面積比原理在潛水泵設(shè)計中的應(yīng)用研究
潛水泵是應(yīng)用最廣泛的通用機械,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 。H H Anderson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程、流量、軸功率等參數(shù)的主要決定因素。R CWorster首次用數(shù)學(xué)方法證明了H H Anderson所提出的面積比原理的科學(xué)性 。
我國從20世紀80年代初開始引進面積比原理也曾有人運用面積比原理對現(xiàn)有泵進行分析,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)葉輪進口無預(yù)旋,即vu,1=0,則水泵的基本方程式為:
式中HT ———泵的理論揚程, m
u2 ———葉輪出口圓周速度, m/s
v u, 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:
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:
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:
式中v t ———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:
式中Y———面積比系數(shù)
將式(4)、(6)代入式(1) ,得泵的理論揚程與面積比系數(shù)的關(guān)系式為:
可見,要獲得較高的水泵揚程,應(yīng)使面積比系數(shù)Y≤1。
張俊達對166種泵的水力模型面積比系數(shù)進行了統(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)的近似表達式,并對大量離心泵的面積比系數(shù)進行了統(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)開式試驗臺上進行測試,試驗時電動機不變只更換泵。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。電動機的輸入功率采用電測法測定,電動機效率按銘牌上的效率估算。取250QJ125型潛水泵進行試驗,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
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
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。
