第二节自吸离心泵_喷微灌技术及设备-QQ阅读男生玄幻网

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第二节　自吸离心泵

一、概述

自吸离心泵与离心泵的区别为：起动前，自吸离心泵首次起动时向泵体内要注入一定量的启动循环水；而离心泵每次启动时则需将进水管内及泵体内同时注满水，或者用辅助装置对进水管进行抽气。装置上，自吸离心泵在进水管下端只装滤网而无底阀；而离心泵在进水管下端必须装底阀或者在出口处配有抽气装置。运行时，同样性能参数的泵，一般自吸离心泵要比离心泵的效率低，汽蚀性能较差。

气液混合式自吸离心泵工作时必须完成三个过程：一是将叶轮内的气体往复带出叶轮；二是有效地进行气液分离；三是分离出来的水不断地返回到叶轮中去重新工作。

根据水和气体混合的部位不同，气液混合式自吸离心泵分为内混式和外混式。其中：气液分离室中的水回流到叶轮进口处，气体和水在叶轮进口处混合的称为内混式自吸离心泵；气液分离室中的水回流到泵叶轮出口处，气体和水在叶轮外缘处混合的称为外混式自吸离心泵。

图2-4　内混式自吸离心泵结构图

1—进水管；2—泵体；3—喷嘴；4—回流阀；5—储水室；6—叶轮；7—机械密封；8—轴承体；9—排气阀；10—出水管

（一）内混式自吸离心泵

内混式自吸离心泵由双层气液分离室泵体、叶轮、S形进水管、喷嘴、回流阀、排气阀、出水管等组成，如图2-4所示。泵起动后，泵体内的水通过回水流道射向叶轮进口，在叶轮内进行充分的气液混合，经压水室扩散管出口排到分离室进行气液分离，如此往复循环，直到把吸入管路内及泵体内的气体排尽，进入正常工作。这时，排气阀在水压作用下关闭，回流阀同样在进口低压和压水室高压压差作用下自动关闭，其工作原理如图2-5所示。

图2-5　内混式自吸离心泵工作原理图

1—回流阀；2—吸入室；3—压出室；4—逆流阀

（二）外混式自吸离心泵

图2-6　外混式自吸离心泵结构图

1—进水管；2—吸入阀；3—泵体；4—储水室；5—回流孔；6—叶轮；7—机械密封；8—轴承体；9—扩散管；10—出水管

图2-7　外混式回流阀自动关闭自吸离心泵结构图

1—进水管；2—叶轮；3—泵体；4—储水室；5—回流孔堵塞阀；6—回流孔；7—轴承体；8—机械密封；9—排气阀；10—出水管

外混式自吸离心泵的结构形式与内混式结构类似，由S形进水弯管、双层泵体等组成，如图2-6所示，外混式回流阀自动关闭自吸离心泵如图2-7所示。双层泵体的内层为压水室，内外体形成的空腔下部为储水室，上部为气液分离室，储水室下部有一孔（称回流孔）和压水室相通。压水室的扩散管有两种，短扩散管比普通离心泵的短，出口位于分离室的中部；长扩散管直达泵上部出口，这种扩散管要在侧壁上开回水口（内混式也有长扩散管），并在分离室顶部有排气阀。泵起动后，压水室的水经扩散管流入气液分离室进行气液分离，气体从排出管排出，气液分离室中的水回流到叶轮外缘，再进行气液混合，不断循环把吸入管路及泵体内的气体排尽，泵进入正常工作状态，其工作原理如图2-8所示。

图2-8　外混式自吸离心泵工作原理图

1—逆流阀；2—吸入室；3—压出室；4—外流道

二、自吸离心泵设计

（一）内混式自吸离心泵［1，2］

1.叶轮设计

（1）叶轮出口直径D2。内混式自吸离心泵泵体设有气液分离室及储水室、回流孔等复杂结构，泵水力损失比普通离心泵大，要达到相同的扬程，叶轮出口直径D2应在一般离心泵的设计基础上适当加大。叶轮出口直径D2的计算公式为：

（2）叶轮叶片出口宽度b2。叶轮叶片出口宽度b2计算公式为：

叶轮叶片出口宽度b2的确定除从性能要求考虑外，还应考虑制造的工艺性，尤其对于小流量、低比转数泵可适当加大b2值。对ns＝40～80之间的泵可用下式计算。

如泵的流量小，按常规计算的叶片出口宽度只有2～3mm，在铸造工艺上难于实现。因此，可以采用加大b2的设计方法，堵塞部分叶轮流道面积，加宽叶片出口宽度，解决铸造工艺问题。

（3）叶片出口安放角β2。对于低比转数叶轮，出口安放角可取较大值，一般取β2为30°～40°。设计时加大b2和β2，在满足泵性能的情况下使叶轮外径减小，同时减小了圆盘摩擦损失，对缩短自吸时间是有利的，这是因为增强了对循环水的扰动强度，有利于快速气液混合及分离。

（4）叶片数Z。叶片数Z一般取5～7片。

2.泵体设计

（1）压水室基圆直径D3。内混式自吸离心泵压水室基圆直径D3计算公式为：

（2）压水室的最大截面面积F8。先按离心泵计算，然后再加大20%～30%进行设计，对减少自吸时间有利。其他截面面积计算公式为：

截面形状可参考离心泵压水室截面确定。对于流量较小的泵可采用矩形截面，工艺性好，对性能没有明显影响。

（3）隔舌安放角φ0的位置。泵在正常工作时，隔舌与叶轮是把从叶轮进入压水室中的水分开；在自吸过程中，隔舌是把由叶轮搅拌的混合气液分开，使之进入气液分离室。隔舌的位置可根据扩散管布置的情况而定，一般取隔舌与F8截面所夹的圆心角φ0为10°～30°。

隔舌与叶轮外缘的单边间隙一般在0.5～1mm之间。因此，隔舌是一个一端切于压水室螺旋线，另一端交于直径为D2＋（1～2）mm圆上的一个短弧，隔舌的位置如图2-9所示。

图2-9　隔舌位置及扩散管形状

（4）扩散管。扩散管有短扩散管和开有回流孔的长扩散管两种。短扩散管的扩散角一般取大于12°，扩散管出口到泵出口的距离为扩散管出口直径的2～3倍，叶轮圆周速度对于大泵取大值。扩散管出口倾斜布置，倾角α＝15°～25°，既能使水有效地循环，又不会使泵效率下降很多。

在长扩散管上开有一个回流孔，如图2-9所示。回水口面积一般不小于泵的出口面积，上回流孔可为四边形窗口，开在叶轮旋转方向的一侧或向着泵的进口方向扩展，上回水孔下缘一般不低于泵的进口下缘。上回水孔设计合理与否将直接影响自吸性能和泵的效率，如图2-10所示。

（5）储水室和气液分离室。内混式自吸离心泵泵体为双层泵体，泵体一般设计为长方形。两层泵壳间的空间体积是储水室和气液分离室。储水室的容积可取泵设计流量的2/3～1/2，流量小时取大值。储水面一般在泵的进口下缘，实际水面距下回水阀入口的距离一般应在160～230mm左右，流量大的泵距离取大值。距离过小，气液分离慢（产生气体回流），影响泵的自吸性能。储水室上部空腔作为气液分离室，一般气液分离室的容积与储水室容积相近。在气液分离室上方设一个排气阀孔。

图2-10　回流孔及短扩散管位置

3.回流阀

内混式自吸离心泵在完成自吸后进入正常工作时，回流孔自动关闭（堵塞），否则泄漏损失比较大。回流阀可以设计成碗式橡胶阀或橡胶钢球阀等。回流阀在自吸过程中，由于回水流道两侧压差小，回流阀是开启的；进入正常工作后，回水流道两侧压差增大，由于压差作用将回流阀自动关闭。回流阀的大小、弹性比要与储水室回流的压力、阀座的距离相匹配，否则回流阀是不会自动关闭的，所以回流阀的设计是非常重要的。

内混式自吸离心泵的回流阀，不论是碗式橡胶阀、橡胶钢球阀或是其他类型的回流阀都应确保关闭后的密封性，否则对泵的效率会产生不同程度的影响。

回流孔的过流能力与自吸性能密切相关，因此，回流孔当量直径的大小十分重要。回流孔的最小截面当量直径d计算公式为：

回流孔位置一般布置在泵的下方压水室的侧面，从隔舌起沿大断面向小断面方向转115°～160°之间，其中心角位置如图2-10所示。回流孔中心对隔舌的位置角θK的计算公式为：

4.排气阀

排气阀是橡胶钢球自动关闭式阀，内混式自吸离心泵与外混式自吸离心泵可相互通用，个别泵也有采用人工控制旋塞式阀。阀体内径为球径的1.2～1.4倍，泵流量大的取大值，阀体内腔高可取球径的70%左右。在关闭排气口时，阀体与球的接触面应能很好贴合并不伤害球的表面。

（二）外混式自吸离心泵［1，2］

1.叶轮设计

外混式自吸离心泵与离心泵比较，存在回流损失，因此水力效率较低。叶轮可按离心泵设计后，采用经验系数加以修正。

（1）叶轮出口直径D2。外混式自吸离心泵叶轮出口直径D2的公式与式（2-1）相同，叶轮出口直径修正系数K一般取1.01～1.05。

对于已经确定了的叶轮，自吸时间与泵的转速有关。泵在自吸过程中转速低则自吸时间长，转速高则自吸时间短。自吸时间与叶轮对回流水扰动的强度、叶轮进口形成的真空度有关，转速过高会因叶轮进口压力降到汽化压力时，泵发生汽蚀而不能实现自吸。自吸时间与转速的特性关系并不能简单地认为可以用提高叶轮出口圆周速度u2来提高泵的自吸性能。叶轮出口圆周速度u2＝πDn/60，为了使泵水力损失最小，可推导出圆周速度u2由此可以看出，u2是受设计参数H、n、ηh和结构参数β2等条件所制约，并不是任意而定的。

（2）叶片出口宽度b2和叶片出口安放角β2。外混式自吸离心泵叶轮叶片出口宽度可按内混式自吸离心泵方法计算，按式（2-2）和式（2-3）设计。

叶片出口安放角β2可按离心泵方法计算，对于低比转数自吸离心泵适当加大β2，β2一般取35°～40°，设计方法和内混式自吸离心泵相同。

2.泵体设计

外混式自吸离心泵泵体的设计非常重要，在叶轮设计确定后，外混式自吸离心泵能否实现自吸、自吸时间长短、泵效率高低都取决于泵体的设计。

（1）压水室基圆直径D3。外混式自吸离心泵压水室基圆直径D3可按离心泵方法确定，计算公式为：

（2）压水室的最大截面面积F8。离心泵压水室的最大截面面积F′8计算后，考虑到自吸性能及效率，外混式自吸离心泵压水室的最大截面面积F8按下式进行修正：

压水室其他截面面积计算公式为：

（3）隔舌位置。隔舌的型式与离心泵不同，隔舌不再是螺旋线与基圆的交点，而是一端切于螺旋线、另一端与修正后的基圆直径D′3相交的一个短弧。隔舌的位置如图2-9所示，修正后的基圆直径D′3（mm）由下式计算：

叶轮与隔舌的间隙δ一般取0.5～1.0mm，该值过小则噪声大，该值过大则自吸性能下降。

（4）扩散管。外混式自吸离心泵的扩散管有短管或长管两种，均不如离心泵扩散管水力效率高。

短扩散管如图2-10所示。扩散角取12°左右或再大些，扩散管出口与泵出口距离相当于扩散管出口直径的2～3倍，对于叶轮圆周速度大的泵取大值。扩散管出口过水断面中心处的法线对着泵出口边缘（扩散管出口方向不可正对泵出口），扩散管出口倾斜布置，倾角α＝15°～25°，既能使水有效地循环，又不会使泵效率下降很多。

长扩散管上开有回流孔，如图2-9所示。由于扩散管可设计得足够长，也可按离心泵扩散管的扩散角度的较大值选取扩散角。扩散管与泵的出口间可以有一段与泵的出口直径相同的等直径段，扩散管可设计为弯形，应取4个以上断面进行过水断面变化规律校核，其变化应平缓。

上回流孔过水断面面积不小于泵的出口面积，回水口形状可设计成矩形，开口方向为泵的旋转方向并偏向叶轮进口方向。

（5）回流孔。回流孔的形状、面积及位置。在确定了叶轮与压水室设计的情况下，回流孔孔径大回流的液体多，自吸时间短，泵效率和扬程低，反之自吸时间长。

回流孔通常都设计成长腰形孔，如图2-10所示。设计当量圆形孔面积由A代替，d由式（2-6）计算。回流孔的面积A＝πd2/4，在样机研制中可根据试验结果对A进行调整。

回流孔位置一般布置在泵的下方压水室的侧面。从隔舌起沿大断面向小断面方向转115°～160°之间，如图2-10所示。回流孔中心对隔舌的位置角θK由式（2-7）计算。

（6）堵回流孔。外混式自吸离心泵的回流孔，泵在正常运行时一般不堵。为了提高泵的效率，也可采用在自吸完成后自动堵塞回流孔或人工堵回流孔的结构形式。

以安装弹性阀（用橡胶制作）结构为例，泵在自吸过程中，弹性阀在弹力作用下处于开启状态，当泵自吸过程完成后进入正常工作，此时储水室的压力大于弹性阀的力，弹性阀将回流孔堵塞，消除了回流水力损失。

图2-11　气液混合式自吸离心泵几何参数

1—回流孔；2—泵体；3—流道；4—隔舌；5—扩散管外；6—气液分离室

（7）储水室和气液分离室。泵体下腔是储水室，泵体上腔是气液分离室。从自吸性能来说，泵体上下腔大一些好；但从结构的合理性来说，在达到性能要求的情况下，应越小越好。

设计时要使储水室内的循环水有一定高度，即保证回流孔有一定的淹没深度。储水面要在压水室上，并且要能保障停机后剩余的水量足够再次起动所必需的水量。

外混式自吸离心泵的储水量应大于设计流量（m3/s）的一半，即Vc≥Q/2，气液分离室的体积Vq≤Vc。泵的进口下缘要高于压水室的最高点，以保证回流孔的淹没深度。

（8）排气阀。排气阀的设计同内混式自吸离心泵。

三、影响自吸离心泵性能的因素

1.泵体进口到出口中心线的高度h

h影响气液分离室的大小和储液量的多少，如图2-11所示，尽量取大值对自吸性能有利。h计算公式为：

2.叶轮与隔舌的间隙e

为使叶轮出口的气液混合气体全部排入气液分离室，隔舌起到刮板作用，隔舌与叶轮间隙对自吸性能影响大，其间隙要比普通离心泵小。e越小气液混合气体排出的越多，自吸时间越短。外混式泵一般取e＝0.5～1mm；内混式泵可取稍大些，e＝0.5～2mm，e＞2mm时自吸性能有下降的趋势。

3.叶片出口宽度b2及压水室截面面积Fi

适当加大b2，有利于气体的充分混合，能减少自吸时间。而且加大b2能减少边界效应对流量的影响，又能改善铸造工艺。压水室各截面的面积Fi设计时也应适当加大（约加大20%）。另外，从自吸性能考虑，矩形断面最为有利。

4.泵体扩散管出口

倾斜切角度α越大，自吸时间也越短，但泵的效率会下降。

5.泵体回流孔面积

回流孔的面积有一个最佳值，试验表明，回流孔的面积在最佳设计值时，自吸时间最短。否则，即使再加大回流孔面积，不但达不到减少自吸时间的目的，而且会造成泵的NPSHr增大，汽蚀性能下降，泵的效率和扬程也相应下降。

6.泵体回流孔的位置

泵体回流孔的位置不同，自吸性能不同。通常从隔舌起沿大断面向小断面方向转115°～160°之间设计，如图2-10所示。回流孔中心对隔舌的位置角θK由式（2-7）计算。

7.储水室和气液分离室容积

储水室增大，自吸时间缩短，但泵的体积较大。一般取储水室容积不小于泵设计流量（m3/s）的一半。除了储水容积足够外，必须有一定的储水高度。气液分离室容积越大，气液分离效果越好，分离越快，但容积大到一定程度，效果不明显。试验表明，气液分离室容积等于或略大于储水室容积。

8.叶轮后盖板的车削

对于外混式自吸离心泵，当叶轮外径的圆周速度小于20m/s时，自吸效果较差，可采用车削叶轮后盖板的方法提高自吸能力，但车削量不能太大，否则会较大程度地降低泵的性能。当叶轮外径的圆周速度等于20m/s时，D′2＝0.9D2；当圆周速度等于15m/s时，D′2＝0.8D2。并在上隔舌处的位置加筋板，以免带气泡的水在切割掉的后盖板处循环，影响自吸性能。