旋渦泵的性能和應(yīng)用

　　1旋渦泵的性能和應(yīng)用

　　旋渦泵雖屬于葉片泵的范疇，但其工作過程，結(jié)構(gòu)以及特性曲線的形狀等均與離心泵和其他類型泵相差較大。旋渦泵在工作過程中，由于葉輪轉(zhuǎn)動，造成葉輪內(nèi)和流道內(nèi)的液體都有圓周方向的運(yùn)動，因而就產(chǎn)生了離心力，葉輪內(nèi)液體的圓周速度大于流道內(nèi)液體的圓周速度，即葉輪內(nèi)液體的離心力大，故形成軸向和徑向旋渦，旋渦泵由此得名。

　　旋渦泵與尺寸，轉(zhuǎn)速相同的離心泵相比，其揚(yáng)程要高3～9倍。單葉輪可以取得4～17kg/cm2壓力，兩級葉輪高壓力可達(dá)到30kg/cm2。大部分旋渦泵均具有自吸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)氣液混輸，這對于抽送含有氣體的易揮發(fā)的液體和氣化壓力很高的高溫液體具有重要的意義。旋渦泵具有陡降的特性曲線，其揚(yáng)程的變化對流量的影響比離心泵小，因此，對系統(tǒng)中的壓力波動不敏感。但是旋渦泵的效率較低，其抗汽蝕性能較離心泵差。旋渦泵只能用來輸送純凈介質(zhì)，當(dāng)液體中含有雜質(zhì)時，就會因摩擦引起軸向和徑向間隙增大，導(dǎo)致容積效率和流量的降低，從而降低泵的性能。旋渦泵與柱塞泵相比，在運(yùn)行中不產(chǎn)生壓力脈動，在小流量范圍內(nèi)也無需像離心泵那樣打回流。

　　由于旋渦泵有很多其他類型泵所不具有的優(yōu)點，所以在國民經(jīng)濟(jì)的許多部門也得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如在化學(xué)工業(yè)中輸送酸，堿及其他腐蝕性液體，要求具有小流量，高揚(yáng)程，較慢的化學(xué)反應(yīng)速度和較高的耐腐蝕性；在機(jī)場，汽車配油站中，加油車，油罐車和固定分配裝置用來抽送易揮發(fā)性的液體（汽油，煤油和酒精）；用于小功率的可移動式洗滌設(shè)備上和農(nóng)業(yè)供水設(shè)備中。旋渦泵也可作為消防泵，鍋爐給水泵，船舶供水泵和一般增壓泵使用。

　　2國內(nèi)外對旋渦泵的研究狀況

　　2.1旋渦泵的工作原理

　　第1個進(jìn)行旋渦泵研究工作的是德國科學(xué)家里臺爾（1930年），研究做出了下述工作過程的假說：流道中的液體在轉(zhuǎn)動，在每一液體質(zhì)點上均作用有離心力，而在葉輪內(nèi)液體上所作用的離心力要比流道中液體上所作用的離心力大，因為流道中液體的圓周速度比葉輪中慢，由于離心力不同，引起了液體的圓環(huán)形運(yùn)動（稱為縱向旋渦）。液體依靠縱向旋渦在流道內(nèi)流經(jīng)葉輪好幾次，每經(jīng)過1次葉輪，揚(yáng)程就增加1次。因此，旋渦泵的揚(yáng)程高于離心泵的揚(yáng)程。

　　里臺爾的假說是對旋渦泵工作原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，后人把旋渦理論發(fā)展成為縱向旋渦加徑向旋渦理論。

　　另外，有日本學(xué)者認(rèn)為，旋渦泵的工作過程是依靠葉輪的粗糙表面，對流道內(nèi)的流體作相對運(yùn)動引起的摩擦剪切應(yīng)力實現(xiàn)的。葉輪外緣"粗糙度"越大，作用于液體的摩擦力越大，泵揚(yáng)程越高。徑向小葉片與流道內(nèi)的液體相對運(yùn)動產(chǎn)生紊流摩擦力，從而把原動機(jī)的能量傳遞給流道內(nèi)的液體。葉輪上的葉片在流道內(nèi)多次重復(fù)產(chǎn)生較大紊流摩擦力，因此旋渦泵具有較高的揚(yáng)程<3>，故旋渦泵也稱為摩擦泵。

　　2.3旋渦泵的設(shè)計理論

　　由于旋渦泵內(nèi)部流動的復(fù)雜性和理論的不完善，目前還沒有的理論設(shè)計方法，通常采用相似換算法，經(jīng)驗統(tǒng)計計算法和經(jīng)驗系數(shù)計算法。

　　20世紀(jì)60年代有學(xué)者提出旋渦泵H～Q揚(yáng)程流量特性曲線比較接近于線性關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)旋渦泵的佳流量與流道面積成正比關(guān)系。1977年學(xué)者Dyaminov等提出了屏蔽式旋渦泵的設(shè)計方法。1988年有國外學(xué)者提出單輪雙級旋渦泵，這對于提高旋渦泵的汽蝕性能以及綜合性能有理論意義。

　　單輪雙級旋渦泵結(jié)構(gòu)由于旋渦泵的揚(yáng)程隨流量增加而下降較快，且揚(yáng)程系數(shù)比離心泵要高很多，因此旋渦泵的工作范圍很小。針對旋渦泵的工作范圍較小等問題，有學(xué)者提出并研制了高速旋渦泵，解決了以上問題。高速旋渦泵揚(yáng)程可以達(dá)到200m以上，這樣也增加了旋渦泵的應(yīng)用范圍。與容易產(chǎn)生正斜率上升段的離心泵特性曲線相疊加，所得到的高速旋渦泵的特性曲線不會存在正斜率上升段，這樣高速旋渦泵就根本不存在小流量不穩(wěn)定性等問題。

　　對旋渦泵和高速旋渦泵的設(shè)計進(jìn)行了大量研究，建立了以效率和工作范圍為主線的小流量旋渦泵的理論設(shè)計方法，通過實驗分析，表明較大的流道面積可以拓寬泵的工作范圍，較大的徑向間隙和軸向單邊間隙會降低泵的揚(yáng)程和效率，并且研制了軸向入口旋渦泵。浙江理工大學(xué)的謝鵬<9>采用加大流量法對小流量高揚(yáng)程離心旋渦泵進(jìn)行了水力設(shè)計，提高了樣泵的抗汽蝕性能。合肥通用機(jī)械研究院的陳世亮<10>設(shè)計了屏蔽式旋渦泵并進(jìn)行了試驗研究，屏蔽式旋渦泵沒有泄漏，運(yùn)行平穩(wěn)，增加了旋渦泵的應(yīng)用范圍。

　　2.4旋渦泵的內(nèi)部流動

　　20世紀(jì)40年代以后，在里臺爾假說的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者開始進(jìn)一步探索旋渦泵內(nèi)部流動的理論，得到了多個描述旋渦泵內(nèi)部流動的理論模型。1954年，學(xué)者Senoo<11>從旋渦泵內(nèi)部的湍流摩擦力方面進(jìn)行了研究，提出了湍流混合模型。在這個理論模型中，Senoo把旋渦泵葉輪中的流動看作是庫艾特-泊肅葉流動。1955年，學(xué)者Iverson<12>對徑向葉片葉輪的旋渦泵內(nèi)部流動進(jìn)行研究，提出了一個湍流模型。他根據(jù)葉輪作用在液體上的剪應(yīng)力來分析旋渦泵的性能，并通過實驗分析來確定模型中的剪切系數(shù)。但是以上兩位學(xué)者的理論模型并不能直接解釋旋渦泵中的旋渦流動。學(xué)者Wilson<13>和他的研究小組在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了動量交換理論，從而能夠很好地解釋旋渦泵中的旋渦流動。學(xué)者Dewitt<14>和Mason<15>應(yīng)用這個理論分析了旋渦泵的性能。

　　韓國學(xué)者J.W.Song<16>認(rèn)為現(xiàn)在大多數(shù)理論只能應(yīng)用于旋渦泵內(nèi)流動充分發(fā)展的區(qū)域，然而在流動充分發(fā)展區(qū)域前有一個流動的發(fā)展區(qū)域，這個區(qū)域?qū)π郎u泵的性能有很大的影響。他建立了一個應(yīng)用于流動發(fā)展區(qū)域內(nèi)的理論，并通過實驗來分析了這個區(qū)域?qū)Ρ眯阅艿挠绊懀�得出增加泵進(jìn)口處流道的面積可以提高泵的揚(yáng)程和效率，并且可以提高泵的汽蝕性能。

　　在國內(nèi)，由于我國的旋渦泵研究起步較晚，對內(nèi)部流動理論方面的研究至今還很少。

　　隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)CFD（Compu2 tationalFluidDynamics）自20世紀(jì)60年代中期已形成一門獨立的科學(xué)分支，成為研究流體運(yùn)動規(guī)律，解決很多工程實際問題的三大手段（理論，實驗，計算）之一。

　　國內(nèi)外已有學(xué)者采用CFD軟件對旋渦泵內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并取得了一定成果。Song采用Fluent軟件對不同流道截面面積的旋渦泵內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實驗研究得出，當(dāng)流道截面面積增大時，葉輪和流道中的液體所受到離心力的差值也變大，從而使傳遞能量的縱向旋渦快速增強(qiáng)，使揚(yáng)程增大。江蘇大學(xué)的董穎等人通過對不同流道截面形狀的旋渦泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，分析了旋渦泵的內(nèi)部流動狀況，驗證了流道截面形狀對旋渦泵內(nèi)部流動的影響，證實了縱向旋渦和徑向旋渦的存在。

　　2.5旋渦泵的實驗研究

　　由于旋渦泵流道和葉輪的多樣性，系統(tǒng)地針對全部類型旋渦泵進(jìn)行實驗研究是個工作量巨大的工程，所以國內(nèi)外學(xué)者對旋渦泵的實驗研究都是針對某一方面展開的，主要是通過對影響旋渦泵性能的過流部件進(jìn)行研究，以得到較為理想的設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方法。

　　英國學(xué)者Crewdson<19>對旋渦泵葉片的造型作了系統(tǒng)實驗，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片受壓面（正面）的出口角約為135°，同時把吸力面（背面）的葉片邊倒圓，使其形成尖的葉片##時，泵的效率可達(dá)到50，比普通葉片造型的旋渦泵高出了許多。韓國提出了一個新的理論模型，并根據(jù)此模型設(shè)計了一種帶扭曲葉片的葉輪，明顯提高了旋渦泵的揚(yáng)程和效率。

　　在國內(nèi)，江蘇大學(xué)的沙毅<21>等通過分析旋渦泵葉輪葉片數(shù)，泵體流道面積對泵性能影響的對比實驗，闡述了泵幾何參數(shù)對泵性能影響的變化規(guī)律，并利用數(shù)值分析方法擬合出葉輪直徑D，葉片數(shù)Z和流道面積A的經(jīng)驗系數(shù)水力計算公式。鄭州大學(xué)的張明成<22>等通過對旋渦泵中葉輪與泵體間動壓場的研究，并根據(jù)側(cè)隙泄漏量和功率損耗量得到了葉輪與泵體之間的佳間隙取值范圍。

　　3研究方向及發(fā)展趨勢

　　（1）在設(shè)計計算方面，針對旋渦泵特殊工作原理以及多種結(jié)構(gòu)型式，對影響旋渦泵性能的過流部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高泵的效率，完善泵的理論設(shè)計方法。

　�。�2）在理論分析方面，進(jìn)一步深入研究CFD技術(shù)，建立符合旋渦泵內(nèi)部流動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行模擬計算旋渦泵的工作過程。

　　（3）在實驗研究方面，采用PIV，LDV，PU，PDV等先進(jìn)測試技術(shù)對旋流泵內(nèi)部流動進(jìn)行測試和分析，揭示其內(nèi)部流動的規(guī)律，為理論研究提供可靠的實驗依據(jù)。

　�。�4）系統(tǒng)研究各過流部件對泵性能的影響及泵內(nèi)各種損失，提高旋渦泵的效率，為設(shè)計理論提供依據(jù)。

　�。�5）開發(fā)新型旋渦泵結(jié)構(gòu)和葉輪型式，例如單輪雙級旋渦泵，半開型葉輪，將旋渦泵與離心葉輪組合成多級泵（離心旋渦泵）等，都可以提高旋渦泵的汽蝕性能，拓寬其工作范圍和應(yīng)用范圍�！�