（农业工程专业论文）内混式射流自吸离心泵自吸性能的试验研究.pdf

中国农业大学博士学位论文 摘要 摘要 轻小型移动式喷灌机组是我国政府鼓励，支持并优先推广应用的节水灌溉设备之一，国内市 场前景广阔，在东南亚、非洲等发展中国家也有一定市场。离心泵是轻小型移动式喷灌机组的主 要配套部件。使用中需随机组工作位置的不断转换而频繁起动和停止为了减轻操作人员劳动强 度，避免普通离心泵安装底阀带来的水力损失。提高机组效率，轻小型移动式喷灌机组通常都配 套自吸离心泵。自吸离心泵在船舶、市政、电力，矿山、化工等部门也广泛应用 根据水和空气在泵体内混合部位的不同，自吸离心泵通常分为内混式和外混式两种在性能 参数基本相同的条件下，内混式自吸离心泵一般较外混式自吸性能好，效率高到目前为止，国 内外学者对外混式自吸离心泵的自吸性能进行了较多研究，但对内混式自吸离心泵自吸性能的研 究相对较少，仅有的几项研究针对的只是某一种泵的某一单个影响因素。 本文在综述了自吸离心泵的研究进展，阐述了自吸离心泵自吸性能评价指标和影响因素的基 础上，针对。十五”国家8 6 3 计划课题研制的比转数分别为6 l 、7 4 ，7 8 、9 4 和1 1 2 的5 台内混式射 流自吸离心泵，进行了5 0 0 多项次有效试验，探讨了射流装置结构参数，泵内存水量、吸水管内 初始存气量和隔舌间隙等因素对泵自吸性能的影响，推导并初步完善了最大自吸高度预算公式； 探讨了内混式射流自吸离心泵在不同自吸高度下自吸时问的计算方法，得出了自吸性能曲线。 本试验研究取得主要成果和结论如下。 ( 1 ) 在国内外首次对内混式，尤其是内混式射流自吸离心泵的自吸性能进行了较系统，全 面的研究取得的研究成果，对于内混式射流自吸离心泵射流装置最佳结构参数的确定、泵的结 构设计和水力设计。以及进一步提高该类泵的自吸性能具有较重要的理论意义和实用价值 ( 2 ) 对于内混式射流自吸离心泵，射流嘴最佳出口截面积与泵额定流量有关，额定流量越大， 最佳出口截面积也越大，最佳出口截面积随额定流量呈指数关系变化；射流嘴收缩角为2 0 0 , , 3 0 0 时自吸性能最佳l 射流嘴最佳长度应保证工作段长度为初始段长度的5 0 左右 ( 3 ) 对于内混式射流自吸离心泵，能够实现自吸的最小储水量等于以秒计的泵额定流量的 0 2 7 0 6 2 倍，额定流量大的泵取小值，额定流量小的泵取大值 ( 4 ) 内混式射流自吸离心泵的自吸时间总体上随吸水管内初始存气量的增加成线性递增， 泵的额定流量越小，受吸水管内初始存气量的影响越大，自吸时间递增得也越快；最大自吸高度 与吸水管内的初始存气量无关，而是由泵的水力设计和结构设计所决定。最大自吸高度的预算总 体上可采用外混式自吸离心泵的预算公式，但公式中的系数七应根据本研究得出的方法和数值选 取 ( 5 ) 对于内混式射流自吸离心泵，当隔舌问隙在1 6 哪之间变化时，隔舌间隙越小，自吸 性能越好，但隔舌间隙增加到6 m m 时，并未发生不能自吸的现象；泵的额定流量越大，隅舌间隙 对其自吸性能的影响越大；隔舌间隙对自吸时问的影响可以用线性关系表示 ( 6 ) 提出的自吸时间计算方法比较简单，仅需自吸离心泵在一种自吸高度下的试验结果， 即可得出该泵在各种自吸高度下的自吸性能曲线，可节省常规方法所需的大量人力和财力 关键词：内混式；射流；自吸离心泵；自吸性能 n 中国农业大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a so f 擗o ft h ew 毗郎s 吖i l i g 枷g 越i 优ie q u i p m e n t s , w h i c ha 他蛐a g e d s 唧掣m e dt oa p p l yi n c h i n ab yg o v e r n m e n t , l i g h t - r e m o v a b l es p r i n v a i n gm a c h i n eh a sa b r i g h tf u t u r ei nh o m em a r k e t ，a sw e l l 罄i n $ o f f l cd e v e l o p i n gc o u n t r i e so f s o u t h e a s ta s i am i da f r i c a s e l f - p d m i n g i i t l h g a ip u m pi sam a i n m p o n e i i to f l i g h t - r e m o v a b l es p r i i l l 【a i n gm a c h i n e i tn o to n l yw a su s e di ni r r i g a t i o n , b u ta l s ow i d e l y i ns h i p p i n g , m u n i c i p a la 喀主f l r i l l 舀e l e c t r i cp o w e r , m i j l j n ga n dc h e m i c a la 培m 她a n ds oo i l a c c o r d i n gt od i f f e r tp o s i t i o nw h e 他w a t e rw a sm i x e dw i t ha i ri np m n pb o 奴s e l f - p r i m i n g c e i n r i f u g a ip u m pw a su s u a l l yc a t e g o r i z e di n t ot w ot y p e s ：i n n e rr e c i r c u l a t i o ns e l f - p r i m i n gm l t r i f u g a l p u m p ( 噶p c p ) a n do l r c tr e c i m d a t i o ns e l f - p r i m i n gc e n t r i f u g a lp u m p ( o r s p c p ) g e n e r a l l y , 舾 s p e c i f i c a t i o n si st h es a m er o u g h l y ，s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yo fi s r p c pi sb e t t e rt h a n i s r p c eb yf a r , s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ei sd e e p l ys t u d i e db ym a n yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s ， b u t , af e wo ft h e s er e s e a r c h i n gc o n c e r n e dw i t hi r s p c p o n l yaf e wr e s e a r c h e sa i m e d 越j u s to l 砖 i n f l u e n c ef a c t o ro f ac e r t a i ni r s p c e t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h er s e a r c h i n ga d v a n c eo fs e l f - p r i m i n gc e n t r i f u g a lp m p , a n a l y z e dt h e e v a l u a t i o ni n d e xa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e ，a i m e da t5i n n e rr e c i r c u l a t i o n j e t - f l o ws e l f - p r i m i n g n t r i f u g a ip u m p s ( i r j f s p c p ) t h a ts p e c i f i cs p e e dw e r e6 1 7 4 , 7 8 , 9 4 a n d l l 2 r e s p e c t i v e l y , m o l et h a n5 0 0t i m e as e l f - p r i m i n gp e r f o r m a 栅t e s tw e l ec a n i e do n s o m ef a c t o r s , s u c h 够 j e t - f l o wd e v i c e 捌n l c 嘛p a r a m e t e r , w a t e rs t o r a g ec a p a c i t y , i n i t i a la i rv o l u m ei n s i d es u c t i o np i p ea n d s e p a r a t i o nt o n g u eg a p , a f f e c ts e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e t h e s ei n f l u e n c e sw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r c a l c u l a t i o nf o r m u l aw h i c hc e s t i m a t et h em a x i m u ms e l f - p r i m i n gh e i g h tw a sd e r i v e d s e l f - p r i m i n g t i m ec a l c u l a t i o nm e t h o do f i r j f s p c po l ld i f f e r e n ts e l f - p r i m i n ge i g h tw a s g i v e n a i l ds e l f - p r i m i n gc u r v e w a so b t a i n e d c o a c l u s i o mo f t h i ss t u d ya n 鹤f o l l o w s ( 1 ) t h ep a p e rs t u d i e ds e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c eo fi r j f s p c et h i ss t u d yi ss y s t e m a t i c a l l ya n d c e m p r e h e n s i v e l y , a n di sf i r s tt i m ei nt h ew o r l d t h es t u d yi so fg r e a tt h e o m i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u eo nc o n f i r m i n gt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f j e t - f l o wd e v i c e , o ni m p r o v i n gt h e 鲥n 尬n 删 d e s i g n a n d h y d r a u l i c d e s i g n , e n d o l l i m p r o v i n g t h e 博咖g 详：f l b f m 眦o f i r j f s p c p c 2 ) t h eo p t i m a lo u t l e ts e c t i n l la r e aw a sr e l a t i o n a lw i t hr a t ef l o wo f 口r j f s p c er a t ef l o wo fi s m o f fb i g ；o p t i m a lo u t l e ts e c t i o nm e ai sm o r eg r e a tt h eo p t i m a lo u t l e ts l = c t i o nm e ac h a n g ew i t ht h er a t e f l o wb ye x p o n e n t i a l w h e nt h ec o n ea n g t eo f j e t - n o z z l ew a s2 0 0 - 3 0 0 , t h es e l f - p r i m i n gi x r f o r m a n c ei s o p t i m a l t h eb e s tl e n g t ho f j e t - n o z z l es h o u l d 蜘g mt h a tw o r ks e g m e n ti s5 0 o fb e g i n n i n gl e n g t ho f j e t - f l o wr o u g h l y ( 3 ) m i nw a t e rs t o r a g ec a p a c i t yt h a t 锄f u l f i l ls e l f - p r i m i n gw a se q m dt o0 2 7 - 0 6 2t i m e so f r a t e f l o wa c c o u n t e dw i t hs e c o n d t h eb i g g e rr a t ef l o wi s 。f i l es m a l l e rm u l t i p l ei s ( 4 ) s e l f - p r i m m gt i m eo fi r j f s p c pb a s i c a l l yi si n c r e a s i n gb yl i n e a rw i t hi n i t i a lq u a n t i t yo fa i r m 中国农业大学博士学位论文 a b s t r a c t i i i i i 一 i 地ms u c t i o np i p e s 1 1 碡s m a l l e rr a t ef l o wi s ；t h eg r e a t e ri n f l u e n c ei sb yi n i t i u iq u a n t i t yo fa i r , a n d s e l f - p n m i n gt i m ei n c r e a s ea l s om o r eq u i c k e r m a xs e l f - p r i m i n gh e i g h ti sn o ti n t e r r e l a t e dw i t ht h ei n i t i a l q u a n t i t yo f a i r , a n di sr e l a t e dw i t h 剐玎扯n 叫a n dh y d r a u l i cd e s i g n ( 5 ) e s t i m a t i o no fi r j f s p c pn l a xs e l f - p d m i n gh e i g h tc a na d o p tt h ee s t i m a t e df o r m u l ao f o r s p c p ，b u tt h ec o e f f i c i e n tkm u s tb er e c o n f m n a da c c o r d i n gt ot h ew a yp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 6 ) f o r i r f f s i c p , w h e n s e p a r a t i o n t o 聃g u e g a p j sl 6 l m n t h e m o 他s m a l l 粥争醴珊主i o n t o n g u e g a p , t h em o r eg o o ds e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ea n dt h em o r es m a l lr a t ef l o w , t h em o r eg r e a t e ri n f l u e n c eo n s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e ( 7 ) i nt h ep a p t h ec a l c u l a t i o nw a yo fs e r f - p r i m i n gt i m ei ss i m p l e o n l yo n et i m et e s t 砒o n e h e i g h t , 辩l 州m i l i gp e r f o r m a n c ea u n 吧a ta n yh e i g h t so a nh eo b t a i r l c d 1 1 l cw a yi sm o l ee c o n o m i c a l k e y w o r d s ：i n n e rr e c i r c u l a t i o n ，j e t - f l o w ，s e l f - p r i m i n gp u m p ，s e l f - p r 蛐p e r f o r m a n c e i v 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 僦燧引秒 帆训引，月枷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： ( 募哆盔 时间： 2 呻6 年j ，月订日 导师签名：莺彳巷乏乌 时间：细彳年，1 月咖 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 1 引言 第一章绪论 轻小型移动式喷灌机组是我国喷灌设备( 机具) 中的主要机型之一在目前和今后一段时间 内，轻小型移动式喷灌机组仍是符合国家技术和产业发展政策，具有广阔市场应用前景的灌溉设 备之一，在东南亚，非洲等发展中国家也有一定的市场u ， 离心泵是轻小型移动式喷灌机组的主要配套部件。由于机组经常移动，配套水泵需要频繁起 停普通离心泵需要安装底阀，且不具备自吸能力，每次启动前要向吸水管和泵体内灌满水，如 果底阀密封不严或损坏，就会给使用带来麻烦，显然不符合轻小型移动式喷灌机组的配套要求 为了减轻操作人员的劳动强度，避免底阀带来的水力损失。提高工作效率，轻小型移动式喷灌机 组需要配套自吸离心泵。 根据国家标准喷灌机械名词术语 ( g b6 9 5 6 - - 8 6 ) ，自吸离心泵简称自吸泵，其进水管 不设底阀，泵体结构加以改变，使之停车后能储存一部分水，起动时通过空气和水的混合与离析， 逐步将进水管内空气排出，脱气的水经过回流通道返回泵内适当的位置并重复上述过程，从而达 到自吸充水目的的离心泵 自吸离心泵与普通离心泵相比，由于具有自吸功能，因此应用广泛，不仅用于农业灌溉，还 广泛应用于船舶、市政、电力、矿山，化工等部门 1 2 自吸离心泵的种类与对比 1 2 1 自吸离心泵的种类 自吸离心泵的种类很多，到目前为止，关于自吸离心泵分类的详细论述还没有发表许多文 献。“都把自吸离心泵分为内混式和外混式两种。根据当前自吸离心泵的种类，综合文献对自吸 离心泵的分类自吸离心泵可分为两大类：气液混合式和强自吸式，如图l 一1 所示 圈卜- 1自吸离心泵的分类 气液混合式是将离心泵的泵体加以改进，使之具有自吸功能。根据水和空气混合的部位不同， 气液混合式自吸离心泵又分为内混式和外混式两种 1 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 内混式自吸离心泵的工作原理如图1 - - 2 ，泵起动前，泵体内灌入适量的水，泵起动后，在叶 轮离心力的作用下，吸水管内的空气与泵体中的水混合并被捧到气水分离室在气水分离室，比 重较轻的气体从水中分离出去，并从泵的出口捧出。脱气后的水经过回流阀返回到泵的叶轮进口， 继续与空气混合，经过反复循环，直到将吸水管和泵内的空气捧尽在吸水管内空气被不断排出 的同时，在叶轮进口产生一定的真空，进水管下端的水在大气压的作用下向上移动，直到自吸离 心泵能连续输水为止，回流阀关闭，泵就完成了自吸过程而进行正常工作 在进入正常工作阶段，内混式自吸离心泵的回流阀必须完全关闭。如果回流阀没关闭或关闭 不严，回流会继续存在，这将大大降低泵的容积效率。此时叶轮的流量大大超过泵的流量。而泵 的外特性表现出扬程下降，功率增加目前，用于回流关闭的机构主要有弹簧平板阀、弹性橡胶 阀和球阀。其中，由于结构简单，球阀是使用最多的一种自吸阶段，由于回流阀进出口的压差 小，作用在阀球上的力小于阀球的重力，阀球落下正常工作时，回流阀进出口的压差增大，将 阀球推向阀座，从而关闭回流阀。 田1 - - 2 内魂式自曩膏心莱的工作原理 i 储水室l2 回流髑；3 泵体；4 进口接头l5 气水分离室i 6 出口接头l7 叶轮；8 轴承体l9 轴l1 0 联轴器 外混式自吸离心泵的工作原理如图1 - - 3 外混式自吸离心泵的自吸过程和内混式相似，所不 同之处是循环水经开在泵体下部蜗壳侧壁的回流孔进入叶轮外缘，在叶轮的外缘进行气水混合 正常工作时。回流孔通常不关闭，因此，正常输水的效率比内混式自吸离心泵低。 强自吸式是给普通离心泵附加一个抽真空装置，利用这些装置排出吸水管和泵体内的空气， 达到自吸上水的目的。这些装置有的只在自吸过程中使用，离心泵正常工作时，将其停止工作， 有的在自吸离心泵正常工作时仍然工作，并能够产生一定的扬程。根据附加的抽真空装置的形式， 强自吸式主要有水环轮式自吸离心泵，旋涡式自吸离心泵，内燃机捧气式自吸离心泵，射流泵式 自吸离心泵。手动泵式自吸离心泵等” 2 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 田1 - - 3 井曩式自暇膏心泵的工作曩理 1 回流孔l2 储水室l3 泵体；t 进口接头# 5 气水分离室 6 出口接头l7 叶轮；& 轴承体；9 轴；l o 联轴嚣 1 2 2 自吸离心泵的对比 几种自吸离心泵性能比较如表1 - - 1 所示 寰1 1 自暇膏心曩自曩方式的比较 带有附加抽真空装置的强自吸式自吸离心泵自吸可靠，但结构比较复杂；气液混合式自吸离 心泵的结构相对比较简单，随着技术和生产工艺的改进，气液混合式自吸离心泵的可靠性也在不 断提高由于气液混合式自吸离心泵的结构比较简单。因此，在生产实际中应用较多。特别是内 混式自吸离心泵，由于比外混式自吸离心泵自吸性能好，正常输水时效率高，越来越成为自吸离 心泵的主导产品 1 3 国内外自吸离心泵产品开发及技术研究进展 1 3 1 自吸离心泵产品开发进展 国内外自吸离心泵产品的开发情况如下”一“ 从研制时间来看，德国是世界上最早研究开发自吸离心泵的国家之一，德国的西门子公司早 3 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 在1 9 1 7 年就研制出了自吸离心泵日本自从2 0 世纪3 0 年代年开始研制自吸离心泵，但是直到5 睥 代初期，研制的自吸离心泵才在市场上大量出现 从品种规格来看，日本生产的自吸离心泵品种规格较多，其自吸离心泵最大口径可达3 0 0 m m ， 如日本寺田制作所的e p l l 型自吸离心泵，德国d l a 公司的s z 3 0 0 k 型自吸离心泵，其口径皆为 3 0 0 m m 日本近年还制造出了一种结构新颖的p 型自吸离心泵，泵壳内按相反方向安装着两个叶 轮，两个叶轮之间的流体通道是靠一个特殊的导叶来完成的，两个叶轮装向相反轴向力完全平 衡，运转平稳，效率较高。 从产品的材料来看，国外自吸离心泵的泵体大多数采用铝合金材料例如某公司从日本全套 引进的8 0 ( 5 0 ) q z b 通用水泵的部分部件是由铝合金材料压铸而成国外大多数自吸离心泵，在 强度因素足够的情况下，大多数采用聚丙烯等有机材料注塑及模压而成形。例如澳大利亚生产的 d y n a p r i m ex 2 0 1 系列自吸离心泵以及j e t p l u s 系列自吸离心泵的叶轮和泵体等部件铝合金 材科比较轻盈，便于移动，同时由于是采用压铸工艺。外形美观，表面光洁。 从产品性能来看，国外比较注重自吸离心泵的自吸时间和自吸高度。目前，国外一些发达国 家研制生产的自吸离心泵在自吸时间、自吸高度和可靠性等方面独有见长，泵的效率也普遍略高 于我国。英国新研制了一种新型自吸离心泵，它的特点是自吸离心泵的气水分离室从泵的吸人口 侧移到泵的后面从而减少了由于进口扰流而引起的摩擦损失，提高了泵的吸程和缩短了自吸时 间。国外自吸离心泵多采用内、外混双层蜗壳结构，以卧式为主，在结构中大多数没有采用关闭 回流孔结构，汽水分离室较大，叶轮以半开式居多，泵进口大多数装有拍门( 逆止阀) ，采用机 械密封。 国外生产自吸吸离心泵的典型企业及其主要产品如表1 - - 2 所示 寰1 2 目外自暇膏心豪生产企韭硬其主羹代囊产品 日本加藤s p i a 1 0 01 3 02 03 4 5 07 585 07 6 我国自吸离心泵的发展经历了3 个阶段2 0 世纪6 0 年代开始研制，7 0 年代开始推广，该阶段 研制的自吸离心泵多数以外混式自吸离心泵为主，自吸性能差另外，由于自吸离心泵正常工作 时不堵回流孔，所以泵的效率偏低 2 0 世纪舳年代，农机部下达任务研制的5 0 b p z ，6 5 b p z ，8 0 b p z 等8 种型号的白吸离心泵这些 自吸离心泵均为内混式自吸离心泵，并采用球阀自动关闭回流孔，自吸性能和泵效率等性能参数 大幅提高。 2 0 世纪9 0 年代，为了适应节水灌溉的需要，自吸离心泵又得到了进一步发展和完善。一是在 内混式的基础上增加了射流装置，进一步提高了白吸性能；二是配套功率由原来的3 0 o k w 扩展到1 8 1 5 0 k w ，配套动力机的类型除了电动机和柴油机外，还增加了汽油机和拖拉机；三 是规格增多，进口直径由原来的5 0 m m 8 0 m m r 展至4 0 m m 1 0 0 m m ，流量最大可达1 0 0 m 3 h ；四 4 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 是外型更加合理。 1 3 2 自吸离心泵技术研究进展 国内外学者对自吸离心泵进行了大量的研究，研究的主要内容集中在自吸时问的计算、回流 孔的面积和位置、储液室容积、隔舌间隙等几个方面 ( 1 ) 自吸时间的计算的研究 关于自吸时间的计算，许多学者都进行过研究。范宗霖”“于1 9 8 7 年2 0 0 4 年曾多次发表论 文对外混式自吸离心泵的自吸时间的计算方法进行了论述。他通过分析自吸时吸水管内气体运 动的物理过程，利用理想气体的热力学方程和可压缩理想一元不定常流动方程，推导出外混式自 吸离心泵不含水平管段的自吸时间计算公式： r = 桕2 岛r 坐訾d h c t d 式中 岛泵起动瞬间吸水管内空气的压力； 凰一自吸高度； r 抽气速率； j r 吸水管内液面上升的高度； 伊一吸水管内径 p 旷_ ? 凰时吸水管内空气的密度。 式( 1 一1 ) 是在假设自吸过程中抽气速率不变的情况下得出的。实际上式中的h 和口在自吸过 程中都是是不断变化的，要想利用该式计算某一自吸高度时的自吸时间，首先需要通过试验获得 g 曲线。而口和h 的获得要远比自吸时间的直接测试复杂得多因此，式( 1 一1 ) 还不能直接用 来计算自吸离心泵的自吸时间。 赵雪华，徐语，雷桥嗍等于1 9 9 6 年在6 5 【z 4 0 型立式自吸离心泵研究的基础上，利用流体力学、 热力学、气体动力学方程和能量不变方程推导了自吸时间的计算公式： ( 嚣一( 鬻( 1 - - 2 ) p也y ( p ) 如q ( d 式中 烈p ) 泵内空气体积流量5 y ( 户) 噘水管内的空气体积； 尸l 噘水管内的绝对压力。 式( 1 - - 2 ) 中q ( p ) 实质上也是式( 1 - - 1 ) 中的g ，即抽气速率。仍然不能用分析的方法预先 算出，需用试验方法确定 ( 2 ) 回流孔面积和位置的研究 回流孔是外混式自吸离心泵特有的结构，回流孔通常设在叶轮外缘涡壳下部的蜗壳壁上储 液室内的液体是通过回流孔参与气液混合的，经气液混合、分离后的液体，再次通过回流孔回流 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 参与气液混合。经过反复循环，完成自吸过程回流量的多少，与回流孔的面积有关回流孔的 面积小，回流的液体不足以满足气液混合的需要；回流孔的面积过大，回流的液体多，气液混合 后的部分液体来不及分离，便会从捧气孔或泵出口排除，致使泵内液体减少。回流孔的面积过大 或过小均会影响自吸性能。陈茂庆和吴卫东( 1 9 9 8 ) ”、钟明和李劲松( 1 9 9 8 ) ”、张兴( 2 0 0 4 ) ，仪群( 1 9 9 2 ) 等都不同程度地对回流孔进行了大量研究。如回流孔对自吸时间的影响，回 流孔面积对白吸高度的影响等其中，陈茂庆的研究较多。他通过对回流孔面积和位置对自吸离 心泵自吸性能影响的研究，推导出回流孔面积与自吸时间的关系式，回流孔面积与自吸高度的关 系式和临界回流孔面积的计算公式，并指出回流孔的位置在离隔舌1 3 5 2 2 5 。的范围内时均能 取得较好的自吸性能。 ( 3 ) 储液室容积的研究 根据自吸离心泵工作条件和特点，自吸离心泵储液室容积是指泵进水口最低点以下的泵体容 积。如果泵在停机时没有因虹吸作用而使泵内的液体倒吸回水源，储液室容积也即停机后泵内储 存的液体的体积以仪群“”为主，研究了储液室容积对自吸性能的影响他通过对国产的2 9 个 自吸离心泵进行了统计，并结合理论分析得出了不同比转数的自吸离心泵储液室容积( 以l 计) 与泵的设计流量( 以l s 计) 之闻的关系：当比转数m 5 0 时，储液室容积与泵的设计流量之比均 大于l ，当比转数5 0 n s 2 5 0 对，储液室容积与泵的设计流量之比均小于1 储液室容积的大小基本上是随比转数的增大而成 曲线递减的。这些研究成果虽然主要是对已有l a 吸离心泵进行试验和统计得出的，但对自吸离心 泵设计阶段储液室容积的确定仍然具有一定的指导意义。 ( 4 ) 隔舌间隙的研究 关于隔舌间隙对自吸离心泵自吸性能的影响，许多学者从不同的角度做过许多研究骆大章， 刘善琨，窦以松( 1 9 8 0 ) 等”进行了研究，指出隔舌间隙的论述：双层泵壳外混式自吸离心泵的 。刮舌”与叶轮的间隙以0 5 1 o m 合适。试验证明l 当这间隙超过上述范围时，自吸性能降 低，即自吸时间变长而最大自吸高度降低。间隙超过3 m 时水泵的最大自吸高度不超过3 m ，而且 自吸时问大大延长 仪群，刘一声( 1 9 9 1 ) 等”1 针对5 0 c y z - 1 5 0 - i i 型外混式双级自吸离心泵进行了研究，提出 对外混式双级自吸离心泵隔舌间隙为0 5 m m 。 颜和平( 1 9 9 6 ) 对隔舌间隙的论述：内混式自吸离心泵，其气水混合物是在叶轮流道内完 成的，故对隔舌间隙的要求不象外混式那样严格通过本泵的单项试验研究，证明隔舌间隙在 0 5 2 m 范围内，对白吸性能没有影响；间隙超过2 m ，则使气水混合物在隔舌间隙的回流量增 大，自吸时间稍有延长；间隙过小，则大流量时产生汽蚀和噪音，兼顾隔舌磨损和汽蚀问题，本 泵的隔舌间隙取1 1 。 陈茂庆”( 1 9 9 6 ) 发表论文指出l 隔舌间隙小，自吸时间短，但对最大自吸高度影响极小 隔舌间隙的调整对自吸性能的提高是有限的，并且还要制造精度的限制。1 9 9 8 年又发表论文 指出；叶轮与泵体隔舌间隙的大小，对自吸性能影响极大从自吸性能而言，叶轮与泵体隔舌间 隙越小越好。这是因为自吸阶段，在高速旋转叶轮作用下。促使储液室内液体与泵体及进口管路 空气混合，在叶轮外圆形成气液混合物，经泵体隔舌时被刮下间隙越小，则每次刮下的气液混合 6 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 物就越多，从而捧出的气体就多，自吸性能就好但最小间隙受制造精度的限制。叶轮与泵体隔 舌问隙大，则影响自吸性能，甚至不能达到自吸的目的。通常，叶轮与泵体隔舌的间隙取0 5 1 o 为佳。 2 0 0 2 年，郭晓梅。杨敏官，王春林“”在论文中论述到：对外混式自吸离心泵，隔舌间隙过大。 会发生气水混合物在蜗壳内再循环的现象，大部分气水混合物未被刮到蜗壳的压出室中去，使自 吸时间延长对内混式自吸离心泵，隔舌间隙的要求就不是特别严格 2 0 0 2 年。沙毅。杨敏官”等在论文中指出自吸性能不是隔舌间隙越小越好，对于5 0 z b 3 5 - - 2 9 型自吸离心泵，当隔舌间隙为2 5 m 时，自吸性能最佳，隔舌间隙为4 5 呻时，自吸性能显著 下降 2 0 0 5 年，沙毅，施卫东，康灿等在论文中对隔舌间隙的论述：叶轮外圆与隔舌间隙越小。 吸程越大泵效率和吸入性能均是在间隙2 5 m e 情况下为最佳。 此外，何希杰，颜春万。尚淑君等”1 对隔舌间隙对离心泵性能的影响也进行了不同程度的研 究 综上所述，内混式自吸离心泵以结构简单，自吸性能好、正常输水时效率高等优点，越来越 多地在生产实际中广泛应用但是，关于自吸离心泵自吸性能的研究大都是针对外混式自吸离心 泵进行的而内混式自吸离心泵与外混式自吸离心泵在结构和原理上都有一定的区别前人研究 的结果不能完全适用于内混式自吸离心泵 到目前为止，关于内混式自吸离心泵研究，特别是内混式射流自吸离心泵的研究所见文献不 多。沙毅、张文涛”1 等通过3 个出口截面积不同的回流嘴在同一台内混式自吸离心泵上进行了试 验，表明回流嘴的出口直径存在最佳值；叶惠明在同一台泵上用6 种不同尺寸的自吸回流装置进 行了数值模拟和试验研究”1 ，得出的结论与文献 4 6 基本相同这些研究都是针对一个型号的自 吸离心泵进行的且自吸装置的规格少，研究结果不具有很强的普遍性。 1 4 主要研究内容 本文以。十五”国家8 6 3 计划课题研制的与轻小型移动式喷灌机组配套的内混式射流自吸离 心泵为研究对象，以泵的自吸性能为研究中心，开展了射流自吸装置的结构参数和自吸离心泵的 结构参数对自吸性能的影响，以及极限真空度的试验研究在试验研究的基础上，探讨了内混式 射流自吸离心泵自吸时间的计算方法和自吸性能曲线的确定方法。具体研究内容如下t ( 1 ) 通过试验，研究射流嘴出口截面积、收缩角和射流嘴长度等结构参数对内混式射流自 吸离心泵自吸性能的影响。 ( 2 ) 通过试验，研究储水室的容积，吸水管内空气的存量，叶轮与泵体问的隔舌间隙等泵 体的结构参数对内混式射流自吸离心泵自吸性能的影响。 ( 3 ) 通过试验，研究吸水管内空气的存量对最大自吸高度的影响：探讨最大自吸高度的计 算方法 ( 4 ) 在试验研究的基础上，从射流的卷吸作用出发，推导内混式射流自吸离心泵抽气速率 的计算公式；探讨内混式射流自吸离心泵自吸时间的计算方法和自吸性能曲线的确定方法 7 中罔农业大学博士学位论文 第二章自吸离心泵自吸性能的评价指标与自吸性能曲线 第二章自吸离心泵自吸性能的评价指标与自吸性能曲线 2 1 自吸性能的评价指标 自吸离心泵的工作过程主要包括自吸阶段和输水阶段，所以在使用、评价及描述自吸离心泵 的性能时，除了流量、扬程、汽蚀余量、功率和效率等普通离心泵的性能指标外，还需要增加自 吸性能方面的指标。自吸性能通常是用规定试验条件下的自吸时问和最大自吸高度来衡量的 自吸时间是指在规定的试验条件下，泵从起动开始连续运转到泵出口开始连续输出液体所需 的时间试验条件通常是指自吸高度，即从静止液面到叶轮轴线的几何高度，如图2 1 所示在 规定的自吸高度下，自吸时间越短，说明自吸离心泵的自吸性能越好。 圈2 - - ! 白暇高度的确定 1 吸水管# 2 自吸离心泵l3 电动机 最大自吸高度是指泵能否实现自吸的临界自吸高度，即自吸高度超过最大自吸高度就不能实 现自吸，最大自吸高度表征了自吸离心泵排出空气的能力，也有人用最大吸程和吸水管内极限真 空度来描述最大自吸高度越大，泵的自吸能力越强 设计一台自吸离心泵时不仅要考虑普通离心泵的性能指标，还应考虑它在规定自吸高度下的 自吸时间和能够实现的最大白吸高度，检验和评价自吸离心泵的性能时也应给出自吸性能的指 标可是目前的自吸离心泵设计理论中，几乎没有关于自吸时间的设计方法，更没有办法预知 自吸离心泵所能实现的最大自吸高度。同样，在检测和评价一台自吸离心泵时也很少提供自吸性 能指标。原因之一是人们还没有对自吸性能给予足够的重视；之二是在常规的水泵性能试验台上 无法进行自吸性能的试验 2 2 自吸性能曲线 根据机械行业标准白吸离心泵自吸性能试验方法( j b t6 6 6 4 3 - - 1 9 9 3 ) ，测定自吸性 能曲线时，将被试水泵安装在水面到最大自吸高度问至少6 个不同的自吸高度上。进行自吸时间 的测定，以自吸时间为横坐标自吸高度为纵坐标绘制的曲线确定为被试自吸离心泵的自吸性能 8 中国农业大学博士学位论文第二章自吸离心泵自吸性能的评价指标与自吸性能曲线 _ i i i 量皇量曹一 曲线。如图2 2 所示该曲线包含了规定自吸高度下的自吸时间和能够实现的最大自吸高度，同 时还描绘了最大自吸高度以下任意高度时的自吸时问，直观地描述了自吸离心泵的自吸性能 6 08 01 0 0 r ( 曲 田2 2 自暇膏b 泵自暇性麓曲线的一矗形式 。目前，国外大多数自吸离心泵生产厂商除了向用户提供日一办_ 一办一办和朋咯研一q 等描述自吸离心泵正常输水特性的曲线外，还提供表示白吸离心泵自吸性能的h s z - - t f l 吸性能曲 线，供用户选型时参考。在我国很少有生产商提供自吸性能曲线，原因主要有三个。一是国内的 生产商或用户甚至是科研人员对自吸性能还没有给予足够的重视；二是由于无法预知最大自吸高 度，需要在最大自吸高度附近进行反复试验，而许多生产商不具备自吸高度方便可调的试验条件， 同时受即时大气压的影响，给试验带来一定的难度；三是还没有一个简便而又精确的自吸时间计 算方法 9 o o o o o o o 8 6 2 o ( 1 5 。 中国农业大学博士学位论文 第兰章内混式射流自吸离心泵自吸性能的影响因素 皇_ i i 第三章内混式射流自吸离心泵自吸性能的影响因素 3 1 内混式射流自吸离心泵工作原理 由于自吸离心泵的种类很多，不同的类型采用的自吸方式或自吸装置也不同对于采用不同 自吸方式的自吸离心泵，其自吸性能的影响因素也不同鉴于本文选取的研究对象是内混式射流 自吸离心泵，因此主要分析内混式射流自吸离心泵自吸性能的影响因素。首先分析一下内混式射 流自吸离心泵的结构和工作原理。 3 1 1 内混式射流自吸离心泵的结构 如图3 - 1 所示，为内混式射流自吸离心泵的结构原理图。主要由回流阀( 包括阀球、回流管、 射流嘴等) ，泵体，叶轮、轴承体、轴等组成进口流道呈反s 型。射流嘴位于进水流道的下部， 与叶轮处于同一轴线。 圈3 - - 1i * j 混式射麓白吸膏心泵结枸募理田 1 闻球；乞回流管；3 射流嘴；4 象体i5 进口接头6 加水短管 7 出口接头l8 叶轮l9 轴1 0 轴承体# 1 1 连轴器 中国农业大学博士学位论文第三章内摁式射流自吸离心泵自吸性能的影响因素 3 1 2 射流自吸的机理 内混式射流自吸离心泵是在叶轮的进口前增设了射流装置。射流装置主要由射流嘴、回流管 和球阀等组成水泵首次启动前，向泵体内注满水，停机时会自动存留一部分水，待下次启动时 使用水泵启动后即进入自吸状态，在叶轮高速旋转的离心力作用下，叶轮出口处混有气体的水 以强大的动能进入压水室，混合的气体从压水室捧出，水从压水室返回泵腔。同时，泵腔内的部 分水高速流入射流装置的射流嘴( 泵腔内是高压区。泵吸入口是低压区) 当射流从射流嘴射出， 流入周围静止的流体中时，具有一定流速的射流离开射流嘴出口边界后，与周围静止的空气之问 形成一个速度不连续的间断面。这个间断面是不稳定的，面上波动发展便形成了旋涡。旋涡造成 了强烈的紊动，所以射流边界上的流体与其相邻周界处静止的空气发生掺混，其结果是射流将其 部分动量传递给周围静止的空气，这部分原来静止的空气便因获得能量而被射流携带，两者掺混 在一起共同向前运动，这就是射流的卷吸作用，射流的卷吸( e | 衄如删斌) 作用，也称挟掺。由 于射流嘴形成的高速射流使叶轮进口处的真空度加大，并在射流卷吸作用下，增加了空气和水的 混合混有气体的低压水被吸入叶轮，在叶