[葉片泵]旋渦泵的性能和應(yīng)用

2017-01-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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1旋渦泵的性能和應(yīng)用旋渦泵雖屬于葉片泵的范疇,但其工作過程,結(jié)構(gòu)以及特性曲線的形狀等均與離心泵和其他類型泵柱塞泵相差較大。旋渦葉片泵泵在工作齒輪泵過程中,由于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),造成葉輪內(nèi)和流道內(nèi)的液體都有圓周方向的運(yùn)動(dòng),因而就產(chǎn)生了離心力,葉安頌葉片泵輪內(nèi)液體的圓周速度大于流道內(nèi)液體的圓周速度,即葉輪內(nèi)液體的離心力大,故形成軸向和徑向旋渦,旋渦泵由此得名。旋渦泵與尺寸,轉(zhuǎn)電機(jī)泵速相同的離心泵相比,其揚(yáng)程要高液壓油泵3~9倍。單葉輪可以取得4~17kg/cm2壓力,兩級(jí)葉輪最高壓力可達(dá)到30kg/cm2。大部分旋渦泵均具有自吸能力,能夠?qū)崿F(xiàn)氣液混輸,這對(duì)于抽送含有氣體的油泵易揮發(fā)的液體和氣化壓力很高的高溫液體具有重要的意義。旋渦泵液壓油泵具有陡降的特性曲線,其揚(yáng)程的變化對(duì)流量的影響比離心泵柱塞泵小,因此,對(duì)系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)不液壓馬達(dá)敏感。但是旋渦泵的效率較低,其抗汽蝕性能較離心泵差。旋渦泵只能用來輸送純凈介質(zhì),當(dāng)液體中含有雜質(zhì)時(shí),就會(huì)因摩擦引起軸向和徑向間隙增大,導(dǎo)致容積效率和流量的降低,從而降低泵的性能。旋渦泵與柱塞泵相比,在運(yùn)行中不產(chǎn)生壓力脈動(dòng),在小流量范圍內(nèi)也無需像離心泵那樣打回流。由于旋渦泵有很多其他類型泵所不具有的優(yōu)點(diǎn),葉片泵所安頌葉片泵以齒輪泵在國民經(jīng)濟(jì)的許多部門也得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如在化學(xué)工業(yè)中輸送酸,堿及其他腐蝕性液體,要求具有小流量,高揚(yáng)程,較慢的化學(xué)反應(yīng)速度和較高的耐腐蝕性;在機(jī)場(chǎng),汽車配油站中,加油車,油罐車和固定分配裝置用來抽送易揮發(fā)性的液體(汽油,煤油電機(jī)泵和酒精);用于小功率的油泵可移動(dòng)式洗滌設(shè)備上和農(nóng)業(yè)供水設(shè)備中。旋渦泵也可作為消防泵,鍋爐給水泵,船舶供水泵柱塞泵和一般增壓泵使用。 2國內(nèi)外對(duì)旋渦泵的研究狀況 2.1旋渦泵的工作原液壓馬達(dá)理第1個(gè)進(jìn)行旋渦泵研究工作的是德國科學(xué)家里臺(tái)爾(1930年),研究做出了下述工作過程的假說:流道中的液安頌葉片泵體在轉(zhuǎn)動(dòng),在每一液葉片泵體質(zhì)點(diǎn)上均作用有離心力,而電機(jī)泵在葉輪內(nèi)液體上所作用的離心力要比流道中液體上所作用的離心力大,因?yàn)榱鞯乐幸后w的圓周速度比葉輪中慢,由于離心力不同,引起齒輪泵了液體的圓環(huán)形運(yùn)動(dòng)(稱為縱向旋渦)。液體依靠縱向旋渦在流道內(nèi)流經(jīng)葉輪好幾次,每經(jīng)過1次葉輪,揚(yáng)程就增加1次。因液壓油泵此,旋渦泵的揚(yáng)程高于離心油泵泵的揚(yáng)程。里臺(tái)爾的假說是對(duì)葉片泵旋渦泵工作原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,后人把旋渦理論發(fā)展成為縱向旋渦安頌葉片泵加徑向旋渦理論。另外,有日本學(xué)者認(rèn)為,旋渦泵的工作過程是依靠葉輪的粗糙表面,對(duì)流道內(nèi)的流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的摩擦剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的。液壓馬達(dá)葉輪外緣"液壓油泵粗糙度"越大,作用于液體的摩擦力越大,泵揚(yáng)程越高。徑向小葉片與流道內(nèi)的液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生紊流摩擦力,從而把原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給流道內(nèi)的液體。葉輪上的葉齒輪泵片在流道內(nèi)多次重復(fù)產(chǎn)生較大紊流摩擦力,因此旋渦泵具有較高的揚(yáng)程<3>,故旋渦泵也稱為摩擦泵。電機(jī)泵柱塞泵 2.3旋渦泵的設(shè)計(jì)理論由于旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜安頌葉片泵性和理論的不完善,目前還沒有精確的理論設(shè)計(jì)方法,通常采用相似換算法,經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算法。 20世紀(jì)60年代有學(xué)者提出旋渦泵H~Q揚(yáng)程流量特性曲線比較接近于線性關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)旋渦泵的最佳流量與流道面積成正比關(guān)系。1977年學(xué)者Dyaminov等提出了屏蔽式旋渦泵的設(shè)計(jì)方法。1988年有液壓油泵國外學(xué)者提出單輪液壓馬達(dá)雙級(jí)旋渦泵,這對(duì)于齒輪泵提高旋渦泵的汽蝕性能以及綜合性能有理論意義。單輪雙級(jí)旋渦泵結(jié)構(gòu)由于旋渦泵的揚(yáng)程隨流量增加而下降較快,且揚(yáng)程系數(shù)比離心泵要高很多,因此旋渦泵的工作范圍很小。針對(duì)旋渦泵的工作范圍較小等問題,有學(xué)者提出并研制了高電機(jī)泵速旋渦泵,柱塞泵解決了以上問題。高速旋渦泵揚(yáng)程可以達(dá)到200m以上,這樣也增加了旋渦泵的應(yīng)用范圍。與容易產(chǎn)生正斜葉片泵率上升段的離心泵特性曲線相疊加,所得到的高速旋渦泵的特性曲線不會(huì)存在正斜率上升段,這樣高速旋渦泵就根油泵本不存在小流量不穩(wěn)定性等問題。對(duì)旋渦泵和高速旋渦泵的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究,建安頌葉片泵立了以效率電機(jī)泵和工作范圍為主線的小流量旋渦泵的理論設(shè)計(jì)方法,葉片泵通過實(shí)驗(yàn)分析,表明較大的流道面積可以拓寬泵的工作范圍,較大的徑向間隙和軸向單邊間隙會(huì)降低泵的揚(yáng)程和效率,并且研制了軸向入口液壓油泵旋渦泵。浙江理工大學(xué)的謝鵬<9>采用加大流量法對(duì)小流量高揚(yáng)程離心旋渦泵進(jìn)行了水力設(shè)計(jì),提高了樣液壓馬達(dá)泵的抗汽蝕性能。合肥通用機(jī)械研究齒輪泵院的陳世亮<10>設(shè)計(jì)了屏蔽式旋渦泵并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,屏蔽式旋渦泵沒有柱塞泵泄漏,運(yùn)行平穩(wěn),增加了旋渦泵的應(yīng)用范圍。 2.4油泵旋渦泵的內(nèi)部流動(dòng) 20世紀(jì)40年代以后,在里臺(tái)爾安頌葉片泵假說的基礎(chǔ)上,一些學(xué)者開始進(jìn)一步探索旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)的理論,得到了多個(gè)描述旋渦齒輪泵泵內(nèi)部流動(dòng)的葉片泵理論模型。1954年,學(xué)者Senoo<11>從旋渦泵內(nèi)部的湍流摩擦力方面進(jìn)行了研究,提出了湍流混合模型。在這個(gè)理論模型中,Senoo把旋渦泵葉輪中的流動(dòng)看作是庫艾特-泊肅葉流動(dòng)。1955年,學(xué)者Iverson<12>對(duì)徑向葉片葉輪的旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研柱塞泵究,提出了一個(gè)湍流模型。他根據(jù)葉輪作用在液體上的液壓馬達(dá)剪應(yīng)力來分析旋渦泵電機(jī)泵的性能,并通過實(shí)驗(yàn)分析來確定模型中的剪切系數(shù)。但是以上兩位學(xué)者的理論模型并不能直接解釋旋渦泵中的旋渦流動(dòng)。學(xué)者Wilson<13>和他的研究小組在前人研究的基礎(chǔ)上,提出了動(dòng)量交換理論,從而能夠很好地解釋旋渦泵中的旋渦流動(dòng)。學(xué)者Dewitt<14>和Mason<15>應(yīng)用這個(gè)理論分析了旋渦泵的性液壓油泵能。韓國學(xué)者J.W.Song<16>認(rèn)為現(xiàn)在大多數(shù)理論只能應(yīng)用油泵于旋渦泵內(nèi)流動(dòng)充分發(fā)展的區(qū)域,然而在流動(dòng)充分發(fā)展區(qū)域前有一個(gè)流動(dòng)的發(fā)展區(qū)域,這個(gè)區(qū)域?qū)π郎u泵的性能有很大的影響。他建立了一個(gè)應(yīng)用于流動(dòng)發(fā)展區(qū)域內(nèi)的理論,并通過實(shí)驗(yàn)來分析了這個(gè)區(qū)域?qū)Ρ眯阅艿挠绊?得出安頌葉片泵增加葉片泵泵進(jìn)口處流道的面積可以提高泵的揚(yáng)程和效率,并且可以提高泵的汽蝕性能。在國內(nèi),由于我國的旋渦泵研究起電機(jī)泵步較晚,對(duì)內(nèi)部流動(dòng)理論方面的研究至今還很少。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Compu2 柱塞泵液壓馬達(dá)tationalFluidDynamics)自20世紀(jì)60油泵年液壓油泵代中期已形成一門獨(dú)立的科學(xué)分支,成為研究流體齒輪泵運(yùn)動(dòng)規(guī)律,解決很多工程實(shí)安頌葉片泵際問題的三大手段(理論,實(shí)驗(yàn),計(jì)算)之一。國內(nèi)外已有學(xué)者采用CFD軟件對(duì)旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并取得了一定成油泵果。Song采用Fluent軟件對(duì)不同流道截面面積的旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行液壓馬達(dá)了數(shù)值模擬,并通過實(shí)驗(yàn)研究得出,當(dāng)流道截電機(jī)泵面面積增大時(shí),葉輪和流道中的液體所受到離心力的差值也變大,從而使傳遞能量的縱向旋渦快速增強(qiáng),使揚(yáng)程增大。江蘇大學(xué)的董穎等人通過對(duì)不同柱塞泵流道截面形狀的旋渦泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析了旋渦泵的內(nèi)部流動(dòng)狀況,驗(yàn)證了流道截面形狀對(duì)旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)的影響,證實(shí)液壓油泵了縱向旋渦和徑向旋渦的存在。葉片泵 2.5旋渦泵的實(shí)驗(yàn)研究由于旋渦泵流道和葉輪的多樣性,系統(tǒng)地針對(duì)全部類型旋渦泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是個(gè)工作量巨大的工程,所以國內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋渦泵的實(shí)驗(yàn)研究都是針對(duì)某一方面展開的,主要是通過對(duì)影響旋渦泵性能的過流部件進(jìn)行研究,以得到較為理齒輪泵想的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法。液壓馬達(dá) 英國學(xué)者Crewdson<19>對(duì)旋渦電機(jī)泵泵葉片的造型作了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片受壓面(正面)的出口角約為135°,同時(shí)把吸力面(背面)的葉片邊倒圓,使其形成尖的葉片尖端時(shí),泵的效率可達(dá)到50液壓油泵%,比普通葉片造型的旋渦泵高出了許多。韓國提出了一個(gè)新的理論模型,并根據(jù)此模型設(shè)計(jì)了一種帶油泵扭曲葉片的葉輪,明顯提高了旋渦泵的揚(yáng)程和效率。柱塞泵在國內(nèi),江蘇大學(xué)的沙毅<21>等通過分析旋渦泵葉齒輪泵輪葉片數(shù),泵體流道面積對(duì)泵性能影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn),闡述了泵幾何參數(shù)對(duì)泵性能影響的變化規(guī)律,并利用數(shù)值分析方法擬合出葉輪直徑D,葉片數(shù)Z和流道面積A的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)水力計(jì)算公式。鄭州葉片泵大學(xué)的張明成<22>等安頌葉片泵通過對(duì)旋渦泵中葉輪與泵體間動(dòng)壓場(chǎng)的研究,并根據(jù)側(cè)隙泄漏量和功率損耗量得到了葉輪與泵體之間的最佳間隙取值范圍。液壓馬達(dá) 3研究方向及發(fā)展趨勢(shì) (1)在設(shè)計(jì)計(jì)算方面,針對(duì)旋渦泵特殊工作原理以及多種結(jié)構(gòu)型式,對(duì)影響旋渦泵性能的過流部件進(jìn)行優(yōu)化柱塞泵設(shè)計(jì),提高泵的效率,油泵完善泵的齒輪泵理論設(shè)計(jì)方法。 (2)在理論分析方面,進(jìn)一步深入研究CFD技術(shù),建立符合液壓油泵旋渦泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算旋渦泵的工作過程。 (3)在實(shí)驗(yàn)研究方面,采用PIV,LDV,PU,PDV等先進(jìn)測(cè)試技術(shù)對(duì)旋流泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行測(cè)試和分葉片泵析,揭示其內(nèi)部流動(dòng)的規(guī)律,為理論研究提供可靠的實(shí)電機(jī)泵驗(yàn)依據(jù)。 (4)系統(tǒng)研究各過流部件對(duì)泵性能的影響及泵內(nèi)各種損失,提高旋渦泵的效率,為設(shè)計(jì)理論提供依據(jù)。 (5)開發(fā)新型旋渦泵結(jié)構(gòu)安頌葉片泵和葉輪型式,例如單輪雙級(jí)旋渦泵,半開型葉輪,將旋渦泵與離心葉輪組合成多級(jí)泵(離心旋渦泵)等,都可以液壓馬達(dá)提高旋渦泵的汽蝕性能,拓寬其工作范圍和應(yīng)用范圍。葉片泵油泵

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