单吸单级自吸离心泵设计

2022-07-11唐欣怡周应来李志鹏

中国设备工程 2022年13期

唐欣怡，周应来，李志鹏

（1.长沙理工大学；2.湖南省应急排水抢险设备工程技术研究中心；3.长沙迪沃机械科技有限公司，湖南长沙 410000）

1 前言

自吸泵一般属于离心泵，在离心泵的基础上做了改良，解决了每次向泵内先灌水的繁琐步骤，它依靠自身特殊结构，利用气液混合原理实现抽吸气体，可在泵吸入管路内形成一定程度真空状态，它只需首次使用时引水，之后每次使用都无需再重复引水步骤，极大地提高了便利性。自吸泵具有操作简便、性能稳定、可远程集中控制、自动化操控等优点，因此自吸离心泵广泛适用于跨度远，难度大，需要启动频繁等场合，特别是在移动应急排涝抢险场合具有明显优势。

提高泵的自吸高度和减少自吸时间是自吸离心泵设计者目标。而自吸泵的自吸高度和自吸时间主要由自吸方式、自吸结构确定。较多的设计者主要是对液相回流孔参数、储液体积、叶轮参数、泵体进口位置关系进行设计与试验研究。自吸泵性能的优劣与泵的水力设计密切相关，本文就单吸单级自吸泵叶轮、压水室的水力及结构设计进行分析探讨。

2 结构设计

离心自吸泵分为外混式和内混式两种。不论是外混式还是内混式，都可使用双涡壳泵体和单涡壳泵体结构。双涡壳泵体由于具有两个隔舌，理论上气水分离效果要比单涡壳泵体好，不过它存在铸造工艺复杂、型线不易保证适合水流等问题。而单涡壳泵体结构简单，铸造型线易以保证。因此一般采用单涡壳泵体结构。

外混式自吸离心泵泵体与管路连接处高于叶轮外缘，从泵体进口到叶轮处形成了一个S形流道，并在泵体进口处加装一个止回拍门，这样可以保证泵体内总是充满水，在泵体吸入腔与压出腔下部设置回流孔，从叶轮流到泵体内流道的气水混合物在泵体气水分离体分离后，水从此回流到叶轮外缘处。叶轮旋转对水气混合物产生离心作用，在叶轮进口处形成真空，将吸入管中气体吸入叶轮内经叶轮做功后流出叶轮与水混合，在惯性力差作用下气水分离，气体经泵体排出口排出，而较重的水仍留在泵体内不断循环直至吸水管内气体排尽。

内混式自吸离心泵在出水口装有罐式气水分离室，泵体吸水室上方开有一回水孔，该孔与气水分离室回水流道相通，保证自吸过程中循环水返回吸水室。为防止循环水在吸水室流失，将吸水室做成向上倾斜形状，使泵体与吸水管道连接处高于叶轮外缘。为防止停泵后虹吸，与外混式一样加止回拍门。为了在排尽吸水管道内气体后正常泵水工作时回流损失，在气水分离室上装有手动回流阀，自吸时开、上水后关闭。

在叶轮离心力的作用下，吸水室内的水沿着泵体流道被压向出口，此时，叶轮的进口处形成真空。在启动后立即打开回水阀，于是，气水分离室里的水在进出口压力差作用下经过分离室下方的回水孔回到吸水室，与吸水室里的空气同时被叶轮吸入，并在叶轮流道内进行混合，气水混合后的液流及未混合的气水一起被叶轮甩出，当经过压水室时，将速度能转换成压力能，经过内套管到分离室上方，此时，断面定然扩大，气水混合的液流速度减慢，造成了气体从液体自由表面逸出的有利条件，逸出的气体从出水口排出，而水又从分离室下方的回水孔流入吸入室。

3 叶轮设计

叶轮是单吸立式多级自吸泵工作的主要元件，是能量转换和动力传输主要部件，所以叶轮的设计对整个泵的运行性能起着决定性作用。自吸离心泵叶轮参数水力设计是提高自吸性能的关键，采多个辐射式直筋叶片的叶轮，自吸性能要优于其他形式叶片叶轮，但效率偏低（图1）。半开式叶轮比闭式叶轮自吸性好但效率会由于间隙流而降低（图2），因此，为了有效提高泵的性能和运行效率，对比分析后，本设计选择闭式叶轮。在水力计算中，因为考虑到自吸泵的回流损失和水力损失，本文所设计的单吸单级自吸离心泵叶轮排出口通径D2比计算值增大5%～10%的设计方法，以便于满足单吸立式多级自吸泵性能要求。