自吸泵的发展史及发展趋势探讨

王护桥

(新界泵业集团股份有限公司,浙江温岭 317525)

自吸泵的发展史及发展趋势探讨

王护桥

(新界泵业集团股份有限公司,浙江温岭 317525)

自吸泵是一种特殊的离心泵，广泛的应用于喷灌和消防等场合。理论上说，自吸泵应该是离心泵的一种进步和发展，也就是说，自吸泵是对传统离心泵的原理加以改善和拓展，让离心泵的应用更加广泛。本文主要从自吸泵的结构和功能的演变出发，具体介绍自吸泵的发展过程和性能演变。在此基础上，笔者进行了严密的论证和推理，对自吸泵的发展趋势做以研究和探讨，并指出了自吸泵进一步发展的具体方向，为自吸泵的发展提供了重要的理论依据。

自吸泵 发展史 前景

自吸泵的工作原理是：水泵启动前先在泵壳内灌满水(或泵壳内自身存有水)。启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时入口形成真空，使进水逆止门打开，吸入管内的空气进入泵内，并经叶轮槽道到达外缘。自吸泵的优点就是使用起来十分方便，而且，工作可靠性也得到了提升。尤其在流动灌溉和消防系统上运用最为广泛，也最为适合。不过随着我国水资源使用量的不断增长，导致我国地下水位的下降，也就对自吸泵的自吸性能提出了更高的要求。所以自吸泵在经过了巨大的发展和改善之后又迎来了新的发展瓶颈，所以笔者在对自吸泵的演变深入研究之后提出了新的发展方向。

1 自吸泵的应用介绍

我国是一个水资源的大国，然而人均占有量却远低于世界的平均水平，这也就为我国对水资源的节约提出了很高的要求。再加上我国又是农业大国，所以农业灌溉方面的技术也直接影响着我国的水资源保护问题。由于我国目前很多地方采用漫灌的手法，不仅对水资源是一种极大的浪费，而且灌溉的使用效率也并不算高，所以农业灌溉时的输水和用水成为了我国水利研究的主要课题。

自吸泵的研究是我国气液综合能力的主要成果。尤其是80年代中期，回流孔的开发与使用，让自吸泵才真正得到了发展和创新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以，自从自吸泵几十年的发展史以来，人们在使用过程中越来越关注和接受自吸泵的发展应用。不过，目前我国仍以自吸泵为实例进行气液相流的研究，并在这一领域处于较为领先的地位。然而，总的来说，自吸泵的研究仍然以探索为主。自吸泵在工作时需要在自吸泵内部预先存入一定量的水，在管路内制造出接近真空的环境，然后通过外界大气压与自吸泵内部构造的综合作用将水输送到预定位置。这是自吸泵的基本工作原理和基本应用方式。

2 自吸泵的结构以及性能的演变

自吸泵的出现，最早要追溯到20世纪的30年代。当时一些国家对自吸泵进行基础性研究，并提出了设计方案。但是直到20世纪50年代的时候才真正进行生产和销售。而我国对自吸泵的应用较晚，在20世纪70年代时才开始推广使用。但是最早的自吸泵无论是性能还是工作效率都不尽人意。直到80年代中期，自吸泵才真正得到了发展和创新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。

到了20世纪90年代，外混式自吸泵的研究成果使自吸泵提升了一个层次。尤其在最近一二十年之内，自吸泵的发展极为迅速，自吸泵的发展也逐渐迈向高速、高扬程的小型泵的发展领域。其中，自动化技术在自吸泵的应用也逐渐增多，使自吸泵逐渐向更高的科技上发展。与此同时，自吸泵在实际使用过程中操作十分简单，同时，其扬程与流量的实际值大约能达到标牌值的80%~90%，总体效率是很高的。再加上其结构和运行时的具体优势，可以说自吸泵的发展在一定程度上改善了具体的劳动条件。

影响自吸泵自吸性能的因素很多。理论上来说，叶轮的圆周速度以及回流孔的面积都会对自吸性能产生较大的影响。根据自吸泵的构造结构来看，叶轮边和泵体隔舌之间存在着一定的间隙，这一间隙的大小直接决定了自吸能力的大小。同时，储液容积和气液分离室的容积更是对自吸泵的自吸功能和效率起到决定作用。根据分析可以发现，储液容积以及气液分离室容积、回流孔、以及自吸泵气密性都对自吸泵的性能具有较大影响。

根据上文所说，对自吸泵的影响分为不同的因素，下面笔者就从数学模型的建立上出发，对每一种因素进行深入探讨和改进。

(1)储液容积和气液分离室容积的计算和模型建立。首先，设泵体内储液容积为V，泵体设计的流量为Q，那么根据数学的极限原理可以得出以下结论：

V/Q＜0．35 泵不能完成自吸工作

V/Q=0．35~1．27 泵可以完成自吸工作，但是自吸时间随储水量的增加而缩短

V/Q＞1．27 泵能完成自吸工作，而且泵体自吸时间随储水量的增加而增加

由此可见，泵体的自吸工作完成容易，最主要的是寻找储液容积与流量之比的最佳值。在保证性能的情况下，尽量减少资源的浪费。在设计时，V/Q的值一般要大于0．5，而且，当转速少于50转/s时，一般V/Q的值为1．25左右。而当转速超过50转/s而小于150转/s时，取V/Q的值为0．7左右。所以，可以看出V/Q参数的图像应该显示“U”字型图像。其中，V的单位为m3，Q的单位为m3/s。根据上述条件，利用归纳统计原理可以得出最终的表达式：

式中，q1表示储液室的容积、q2表示分离室容积、ns为转速、ε为系数。

(2)回流孔的数学模型建立。由于在最早时期的自吸泵应用过程中，基本上不堵回流孔，直到80年代中期，自吸泵才真正得到了发展和创新，对回流孔有了更加深入的认识。而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以回流孔的位置大小以及作用都是自吸泵的重要进步。所以对自吸泵回流孔的数学模型建立对自吸泵的改善会起到更加重要的作用。根据自吸泵的具体分类来看，内混式自吸泵回流水能直接进入叶轮进口，有非常良好的抽吸作用。对于回流孔的大小来说，不能过大，也不能过小，只能取中间值，而中间值的计算就需要用到不同自吸泵的预算公式。

式中，Q为泵的流量，单位为m3/s，n为泵的转速，单位为r/min。在此公式中，可以看出，系数的取值与转速的高低相关，一般转速越高，系数的取值就越大。而当泵口直径越当回流孔回流的液体体积等于叶轮排除液体体积时自吸性能最佳。所对应的回流孔的面积就是最佳取值。所以，可以得出回流孔最佳取值的最终表达式如下：

式中，pa为吸入管路中空气的压力，G为自吸时间内的排气量，G0为吸入管路及泵体内原始排气量，K5为系数，ρ为被输送的液体的密度(一般液体为水，密度取值1．0kg/m3)。根据上式可以普遍性确定回流孔的最佳面积取值以及回流孔对自吸泵的具体影响的量化值。

图1 浸入深度和流速关系图

(3)在上述两个因素量化之外，还有一个比较重要的影响因素，那就是自吸泵的气密性。自吸泵的气密性分为两种种，一是轴封气密性，二是管路气密性。如果能将气密性进一步提高对整个自吸泵的性能提升是比较大的。上文中已经提到，自吸泵的原理是将泵中入口管路部分出现真空，然后利用压强的不同进行具体工作。所以管路和轴封的气密性对真空形成的时间和效果影响极大，如果能在短时间内形成高度的真空，那么对于自吸泵来说是一种整体的性能提升。除此之外，能加以量化的还有管路的浸入深度。随着浸入深度的不同，会导致入口管路液体流入的速度不同。具体表现如图1所示。

纵坐标为：流速，横坐标为浸入深度。

总体看来，浸入深度和流速并不是完全的线性比例关系，而是随着浸入深度的增加反而是流速逐渐减缓。这是因为浸入深度增加的同时，水压也逐渐变大，而入口管路的直径是一定的，并没有随之增大，又因为水下压强的方向是不固定的，所以流速会相应减少。所以根据具体量化结果可以分析计算出最佳的浸入深度与流速关系图。

3 从自吸泵的改进技巧谈自吸泵的发展趋势

自吸泵的改进与发展是我国液汽作用领域的主要课题。而具体论述，应该从上文所说的几个量化特点上进行对自吸泵的改进。下面笔者就从以下三个方面具体论述自吸泵的改进与发展趋势。

(1)以国内技术为核心对材质进行改进。自吸泵的外壳一直以来是利用金属构造，经过逐渐的发展和改换，目前氟塑料自吸泵的出现成为了国际标准结合非金属泵技术的代表，所谓氟塑料自吸泵主要是内衬氟塑料，过流部件采用氟塑料制作，这就有效的防止了水蚀的现象对自吸泵的影响。这一技术的产生无疑会在一定程度上增加自吸泵的寿命，并对自吸泵的工作效率产生一定的促进。

(2)设计开发以回流孔和储液容积与气液离室容积量化最优值的自吸泵。上文中已经说到，当转速少于50转/s时，一般V/Q的值为1．25左右。而当转速超过50转/s而小于150转/s时，取V/Q的值为0．7左右。可以根据转速和V/Q值具体建立起合适的储液容积与气液分离室容积比的自吸泵。而回流孔的位置大小以及作用都对自吸泵有着极大的影响。所以，对于回流孔的大小来说，不能过大，也不能过小，只能取中间值，而中间值的计算就需要用到不同自吸泵的预算公式进行实际计算得来。所以自吸泵的一大改进方向就是利用量化的数值进行最优结合。

(3)在普通离心泵的基础上加大自吸泵的设计应用。普通离心泵的使用更加广泛，而自吸泵的使用是更加全面的，所以根据普通离心泵的具体使用途径加快自吸泵的研发是自吸泵发展的主要趋势和前景。自吸泵的使用很多时候是在喷灌和消防等场合，对于这些场合的使用更多的要求高压水泵和准确控制的水泵。所以对管口气密性以及轴封气密性的重视会具体提升自吸泵的使用效率。并在一定程度上减少自吸泵的启动时间。如果能在短时间内形成高度的真空，那么对于自吸泵来说是一种整体的性能提升，也是对喷灌和消防工作的具体支持。

4 自吸泵的发展研究意义

自吸泵的研究是我国气液综合能力的主要成果。尤其到80年代中期，回流孔的开发与使用，让自吸泵才真正得到了发展和创新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。自吸泵利用其自吸性能对传统离心泵加以改善和拓展，让离心泵的应用更加广泛。所以具体说来，对自吸泵的发展还是具有许多重大的意义的。下面笔者将具体从三个方面介绍自吸泵的发展研究意义。

(1)水资源的利用方面的意义。上文中已经介绍，我国是一个水资源的大国，然而人均占有量却远低于世界的平均水平，这也就为我国对水资源的节约提出了很高的要求。再加上我国又是农业大国，所以农业灌溉方面的技术也直接影响着我国的水资源保护问题。自吸泵的发展对水资源利用具有一定的意义。

(2)对我国气液相流研究领域的意义。气液相流领域是对液体利用方式开发的新型领域，这一领域在很多地方得到了重视和利用。而自吸泵在一定程度上来说应该是气液相流研究领域的具体表现。所以，自吸泵的发展的速度和方向就代表了气液相流技术的发展的速度和方向。而且自吸泵在实际利用时出现的具体问题可以为气液相流研究领域提出新的发展模式与发展前景。在解决自吸泵的实际问题同时，对气液相流技术加以增强和改进。所以自吸泵的发展与研究对气液相流研究领域的意义也是比较重要的。

(3)人们对自吸泵应用的意义。近一二十年之内，自吸泵的发展极为迅速，自吸泵的发展也逐渐迈向小型泵发展领域，并向高速、高扬程发展。其中，自动化技术在自吸泵的应用也逐渐增多。所以，自从自吸泵几十年的发展史以来，人们在使用过程中越来越关注和接受自吸泵的发展应用。所以自吸泵的发展和研究具有着方便人们使用与接受的意义。

5 结语

吸泵在工作时需要在自吸泵内部预先存在一定量的水，从而在泵吸入管路内制造出接近真空的环境，然后通过外界大气压将水输送到预定位置。目前，我国仍以自吸泵为实例进行气液相流的研究，并在这一领域处于较为领先的地位。总的来说，自吸泵的研究仍然以探索为主。所以对自吸泵的改进和探索仍然具有着十分重要的意义。所以笔者就自吸泵的发展历程和趋势加以研究，利用量化的方式将储液容积和气液分离室容积的计算和模型加以研究。并对回流孔的数学模型予以研究，同时引出回流孔最佳情况的判定公式。然后利用这些量化数据以及科技发展趋势的综合，总体介绍了自吸泵的发展历程和研究意义。

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