作，相應(yīng)的壓出室出口閥開啟面積為Fx，此處流速為Vx＝Q/Fx;那么吐出主管道任意處流通截面積Fgi，必須滿足該處流速Vgi(＝Q/Fgi)≤Vx;支管道任意處流道截面積F′gi，必須滿足該處流速V′gi(＝Q′/F′gi)≤Vx。
(2)離心泵壓出室的噴射功能與可調(diào)揚(yáng)程功能是對(duì)立的，得此失彼，二者不能兼有。因此，可調(diào)揚(yáng)程離心泵沒有噴射功能，只能做為輸送泵。
但是，如果可調(diào)揚(yáng)程離心泵之后加一級(jí)通常的導(dǎo)葉式離心泵，那么這種組合式多級(jí)泵就具有噴射功能。
實(shí)施例按附圖3所示的結(jié)構(gòu)方案，本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，其葉輪葉片為徑向直葉片，即葉輪葉片進(jìn)出口角均為90°，其它參數(shù)選用如下葉輪直徑D2＝0.16m，葉片數(shù)Z＝8，葉輪出口端流道寬度系數(shù)b＝0.056，流量速度系數(shù)入＝0.146，泵吐出口徑＝吸入口徑＝0.08m(3″)電機(jī)功率Ne＝5.5kw，轉(zhuǎn)速n＝2900rpm則相應(yīng)的性能參數(shù)為H＝30m，Q＝0.0159m3/s＝57m3/h ηmax＝0.85 ns＝104參考文獻(xiàn)(1).理論力學(xué)教程，下冊(cè)第一分冊(cè)
洛強(qiáng)斯基著，人民教育出版社1962年。
(2).離心泵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，離心泵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)編寫組編，機(jī)械工業(yè)出版社，1974年。
(3).“試論歐拉渦輪方程誤差很大的原因”，賴軒明，中國工程熱物理學(xué)會(huì)92年年會(huì)論文集，第六分冊(cè)(流體機(jī)械)。
(4)“探索離心泵實(shí)用H＝f(Q)方程”，賴軒明，《林業(yè)機(jī)械》1987年第4期。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)揚(yáng)程離心泵，由壓出室1、葉輪2、密封環(huán)3、圓環(huán)形吸入室4、骨架式橡膠軸封5、軸6和托架部件7等組成，其特征在于1)Fi≥F2，其中Fi為壓出室的任意流道截面積，F(xiàn)2為葉輪出口端流道截面積。2)壓出室內(nèi)布置適當(dāng)多的徑向葉片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)楊程離心泵，其特征在于壓出室的徑向葉片為徑向直葉片。
全文摘要
一種可調(diào)揚(yáng)程離心泵，由壓出室1、葉輪2、密封環(huán)3、圓環(huán)形吸入室4、骨架式橡膠軸封5、軸6和托架部件7等組成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是①Fi≥F
文檔編號(hào)F04D1/04GK1089333SQ93107368
公開日1994年7月13日 申請(qǐng)日期1993年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月25日
發(fā)明者賴軒明 申請(qǐng)人:賴軒明