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第三节 射流式自吸离心泵

现有的自吸离心泵因自吸原理的限制,结构复杂,铸造困难,工艺性差,体积大,成本高,操作不方便,泵的效率低。射流式自吸离心泵是在普通离心泵的进口处增设一个带“文丘里”管的自循环射流器,使得普通离心泵能够实现自吸启动[3]

射流式自吸离心泵结构简单、新颖、体积小、自吸时间短、效率高。射流式自吸离心泵的泵体、导叶、叶轮等主要零件可以采用铝合金压铸或非金属材料制造,重量轻,操作方便,主要适用于无电源地区和丘陵地区农作物的喷灌及排涝等场所。随着节水农业的迅速发展,市场对自吸离心泵的需求量日益增大,同传统自吸离心泵相比,射流式自吸离心泵前景更加广阔。

一、射流式自吸离心泵结构与工作原理

1.结构

射流式自吸离心泵主要由动力机、离心泵、自循环射流器、进出口管等组成,如图2-18所示。自吸结构设计成射流式、环形涡室,叶轮出口处增设导叶,形成导叶、涡室组合式压水室结构。压水室第六断面处设一个回流孔,该回流孔与泵吸入口由射流器系统贯通形成自循环,实现了普通离心泵的自吸启动。

2.工作原理

射流式自吸离心泵在工作时,泵体内首次灌满水(下次再启动时不用灌水),在叶轮高速旋转的离心力作用下,叶轮出口处水以强大的动能流入导叶,因为导叶面积大于叶轮出口面积,所以叶轮出口动能变为压能,当导叶内的气液进入大于导叶面积几十倍泵的气液分离室Q时,高速的气液与泵腔内水进行混合并气液分离,气体从泵腔排出口排出,水从泵腔q处高速流入射流器的喷嘴,由于喷嘴形成的高压射流造成叶轮入口处较大的真空度,低压水被吸入进口处,两股水在泵的进口处混合并交换能量后,再次进入气液分离运动,如此循环往复将管路内的气体抽尽,水被吸上来,泵完成自吸过程。这时,自循环射流器上的阀自动关闭,射流器停止工作,回流孔的回流也停止,因此提高了泵的效率[4]

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图2-18 射流式自吸离心泵机组结构图

1—汽油机;2—机械密封;3—后盖;4—导叶;5—叶轮;6—储水室;7—碗式阀;8—喷嘴;9—进水管;10—泵体;11—出水管

二、射流式自吸离心泵设计

1.叶轮的水力设计

叶轮是射流式自吸离心泵的心脏,叶轮的设计是保证泵性能好坏的关键。射流式自吸泵叶轮的水力设计与普通离心泵的水力设计略有不同,由于泵体设有射流器回流孔,增加了泵的水力损失,同时泵的性能会下降,所以采取叶轮出口直径D2及叶片出口宽度b2比计算值适当增大的设计方法,来满足射流式自吸泵性能要求。叶片进口段设计成扭曲形,后半段则趋于圆柱叶片,有利于提高泵的效率及缩短自吸时间。叶轮的结构型式有闭式叶轮、半开式叶轮等。

(1)叶轮进口直径。叶轮进口直径又称叶轮吸入直径。射流式自吸泵叶轮进口速度v0一般为3~4m/s,一般射流式自吸泵的汽蚀性能要求不高,所以可选较小的Dj

在确定叶轮进口直径Dj时,先计算叶轮进口当量直径D0,计算公式为:

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叶轮进口直径Dj计算公式为:

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对于射流式自吸离心泵的叶轮轮毂直径,通常dh=0。

(2)叶轮出口直径。叶轮出口直径是影响泵扬程的最重要的因素之一,而压水室的水力损失大致和叶轮出口的绝对速度的平方成正比,为了减小压水室的水力损失,应当减小叶轮出口的绝对速度,而叶轮出口的绝对速度又跟叶轮出口处的圆周速度密切相关。就射流式自吸离心泵而言,叶轮出口处的圆周速度是影响泵的自吸性能和泵效率的关键参数,提高叶轮的圆周速度使气液充分的混合,从而缩短泵的自吸时间。在泵转速一定的情况下,可以通过增大叶轮外径来提高叶轮出口处的圆周速度,所以计算叶轮出口直径D2时,先计算叶轮出口处的圆周速度u2,计算公式为:

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由于泵体设有射流器回流孔,增加了泵的容积损失及水力损失,同时泵的扬程会降低,故将叶轮出口直径D2适当增大4%~6%来设计。加大后的叶轮出口直径D′2按下式计算:

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图2-19 离心泵叶轮的速度系数

从式(2-16)可以看到,增大叶轮出口直径D′2,叶轮出口圆周速度u2增大,不但保证了泵的扬程,同时也提高了泵的自吸性能。

(3)叶片出口宽度。对射流式自吸离心泵而言,适当增加叶片出口宽度b2有利于增加叶轮外缘上的气液混合厚度,即加大气液混合面积,从而加速了气液分离,缩短泵的自吸时间。通过理论分析与试验研究,提出了叶片出口宽度b′2在经验公式计算的基础上再适当加大6%~10%,此设计方法使叶片间气水分离界面增大,提高了泵的自吸性能。由于此界面是波动的,会产生局部涡流,使液体中的气泡增多,叶轮高速转动带走的气体也就增多,有利于改善自吸性能。

加大后的叶片出口宽度b′2为:

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叶片出口轴面速度vm2计算公式为:

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(4)叶片数的选择和计算。

叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数,一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦,另一方面又要使叶道有足够的长度,保证液流的稳定性和叶片对液体充分产生作用。当叶轮进口当量直径D0=D1时,叶片数Z可由下式计算:

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(5)叶片进出口安放角的选择和计算。

1)叶片进口安放角β1的选择和计算。叶片进口安放角β1与叶片进口正冲角Δβ有关,一般叶片进口安放角β1与叶片进口正冲角Δβ的关系可由下式表示:

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图2-20 叶片进口速度三角形图

采用正冲角能提高抗汽蚀性能,且对效率影响不大;采用正冲角,能增大叶片进口角β1,减小叶片的弯曲,从而增加叶片进口过流面积,减小叶片的排挤,减小叶片进口的v1和w1;同时采用正冲角,也能改善泵在大流量下的工作条件。

叶片液流角β′1按下式计算,如图2-20所示,由叶片进口速度三角形得:

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叶片进口轴面速度按下式确定:

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叶片进口直径D1按下式计算:

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2)叶片出口安放角β2的选择和计算。叶片出口安放角β2是叶片表面切线方向与反旋转方向圆周切线间的夹角。它是叶轮的主要几何参数,对泵的性能有较大影响。一般取值为18°~35°。

2.压水室水力设计

射流式自吸离心泵压水室可以采用环形压水室(导叶蜗壳组合式压水室)、螺旋形压水室等。压水室的作用为:一是将叶轮中流出来的液体输送到泵排出口;二是保证液体在压水室内的流动是轴对称性的,使叶轮内具有稳定的相对运动,以减少水力损失;三是降低液流速度,使速度能转化为压能,消除液体从叶轮流出的速度环量。

射流式自吸离心泵采用环形压水室,结构简单,制造工艺性好。由于压水室内的储水容积小等问题对泵的性能有一定的影响。通过试验研究:压水室内的储水容积比计算容积增大4倍左右,泵体中心线与叶轮的中心线相差15~30mm时,泵排气通畅,气液分离快,自吸时间短,自吸性能好。导叶蜗壳组合式压水室如图2-21和图2-22所示。

(1)环形压水室水力设计。

1)环形压水室进口宽度b3。环形压水室进口宽度b3通常大于前后盖板的厚度与叶片出口宽度b′2之和。增大b3可以使叶轮流出的旋转液体通畅地流入压水室,减小因圆盘摩擦而损失的部分功率,提高泵的效率。环形压水室进口宽度b3按下式计算:

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图2-21 导叶蜗壳组合式压水室结构图

1—导叶;2—蜗壳

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图2-22 导叶蜗壳组合式压水室三维图

C值的大小与比转数、叶轮大小、介质黏度和含有固体颗粒有关。比转数小、叶轮小、介质黏度低和颗粒小时,取小值,否则取大值。

2)环形压水室基圆直径D3

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3)环形压水室各断面面积内的平均速度v3相等且为:

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图2-23 压水室速度系数

因此,环形压水室各断面面积相同,通过第八断面的流量Q8为:

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计算压水室第八断面面积F8为:

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4)泵体自循环射流器回流孔位置与面积的设计。回流孔中心位置设计在泵体第六断面,回流孔的面积根据泵的流量、转速等主要性能参数而定。根据理论分析与试验研究结果,本系列产品回流孔的面积确定为F=200~360mm2。叶轮在高速转动下,压水室内液体有一少部分从回流孔进入射流器系统的喷嘴,而大部分液体在气水分离室进行气水分离,流道内的速度v3加快,叶轮外缘与导叶流道的气液混合加快,自吸时间缩短。回流孔用当量圆孔直径d按下式计算:

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(2)螺旋形压水室水力设计。螺旋形压水室俗称蜗形体,是应用最广的一种压水室,如单级单吸泵、单级双吸泵等。优点是泵的高效区较宽,车削叶轮后泵效率变化比较小;缺点是单蜗壳泵在非设计工况运转时会产生不平衡径向力。

在设计蜗形体时通常认为液体从叶轮中均匀流出,并在蜗形体中作等速运动,蜗形体起收集液体的作用,在扩散管中将液体的动能变为压能。

螺旋形压水室的几何参数包括基圆直径D3、蜗室进口宽度b3、隔舌安放角φ0

1)基圆直径D3

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大泵取小值,小泵取大值。如果基圆取得太小,在大流量工况时泵隔舌处易产生汽蚀,引起振动。

2)蜗室进口宽度b3

蜗室进口宽度b3一般按下式计算:

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3)隔舌液流角α3。隔舌液流角α3是在蜗室第八断面的0点(即蜗室螺旋线的起始点)处,螺旋线的切线与基圆切线间的夹角。为了使液体无冲击从叶轮流出进入蜗室,一般取隔舌液流角α3等于叶轮出口绝对速度的液流角α′2

4)隔舌安放角φ0。理论上隔舌安放角φ0应该在蜗室第八断面的基圆D3上的0点处,隔舌安放角φ0根据比转数ns选取,见表2-2。

表2-2 隔舌安放角

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在选取泵隔舌安放角φ0时,应考虑结构的合理性,一般应使泵隔舌处的圆角半径r为2~2.5mm左右。如果泵较小,则可适当加大隔舌安放角φ0。这里特别提出对自吸泵隔舌处圆周半径与叶轮半径之间的距离为1~3mm,大泵取大值,小泵取小值。

5)蜗室断面面积的确定。蜗室断面面积对泵的性能影响较大,对同一个叶轮,如果蜗室断面面积过小,则扬程—流量曲线变陡,最高效率点向小流量方向移动,效率降低;如果蜗室断面面积过大,则扬程—流量曲线比较平坦,但最高效率点向大流量方向移动,效率也降低。

对于一般比转数ns较小的泵,当ns<60时,对蜗室面积变化较为敏感,比转数越小,影响越大;当ns>90时,蜗室面积在一定范围内变化,对泵性能的影响并不明显,比转数越大,影响越小。

蜗室断面面积的大小,由所选取的蜗室流速决定。蜗室中的液流速度v3按下式计算:

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蜗室中速度确定后,可按下式计算蜗室第八断面面积F8

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由于液体是从叶轮中均匀流出的,故蜗室各断面面积也均匀变化,可按下式分别计算各断面面积

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6)扩散管。液体从蜗室进入扩散管,在扩散管中,一部分动能变为压能。扩散管末端为泵的排出口,一般与排出口管路相连接,所以,排出口直径应该按国家标准规定的管径选取。为了尽量减少在扩散时的水力损失,扩散管的扩散角一般取6°~10°。

(3)导叶水力设计。

径向导叶采用对称型大包角结构,有利于压水室里液体具有稳定的相对运动,以消除液体的速度环量,减小径向力。从叶轮中流出来的高速液体流向导叶,液体在导叶中进行快速气水分离,有利于提高泵的自吸性能。

1)导叶基圆直径D3d

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导叶基圆与叶轮出口之间的径向间隙为3~5mm,间隙增大会降低泵的效率。

2)导叶进口宽度b3d

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3)导叶进口安放角α3

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4)导叶叶片数Zd

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导叶的叶片数应考虑不要与叶轮叶片数相等或互为倍数,通常取叶片数为5~7个。

5)导叶叶片喉部面积F3及喉部高度a3。实践证明,导叶叶片喉部断面接近正方形时,其效果最好。采用速度系数法确定喉部面积十分简单,故射流式自吸离心泵的导叶叶片喉部面积用速度系数法确定为:

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喉部高度α3为:

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6)导叶扩散段。流道双向扩散,出口面积F4=a4 b4,则:

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7)导叶出口直径D4

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8)反导叶进口直径D5及出口直径D6。取反导叶进口直径D5一般小于导叶出口直径D4,出口直径D6一般和叶轮进口直径Dj相当,或适当向轴线方向延伸。

9)反导叶进口宽度b5

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10)取反导叶叶片数与导叶的叶片数相同。

(4)储液室容积与气液分离室容积。

1)储液室容积。泵体内储液室容积与设计流量之比V/Q<0.35时,泵的自吸性能不好;当V/Q=0.35~1.3时,自吸时间随储水量的增加而缩短;当V/Q>1.3时,自吸时间反而有所增加。可见泵体储液容积过大及过小均不好,而是选取最佳值,在保证性能情况下尽量节省材料。自吸泵储液室容积与泵的设计流量之比V/Q一般必须大于0.5,建议当ns<50时,一般取V/Q值为1.25左右;当50<ns<150时,一般取V/Q值为0.7左右。

2)气液分离室容积。一般情况下,当ns<120时,自吸泵的气液分离室容积可小于储液室容积;当ns>120时,气液分离室容积应大于或等于储液室容积。如在储液室较小情况下,可通过增大气液分离室的设计来提高自吸性能。通过试验统计,估算气液分离室容积值的公式为:

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其中,当ns较小时,ε取较大值;当ns较大时,ε取较小值。

三、射流式自吸离心泵水力设计实例

射流式自吸离心泵在普通离心泵的进口处增设一个带“文杜里管”的自循环射流器,使该射流器与压水室第六断面的回流孔贯通形成自循环,当泵运转时,不仅可以完成自吸过程,而且当自吸过程结束后自动将自循环射流器上的阀关闭,射流器同时停止工作[5-11]

(一)环形压水室射流式自吸离心泵水力设计实例

40SPB26-1.8Q型射流式自吸离心泵设计参数为:流量Q=12.5m3/h,扬程H=26m,介质密度(清水)ρ=1000kg/m3,转速n=3600r/min,配套动力(汽油机),P配套=2.6kW。

1.叶轮的水力设计

(1)比转数img

(2)泵效率η的计算。

1)根据经验公式计算泵的容积效率ηv

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2)根据经验公式计算泵的机械效率ηm

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3)根据经验公式计算泵的水力效率ηh

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综合分析上述计算结果:取ηv=0.94,ηm=0.87,ηh=0.75。

由此可得总效率η=ηvηmηh=0.94×0.86×0.75=0.606(取η=0.6)。

(3)轴功率P的确定。

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取配套功率P配套=1.8kW。

(4)叶轮主要尺寸的确定。

1)叶轮进口直径Dj

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2)叶轮出口的圆周速度u2。由ns=67,查图2-19得Ku2=0.966,则:

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3)叶轮出口直径imgimg

4)叶轮出口轴面速度vm2。由ns=67,查图2-19得Kvm2=0.112,则:

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5)叶片出口宽度img取b′2=6mm。

6)叶片包角φ。取φ=120°。

7)叶片数img

2.压水室的水力设计

(1)基圆直径D3。D3=(1.03~1.08)D′2=123.6~129.6(mm),取D3=125mm。

(2)蜗室进口宽度b3。b3=b′2+2S+C=6+2×3+6=18(mm)。

(3)隔舌安放角φ0。根据比转数ns确定φ0,取φ0=25°。

(4)蜗室各断面面积计算。压水室设计成环形结构,各断面面积相等,断面内的平均速度v3相等且为img

由ns=67,查图2-23得K3=0.45,则

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压水室储水容积应比计算容积增大4倍左右,泵体中心线与叶轮的安装中心线相差15mm,这种泵体排气畅通,液体易汽水分离,自吸性能好。

(5)压水室回流孔位置、回流孔直径d的计算:

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取d=14mm,压水室回流孔位置在第六断面。

3.导叶的水力设计

(1)导叶基圆直径D3d。D3d=(1.03~1.08)D′2=123.6~129.6(mm),取D3d=125mm。

(2)导叶进口宽度b3d。b3d=b′2+(5~10)=6+(5~10)=11~16(mm),取b3d=14mm。

(3)导叶进口安放角α3

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则α3=10.15°~11.95°,取α3=12°。

(4)导叶叶片数Zd。已知R3=62.5mm,b3d=14mm,α3=12°,δ3=2.5mm。

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(5)导叶叶片喉部面积F3及喉部高度α3

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(6)导叶扩散段。流道双向扩散,出口面积F4=a4 b4,则:

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导叶出口速度v4则由下式确定,即:

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(7)导叶扩散角。

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(8)导叶出口直径D4

D4=(1.3~1.5)Dd3=(1.3~1.5)×125=162.5~187.5(mm),取D4=173mm。

4.射流器的设计

在满足自吸离心泵工作流量及压力的前提下,射流器的设计条件为:射流器喷嘴的工作流量Q0=5m3/h,射流器喷嘴的工作扬程H=26m。

(1)确定射流器喷嘴出口直径d1

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(2)喷管管径DP。由于喷管管径DP等于回流孔当量直径d(DP=d),故喷管管径DP=14mm,喷管长度为45mm。

(3)喷嘴锥角θ。根据经验,最佳喷嘴锥角确定为θ=15°,喷嘴圆柱段长度L=2.5mm。

5.设计结果

表2-3给出了40SPB26-1.8Q型射流式自吸离心泵的主要几何参数。

表2-3 40SPB26-1.8Q型射流式自吸离心泵的主要几何参数表

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40SPB26-1.8Q型射流式自吸离心泵的叶轮水力模型如图2-24所示,压水室水力模型如图2-25所示,导叶水力模型如图2-26所示,喷嘴结构图如图2-27所示。

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图2-24 叶轮水力模型

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图2-25 压水室水力模型

(二)螺旋形压水室射流式自吸离心泵水力设计实例

1.泵设计参数

50SPB25-3D型射流式自吸离心泵的设计参数为:流量Q=25m3/h,扬程H=25m,转速n=2900r/min,P配套=3kW。

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图2-26 导叶水力模型

2.叶轮的水力设计

(1)计算比转数。

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(2)计算泵的效率η。

1)根据经验公式计算泵的容积效率ηv

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图2-27 喷嘴结构

2)根据经验公式计算泵的机械效率ηm

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3)根据经验公式计算泵的水力效率ηh

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综合分析上述计算结果,取ηv=0.98,ηm=0.88,ηh=0.75,由此可得总效率

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(3)泵轴功率P。泵轴功率为已知,P配套=3kW。

(4)叶轮主要尺寸的确定。

1)叶轮进口直径Dj

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2)叶轮出口的圆周速度u2。由ns=79,查图2-19得Ku2=0.972,则

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3)叶轮出口直径D′2

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4)叶轮轴面速度vm2

由ns=79,查图2-19得Kvm2=0.116,img(m/s)

5)叶片出口宽度b′2

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6)叶片包角φ。取φ=120°。

7)叶片数Z。

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3.压水室的水力设计

(1)基圆直径D3。D3=(1.03~1.08)D′2=154.5~162(mm),取D3=160mm。

(2)蜗室宽度b3。b3=b′2+2S+C=9+2×3+3=18(mm)。

(3)隔舌安放角φ0。根据比转数ns确定φ0,取φ0=20°。

(4)蜗室各断面面积计算。压水室设计螺旋形结构形式,第八断面速度v3

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由ns=79,查图2-23得K3=0.42,则

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由于液体是从叶轮中均匀流出的,故蜗室各断面面积也均匀变化,各断面面积计算如下:

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泵储水室和气液分离室容积计算从略。

(5)压水室回流孔位置、回流孔直径d的计算。

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取d=20mm,压水室回流孔位置在第六断面。

4.射流器的设计

在满足自吸离心泵工作流量及压力的前提下,射流器的设计条件为:射流器喷嘴的工作流量Q0=7m3/h(1.94×10-3m3/s),射流器喷嘴的工作扬程H=25m。

(1)确定射流器喷嘴出口直径d1

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(2)喷管管径DP。由于喷管管径DP等于回流孔当量直径d(DP=d),故喷管管径DP=20mm,喷管长度为45mm。

(3)喷嘴锥角θ。根据经验,最佳喷嘴锥角确定为θ=15°,喷嘴圆柱段长度为L=2.5mm。

5.设计结果

50SPB25-3D型射流式自吸离心泵设计的主要几何参数见表2-4。

表2-4 50SPB25-3D型射流式自吸离心泵设计的几何参数表

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50SPB25-3D型射流式自吸离心泵的设计参数的叶轮水力模型如图2-28所示,压水室水力模型如图2-29所示。

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图2-28 叶轮水力模型

四、喷嘴的射流原理及结构设计

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图2-29 压水室水力模型

射流式自吸离心泵运转时,喷嘴在叶轮进口形成高速射流作用造成进口真空,实现泵的自吸[7]。因此,喷嘴的设计至关重要,喷嘴的几何参数根据经验公式设计。

1.喷嘴出口直径d1

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2.喉管与喷嘴截面积之比m,喉管与喷嘴截面之比m,即最优面积方程为

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3.喉管直径d3

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根据喷嘴几何参数绘制出射流器喷嘴结构,如图2-30所示。

五、回流阀的工作原理

射流式自吸离心泵在完成自吸后进入正常运行时,要求回流阀自动关闭。碗式回流阀是一种结构简单、制作方便的阀门,它依靠外部流场压力的增加,造成阀体在压力作用方向上压缩变形实现阀门的关闭,其开启及关闭状态示意图如图2-31所示。作用在阀体上的有效介质压力大约在2~3N/cm2范围内,其轴向作用力示意图如图2-32所示。

碗式回流阀由上下两个盘形和中间一个短圆柱构成,回流阀轴向对称,因而可近似认为在垂直阀轴线方向上各方向的作用力相互抵消,没有外力。图2-32中pj、pd分别为作用于上盘上表面的静压和动压,p′j、p′d分别为作用于上盘下表面和下盘上表面的静压和动压,pa为周围环境大气压力。回流阀上下两盘的投影面积记为Af,这里认为上下两盘设计的面积相等。

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图2-30 射流器喷嘴结构

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图2-31 碗式回流阀开启和关闭状态图

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图2-32 碗式回流阀轴线方向受力图

1.泵自吸过程受力分析

(1)泵在自吸过程中所有压力通常不超过0.11MPa,储水室中的压力略微高于周围环境大气压力,故可以近似认为pj=p′j,储水室压力一般取1.05pa

(2)储水室内流体速度很小,可认为作用于回流阀的动压为零。

(3)由于两个盘投影面积相等,可以认为回流阀侧压力p′j作用于上下盘产生的压力大小相等方向相反,形成阀的内力,对阀的动作不起作用。而作用在阀体上的外力有压水室的流体对上盘有向下的压力pj,阀体的下盘底部向上的环境压力pa,其合力F′h可表示为

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使回流阀在自吸过程中关闭的最小支持力FT

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2.正常运行过程受力分析

(1)当水泵正常运行时,储水室与泵的出口相通,储水室压力与泵的出口压力最大偏差在2%左右,压力值基本相同。在回流阀完全关闭回流孔前,pj略微大于p′j;如若回流阀受压后能完全关闭回流孔,则pj>p′j;如若不能完全关闭,则pj略微大于p′j

(2)为防止起动过程失去循环水过多,一般自吸离心泵扩散管的扩散角比普通离心泵要大,长度要长。所以通过回流孔流向气液分离室和储水室的流体流速较慢,即作用在回流阀上的动压较小。

(3)阀门附近流体压力脉动的峰值仅为平均静压的2.5%,因此可看作稳压,叶轮旋转所形成的压力脉动对于阀门稳定性影响不大。

不管回流阀能否完全关闭回流孔,使回流阀产生变形的合力的计算公式是相同的,合力Fh表述为

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