面積比原理在潛水泵設計中的應用研究

　　潛水泵是應用最廣泛的通用機械,不僅用于工業(yè),還用于廣大農村。隨著(zhù)農村電氣化的發(fā)展,從生活用水到農田灌溉,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計方法。潛水泵的性能主要是由葉輪和導流器兩方面決定的,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流器,如果導流器不適配,不僅降低泵的效率,而且還會(huì )在一定程度上影響泵性能的穩定 。H H Anderson提出了離心泵的面積比原理,指出葉輪出口過(guò)流面積與泵體喉部面積之比是泵揚程、流量、軸功率等參數的主要決定因素。R CWorster首次用數學(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(kāi)始引進(jìn)面積比原理也曾有人運用面積比原理對現有泵進(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計方法,即在保持面積比系數不變的條件下,對同一導流器選配不同的葉輪以獲得不同參數的高效水泵。并通過(guò)試驗研究和數值模擬對該方法進(jìn)行驗證。

1、面積比原理的理論

　　在水泵葉輪設計中,一般假設葉輪進(jìn)口無(wú)預旋,即v_u,1=0,則水泵的基本方程式為:

式中H_T ———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

　　根據葉輪出口速度三角形可知:

　　假設葉輪出口到導流器的喉部這一過(guò)渡區無(wú)任何水力損失, 則有v₂ = v_t , 將式(2)代入式(3)得:

　　葉輪將能量傳遞給液體, 導流器收集從葉輪流出的液體并將液體導出。導流器對液體不增加任何的能量,但影響泵的運行工況點(diǎn)和最高效率點(diǎn)。葉輪與導流器的耦合應遵守液體流動(dòng)的連續性方程,則有:

式中v _t ———導流器喉部水流速度, m/s
　　F_th ———導流器喉部面積, 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(xiě)為:

　　式中Y———面積比系數

　　將式(4)、(6)代入式(1) ,得泵的理論揚程與面積比系數的關(guān)系式為:

　　可見(jiàn),要獲得較高的水泵揚程,應使面積比系數Y≤1。

　　張俊達對166種泵的水力模型面積比系數進(jìn)行了統計和回歸,并繪制出了面積比系數與泵比轉數的關(guān)系曲線(xiàn),得出絕大部分泵的面積比系數Y≤1,進(jìn)一步證明了上述研究結論是正確的。郭自杰推導出了面積比系數與比轉數的近似表達式,并對大量離心泵的面積比系數進(jìn)行了統計,數據表明它們的面積比系數Y≤1。據此,本文提出了在保持面積比系數不變的條件下,對同一導流器通過(guò)選配葉輪來(lái)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對潛水泵性能的影響,用井用潛水泵做試驗。對同一導流器分別選配2種葉輪,在蘭州理工大學(xué)開(kāi)式試驗臺上進(jìn)行測試,試驗時(shí)電動(dòng)機不變只更換泵。為了保證吸入區不發(fā)生氣蝕和漩渦,葉輪在水下有足夠的淹沒(méi)深度。電動(dòng)機的輸入功率采用電測法測定,電動(dòng)機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Y=0.87不變的前提下,重新設計一個(gè)葉輪Ⅱ,將此葉輪裝在該潛水泵的導流器上進(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(diǎn)實(shí)測數據如表1所示。

表1　最佳工況點(diǎn)實(shí)測值

圖1　葉輪出口葉片間面積示意圖2　導流器喉部面積示意

表2　葉輪出口葉片間面積和導流器喉部

　　為了確保試驗數據的可靠性,作者對葉輪出口葉片間的面積和導流器喉部面積進(jìn)行了實(shí)測。圖1、2為葉輪出口葉片間面積和導流器喉部面積的確定方法,表2為實(shí)測結果。從表2中可以看出:兩個(gè)水泵面積比系數稍有偏差,這是由零件加工誤差造成的。在導流器不變的情況下選配不同葉輪,只要保持面積比系數不變,完全可以得到一種高效率的潛水泵。