本發(fā)明涉及一種外混式自吸離心泵。
背景技術:
外混式自吸泵屬于離心泵的一種,因其良好的自吸性能和工作穩(wěn)定性,廣泛地應用于農業(yè)排灌、市政排污、石化冶金和食品化工等領域。與普通離心泵相比,自吸泵泵體上有回流孔結構。回流孔可以保證自吸泵啟動時,將液體回流引入蝸殼,使氣液得到充分混合,葉輪做功將氣液混合排出蝸殼進入氣液分離室,氣體沿出口管排出,比重較大的液體則下沉到分離室底部,經回流孔再次回到蝸殼,與氣體混合,如此循環(huán)直到排盡吸入管道內的氣體,從而實現自吸。
但是,當自吸泵正常工作以后,泵體上回流孔的回流作用嚴重影響蝸殼內的流動狀態(tài),在回流孔的回流與葉輪-蝸殼動靜干涉的綜合作用下,蝸殼內的流動更為復雜。經回流孔回流到蝸殼內的液體破壞了蝸殼內均勻對稱流動結構,使蝸殼橫截面內產生隨時間周期變化的單側旋渦結構,不僅造成蝸殼內水力損失增大,還會誘發(fā)嚴重的壓力脈動,引發(fā)機組振動和噪聲。并且,由于其單側回流對葉輪的沖擊,葉輪軸向力會顯著增大,嚴重降低軸承的使用壽命,同時使葉輪發(fā)生軸向竄動,很有可能造成葉輪口環(huán)磨損。
技術實現要素:
為解決以上技術缺陷,本發(fā)明提出一種外混式自吸離心泵泵體結構,使蝸殼兩側對稱回流,可改善蝸殼內的流動狀態(tài),使蝸殼內產生相對穩(wěn)定的對稱于葉輪中截面的流動結構,從而降低水力損失,減小壓力脈動,并且對稱回流引起的葉輪軸向力可相互抵消,從而大大提高自吸泵運轉的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明的技術方案是:
一種外混式自吸離心泵,豎直設置的離心泵包括左側的泵體和右側的泵蓋,泵體設置在水平的泵支架上,泵體上設有進水的吸水室和排水的泵出口,泵體內設有葉輪、蝸殼和氣液分離室,且葉輪設置在蝸殼內;泵軸貫穿泵蓋,泵軸的左端延伸至蝸殼內,葉輪固定在泵軸的左端上,泵軸的右端與電機的輸出軸相連;吸水室與葉輪的入口相連通,葉輪的出口與蝸殼入口相連通,蝸殼的出口與氣液分離室相連通,氣液分離室通過泵出口向外排液、排氣;
所述蝸殼上開有第一回流孔和第二回流孔,第一回流孔和第二回流孔分別位于葉輪中截面對稱的兩側;蝸殼內腔通過第一回流孔與氣液分離室的右側連通,蝸殼內腔依次通過第二回流孔、泵蓋通孔、導流管、排水孔與氣液分離室的左側連通,泵蓋通孔開設在泵蓋上,排水孔開設在氣液分離室上;第一回流孔的右端開口與蝸殼內腔相連,第二回流孔的左端開口與蝸殼內腔相連,且第一回流孔的右端開口與葉輪中截面之間的距離和第二回流孔的左端開口與葉輪中截面之間的距離相等;所述的葉輪中截面指的是葉輪沿軸向的中心處所在的橫截面;第一回流孔的橫截面和第二回流孔的橫截面的形狀均為橢圓形。
以第一回流孔的右端開口所在的橫截面的圓心為第一圓心,以第二回流孔的左端開口所在的橫截面的圓心為第二圓心,定義第一圓心和第二圓心的連線為回流孔位置線,則回流孔位置線的中點位于葉輪中截面所在的平面上,定義所述中點所在的葉輪中截面的徑向為位置徑向,則第一回流孔橫截面的短軸所在方向和第二回流孔橫截面的短軸所在方向均與所述位置徑向相平行。
進一步,所述吸水室沿豎直方向呈S形,吸水室的入口通過吸入管道與外界水源連通,吸水室的出口與葉輪的入口連通,吸水室入口處橫截面的中軸線高于蝸殼的出口。
進一步,第一回流孔、第二回流孔、泵蓋通孔和排水孔的橫截面的圓心在同一水平線上,以忽略位能的影響。
進一步,所述泵出口的中軸線與蝸殼出口的中軸線相重合。
進一步,隔舌與回流孔位置線沿葉輪旋轉方向的夾角θ為3.3~3.8rad。
進一步,第一回流孔橫截面的短軸的長度是長軸長度的40%~60%,第二回流孔的橫截面的短軸的長度是長軸長度的40%~60%。
本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明兩側對稱回流,改變了蝸殼內隨時間周期變化的非對稱流動結構,兩側對稱回流使蝸殼內的流動結構趨于對稱,極大程度的改善蝸殼內流動狀態(tài),尤其減少了蝸殼內的旋渦流動結構,降低水力損失。
2.本發(fā)明兩側對稱回流,使蝸殼內的壓力分布更加均勻,同時改善了蝸殼斷面內的隨時間周期變化的非對稱二次流,可降低壓力脈動,提高泵運行穩(wěn)定性。
3.本發(fā)明兩側對稱回流,沖擊葉輪所造成的葉輪軸向力可相互抵消,與現有技術的葉輪軸向力相比大大降低,可減小對軸承和機械密封的影響,增加其使用壽命,同時避免葉輪軸向竄動所帶來的危害。
4本發(fā)明采用導流管的方式引流,使用方便,成本低廉,在達到對稱回流目的的同時并沒有增加泵體結構的復雜程度,不會增加其鑄造難度。
5.本發(fā)明通過吸水室進口與蝸殼出口保證一定高度差的方式,省去進口單向閥的安裝,既降低了成本,又可提高泵的外特性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的剖視圖。
圖2為圖1中B處結構放大示意圖。
圖3為圖1中C處結構放大示意圖。
圖4為第一回流孔位置形狀示意圖。
圖5為本發(fā)明的等軸側視圖。
圖6a為現有技術的外混式自吸離心泵在回流孔處蝸殼斷面流線圖;
圖6b為本發(fā)明在第一回流孔和第二回流孔處蝸殼的斷面流線圖。
圖7為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明在回流孔處蝸殼內壓力脈動時域對比圖,圖中的縱軸Cp為壓力脈動的無量綱量。
圖8為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明在回流孔處蝸殼內壓力脈動頻域對比圖,圖中的縱軸Cp為壓力脈動的無量綱量。
圖9為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明的葉輪軸向力對比圖。
圖中:1-泵體,2-吸水室,3-蝸殼,4-葉輪,5-平鍵,6-葉輪螺母,7-氣液分離室(儲液室),8-第二回流孔二,9-第一回流孔,10-導流管,11-泵支架,12-排氣孔,13-泵出口,14-蝸殼出口,15-泵蓋,16-第一螺栓,18-第二螺栓,21-第三螺栓,19-前軸承壓蓋,20-后軸承壓蓋,22-泵軸,23-后排軸承,24、25-前排軸承,26-橡膠圈,27-機械密封,28-泵蓋通孔,29-連接頭,30-緊固螺母,31-墊圈,32-隔舌。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
如圖所示,一種外混式自吸離心泵,豎直設置的離心泵包括左側的泵體1和右側的泵蓋15,泵體1設置在水平的泵支架11上,泵體1上設有進水的吸水室2和排水的泵出口13,泵體1內設有葉輪4、蝸殼3和氣液分離室7,且葉輪4設置在蝸殼3內;泵軸22貫穿泵蓋15,泵軸22的左端延伸至蝸殼3內,葉輪4固定在泵軸22的左端上,泵軸22的右端與電機的輸出軸相連;吸水室2與葉輪4的入口相連通,葉輪4的出口與蝸殼3入口相連通,蝸殼3的出口與氣液分離室7相連通,氣液分離室7通過泵出口13向外排液;
所述蝸殼3上開有第一回流孔9和第二回流孔8,第一回流孔9和第二回流孔8分別位于葉輪中截面對稱的兩側;蝸殼3內腔通過第一回流孔9與氣液分離室7的右側連通,蝸殼3內腔依次通過第二回流孔8、泵蓋通孔28、導流管10、排水孔與氣液分離室7的左側連通,泵蓋通孔28開設在泵蓋15上,排水孔開設在氣液分離室7上;第一回
流孔9的右端開口與蝸殼3內腔相連,第二回流孔8的左端開口與蝸殼3內腔相連,且第一回流孔9的右端開口與葉輪中截面之間的距離和第二回流孔8的左端開口與葉輪中截面之間的距離相等;所述的葉輪中截面指的是葉輪3沿軸向的中心處所在的橫截面;第一回流孔9的橫截面和第二回流孔8的橫截面的形狀均為橢圓形。
以第一回流孔9的右端開口所在的橫截面的圓心為第一圓心,以第二回流孔8的左端開口所在的橫截面的圓心為第二圓心,定義第一圓心和第二圓心的連線為回流孔位置線,則回流孔位置線的中點位于葉輪中截面所在的平面上,定義所述中點所在的葉輪中截面的徑向為位置徑向,則第一回流孔9橫截面的短軸所在方向和第二回流孔8橫截面的短軸所在方向均與所述位置徑向相平行。
第一回流孔9橫截面的短軸所在方向和第二回流孔8橫截面的短軸與位置徑向相平行,可以減小第一回流孔9和二回流孔8開孔對蝸殼3帶來的應力集中,也可減小回流對蝸殼3內主流的影響。
第一回流孔9橫截面的短軸的長度是長軸長度的40%~60%,第二回流孔8的橫截面的短軸的長度是長軸長度的40%~60%。以此控制短軸方向的長度范圍,若第一回流孔9和第二回流孔8均沿其橫截面短軸方向尺寸過大,會使第一回流孔9和第二回流孔8處蝸殼橫截面內較大區(qū)域受到影響,增大水力損失。
隔舌與回流孔位置線沿葉輪旋轉方向的夾角θ為3.3~3.8rad,回流孔中心在此范圍內時泵的自吸性能最好。
所述吸水室2沿豎直方向呈S形,吸水室2的入口通過吸入管道與外界水源連通,吸水室2的出口與葉輪4的入口連通,吸水室2入口處橫截面的中軸線高于蝸殼14的出口。
第一回流孔9、第二回流孔8、泵蓋通孔28和排水孔的橫截面的圓心在同一水平線上,以忽略位能的影響。
所述泵出口13的中軸線與蝸殼14出口的中軸線相重合,以保證液體順利流出泵外,減小水力損失。
本發(fā)明兩側對稱設置第一回流孔和第二回流孔,改變了蝸殼3內隨時間周期變化的非對稱流動結構,兩側對稱回流使蝸殼內的流動結構趨于對稱,極大程度的改善蝸殼內流動狀態(tài),尤其減少了蝸殼內的旋渦流動結構,降低水力損失。尤其是當兩側對稱回流量相等時,對稱回流效果更加明顯。
但由于導流管10在引流過程中存在一定的能量損失,為保證第一回流孔9和第二回流孔8的回流量相同,第二回流孔的橫截面的面積要略小于第一回流孔的橫截面的面積,且當第一回流孔9的橫截面面積Ak1和第二回流孔的橫截面的面積Ak2分別滿足下式時:
能保證第一回流孔9和第二回流孔8的回流量完全相同,式中n為自吸泵的額定轉速,單位為r/min;D2為葉輪外徑,單位為m;Qd為自吸泵的流量,單位為m3/h;d為導流管的直徑,單位為m;d≈1.2dk1,dk1為第一回流孔9的當量直徑;L為導流管10的長度,單位為m;δ為第二回流孔8的軸向長度,單位為m;θ為隔舌沿葉輪旋轉方向到回流孔中心的弧度,取值范圍3.3~3.8rad;λ為導流管沿程阻力系數。
由于水流在導流管10內會存在能量損失,第二回流孔8的橫截面積Ak2并不能直接等于第一回流孔9的橫截面積Ak1,若要求得Ak2,首先要算出導流管10導致的能量損失,以通過能量守恒及質量守恒定律求取Ak2和Ak1。定義靠近第一回流孔9和第二回流孔8處的液壓為側壓力,定義靠近第一回流孔9或第二回流孔8處的液體平均流速為側速度,則氣液分離室7內側壓力為P1,液分離室7內側速度為v1;蝸殼內側壓力為Pv,蝸殼內側速度為vv;第一回流孔9內的液體平均流速為vk1。首先對第一回流孔9兩側列伯努利方程如下:
其中,ξ1是第一回流孔9的阻力系數,ρ為液體的密度,g=9.8N/kg。
根據第一回流孔的橫截面積Ak1及其形狀確定導流管10直徑d,取d=1.2dk1,dk1為第一回流孔9的當量直徑,導流管長度L根據泵體的尺寸確定。設導流管10內液體平均流速為v,第二回流孔內液體平均流速為vk2,第二回流孔的當量直徑dk2。對導流管10進口和第二回流孔8出口列伯努利方程(定義導流管與泵蓋通孔相連的一端為導流管進口,定義第二回流孔與泵蓋通孔相連的一端為第二回流孔出口):
其中,ξ2為導流管出口與泵蓋通孔28連接處的阻力系數;ξ3為第二回流孔8出口阻力系數;λ為導流管沿程阻力系數;由于此時dk2未知,解方程(2)相當復雜,考慮到dk2與d尺寸相近,故近似地取dk2=d。
設第一回流孔9和第二回流孔8的回流量相等,由質量守恒有:
vk1·Ak1=vk2·Ak2 (3)
由第一回流孔9處流速vk1、導流管10直徑d和導流管10內液體粘性系數計算出雷諾數,再根據雷諾數大小查閱莫迪圖可以得到導流管10內沿程阻力系數λ,查詢流體手冊中的局部阻力系數表得到:ξ1=0.06,ξ2=0.07,ξ3=1,將公式(1)(2)代入公式(3)后,并根據壓力從隔舌到回流孔處的線性增長規(guī)律,再將ξ1=0.06,ξ2=0.07,ξ3=1帶入解得:
現有技術(參見文獻:儀群.外混式自吸泵回流孔面積的預算及參數的確定.《排灌機械工程學報》,1992,第1期,1~5頁)中公開的回流孔計算公式為:
Ak=(0.95~2.54)(n/Q)2/3 (4)
但是公式(4)僅適用于計算設置單一回流孔的情況,且0.95~2.54的取值范圍相差也較大,并且未考慮幾何參數D2的影響。本發(fā)明設有第一回流孔9和第二回流孔8兩個回流孔,公式(4)并不適用。
因此,需要在公式(4)的基礎上對該公式進行修正,調整相關系數,得出可以準確計算第一回流孔9的橫截面積的公式。其中,第一回流孔面積大小Ak1主要與參數D2、Qd和n相關,經過量綱分析以及各個參數影響權重計算可知,Ak1主要與參數D2、Qd和n相關,經過量綱分析以及各個參數影響權重計算,Ak1與n-0.62、成正比,當第一回流孔9的橫截面積時,第一回流孔9在保證本發(fā)明工作時的流量和效率前提下,還能滿足自吸性能和自吸高度。
本發(fā)明在工作時,導流管10的作用是給第二回流孔8引流,改善蝸殼內流動狀態(tài);停泵以后需要排水或拆裝檢修時,卸下導流管10與泵蓋15的連接,即可排液。
泵蓋15不僅僅起到了傳統泵蓋的密封作用,其上設置的泵蓋通孔28可聯通導流管與第二回流孔8。在制作時要為泵蓋通孔28預留第一凸臺,同樣所述泵體1與泵蓋15配合處要預留第二凸臺,第二回流孔8在第二凸臺處打通。
所述軸承體17與泵蓋15固連,軸承體17與泵蓋15配合的定位尺寸不能過大,要給泵蓋通孔28預留空間余量。
所述泵體1與泵蓋15通過第一螺栓16相連,泵蓋15和軸承體17通過第二螺栓18相連;葉輪4設在蝸殼3內,所述葉輪4通過平鍵5和葉輪螺母6固連在泵軸22的左端;所述機械密封27設在葉輪4與泵蓋15之間,所述機械密封27固連在泵軸22上;所述軸承體17內設有前排軸承24、25和后排軸承23,所述前排軸承24、25和后排軸承23分別固定在泵軸22軸肩兩側;所述前軸承壓蓋19和后軸承壓蓋20通過第三螺栓21固定在軸承體17上,泵軸22上穿插有葉輪4、機械密封27、泵蓋15、前軸承壓蓋19、后軸承壓蓋20、前排軸承23、24和后排軸承25,所述泵軸22右端通過聯軸器與電機相連。所述吸水室2的進口不用安裝單向閥,吸水室入口處橫截面的中軸線比蝸殼出口14高出20mm~30mm,目的在于在不安裝單向閥的情況下,停泵時氣液分離室7內可以儲有足夠高的液位,再次啟動本發(fā)明時也可順利達到自吸要求,避免單向閥的損失,提高泵的性能。
所述導流管10選用防暴連接管,其強度大且可彎折的特性方便操作,導流管10的左端與泵體1上的排水孔相連,導流管10的右端與泵蓋15上的泵蓋通孔28相連,導流管10與排水孔、導流管10與泵蓋通孔28連接的方式相同,以導流管10與排水孔連接為例,連接方式為:導流管10通過接頭29與排水孔相連,接頭29為雙外絲接頭,接頭29右端與泵體1以螺紋M22×1.5配合,并對接頭29內圓出口處進行倒角,以減小水力損失;接頭29的左端與導流管10的緊固螺母30以螺紋M24×1.5配合,且接口處加墊圈31防止泄露,緊固螺母30與接頭29擰緊即可將導流管10與接頭29壓緊,如圖3所示。
由于吸水室2的入口與蝸殼出口14保證了一定的高度差,每次停機時液體倒流不充分,泵體1內可以儲存足夠量的液體,供下次啟動使用。初次啟動前,需向泵體1內注入足夠量的液體,起動電機,通過泵軸22帶動葉輪4旋轉,高速旋轉的葉輪4對其內部液體做功,液體受離心力沿葉輪4出口流入蝸殼3,并且與氣體混合形成泡沫帶狀氣液混合物,氣液混合物經蝸殼3擴散段減速增壓并排出到氣液分離室7。此時,由于空間突然增大,流速驟降,相對密度小的氣體從水中逸出沿泵出口13排出泵外,而相對密度較大的液體受重力作用落到氣液分離室7底部,經對稱設置的第一回流孔9和第二回流孔8回流到蝸殼3內,再次與氣體混合。隨著上述過程周而復始的循環(huán),越來越多的氣體排出,吸水室2內的真空度不斷增大,被輸送液體將不斷沿與吸水室2相連的吸入管上升,最終吸入管內氣體被排凈,本發(fā)明完成自吸過程。
在本發(fā)明完成啟動后,正常運轉時,本發(fā)明對稱設置的第一回流孔9和第二回流孔8就體現出其有益效果。在本發(fā)明正常運轉時,氣液分離室7內的壓力高于蝸殼3內的壓力,故此時仍然存在回流,由于第一回流孔9和第二回流孔8對稱設置在葉輪中截面的兩側,尤其是當第一回流孔9和第二回流孔8的流量相同時,使得蝸殼3內的流動結構是對稱于葉輪4中截面的,流動相對穩(wěn)定,可消除或減小蝸殼3斷面內的二次流現象,故可以減小水力損失、降低壓力脈動。本發(fā)明的對稱回流液體,沖擊葉輪4所造成的葉輪軸向力可相互抵消,與現有技術的葉輪軸向力相比大大降低,可增加軸承使用壽命,同時避免葉輪軸向竄動所帶來的危害。
第一回流孔9和第二回流孔8的橫截面均為橢圓形的優(yōu)點在于:輪廓線為光滑過渡的曲線,液體流經第一回流孔9和第二回流孔8時其邊界層流動均勻過渡,流動穩(wěn)定水力損失小。方便第一回流孔9和第二回流孔8形狀的確定和調節(jié);先確定第一回流孔9和第二回流孔8的橫截面面積,再確定第一回流孔9和第二回流孔8的形狀;以第一回流孔9為例:確定橫截面積Ak1,結合蝸殼3的結構由面積公式Ak1=πab給定第一回流孔9的橢圓形橫截面的半長軸b和半短軸a,即可確定第一回流孔9的形狀,其中a約為b的40%~60%??稍诘谝换亓骺?和第二回流孔8的兩側根據其自身的尺寸大小進行0.5~5mm的倒圓,以減小水流的能量損失。
為了更加明確詳盡地了解本發(fā)明的有益效果,分別對現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明進行了數值模擬,以下為模擬結果及分析:
圖6a為現有技術中的外混式自吸離心泵在回流孔處蝸殼的斷面流線圖;圖6b為本發(fā)明在第一回流孔和第二回流孔處蝸殼3的斷面流線圖。通過對比可以發(fā)現,現有技術中的外混式自吸離心泵,蝸殼內在與回流孔相對的一側存在嚴重的二次流旋渦,蝸殼截面內流動結構是非對稱的,且這種二次流結構隨時間發(fā)生變化,壓力分布不均,存在較大的壓力梯度,回流孔側壓力最大,在旋渦發(fā)生的位置存在明顯的低壓區(qū)。而本發(fā)明種蝸殼3截面內二次流旋渦消失,兩側回流液體均勻流入蝸殼3內,在中間由于兩股回流相遇流向發(fā)生變化,向葉輪4出口方向流去,整個流動結構幾乎對稱于葉輪中截面,壓力分布也同樣對稱,且葉輪中截面兩側的第一回流孔9和第二回流孔8到蝸殼3中間靠近葉輪4出口處的壓力均勻過渡。
由圖6a和圖6b的比較可以得出,本發(fā)明明顯改善了現有技術中的外混式自吸離心泵在回流孔處不均勻的流動狀態(tài)。
圖7為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明在回流孔處蝸殼內壓力脈動時域圖;圖8為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明在回流孔處蝸殼內壓力脈動頻域圖,采集數據均為兩個葉輪旋轉周期。觀察圖7發(fā)現,現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明的蝸殼回流孔處,壓力脈動時域變化趨勢均一致,每個旋轉周期內呈現2個脈動周期,具有波峰、波谷各兩個,周期性脈動十分明顯,但是本發(fā)明中的壓力脈動均略有降低。觀察圖8發(fā)現,現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明的脈動頻率皆為葉輪的葉片通過頻率(96.67Hz)及其倍頻,主頻區(qū)為1倍葉頻,次主頻為2倍葉頻,高倍葉頻的脈動幅值相對較弱。本發(fā)明各頻率下的脈動幅值相對現有技術的外混式自吸離心泵均有所降低,主頻區(qū)較為明顯,比現有技術降低33.8%。
圖9為現有技術的外混式自吸離心泵和本發(fā)明在兩個旋轉周期內葉輪4的軸向力示意圖。可以發(fā)現本發(fā)明葉輪4的軸向力較現有技術大大降低,在一個葉輪4旋轉周期內,葉輪4軸向力的平均值和最大值降幅分別為51.1%和47.6%。對于大型泵來說,效果將更加明顯。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發(fā)明構思的實現形式的列舉,本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式,本發(fā)明的保護范圍也包括本領域技術人員根據本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。