提出了一種基于面積比原理的水泵設(shè)計方法。即在保持面積比系數(shù)不變的條件下,對同一導(dǎo)流器選配不同的葉輪,以獲得不同參數(shù)的高效水泵。
潛水泵是應(yīng)用最廣泛的通用機(jī)械,不僅用于工業(yè),還用于廣大農(nóng)村。隨著農(nóng)村電氣化的發(fā)展,從生活用水到農(nóng)田灌溉,潛水泵已成為必不可少的工具。它的使用量大面廣,為了擴(kuò)大使用范圍,本文提出一種基于面積比原理的水泵設(shè)計方法。潛水泵的性能主要是由葉輪和導(dǎo)流器兩方面決定的,高效率的泵不但要求高效的葉輪,而且還需要與葉輪良好匹配的導(dǎo)流器,如果導(dǎo)流器不適配,不僅降低泵的效率,而且還會在一定程度上影響泵性能的穩(wěn)定。HHAnderson提出了離心泵的面積比原理,指出葉輪出口過流面積與泵體喉部面積之比是泵揚(yáng)程、流量、軸功率等參數(shù)的主要決定因素。RCWorster首次用數(shù)學(xué)方法證明了HHAnderson所提出的面積比原理的科學(xué)性。
我國從20世紀(jì)80年代初開始引進(jìn)面積比原理也曾有人運(yùn)用面積比原理對現(xiàn)有泵進(jìn)行分析,但研究工作還不夠深入,為此,本文提出一種基于面積比原理的水泵設(shè)計方法,即在保持面積比系數(shù)不變的條件下,對同一導(dǎo)流器選配不同的葉輪以獲得不同參數(shù)的高效水泵。并通過試驗研究和數(shù)值模擬對該方法進(jìn)行驗證。
1、面積比原理的理論
在水泵葉輪設(shè)計中,一般假設(shè)葉輪進(jìn)口無預(yù)旋,即vu,1=0,則水泵的基本方程式為:
方程式1
式中HT———泵的理論揚(yáng)程,m
u2———葉輪出口圓周速度,m/s
vu,2———葉輪出口水流絕對速度的圓周分量,m/s
根據(jù)葉輪出口速度三角形可知:
方程式2，3
假設(shè)葉輪出口到導(dǎo)流器的喉部這一過渡區(qū)無任何水力損失,則有v2=vt,將式(2)代入式(3)得:
方程式4
葉輪將能量傳遞給液體,導(dǎo)流器收集從葉輪流出的液體并將液體導(dǎo)出。導(dǎo)流器對液體不增加任何的能量,但影響泵的運(yùn)行工況點和最高效率點。葉輪與導(dǎo)流器的耦合應(yīng)遵守液體流動的連續(xù)性方程,則有:
方程式5
式中vt———導(dǎo)流器喉部水流速度,m/s
Fth———導(dǎo)流器喉部面積,mm2
ω2———葉輪出口葉片間的相對速度,m/s
F2———葉輪出口葉片間面積,mm2
將式(5)改寫為:
方程式6
式中Y———面積比系數(shù)
將式(4)、(6)代入式(1),得泵的理論揚(yáng)程與面積比系數(shù)的關(guān)系式為:
方程式7
可見,要獲得較高的水泵揚(yáng)程,應(yīng)使面積比系數(shù)Y≤1。
張俊達(dá)對166種泵的水力模型面積比系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計和回歸,并繪制出了面積比系數(shù)與泵比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系曲線,得出絕大部分泵的面積比系數(shù)Y≤1,進(jìn)一步證明了上述研究結(jié)論是正確的。郭自杰推導(dǎo)出了面積比系數(shù)與比轉(zhuǎn)數(shù)的近似表達(dá)式,并對大量離心泵的面積比系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計,數(shù)據(jù)表明它們的面積比系數(shù)Y≤1。據(jù)此,本文提出了在保持面積比系數(shù)不變的條件下,對同一導(dǎo)流器通過選配葉輪來獲得高效水泵。
2、測試裝置與試驗研究
為了研究面積比系數(shù)對潛水泵性能的影響,用井用潛水泵做試驗。對同一導(dǎo)流器分別選配2種葉輪,在蘭州理工大學(xué)開式試驗臺上進(jìn)行測試,試驗時電動機(jī)不變只更換泵。為了保證吸入?yún)^(qū)不發(fā)生氣蝕和漩渦,葉輪在水下有足夠的淹沒深度。電動機(jī)的輸入功率采用電測法測定,電動機(jī)效率按銘牌上的效率估算。取250QJ125型潛水泵進(jìn)行試驗,在保持導(dǎo)流器喉部面積與葉輪出口葉片間的面積之比即面積比系數(shù)Y=0.87不變的前提下,重新設(shè)計一個葉輪Ⅱ,將此葉輪裝在該潛水泵的導(dǎo)流器上進(jìn)行試驗。選配2種不同葉輪的潛水泵,它們各自的最佳工況點實測數(shù)據(jù)如表1所示。
表1最佳工況點實測值
表1 最佳工況點實測值
圖1葉輪出口葉片間面積示意圖2導(dǎo)流器喉部面積示意
圖1 葉輪出口葉片間面積示意圖
表2葉輪出口葉片間面積和導(dǎo)流器喉部
表2葉輪出口葉片間面積和導(dǎo)流器喉部
表2 葉輪出口葉片間面積和導(dǎo)流器喉部
為了確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性,作者對葉輪出口葉片間的面積和導(dǎo)流器喉部面積進(jìn)行了實測。圖1、2為葉輪出口葉片間面積和導(dǎo)流器喉部面積的確定方法,表2為實測結(jié)果。從表2中可以看出:兩個水泵面積比系數(shù)稍有偏差,這是由零件加工誤差造成的。在導(dǎo)流器不變的情況下選配不同葉輪,只要保持面積比系數(shù)不變,完全可以得到一種高效率的潛水泵。