組合式離心泵的設(shè)計與試驗

任豐蘭

（1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，湖南 常德 415000；2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引 言

離心泵是國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的通用機械，它具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝方便、易維護(hù)等優(yōu)點［1］。但常用的離心泵在使用前都要灌注一定的引水，才能把水吸上來，而且離心泵的吸程都不是很高。許多學(xué)者研究新型的離心泵結(jié)構(gòu)，從理論分析［2-4］、試驗研究［5-7］等方面探尋高效的結(jié)構(gòu)，不斷進(jìn)行優(yōu)化，省去灌引水的麻煩，以提高離心泵的吸程。孫九江［8］提出在現(xiàn)有離心泵的基礎(chǔ)上加裝水箱等結(jié)構(gòu)，不需在吸入管路中充滿水就能把水抽上來。武永生等［9］設(shè)計了一種新型自吸結(jié)構(gòu)的大流量自吸離心泵，將高壓空氣射流應(yīng)用于泵的排氣系統(tǒng)中，通過皮帶輪連接泵軸與空壓機主軸，產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮空氣通過射流噴嘴后產(chǎn)生射流，射流不斷卷吸泵體和進(jìn)口管內(nèi)的氣體，達(dá)到自吸目的。高善全［10］提出了一種高吸程自吸式離心泵，這種離心泵由供水裝置和泵組件組成，其中由減速機、擺桿連桿機構(gòu)、活塞機構(gòu)及單向閥機構(gòu)組成的供水裝置，通過聯(lián)軸器和離心泵的合理結(jié)合，實現(xiàn)自吸和高揚程的目的。這些離心泵雖然避免了灌注引水的麻煩，但是普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自吸性能差、效率低等缺點。開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、自吸性能好和效率高的離心泵就成為泵面臨的關(guān)鍵問題。本文設(shè)計的組合式離心泵就是依此而提出來的，其利用王安大［11］提出的獲得大氣壓力能的方法以及用真空泵抽水裝置［12］的思維，采用旋片式的真空泵和離心泵進(jìn)行組合，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選型及實驗，以提高離心泵的吸程。

1 組合式離心泵的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 組合式離心泵結(jié)構(gòu)

組合式離心泵是采用旋片式真空泵和離心式水泵組合而成的一種組合式的泵，它主要由離心泵、旋片式真空泵、水量開關(guān)、壓力表、逆止閥、閘閥、進(jìn)氣管、真空表、進(jìn)水管等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 組合式離心泵結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 組合式離心泵的工作原理

一般離心泵主要由葉輪、軸、泵殼、軸封及密封環(huán)等組成，它在啟動前泵殼內(nèi)要灌滿液體，以防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生［13］，當(dāng)電動機帶動泵軸和葉輪旋轉(zhuǎn)時，液體一方面隨葉輪作圓周運動，另一方面在離心力的作用下自葉輪中心向外周拋出，同時在葉輪中心部分造成低壓區(qū)，與吸入液面的壓力形成壓力差，迫使液體不斷地被吸入，液體從葉輪獲得了壓力能和速度能，并以一定的壓力排出，葉輪在電動機帶動下不斷高速旋轉(zhuǎn)，水就源源不斷地從低處被抽到高處。

組合式離心泵利用馬德堡半球?qū)嶒灥脑恚孩偻ㄟ^旋片式真空泵連續(xù)運轉(zhuǎn)，抽取離心泵進(jìn)水管2中的空氣，使離心泵內(nèi)始達(dá)到一定的真空，與吸入液面形成一定的壓差，通過大氣壓力將水壓人離心式水泵4中；②繼續(xù)運行旋片式真空泵10，抽取進(jìn)水管中水中含有的空氣，使離心泵內(nèi)始終保持一定的真空度，再利用離心式的水泵葉輪高速轉(zhuǎn)動把水排出去，從而實現(xiàn)水從低處抽到高處，其工程過程為如圖2所示。

圖2 組合式離心泵工程流程

2 組合式離心泵可行性分析

2.1 組合式離心泵理論可行性

泵一般有兩個過程，一個是吸的過程，即把水從水池或地下水吸入泵里面，另一個過程是排的過程，就是把吸入泵的水排出去，其實質(zhì)都是通過泵中體積的變化，實現(xiàn)其壓強的變化，達(dá)到吸和排的這兩個過程。而離心泵吸的過程是利用葉輪的旋轉(zhuǎn)，通過離心力的作用在葉輪中心部分造成低壓區(qū)［14］，與吸入液面的壓力形成壓力差，迫使液體不斷地被吸入，再把吸進(jìn)來的水排出去。由此，可以看出實際上離心泵在吸程過程中的靠離心泵運轉(zhuǎn)時抽取水中空氣產(chǎn)生一定的真空，只是離心泵獲得的真空度較低而也。

組合式離心泵的吸程是通過旋片式真空泵連續(xù)運轉(zhuǎn)，抽出離心泵進(jìn)水管中的空氣或抽出連續(xù)流入離心式水泵內(nèi)－定體積水中的氣體，產(chǎn)生真空，使離心式水泵內(nèi)始終保持一定的真空度，再通過大氣壓力將該體積的水壓上來，再利用離心式的水泵把水排出去，可見離心泵和組合式離心泵的吸程吸程是相同的，都是抽取水中的空氣，形成一定的真空度，只是采用的是旋片式的真空泵抽取真空，比離心泵自身抽的真空度效果更好，所以從理論上來說是可行的。

2.2 采用旋片式真空泵抽真空的可行性

2.2.1 旋片真空泵與水環(huán)式真空泵的比較

真空泵中，旋片式真空泵和水環(huán)式真空泵都是應(yīng)用最廣泛的。水中所含空氣一般不超過2%，不過要抽出真空狀態(tài)下水中2%的空氣，利用不同類型的泵，因泵所獲得極限真空度的不同，所消耗的電量不一樣，真空泵的名義抽速是指泵在大氣壓時的抽速，而真正起作用的抽速則是泵工作在真空狀態(tài)時的有效抽速，而泵的抽速性能曲線表明，極限真空狀況下，泵的有效抽速迅速下降到零，所以泵獲得極限真空度越高，泵工作在真空狀態(tài)時的有效抽速就越大。

若200 L／s的水流入離心泵，在真空狀態(tài)下，水中的氣體完全從水中游離出來，則有200×2%＝4 L／s的氣體，將4 L／s氣體抽走，則可維持離心泵內(nèi)的真空狀態(tài)，此時水才可以連續(xù)的被大氣壓力壓上來，如選用型號為2X-8旋片真空泵就完全滿足要求（其有效抽速為8 L／s，所配電機僅為1.1 kW）。相同條件下，如果選擇水環(huán)式真空泵，有4 L／s的氣體，在80%的真空度時，需選用SZ-2的型號，其所配電動機為10 kW；在90%真空時，選用SZ-3型號，其所配電動機為28 kW，從耗能的角度比較，當(dāng)抽取相同空氣的真空泵，水環(huán)式真空泵的耗能明顯要比旋片式真空泵耗能高，因此，選擇旋片式的真空泵。

2.2.2 采用旋片式真空泵抽真空的可行性

由于水泵獲得的真空度低，一般水泵的吸程僅4-7 m，通常按6 m計算。旋片式真空泵的極限真空度較高，理論上可使水提升10 m，工程上將水提升9 m是可行的，這樣利用真空泵抽水可比水泵抽水多提升3 m。假設(shè)本裝置中水的流量是200 L／s，多提升3 m獲得的能量，根據(jù)水能的計算公式：

式中：N為水的能量，kW；Q為體積流量，m3／s；H為水的揚程，m。

把Q＝200 L／s＝0.2 m3／s，H＝3 m代入式（1）得：N＝9.81QH＝9.81×0.2×3＝5.88 kW，按標(biāo)準(zhǔn)所配旋片式真空泵的電動機僅1.1 kW。由此可見，雖然本裝置中比離心泵多安裝一臺真空泵，并非多余，而是多獲得了4.78 kW的能量。根據(jù)能量守恒定律，離心泵就不會再消耗能量用于產(chǎn)生真空，按理論上的推斷離心泵吸水過程中會缷載運行，離心泵主要起排水作用，真空吸水則由旋片式真空泵承擔(dān)。由此可見，采用旋片式真空泵抽真空理論上是可行的。

3 組合式離心泵的典型元件選型

組合式離心泵式由真空泵和離心泵組合而成的，要求50 L／s的水流入離心泵，要求選出合適的旋片式真空泵、離心泵及其相關(guān)的元器件。

3.1 旋片式真空泵和離心泵的選型

由50 L／s的水流入離心泵，根據(jù)水中所含空氣一般不超過2%計算，那么水中應(yīng)該含有50×2%＝1 L／s的氣體，如果每秒鐘將1 L氣體抽走，則可維持離心泵內(nèi)的真空狀態(tài)，此時水才可以連續(xù)的被大氣壓力壓上來，根據(jù)技術(shù)參數(shù)選用型號為2X-2旋片真空泵則可以滿足要求，其有效抽速為2 L／s，功率250 W。

假設(shè)水在管道中的流速為0.26 m／s，對離心泵來說，要求50 L／s的流速，根據(jù)流速與流量的計算公式：

式中：v為水在管道中的流速，m／s；S為管道的截面積，m2；Q為水在特定的時間內(nèi)流過的流量，m3／s。

選用的離心泵出口截面積：S＝Q／V≈0.192 3 m2，出口半徑d≈0.247 m，口徑為φ50 mm的即可，而型號為50DB-2.2的單項離心自吸泵則可以滿足要求，其功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速為2 850 r／min，揚程20 m。

3.2 其他元件的選型

旋片式的真空泵與離心泵通過1個三通管進(jìn)行連接，連接時要求密封性能要好。在離心泵入口處，安裝了1個型號為YF-21-6帶水量傳感器和型號為HFS-25

水流開關(guān)，水量傳感器的作用是檢測流入離心泵中液體的流量，水流開關(guān)在旋片式真空泵在利用大氣壓的力壓入水之前是關(guān)閉的，當(dāng)檢測到旋片式的真空泵把水壓入到離心泵的入口處時，水流開關(guān)馬上打開，再通過離心泵的作用把水壓出去。

4 組合式離心泵的試驗

組合式離心泵進(jìn)行實驗，其三維模型原理圖如圖3所示，實驗裝置如圖4（a）所示。選用型號為2XZ-2的旋片式真空泵和型號為50DB-2.2的單項離心自吸泵，采用單相功率表進(jìn)行功率記錄，其量程為0～5 kW，為了安裝方便，進(jìn)水管和排水管均采用D25的彈簧管，抽氣管采用彈簧管和PVC管的組合，對消耗的功率采用功率計進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

圖3 組合式離心泵的三維模型圖

圖4 組合式離心泵抽水試驗

水從6 m高的地方抽上來（參考水泵相關(guān)技術(shù)參數(shù)中的吸程），為防止水進(jìn)入真空泵，抽氣管道上端應(yīng)高于水面10 m。在水泵流量相同（實驗用同一臺水泵），吸程相同的條件下，比較組合式離心泵和離心式水泵單獨工作抽水時的功率變化。實驗采用對比實驗的方法，通過離心泵單獨抽水和組合式的離心泵抽水進(jìn)行對比實驗［15-17］，從而對兩者進(jìn)行比較。

4.1 離心泵單獨抽水試驗

不啟動旋片式的真空泵，讓離心泵單獨工作，讓泵的吸水口與吸水管相連接，出水口與壓水管相連接，共同組成吸水—增壓—排水通道。離心泵在工作前，要灌注引水，以防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。由于葉片的作用形成不同的壓強，致使一面不斷地吸入液體，另一面又不斷地給予吸入的液體一定的能量，將液體排出，水就源源不斷地從低處被抽到高處。

實驗從高6 m處抽水，水泵空轉(zhuǎn)，水抽不上來，將水缸提升2 m，減小水泵吸程，因離心泵真空吸力小，水仍抽不上來。將水缸安放在3 m處，吸程為3 m，水可以抽上來，功率計的讀數(shù)見圖4，從功率計讀得水泵耗功約為1.047 kW。

4.2 組合式離心泵抽水試驗

采用組合式離心泵進(jìn)行試驗，從高6 m處抽水，先啟動旋片式的真空泵，抽取水中2%的空氣，產(chǎn)生真空，此時利用外面的大氣壓強與真空壓力所產(chǎn)生的壓差把水往上吸，大約過了2 min，見水已經(jīng)從6 m的吸程吸上來，此時打開離心式水泵把水排出，它與離心泵單獨工作時的比較圖如圖5所示。采用功率表進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，從9：46開始檢測到10：56結(jié)束，間隔5 min記錄所消耗的功率，共記錄15個數(shù)據(jù)，所獲取的功率與時間變化的曲線圖如圖5所示。從圖5數(shù)據(jù)可以知道，組合式離心泵從吸程為6 m高度所消耗的功率平均為1.270 kW。

圖5 組合式離水泵功率與時間的關(guān)系

5 結(jié) 語

本文從理論上論證了組合式離心泵的可行性，通過離心泵和組合式離心泵進(jìn)行對比試驗。結(jié)果表明：①離心泵能實現(xiàn)抽水，而組合式離心泵也能實現(xiàn)抽水，它與離心泵的工作原理是類似，只是在抽取真空的時候，其采用的是旋片式的真空泵抽取真空，比離心泵抽的真空度效果更好；②組合式離心泵減少了離心泵灌引水的麻煩，提高了泵的自動化程度；③離心泵的吸程是3 m，耗能是1.047 kW，而組合式的離心泵吸程是6 m，消耗功率約1.270 kW，利用組合式的離心泵抽水，可提高水泵吸程高度，從而提高水泵工作效率的目的，為該結(jié)構(gòu)的泵的市場拓展提供試驗依據(jù)。