輸送水時(shí)葉片數(shù)對(duì)離心油泵性能的影響

　　一般地說，葉片數(shù)對(duì)離心泵性能的影響是非線性的，存在著優(yōu)葉片數(shù)；優(yōu)葉片數(shù)與比轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)對(duì)數(shù)螺旋線葉片單級(jí)離心泵性能進(jìn)行了理論研究，得到優(yōu)葉片數(shù)為7片。這些研究成果豐富了關(guān)于葉片數(shù)對(duì)離心栗性能影響方面的認(rèn)識(shí)。

　　原機(jī)喊工業(yè)部教育司科技基金和甘肅工業(yè)大學(xué)�；�金共同資助項(xiàng)目。

　　水泵技術(shù)2000.3 Y型離心油泵在陸上油田和煉油廠中應(yīng)用比較普遍，因內(nèi)不少泵制造廠都生產(chǎn)這種型號(hào)的油泵。研究被輸送液體不同粘度下葉片數(shù)對(duì)Y型離心油泵性能的影響，從而確定優(yōu)葉片數(shù)對(duì)豐富離心油泵設(shè)計(jì)理論和提高性能都有不可忽視的價(jià)值。

　　本課題選擇65Y60型離心油杲為研究對(duì)象，研究葉片數(shù)對(duì)該離心油泵性能的影響，借此得到了優(yōu)葉片數(shù)，為離心油泵的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文中僅給出輸送清水時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　2實(shí)驗(yàn)裝置研究模型為65Y60型離心油泵，它主要用于輸送溫度不超過450T的熱油，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q=25m3/h，/f=60m，n=2950r/min，比轉(zhuǎn)速ns=3.65/1瓜/奶�！�=410為65Y60型離心油泵的結(jié)構(gòu)剖面圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持泵體流道和葉輪幾何形狀不變，僅改變?nèi)~片數(shù)。5個(gè)實(shí)驗(yàn)葉輪的葉片數(shù)分別為3、4、5、6和7，其它幾何參數(shù)分別是：葉輪進(jìn)口直徑A=72mm、出口直徑D2=213mm、出口寬度62=7.5mm、出口角炔= 30°。其中葉片數(shù)為5的葉輪為該泵的原配葉輪。實(shí)驗(yàn)葉輪由該泵的制造廠采用與原配葉輪相同的方法制造。

　　實(shí)驗(yàn)液體為清水。水從凈容積為1.35m3的水箱經(jīng)過球闊和長(zhǎng)為14m、內(nèi)徑為65mm的吸入管道流人泵內(nèi)，然后經(jīng)過總長(zhǎng)度約為4.5m、內(nèi)徑為50nun的排出管道和LW-50型渦輪流量計(jì)以及閘閥流回水箱。利用閘閥調(diào)節(jié)泵工況點(diǎn)。利用渦輪流量計(jì)測(cè)量水的體積流量。分別將泵入口和出口的測(cè)壓環(huán)通過塑料導(dǎo)壓管連接到1151PD型電容式差壓變送器兩端的測(cè)壓孔上，測(cè)量出泵出口與進(jìn)口的液體靜壓力差，從而計(jì)算出泵的揚(yáng)程。實(shí)驗(yàn)前，利用精度為0.05級(jí)的YS-60型活塞式壓力計(jì)對(duì)差壓變送器及其二次儀表進(jìn)行標(biāo)定。栗由額定功率為22kW的兩極電動(dòng)機(jī)通過JC1A型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（扭矩儀）驅(qū)動(dòng)。利用扭矩儀測(cè)量輸入到泵軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速，從而確定泵的軸功率。實(shí)驗(yàn)證明，流量、揚(yáng)程、軸功率和效率的總實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論利用計(jì)算機(jī)程序?qū)��?shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到規(guī)定轉(zhuǎn)速為2950r/min時(shí)的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率的離散點(diǎn)，然后采用5次多項(xiàng)式對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行擬合，后得到光滑的實(shí)驗(yàn)曲線。本文直接給出這種光滑的實(shí)驗(yàn)曲線。

　　葉片數(shù)對(duì)栗性能的影響水泵技術(shù)表示了配帶不同葉片數(shù)葉輪時(shí)，栗的性能曲線。（a）表示揚(yáng)程隨流量的變化，（b）表示效率隨流量的變化。當(dāng)葉片由3片增加到5片時(shí)，不但揚(yáng)程曲線整體向上平移，而且流量范圍也變寬了。但是當(dāng)葉片由5片增加到7片時(shí)，不但揚(yáng)程曲線整體向上平移量很小，而且揚(yáng)程曲線還出現(xiàn)了駝峰，流量范圍也變窄了。因此較多的葉片數(shù)會(huì)引起揚(yáng)程曲線出現(xiàn)駝峰。當(dāng)流量大于27m3/h（Z =6）和32m3/h（Z二7）以后，揚(yáng)程很快跌落。說明泵內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了汽蝕。由（b）可知，2=5的葉輪不的葉片數(shù)是優(yōu)的。

　　表示了優(yōu)工況參數(shù)隨葉片數(shù)的變化。由圖可知，隨著葉片數(shù)的增大，優(yōu)工況的揚(yáng)程幾乎線性增加，但是優(yōu)工況的流量和效率在Z =5時(shí)值大，所以輸送清水時(shí)，對(duì)本文實(shí)驗(yàn)的葉輪來說，Z =5是優(yōu)葉片數(shù)。

　　葉片數(shù)對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)的影響為了說明不同葉片數(shù)時(shí)離心泵性能的變化原因，采用丨5的計(jì)算方法分別計(jì)算優(yōu)工況下5個(gè)實(shí)驗(yàn)葉輪的內(nèi)部清水流動(dòng)。與以往不同的是，計(jì)算時(shí)，通過葉片尾部滿足Kutta條件來確定滑移系數(shù)。表示計(jì)算流場(chǎng)時(shí)得到的滑移系數(shù)分別與中Wiesner、教科書丨7中Stodola經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比。其中Wies-ner的滑移系數(shù)公式為：（M效率度的圓周分速度，為葉輪圓周速度。Stodola的滑移系數(shù)公式為由圖可知，由流動(dòng)計(jì)算確定的滑移系數(shù)隨葉片數(shù)按線性規(guī)律變化，它與葉片數(shù)的關(guān)系為　　水泵技術(shù)Wiesner經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值都比通過流場(chǎng)計(jì)算得到滑移系數(shù)平均大7.Stodola經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值在葉片數(shù)Z= 3的時(shí)候，比通過流場(chǎng)得到滑移系數(shù)小22；隨著葉片數(shù)的增大兩者之間的差別減小。由此可見，使用Wiesner經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論揚(yáng)程時(shí)，會(huì)使理論揚(yáng)程比實(shí)際需要的小，葉輪直徑也小；而使用Stodola經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論揚(yáng)程時(shí)，會(huì)使理論揚(yáng)程比實(shí)際需要的大，葉輪直徑也大，特別是在葉片數(shù)小于5時(shí)。

　　葉片表面流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)葉片表面流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)ATT/W反映了流體作用在葉片表面壓力差的大小|8.流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)越大，流道內(nèi)的二次流越強(qiáng)，流動(dòng)在葉片的壓力面和吸力面越容易分離，結(jié)果葉輪的水力損失增大，揚(yáng)程下降。為此，將大流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)隨葉片數(shù)的變化關(guān)系畫于中。葉片由3片增加到5片，大流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)由7. 86降低到4.55，下降到約為原來的58，大致與葉片數(shù)成反比；葉片由5片增加到7片，大流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)由4.55降低到4. 07，下降到約為原來的89.由于下降量小，大流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)不再與葉片數(shù)成反比，因此5葉片葉輪內(nèi)的二次流強(qiáng)度與7葉片葉輪大體相當(dāng)。這說明，葉片由3片增加到5片，雖然與流體接觸的葉片表面由原來的6個(gè)增加到10個(gè)，凈增4個(gè)，表面摩擦損失有所增加，但是由于葉輪內(nèi)部二次流強(qiáng)度大幅度減弱了，二次流引起的水力損失減少很多，所以總的來說降低了水力損失，提高了水力效率，進(jìn)而大幅度提篼了泵的效率〗葉片由5片增加到7片，摩擦表面還是凈增4個(gè)，但是由于葉輪內(nèi)部二次流強(qiáng)度并沒有十分明顯的減弱，二次流引起的水力損失減少很小，所以總的來說水力損失增加，水力效率下降，泵效率降低。

　　泵效率預(yù)測(cè)泵效率等于容積效率、水力效率和機(jī)械效率之積。在優(yōu)工況，容積效率等于泵體積流量除以通過葉輪理論體積流量。泵體積流量已經(jīng)在性能實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量出。理論體積流量等于通過葉輪前口環(huán)、后口環(huán)和平衡孔的泄漏體積流量之和。采用丨2丨的方法，按前后口環(huán)的實(shí)際幾何尺寸，計(jì)算通過前口環(huán)的泄漏流量。

　　通過后口環(huán)和平衡孔的泄漏流量的計(jì)算方法原則上與前口環(huán)的相同，但是由于后口環(huán)與前后口環(huán)的直徑、間隙大小和長(zhǎng)度完全相同，同時(shí)考慮到平衡孔的節(jié)流作用，所以通過后口環(huán)和平衡孔的泄漏量要比前口環(huán)小。計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算通過前口環(huán)的泄漏流量，近似取通過后口環(huán)和平衡孔的泄漏量為通過前口環(huán)的泄漏流量的70，二者之和作為總的泄漏量。

　　在優(yōu)工況，水力效率等于泵的實(shí)際揚(yáng)程除以理論揚(yáng)程。實(shí)際揚(yáng)程已經(jīng)由性能實(shí)驗(yàn)得到。理論揚(yáng)程由理論流量、葉輪出口幾何尺寸和流場(chǎng)計(jì)算中得到的滑移系數(shù)計(jì)算。

　　機(jī)械效率等于泵軸功率減去機(jī)械摩擦功率的差除以軸功率。機(jī)械摩擦功率包括葉輪圓盤摩擦功率和軸承、軸密封等摩擦副的機(jī)械摩擦功率。其中圓盤摩擦功率是主要的。采用1丨的方法計(jì)算圓盤摩擦功率，然后擴(kuò)大1.5倍，作為總的機(jī)械摩擦功率。

　　表1給出了計(jì)算的優(yōu)工況容積效率、水力效率和機(jī)械效率。由表可知Z=5葉輪的容積效率和水力效率比其它葉輪高。

　　給出了優(yōu)工況，泵效率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。預(yù)測(cè)的效率的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，但是由于容積效率和機(jī)械效率計(jì)算可能不十分準(zhǔn)確，所以兩者之間還存在一定差距。這需要進(jìn)一步研究。

　　表1計(jì)算的優(yōu)工況效率葉片數(shù)容積效率（％）水力效率（％）機(jī)械效率當(dāng)葉片由3片增加到5片時(shí)，離心泵的效率逐漸提高，但是超過5片以后，效率反而下降，所以在葉輪目前的幾何參數(shù)條件下，5個(gè)葉片是優(yōu)的。

　　通過計(jì)算優(yōu)工況的葉輪內(nèi)部流動(dòng)，可以確定滑移系數(shù)，滑移系數(shù)與葉片數(shù)成正比。

　　隨著葉片數(shù)的增加，葉片表面流體動(dòng)力負(fù)荷系數(shù)下降，但是超過5片以后，負(fù)荷系數(shù)下降幅度較小，因此流體表面摩擦損失增大。（下轉(zhuǎn)第13頁）水泵技術(shù)2000.3量的嚴(yán)重不足，水環(huán)變得極不穩(wěn)定，工作中常出現(xiàn)不正常特性一達(dá)到某一壓縮比后，吸氣量急劇減少，越過此點(diǎn)，氣量在穩(wěn)定狀態(tài)下變化，見M2對(duì)栗結(jié)構(gòu)的影響而減少，引起泵的實(shí)際量 1.2；雙吸栗，6/r2>2），不但影響泵的吸、排氣效果，增加葉輪的鑄造難度，更影響泵結(jié)構(gòu)的合理性。