自吸泵水力设计与自吸性能试验研究

第一章绪论

1．1 研究目的、意义、背景

1．2 自吸泵的种类和工作原理介绍

1.自吸泵是指不需要在吸入管路内充满水就能自动地把水抽上来的离心泵称为自吸泵。吸泵大部分与内燃机配套，装在可移动的小车上，宜于野外作业

2.自吸泵的结构类型主要分为两种：外混式自吸泵和内混式的自吸泵

3.外混式自吸泵的工作原理是：水泵启动前先在泵壳内灌满水（或泵壳内自身存有水）。启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时入口形成真空，使进水逆止门打开，吸入管内的空气进入泵内，并经叶轮槽道到达外缘。另一方面，被叶轮排到气水分离室中的水又经左右回水孔流回到叶轮外缘。左回水孔流回的水在在压力差和重力的作用下，射向叶轮槽道内，并被叶轮击碎，与吸入管路来的空气混合后，甩向蜗壳，向旋转方向流动。然后与右回水孔流来的水汇合，顺着蜗壳流动。由于液体在蜗壳内不断冲击叶栅，不断被叶轮击碎，就同空气强烈搅拌混合，生成气水混合物，并不断地流动致使气水不能分离。混合物在蜗壳出口被隔舌剥离，沿短管进入分离室。在分离室内空气被分离出来，由出口管排掉，而水仍经左右回水孔流向叶轮外缘，并与吸入管空气相混合。如此反复循环，逐渐将吸入管路中的空气排尽，使水进入泵内，完成自吸过程。

内混式的自吸泵，工作原理与外混式自吸泵相同，其区别只是回水不流向叶轮外缘，而流向叶轮入口。内混式自吸泵在启动时，须打开叶轮前下方的回流阀，使泵内液体流回到叶轮入口。水在叶轮高速转动的作用下与吸入管来的空气相混合，形成气水混合物排至分离室。在这里空气排出而水又从回流阀返回到叶轮入口。如此反复进行，直至空气排尽，吸上水来。自吸泵的自吸高度，与叶轮前密封间隙、泵的转数、分离室液面高度等因素有关。叶轮前密封间隙越小，自吸高度越大，一般取为0.3~0.5毫米；在间隙增大时，除自吸高度下降外泵的扬程、效率均降低。泵的自吸高度随叶轮的圆周速度u2的增大而增大，但到最大自吸高度时，转数增加而自吸高度就不再增加了，此时只是缩短自吸时间；当转数下降时，自吸高度则随着下降。在其它条件不变的情况下，自吸高度还随着储水高度的增加而增加（但也不能超过分离室的最佳储水高度）。为了在自吸泵中更好地使气水混合，叶轮的叶片须少些，使叶栅的节距增大；并宜采用半开式叶轮（或叶轮槽道较宽的叶轮），这样更方便于回水深入地射进叶轮叶栅中。

1．3 国内外研究现状介绍

1.国外水泵技术的现状。国外工业发达国家的水泵行业起步较早,经过几个世纪的更新与发展,无论在技术、性能还是品种上都日趋完善。泵传统产业的不断创新,近年来,化工、石油化工、电站、矿山和船舶等工业对泵的需求日益增长,促进了泵技术的发展。泵的品种规格繁多,并向大型化、高速化方向发展。今天,全人类提出可持续发展战略,泵产品更加强调了环保要求。随着新技术要求,国外作为传统产业的泵技术不断进步。20世纪初,首先在英国开发了无泄漏屏蔽泵;20世纪中期美国开发了高速部分流泵。高温、高压泵日益向大型化,高可靠性发展。特殊材料泵,如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及锆、钛等贵重合金泵也应运而生。继而在水力设计、诱导轮研究、新材料、新工艺、CAD、CAM等方面有了更新发展。

美、德、日等国家在长期的泵生产、使用中,建立了一整套完善的标准体系。以获得更高的效益。国外先进泵制造业,还体现在标准化、系列化、通用化、模块化、便于生产管理,便于用户维护。

泵的无级调速,集中控制,各类温度传感器,压力传感器,模拟可视化,实时监控等机电一体化技术得到广泛的应用。

2.国泵工业起步于20世纪初,由于多年战争劫难,基本处于停滞状态。新中国成立后,早期主要汲取前苏联泵技术,在当时的特定历史条件下推动了泵的发展。接着不少泵行业厂在农业排

灌、电站、矿山、石油、化工及军工配套等方面研制出较高水平的新型泵.改革开放以来,伴随着中国经济的飞速发展,泵业也得到长足的发展。

1．4 泵技术发展展望

1.注意发现和开发新领域用泵。泵是一种通用机械,应用非常广泛,而且新领域用泵不断出现。例如:心脏泵、喷水推进泵、计算机冷却泵、空调泵、导热油泵、油气混输泵、烟气脱硫泵、石油平台注水泵等。可能还存在着应当用泵的地方而没有用泵,新的用泵领域也会不断出现,这就需要我们注意发现并致力开发。

2.重视关键技术和关键产品的研究与开发。要提高泵的技术水平必须解决关键技术问题。例如:渣浆泵磨损机理的研究;高效斜流泵水力模型研究;自吸泵简化结构、提高效率的研究;便于检修的高效、大流量、高扬程矿山排水泵和输油泵的研究开发;新型船用泵的研究开发;大型烟气脱硫泵、煤液化用高温、高压泵的研究开发;屏蔽泵、磁力泵提高可靠性的研究;新型计量泵(隔膜泵)的研究开发;提高部分流泵效率的研究等

自吸泵自吸性能的影响因素

影响自吸泵自吸性能的因素有很多，包括叶轮型式、叶轮出口宽度、叶轮的圆周速度、叶轮与泵体隔舌的间隙、回流孔(阀)、储液室容积、气液分离室容积、进水管道的安装状况、出水管道的安装状况等。此外自吸性能还受加工、安装等条件的影响。国内一些学者对影响自吸泵自吸性能的因素进行了研究，其中钟明等(1998年)应用灰色系统关联度方法对自吸泵自吸时间的影响因素进行分析，结果表明影响因素的重要顺序依次为：隔舌间隙、回流孔面积、叶轮宽度、叶轮圆周速度。

储液室容积对自吸性能的影响

白吸式离心泵最大的特点就是泵启动后不需在吸入管内充满液体和不需向甭体内重新灌液，本身就能自动排除吸入管内的气体，而后进入正常的输液工作。要完成这一过程，根据自吸泵的结构和工作原理，泵在初次启动时，必须向泵内注入足够的液体，使泵体的储液室存有一定容积的液体，以保证泵能再次启动。一般来说，储液室容积太小，将使得泵自吸时间增长，甚至不能自吸；反之，如过大，使得泵笨重。由此可见，自吸泵储液室容积的大小对自吸性能的优劣至关重要。

根据自吸泵工作特点和条件，自吸泵储液容积应是指泵吸入口最低点以下的泵体容积，也即泵停机后泵体内能储存液体部分的体积，也即排除了泵体内的液体在泵停机后因虹吸作用而被倒排到吸入池中的液体。当然，该储液室容积应是指在泵体的进口处不配有单向阀(或拍门)为前提的。

作为一台自吸泵，其必须确保泵体内具有一定的储液量，从而依赖液体和空气的相互混合作用把吸入管内的空气不断地带出泵外，以保证自吸工况时液体的正常循环，从而形成较高的真空度，完成自吸功能。然而，实践证明，不同储液量的相同结构参数的自吸泵，其自吸性能是不同的。

一般来说，随着储液量的增加，液流循环的速度减慢，流动比较平稳，这对气泡从液体中分离出来是有利的，所以随着储液量的增加，自吸时间就能逐渐缩短。但是如果储液量过多，且储液高度大于压水室扩散管出口高度，气液分离室中的水位太高，就会影响从液体中分离出来的气体顺利地排出泵外，从而也会延长白吸时间。

此外，储液室容积的大小对泵的体积和重量有着直接的关系。储液室容积大，泵体体积大，重量增加：反之则相反。但储液室容积的大小对泵的效率影响不大。其理由是：自吸泵要完成自吸过程必定具有一定的储液量，其在泵正常输液过程中储液量还是必定存在的，它会通过回流孔而返回叶轮一部分液体，然而它并不随储液量的多少而返回。只取决于回流孔叶轮侧和泵体蜗壳外腔侧的两压力差而返回。实践也证明了这一过程。

出水管道对自吸性能的影响

自吸泵的试验研究表明自吸时间与多种因素有关，除本身结构特点外，进水管道的安装状况对自吸性能的影响很大。而一般认为出水管的安装状况对自吸性能的影响很小，但在实际工作中，发现在一定场合下，出口管道对自吸性能也会有影响。

自吸泵自吸时压力尚未完全建立，泵体内的存水循环流动．但水的流动状况与出水管有关。自吸泵上泵出水流道与出水孔直通，出水流道有一个窗孔与气水分离室相通，从叶轮出来的水顺着出水流道进入出水管。如果出水管比较长(Im以上)，由于压力不够水不会流出，水从窗孔进入气水分离室，分离出来的气，从窗孔进入出水管上升排出。

如果出水管很短，则水压可使水从出水管流失，泵内存水将减少。当减少到一定程度时，泵内循环存水不再减少，但这时存水就很少了。

对于泵体出水流道与泵出水口分开，中间有一个宽大的气水分离室的自吸泵泵体。叶轮出来的水不直接对准出口，永压不足时，水就不易出来，观察这类结构的自吸泵，可以看到在自吸时水在泵体上方形成一个大旋涡，不容易溢出来，这种结构的出水管对自吸存水影响不大。自吸泵自吸时由叶轮形成气水混合层，如果存永太少，气水混合层就很薄、抽气量就少，存水极少时，不能有效隔离进出口腔，甚至相通，进口真空度遭破坏，不能自吸上水。

从上述分析可以得到如下结论，对于泵出水流道与出口相通的结构，泵效率高，但存水极易冲出，一定要配足够高的出水管，否则可能造成自吸性能严重下降。泵出水流遭与出口隔开．并出水方向转弯，不对正出口的结构，泵体内旋涡大，泵水力损失增大，但泵存水不易冲出泵外，气水分离效果好，泵自吸性能好，并且不受出水管安装高低的影响。泵出水流道与出口隔开两个口对正的结构．自吸存水也会冲出泵外，泵自吸性能也受出水管安装高度的影响，影响程度小于泵出水流道与出口相通的结构。

第二章自吸泵的设计研究

2．1 设计概念描述

该泵采用速度系数设计法，设计计算的目的是为满足65zB40—5．5D型自吸泵自吸性能的叶轮、蜗壳水力模型确定相关的几何尺寸，以达到效率高。临界汽蚀余量小，自吸时间短，重量轻，满足额定参数的要求。

2．2 652设计参数

为了电机(或者柴油机)及喷头工作性能参数合理配置，并参照JB／6664．1—93《自吸泵型式与基本参数》，本自吸泵设计参数确定为：

流量Q=30m3m

扬程H--40m

转速n=2900dmia

效率11=61．8％

必需汽蚀余量NPSI-k=3．5mZB40—5.5D型自吸泵的设计参数

2．3 设计结果

流量、扬程两个参数与标准规定值有很好的符台性，效率提高4-。l％。汽蚀余量降低0．65rn，配套功率由原来的5．5kW降为5．21kW，5m高自吸时间由规定的135s减为100s。所以说此泵设计比较成功，达到了规定的指标。

第三章自吸泵自吸性能试验研究

3．1 试验目的

本次试验主要针对影响自吸泵自吸性能的四个因素：叶轮与泵体隔舌的间隙、吸入管道的直径、储水量、回流喷嘴，分别作了三台样机65ZB35--4D型、80ZB40--8．8C型和100ZB40

--liD型的自吸性能试验，以此来寻求各个影响因素的最优化，以改善和提高自吸泵的自吸性能。这三种自吸泵的比转数分别为61、78和94。叶轮与泵体隔舌的间隙由金加工来保证：储水量人工调节；回流喷嘴由机械设计加工完成接头。

3．3 试验内容与结果分析

对应65ZB35--4D型、80ZB40--8．8C型和100ZB40--IID型这三种型号的自吸泵，

存在类似规律性：随着储水量的增大，泵自吸时间逐渐缩短；当储水量为以秒计设计流量的50％左右时自吸时间较短，自吸性能好，此储水量为最佳储水量，大于或小于该值自吸时间都增加；

5ZB35--4D型自吸泵的储液室容积稍微大一些。可通过适当降低泵进水口来改进；

当储水量达到一定值自吸泵的自吸时间变化很小，增加储水量液流循环的速度减慢，

液体流动比较平稳，对气泡从水中分离是有利的，所以自吸时间就逐渐缩短。但若储水量过多，气水分离室中的水位太高，气液分离困难并使排出气体的能力减小。足够的储水量对于保证自吸过程是一个等温过程也十分重要。

第四章结论和建议

参考文献