旋殼泵的發(fā)展綜述與應用展望
微小流量高揚程的旋殼泵比高速泵具有更高的性?xún)r(jià)比，介紹了旋殼泵的起源、發(fā)展現狀、結構、工作原理、性能參數及特點(diǎn)，分析了旋殼泵與高速泵的應用優(yōu)勢，及其經(jīng)濟性。而旋殼泵由于其更高的效率、更低的轉速、更平穩的運行特性、更長(cháng)的軸承使用壽命、更低的運行成本，在小流量高揚程的工藝操作條件下，可替代高速泵大量運用于對流體輸送要求較平衡的生產(chǎn)崗位。
引言
旋殼泵是一種采用常規離心泵和航天技術(shù)中沖壓滯止增壓的獨特工作原理的新型小流量單級高壓泵，屬極低比轉數泵。由于旋殼泵技術(shù)引進(jìn)國內較晚，至今在國內工業(yè)領(lǐng)域的應用仍然很少，但是作為一種新型泵產(chǎn)品，在某些工況下代替高速泵具有較好的經(jīng)濟性。
1、旋殼泵技術(shù)的發(fā)展歷史
世界上關(guān)于旋殼泵(皮托泵)的專(zhuān)利是1923 年由F. W. Krogh 首先申請的，他把皮托管的原理推廣應用于泵的設計上，故稱(chēng)皮托泵。20 世紀30 年代，第二次世界大戰爆發(fā)后，德國和英國急需火箭和導彈的燃料泵，但是在當時(shí)可采用的多級離心泵可靠性差；往復泵在高壓下壓力脈動(dòng)強烈，易損件又多，于是科研人員開(kāi)始研發(fā)新型小流量超高揚程泵。研制人員當時(shí)提出了兩種構思的離心泵：一是高速、開(kāi)式葉輪、部分流離心泵方案，發(fā)展成今天的高速泵；另一全新構思是將葉輪與泵殼聯(lián)為一體同步回轉，發(fā)展成今天的旋殼泵。但是旋殼泵在當時(shí)具體實(shí)施起來(lái)還有很多設計障礙，所以該方案未被軍方接受。直到上世紀60 年代，旋殼泵的理論和制造技術(shù)有了重大突破， 在此背景下，到70 年代，美國Kobe 公司生產(chǎn)出了第一臺商用旋殼泵，從此旋殼泵開(kāi)始走向市場(chǎng)，逐漸被人們所接受。目前，國外主要旋殼泵生產(chǎn)廠(chǎng)商及產(chǎn)品是美國Weir 公司Roto-jet Pump和德國Sterling 公司Pitot Tube Pump。
2、旋殼泵的國內發(fā)展現狀
對于國內市場(chǎng)，旋殼泵的發(fā)展基本經(jīng)歷了引進(jìn)—消化吸收—開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的過(guò)程。1987 年，我國第一次引進(jìn)旋殼泵，是在炭黑新工藝改造中用于原料油的輸送。
隨著(zhù)旋殼泵的成功引進(jìn)，國內開(kāi)始對旋殼泵的工作原理、結構特點(diǎn)、水力設計及使用條件等進(jìn)行研究，取得了一些初步成果。1988 年，龍興茂等對旋殼泵作了專(zhuān)題介紹，詳細介紹了旋殼泵結構和原理，列出了系列產(chǎn)品的性能范圍和所用的材料，并說(shuō)明了旋殼泵在小流量高揚程范圍內的發(fā)展前景。董長(cháng)善也專(zhuān)門(mén)對美國貝克休斯公司的旋殼泵進(jìn)行了介紹，詳細列出了貝克休斯公司生產(chǎn)的3 種旋殼泵的主要參數和主要部件的材料。1989 年北京化工機械廠(chǎng)開(kāi)始對旋殼泵進(jìn)行調研和試制，經(jīng)過(guò)他們的實(shí)驗驗證表明，旋殼泵的揚程和功率曲線(xiàn)都比較平緩，效率比高速泵要高6% ~ 8%。2002 年，山東長(cháng)志泵業(yè)有限公司研制的LG-2/130 和RA 一2/130 型管道式旋殼泵，經(jīng)山東�；瘓F等單位長(cháng)期使用證明，運行平穩、可靠，各項性能均達到設計要求。楊軍虎等進(jìn)行了旋殼泵葉輪內的準三元流動(dòng)計算，計算顯示葉片工作面速度先減小后增大，葉片背面速度先增大后減小。旋殼泵作為國內的新泵型，在推廣和使用方面還缺乏經(jīng)驗，針對使用中的問(wèn)題，張宏等介紹了旋噴泵故障的預防和處理措施。鄔國秀等在理論方面對旋殼泵內能量損失及流場(chǎng)進(jìn)行了數值計算，加深了對旋殼泵運行機制的了解。
此后我國多家高校、科研機構和企業(yè)都對此種泵的關(guān)鍵部件集流管和葉輪進(jìn)行了深入研究和試驗，相繼取得了一些國家專(zhuān)利。從那時(shí)開(kāi)始，國產(chǎn)的旋殼泵逐步在炭黑行業(yè)應用，并擴展到食品、煉油和化工等不同行業(yè)。隨著(zhù)各廠(chǎng)家技術(shù)水平的不斷提高，目前國產(chǎn)旋殼泵的效率、可靠性等方面逐漸縮小了與國外品牌的差距，體現出了較好的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢。
3、旋殼泵的技術(shù)特點(diǎn)
3.1、旋殼泵的結構與原理
旋殼泵結構上最主要的特點(diǎn)就是葉輪與轉子腔連在一起構成轉子，在轉子腔內的集流管靜止不動(dòng)，隨著(zhù)轉子的高速旋轉，介質(zhì)不斷從泵的入口吸入，并獲得能量從而具有很高的動(dòng)能，高速介質(zhì)進(jìn)入集流管后發(fā)生能量轉化，動(dòng)能轉化為壓力能，成為平穩的高壓介質(zhì)輸出。旋殼泵的剖面如圖1 所示。
圖1 旋殼泵的剖面圖
旋殼泵具有節能高效的特點(diǎn)，其中主要的原因就是葉輪與轉子腔同步旋轉，介質(zhì)在獲得動(dòng)能的過(guò)程中無(wú)圓盤(pán)摩擦損失，這就使得旋殼泵在效率上比高速泵和多級泵具有優(yōu)勢。旋殼泵另一關(guān)鍵部件就是集流管，集流管的內腔相當于壓水室的擴散管，可把流體的動(dòng)能轉化為高壓能輸出，同時(shí)為了減少繞流阻力的損失，集流管通常被設計成流線(xiàn)型，典型的外形圖見(jiàn)圖2。根據介質(zhì)流量的大小不同，集流管還可以有雙向結構的，見(jiàn)圖3。
圖2 集流管圖片
圖3 雙向集流管圖片
3.2、旋殼泵與離心泵的區別
目前，化工裝置中常規采用的小流量高揚程泵可分為多級泵、高速泵和柱塞泵等高比轉速泵。其中多級泵和高速泵屬葉片式泵中的離心泵，多級泵內有多級葉輪，采用逐級升壓的方式，效率低、結構復雜及密封要求高。而高速泵卻存在轉速高、效率低、可靠性差的問(wèn)題。柱塞泵屬容積泵中的往復式柱塞泵，其缺點(diǎn)是出口壓力脈動(dòng)、體積大、噪聲大。
離心泵液體旋轉而泵體不旋轉，旋轉的液體與泵體之間存在很大的圓盤(pán)摩擦損失。旋殼泵液體與轉鼓同步旋轉，基本上消除了圓盤(pán)摩擦損失，而與液體有相對運動(dòng)的集液管只有很小的面積。離心泵的最大揚程為0.6~0.7v2/g(v 表示泵進(jìn)口處的絕對速度m/s，g 表示重力加速度m/s2)，旋殼泵的最大揚程為0.97 v2/g，旋殼泵揚程回收比離心泵高50%左右。離心泵效率低的原因是葉輪圓盤(pán)摩擦損失顯著(zhù)增大，而旋殼泵不存在圓盤(pán)磨擦損失，也無(wú)蝸殼水力損失，雖然有轉子腔和集水管的水力損失，但其效率仍比同比轉數離心泵高。
3.3、旋殼泵的性能參數
美國Enviro 公司的旋殼泵，僅五種泵型的單級泵就能覆蓋很廣的工作范圍(流量2~160m3/h、揚程不大于1600m)。只要改變皮托管入口直徑、皮托管根數和泵轉速，就能滿(mǎn)足不同流量和揚程的要求，并使泵在高效區運行。
圖4 特性曲線(xiàn)比較圖
流量小于6 m3/h、揚程低于800 m 時(shí)，旋殼泵效率比高速泵高很多，而多級泵可選泵型很少。流量為6~10 m3/h、揚程低于800 m 時(shí)，高速泵的效率僅為旋殼泵的一半，雖然多級泵可選泵型增加，但是效率比旋殼泵低10% ~ 20%。流量為10 ~16 m3/h、揚程低于400 m 時(shí)，旋殼泵效率比多級離心泵效率略高，比高速泵約高10%；揚程為400 ~800 m 時(shí)，旋殼泵比多級離心泵效率存在一定的優(yōu)勢。
3.4、旋殼泵的優(yōu)勢
旋殼泵在某些工況下可以用于替代高速泵或者多級泵，相對而言它有如下優(yōu)勢：
1)適合小流量高揚程輸送，流量<110 m3 / h，揚程<2 000 m，效率比同比轉速的離心泵高；
2)流量揚程特性曲線(xiàn)平滑，在較寬的流量范圍內，揚程變化小，且不存在高速泵的“駝峰”現象；在極小流量(0.5~5 m3/h) 時(shí)流量揚程曲線(xiàn)仍然平穩，它可以在從零流量到設計流量范圍內任一流量點(diǎn)穩定運行。
3)結構簡(jiǎn)單，只有一個(gè)旋轉的殼體和一個(gè)集流管，運動(dòng)部件少，拆裝維護方便，而高速泵和多級泵的結構要復雜很多。
4)整機的易損件只有機械密封，維護費用低。旋殼泵的機械密封設在泵入口，僅承受最大入口壓力，所以機封壽命較長(cháng)。
5)主軸不接觸介質(zhì)，不用考慮其耐蝕性。
6)軸承使用壽命長(cháng)。旋殼泵轉子的徑向力和軸向力較小，且與流量的關(guān)系很小，從根本上克服了高速泵、多級泵的軸向力大，方向不易控制的問(wèn)題，同時(shí)由于結構的原因機封泄漏不會(huì )污染軸承。
7)初次投資費用較低，尤其是不需要增速的旋殼泵價(jià)格優(yōu)勢明顯。
3.5、旋殼泵的劣勢
1)在檢修機械密封時(shí)，需要將進(jìn)、出口側的法蘭拆開(kāi)，對于端進(jìn)端出的泵型需要設置進(jìn)、出口管路的拆卸短節。
2)一般認為，旋殼泵的汽蝕性能較離心泵差，汽蝕的持續發(fā)展會(huì )產(chǎn)生大量氣泡，“堵塞” 葉輪流道，破壞液流連續性。
3)從泵的結構看，檢修時(shí)轉子腔內介質(zhì)的放凈不方便，當泵輸送易燃易爆有毒介質(zhì)時(shí)，這種弊端尤為明顯。但是目前國內已經(jīng)有制造商針對這個(gè)問(wèn)題著(zhù)手設計立式旋殼泵，如果能夠開(kāi)發(fā)成功并解決放凈的問(wèn)題，將會(huì )擴展旋殼泵的使用范圍。
4)旋殼泵不能像離心泵一樣通過(guò)切割葉輪來(lái)改變泵的性能參數，通常采用改變轉速來(lái)改變泵的性能范圍，典型的性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。而在調節轉速的三種方式中，在爆炸危險區不宜采用皮帶輪增速，采用齒輪箱或者變頻增速都會(huì )增加初次投資。
圖5 旋殼泵典型性能曲線(xiàn)
4、旋殼泵的研究與發(fā)展前景
旋殼泵是一種值得推廣的新型極低比轉數泵。國外對它的設計、生產(chǎn)和使用已比較成熟，但對其研究報道極少。國內對旋殼泵的研究開(kāi)發(fā)尚處于起步階段。在以下幾方面尚需進(jìn)一步開(kāi)展工作，使旋殼泵能在國內得到廣泛的推廣應用。
1)旋殼泵內部流動(dòng)的數值模擬。由于該泵結構的特殊性，對其內部流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗研究極其困難。利用數值模擬，有助于了解旋殼泵內部流動(dòng)，對水力設計有參考價(jià)值。一般離心式葉輪內的數值模擬的文章已不少，而復合葉輪內的數值模擬工作，尚未開(kāi)展轉子腔和集流管中的流動(dòng)數值模擬。
2)旋殼泵的設計原理和設計方法研究，目前還很不完善，還有大量工作要做。相比于普通極低比轉數離心泵，兩者的葉輪大體一致，研究也較多。旋殼泵沒(méi)有圓盤(pán)摩擦損失和蝸殼水力損失，而多了轉子腔和集流管的水力損失，因此轉子腔(集水管外部流場(chǎng))和集水管的設計研究尤為重要。
3)旋殼泵的外特性研究。主要是葉輪和集流管有關(guān)幾何參數對泵性能影響的試驗研究和理論分析，為完善旋殼泵的設計方法積累資料。
4)旋殼泵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與推廣應用。在我國石油化工、冶煉、炭黑等行業(yè)引進(jìn)設備中旋殼泵并不少見(jiàn)。在近年的化工設備中亦有用旋殼泵替代部分高壓多級泵和高速泵的成功事例，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為國內自主開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品很少，應用量不大，應加強這方面的工作。
5、結束語(yǔ)
對旋殼泵這一新型泵的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，對高速泵與旋殼泵進(jìn)行了對比，綜合各方面的特點(diǎn)來(lái)看，高速泵結構復雜、維修困難、運行成本高，常用于輸送小流量高揚程的場(chǎng)合，而旋殼泵由于其更高的效率、更低的轉速、更平穩的運行特性、更長(cháng)的軸承使用壽命、更低的運行成本，在小流量高揚程的工藝操作條件下可替代高速泵大量運用于對流體輸送要求較平衡的生產(chǎn)崗位。旋殼泵在小流量高揚程的工況下確有其獨到的優(yōu)勢，建議在更多的工程實(shí)踐中，綜合考慮泵送介質(zhì)的特點(diǎn)、操作檢修情況、效率能耗、安全環(huán)保等多方因素，將旋殼泵作為一種新的選擇。
