（农业水土工程专业论文）自吸泵水力设计与自吸性能试验研究.pdf

摘要 自吸泵广泛应用于农业灌溉，是轻小型喷灌机的重要组件之。本文采用速度系数法，完成 了6 5 z b 4 0 - - 5 5 d 型自吸式离心泵的设计、制造和性能测试。测试结果证明，水力设计是成功的， 满足规定的设计参数要求和自吸性能要求。为了研究自吸泵的自吸特性，本文对不同的自吸泵在 多种情况下的自吸性能进行了试验研究，得出了回流喷嘴锥角、喷嘴直径、叶轮与泵体隔舌的间 隙、储水量、吸入管直径等参数与自吸时间等特性间的关系。 本文取得的主要成果包括：( 1 ) 成功完成了6 5 z b 4 0 - - 5 5 i ) 型自吸泵的水力设计、结构设计， 试验证明设计是成功的；( 2 ) 通过试验研究发现，对于低、中比转数自吸泵，回流喷嘴的锥角对 自吸性能影响不大，而最佳喷嘴直径也并不与q n 值成正比：( 3 ) 对于低、中比转数自吸泵， 叶轮与泵体隔舌的间隙越小，自吸性能越好，一般可取为0 5 r a m i ( 4 ) 当储水量为以秒计设计流 量的5 0 左右时自吸时间较短，自吸性能好，此储水量为最佳储水量，大于或小于该值自吸时间 都增加；( 5 ) 修正了现有的自吸泵自吸时间与吸入管直径的关系式。 上述研究结果可以作为自吸泵设计的参考，为改善自吸泵的自吸性能提供了全面的参考依 据。 关键词；自吸泵，自吸性能，设计，试验 a b s t r a c t a so n eo ft h ek e ye l e m e n t si ns m a l li r r i g a t i o ns y s t e m s ，s e l f - p r i m i n gp u m p sa r ew i d e l yu s e di n a 鲥c u l t u r a li r r i g a t i o n i nt h i ss t u d y , as e l f - p r i m i n gp u m po f6 5 z b 4 0 - 5 5 dt y p ei sd e s i g n e db yu s i n gt h e v e l o c i t y - c o e f f i c i e n tm e t h o d ，a n di sm a n u f a c t u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sd e s i g n i ss u c c e s s f u l i no r d e rt os t u d yt h es e l f - p a l m i n gp e r f o r m a n c eo fs e l f - p r i m i n gp u m p ，s o m ee x p e r i m e n t si n d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ec o n d u c t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e ns e l f - p r i m i n gt i m ea n dn o z z l ea n g l e n o z z l ed i a m e t e r , g a pf r o mi m p e l l e ro u t l e tt ov o l u t e s e p a r a l i o nt o n g u e ，s i z eo fw a t e rs t o r a g ea n d d i a m e t e ro fs u c t i o np i p e a r ee s t a b l i s h e d b yc a r e f u ld e s i g na n dp e r f o r m a n c et e s t ，m a i na c h i e v e m e n t sa mg a i n e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h e s e l f - p r i m i n gp u m po f6 5 z b 4 0 - 5 5 dt y p ei ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e dt om e e tt h ed e s i g nc o n d i t i o n si n s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ea n dh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ( 2 ) f o rl o ws p e c i f i c - s p e e da n d m o d e r a t e s p e c i f i c - s p e e ds e l f - p r i m i n gp u m p s ，t h en o z z l ea n g l eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ns e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e ， a n dt h eo p t i m a ln o z z l ed i a m e t e ri s n ti np r o p o r t i o nt ot h ev a l u eo f 剖q 撑0 ) f o rl o ws p e c i f i c - s p e e d a n dm o d e r a t es p e c i f i c - s p e e ds e l f - p r i r u i n gp u m p s ，t h es m a l l e rt h es e p a r a t i o nt o n g u eg a pi s ，t h eb e t t e r t h e s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ei s t h es e p a r a t i o nt o n g u eg a pi sc o m m o n l y0 5 r a mw i d e ( 4 ) t h es e l f - p r i m i n g p e r f o r m a n c ei sb e t t e rw h e nt h ew a t e rs t o r a g ei so n eh a l fo ft h er a t e df l o w , w h e r e a st h es e l f - p r i m i n gt i m e b e c o m e sl o n gw h e nt h ew a t e rs t o r a g ei sg r e a t e rt h a no rl e s st h a n i t ( 5 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e s e n - p r i m i n gt i m ea n dt h ed i a m e t e ro fs u c t i o np i p ei sm o t t l e d t h ea b o v er e s u l t sc a nb eu s e dt od i r e c tt h ed e s i g no fs e l f - p r i m i n gp u m p sa n di m p r o v e m e n to f s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s e l f - p r i m i n gp u m p ，s e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c e ，d e s i g n ，t e s t 独创性声明 y7 7 2 2 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包舍其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名适时间：似i f - 月，拍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文鲍复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕，可以粟用影e p 、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 溯 易j 锪 时间：伽以 年月，矽日 时间：j 一。歹年莎月，8 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的、意义、背景 水资源严重匮缺已成为世界性问题，不少国家对发展节水型农业非常重视，大力推广应用节 水灌溉新技术。喷、微灌技术是当前先进的节水灌溉新技术。目前全世界喷、微灌面积已超过3 亿亩。其中美国、前苏联喷灌面积已占灌溉面积的4 0 以上。以色列是个严重缺水的国家，在全 部灌溉面积中5 0 采用喷灌，5 0 采用了微滴灌设备。国外的节水灌溉设备成套性好、规格齐 全，产品系列化、多功能，喷洒均匀，质量有严格监督与保证，使用可靠，对作铂进行适时，适 量、按需供水，水的利用率达踟以上，预计到2 0 0 5 年，发达国家农业灌溉将根据作物需水量， 由计算机自动控制灌溉用水，实现先进的适时、适量节水灌溉，最大限度提高水的利用率。 在人均水资源占有量排世界第1 0 0 位，仅为世界平均水平“4 的我国，随着经济的发展、人 t 7 的增加、社会的进步，工业和城市用水量激增，农业用水量占全国总用水量的比重已从八十年 代初的8 5 降到目前的不到7 0 ，农业用水供需矛盾日益突出，干旱缺水成为制约我国农业发展 的主要因索之一。一方面农业缺水，另一方面农业用水浪费现象又普遍存在。农业灌溉节水潜力 很大，走内涵发展的道路。通过普及节水灌溉，提高灌溉用永的利用率和利用效率，无疑是解决 农业用水危机和缓解我国水资源供需矛盾的有效途径。 近几年，党中央国务院和各级政府对节水灌溉更加重视，在关于国民经济和社会发展“十五” 计划和2 0 1 0 年远景目标的建议中，明确提出要大力普及节水灌溉技术，并出台了一系列新的措 施，在全国建设节水增产重点县和节水型井灌区：国家计委与水利部安排专项资金支持各省建设 一批商标准节水灌溉示范区；中国人民银行和中国国家发展银行为节水灌溉安排了专项贷款，中 央财政和地方财政给予贴息：这次国家又把生物和现代农业技术领域列为重大专项课题。 我国目前应用的节水灌溉设备，基本上是“六五”、“七五”期间机械、水利、冶金、农业等 有关部门组织力量联合攻关的科研成果，设备制造厂家也具备了一定的生产能力，为我国前二十 年节水灌溉技术的推广应用发挥了巨大的作用。但在品种、规格、材质、性能、可靠性、适应性 等方面，与发达国家有相当大的差距，致使相当一部分工程由于设各不过关或因管理不善等原因， 不能正常发挥效益，甚至报废。存在的主要技术问题有“喷灌关键设备耐久性差，适应性不强， 成套性不够；移动式喷灌机移动不便，快速接头漏水；山丘地区喷灌设备配套差；缺乏提商喷灌 均匀度的控制设备：需要开发研究节能的喷灌设备，如恒压喷灌设备，喷灌泵站的自动调压控制 系统，以及节能喷头等；微喷灌的关键部件漏水。耐久性差，水力性能不好，容易堵塞等；灌溉 系统用泵品种、规格不齐，效率不高，可靠性差：输水管路成本高。寿命短，附件不齐全不成 套等。 轻小型喷灌机组主要包括手提式、手抬式、手推车式、小型拖拉机悬挂式、小型绞盘式等， 代表当代国际先进水平的公司有澳大利亚的s o u t h e r nc r o s s 公司，奥地利的b a u e r 公司。国外轻 小型喷灌机的主要特点是结构紧凑、轻便、配套合理。在技术性能上，其机组效率高、配套泵自 吸性能好，又可作为提水设备。我国发展轻小型喷灌机是从7 0 年代中期开始的，这是由我国农 业经营体制和当时的技术与制造水平所决定的。目前，全国保有量达6 0 万台套，其喷灌面积占 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 全国总喷灌面积的8 0 左右。可是，加多年来，机型没有多大变化，仍旧存在着结构笨重、机组 效率低、白吸性能差、配套动力缺档等问题。特别是因北方地区地下水位普遍下降，对于作为喷 灌领域内轻小型喷灌机的重要组件之一的自吸泵，急需改善其自吸性能。 2 0 0 0 年，全国低压管道输水灌溉面积已达8 8 5 1 万h m 2 。随着我国农业结构调整，农民很需 要将已有的低压管道输水灌溉变成既能进行低压管道输水灌溉，又可利用移动泵站式轻小型喷灌 机组增压来进行喷灌的多功能系统。这样就能提高低压管道输水灌溉系统的利用率和水的利用 搴。 在我国无电地区的山丘果林、坡地大田和集雨灌溉的温室大棚里，随着农业结构调整，农民 迫切需要一种利用已有的小型拖拉机动力进行灌溉的轻小型喷灌机组。目前我国1 8 4 k w 以下拖 拉机( 包括小四轮和手扶拖拉机) 保有量达1 2 7 6 7 4 万台。所以充分利用这部分动力，可降低农 业成本、增加农民收入，具有较高的经济效益和社会效益。 值得特别关注的是，2 0 0 2 年国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 设立了关于“轻小型移 动式与大型自走式喷灌机组及配套产品研制与产业化开发( 课题编号：2 0 0 2 a a 2 2 1 6 1 ) ，的课题。 该课题中的一项技术难题就是：制约轻小型喷灌机组配套用自吸泵汽蚀性能和自吸能力的因素 分析。足见，国家对自吸泵自吸性能研究的高度重视，所咀自吸泵自吸性能的研究具有很大的 必要性。本文正是针对这项技术难题进行了研究。 1 2 自吸泵的种类和工作原理 所谓自吸泵，就是指在起动前只需灌少量引水，经短时间运转，靠泵本身的作用，即可把水 吸上来，投入正常运转。从广义上讲，自吸泵的种类很多，按其作用原理可分为自吸离心泵、自 吸混流泵、自吸漩涡泵。从狭义上说，当人们提到白吸泵时，一般都指自吸离心泵。 自吸离心泵的种类很多，分类方式也不同0 1 。 ( 1 ) 自吸离心泵泵按泵配套动力机类型分为：电动机配套自吸泵；柴油机配套自吸泵：汽 油机配套自吸泵。旋转方向：直联传动的自吸泵从叶轮进口方向看叶轮为逆时针方向旋转；带传 动的自吸泵从叶轮进口方向看叶轮为顺时针方向旋转。 ( 2 ) 自吸离心泵按泵实现自吸性能的结构和方式分为以下几类：气液混合式( 包括内混式 和外混式) ：水环轮式；射流式( 包括液体射流及气体射流) ；其它型式( 附带各种容积泵如手压 泵、隔膜泵、柱塞泵等) 。这几种自吸泵性能比较如表卜1 所列。 表卜1 自暇泵自吸方式的比较 自吸方式= = = 二= _ 塑塑墅篁垒一 水环轮式 射流式 内混式外混式 泵效率 较高 较低高 低 制造成本 低中 高高 自吸时间长 较短 短短 自吸高度 低于1 0 m低于1 0 m 低于1 0 m 可高于1 0 m l 塑l 一一篓 兰鉴錾 苎 中国农业大学硕士学位论文 第一章鳍论 ( 3 ) 按泵轴位置可分为：立式和卧式。 自吸离心泵与普通离心泵的逐别在于”1 ： 起动时，自吸泵只需在首次起动前向泵体内注入一定量的起动循环水：而离心泵每次起 动前则需将进水管和泵体同时注满水或者用辅助装置对进水管进行水管抽气： 装置上，自吸泵进水管下端只装滤网而无底阀；离心泵进水管下端必须装底阀或者配有 出口阀门或者抽气装置； 运行时，同样性能参数的泵，一般自吸式离心泵要比离心泵的泵效低一些，汽蚀性能也 略差一些； 1 2 1 气液混合式自吸泵 根据水和空气混合到的部位不同，气液混合式自吸泵分为内混式和外混式。其中气液分离室 中的液体回流到叶轮进口处，空气和水在叶轮进口处混合的称为内混式自吸泵。气液分离室中的 液体回流到泵叶轮出口处空气和水在叶轮外缘处混合的称为外混式自吸泵“1 。 ( ) 内混式自吸泵( 图l 一1 ) 由双层( 带气水分离室) 的泵体，s 型进水弯管、回流喷嘴、 回流阀、进口逆止阀等组成。泵起动后，泵体内的水通过回水流道射向叶轮进口，在叶轮内进行 充分的气液混合，而后经压水室扩散管出口排到分离室进行气液分离。这样往复循环，直到把泵 体及吸入管路内的气体排尽，泵正常工作。这时排气阀在水压作用下关闭，回流阀液在泵进口低 压和气水分离室高压的压差作用下自动关闭( 或人工关闭) 。 内混式自吸泵回水流道一端是泵的进口，另一端通泵的出口。对于内混式自吸泵，在进入正 常运行时，回水流道必须完全关闭。如果回水流道不关闭或关闭不严都将大大降低泵的容积效率， 此时叶轮的流量大大超过泵的流量。而外特性表现出扬程下降、功率增大。因此内混式均采用堵 回流孔机构。堵孔的阀可利用泵在自吸过程与工作过程中压力差变化来自动控制，也可由人工控 制。回流阀可采用橡胶钢球阀( 自动关闭) 或平板阀( 人工关闭) 。球阀在自吸过程中，由于回 水流道两侧的压茬小于球阀的自重，球阀落下；泵正常工作时，回水流道两侧压差增大。将球阀 推向阀座而关闭。球阀的大小和熏量要与回流量和球阀到阀座的距离要匹配，否则不会正常工作。 阀处于关闭状态时两侧压力差基本为泵所运行工况的扬程。 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1 内混式自吸泵 1 回流阀2 一回流喷嘴3 一逆止阀4 - - 泵体 5 一气水分离室6 一涡室7 一叶轮8 一机械密封9 - 轴承体 图1 - 2 外混式自瑕泵 口 1 一回流孔2 一涡室3 一储液室4 一吸入室5 一扩散管6 一气液分离室 7 一出口座8 一泵体9 一进口座1 0 一叶轮1 1 一轴承体1 2 - - 叶轮螺母 1 3 - - 机械密封1 4 一泵轴1 5 一联轴节1 6 - - 端盏1 - - 轴承1 b - - 油封 ( 二) 外混式自吸泵( 图1 - - 2 ) ，气水分离室中的水回流至叶轮外缘处，整个结构和内混式 类似，也有由s 型进水弯管，双层泵体等构成。双层泵体的内体为涡室，内外体形成的空腔下部 为储液室，上部为气水分离室。储液室下部有一孔( 称回流孔) 和涡室相通。泵涡室扩散管，较 普通离心泵的短，出口位于分离室的中部，也有的泵扩散管直达泵上部出口，这种扩散管要在侧 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 壁上开同水口( 同内混式) ，并在分离室顶部加装排气阀。 外混式自吸泵的自吸过程和内混式相似所不同之处只是循环水经回流孔进入叶轮外缘，再 进行气水混合，不断循环，把泵及吸入管路内的气体排尽泵进入正常工作状态。 工作时，外混式自吸泵回流7 l 不堵死，内混式回流孔采用人工的或自动的方法堵死，内混式 自吸泵的效率略高于外混式自吸泵。但是，由于外混式运行更可靠，因此，外混式的应用更广泛。 在内部回流结构上，内混式自吸泵比外混式自吸泵要复杂一些。 自吸离心泵由于具有结构简单、体积小、重量轻、效率较高、自吸性能好、工作稳定和可靠 性强等优越的特性。故已广泛地应用于各个行业。然而，综合目前国内大多数自吸泵的结构型式， 其叶轮均采用闭式叶轮。这样，在一定的范围内就限制和约束了自吸离心泵的应用场合。如对于 输送带有污泥、杂质或鱼鳞等液体时，叶轮往往会被堵塞，以致泵无法工作。而且这种自吸泵多 采用涡壳式压水室，结构复杂，铸造困难，这也是自吸泵的最大弱点。同时，这种结构复杂的自 吸泵目前只能用铸铁材料铸造，因此，在移动过程中劳动强度大【4 】。 总之，自吸泵的自吸过程至关重要。自吸泵起动后叶轮中的水在叶轮作用下，经泵体的扩散 管进入气液分离室，同时在叶轮进口造成一定的真空，而进水管下端的液体在自由表面的大气压 的作用下向上移动，使得进水管中叶轮进口与自由液面问的压力平衡。泵体中进入气液分离室内 的液体在冲击和熏力作用下而下落，又在气液分离室内的压力作用下经泵体下部的回流孔再次进 入泵体。在叶轮的扰动下，循环水与进口管进入叶轮的气体混合成气液两相混合液再被抛入气液 分离室同时保持着叶轮进口的真空状态。在气液分离室中气液混合液不再受强烈的扰动而处于 自由抛射状况下，对于气液混合液中的气体微团与液体微团在相同体积下质量不同，因而质量力 不同，但相同体积形状相近的微团所受的迎面阻力却基本相同。因此以同一速度从扩散管抛出的 气液混合液在质量力和阻力的作用下气体与液体被分离开。分离开的液体再次返回泵体进行再混 合；分离出的气体从泵出口排出泵外。如此不停地进行循环，使叶轮进口侧气体不断排出，真空 度逐渐增高，进水管中液体逐渐上升最终到泵进口，完成了自吸过程。 1 2 2 水环轮式自吸泵 水环轮式自吸泵实质上是在普通离心泵轴上附加了一个水环真空轮，并在水泵出口处加一个 手动阀，而外型上则成为一个整体。 起动前需先使真空轮进、出口控制阀处于起动状态的位置，并通过此阀向水环真空轮内加入 少量的起动引水。此时水环真空轮进口通过阀与泵蜗壳相通，然后将出口手动阀关闭。 起动后，进水管和泵体中的空气经泵体与水环轮进口间的通道进入水环轮后排出。当完成自 吸后，水环轮出口出水时将控制阀置于正常工作位即关闭状态，并打开泵出口阀。为不使正常工 作时水环搅水消耗能量，应将水环轮中水放空。 对水环轮自吸泵，一般水环轮设计都有可使自吸时间短和自吸高度大的优点。当然，水环轮 的自吸高度只要满足水泵本身允许的吸程就算配套合理，超过太多并不能发挥多大作用。其次是 在进入正常运行时除出口阀和水环轮鼓风有些能量损耗外和离心泵相同。因此泵效率接近离心 裘而高于气液混台式自吸泵。水环轮式自吸泵具有开发小型混流自吸的前景。 水环轮式自吸泵如内混式自吸泵一样，在水质较差条件下自吸机构的可靠性下降或最后失 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 灵。水环轮式自吸泵泵体虽较混合是自吸泵简单，但同样参数的一台泵制造成本较高，这是因为 某些零件采用有色金属和切削加工较大“3 。 1 2 3 射流式自吸泵 射流式自吸泵，由离心泵和射流泵( 或喷射器) 组合而成，依靠喷射装置，在喷嘴处造成真 空实现抽吸”。 1 3 国内外研究现状 自吸泵属于特殊离心泵，它是指那些首次起动前只需向泵体内加入一定量的水，无需将进水 管充满水，起动后经一定时间可将进水管中气体排光，进入正常工作的一类水泵。它是利用气 液混合原理和泵的特殊结构来实现抽吸气体，并在泵吸入管路内形成定程度真空状态的特殊离 心泵。这种自吸泵是不附带其它专门抽气装置的，例如喷射器、水环轮和漩涡轮之类川。除首次 使用需引水外，以后每次使用勿需再用引水。它具有使用方便，工作可靠，便于远程集中控制， 实行自动化操作等优点，因此自吸泵广泛用于船舶、农业、市政、电力、矿山、化工等部门”， 尤其适合用于流动排灌、移动工作、启动频繁和灌液困难等场合”1 ，在地面提水中有逐步取代普 通离心泵的趋势。而随着我国北方地区地下水位持续下降“，需要不断地改善自吸泵的自吸性能。 国外比较注重于自吸泵的自吸性能。国外自吸泵多采用内、外混双层蜗壳结构，以卧式为主， 在结构中大多数没有采用关闭回流孔结构，气水分离室较大，叶轮以半开式居多，进口大都装有 拍门( 逆止阀) ，轴封采用机械密封。目前国外较好的自吸泵能在几十秒内完成自吸过程，最大 自吸高度可达9 m 多水柱。日本生产的自吸泵品种规格较多，其离心式自吸泵最大口径达3 0 0 m m ， 如德国d l a 公司的s z a o o k 型自吸泵、日本寺田制作所的e p - 1 1 型自吸泵，其口径皆为3 0 0 m m 。日 本近年还制造出一种结构新颖的p 型自吸泵，泵壳内按相反方向安装着两个叶轮，两个叶轮之间 的流体通道是靠一特殊的导叶来完成的。两叶轮装向相反，轴向力完全平衡，运转平衡，效率较 高。英国研制了一种新型自吸泵，它的特点是自吸泵的气水分离室从泵的吸入口侧移到泵的后面， 从而减少由于进口扰流引起的摩擦损失提高了泵的吸程和缩短了自吸时问。 表1 2 国外自吸泵主要代表产品 6 效率( ) 5 3 5 35 3 吸程(m)85 86 自吸时间( s ) 3 0 5 04 2 我国目前生产的自吸泵基本上都是自吸离心泵产品已形成系列。目前我国自吸泵结构型式 主要有单层蜗壳、双层蜗壳及导叶结构。从性能上讲，双层涡壳、导叶结构自吸性能较好，效率 较高，但结构复杂。国内生产自吸泵的口径一般为3 2 2 0 0 m m ，扬程l o 8 0 m 。近年来，湖南省 农机研究所与茶陵喷灌机厂等研制的低比转数b p z 型喷灌泵自吸性能好，吸程5 m 高，自吸时间小 于6 0 s ；我国喷灌泵的规格虽然不多，但在低比转数自吸泵中，通过采取增大叶片出口安放角( 达 5 0 ) 、增大叶片出口宽度( 实际取值较理论值增大2 - 3 t a m ) 、增大泵壳各端面面积、适当减少叶 片数、采用扭曲叶片及双层蜗壳的泵体结构等措施。制造出一批性能较高的自吸泵，使我国在这 方面首先进入世界的先进行列“1 。其主要代表产品如表卜3 所示： 表1 - 3 我国自吸泵主要代表产品 我国自吸泵产品的自吸方式，大多数是气液混合式，也有少数的水环真空式。 1 3 1 自吸泵的结构演变 国际上3 0 年代初已开始出现自吸泵，到5 哞代初才形成批量生产3 。自吸泵在我国起步较 晚，我国自吸泵的发展经历了3 个阶段。2 0 世纪6 0 年代开始投产，7 0 年代开始推广应用，该阶段 自吸泵基本不堵回流孔，泵效率偏低“钉。1 9 8 4 年b p 系列自吸喷灌泵通过科研鉴定，联合设计中 有8 种内混式自吸泵。采用橡胶钢球阀自动开关堵回流孔“，如图卜4 所示，泵效率等性能参数 大幅度提高。2 0 世纪9 0 年代中期，外混式自吸泵弹性橡胶阀自动开关堵回流孔成功“，如图卜4 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 所示，外混式自吸性能也达到内混式水平。为降低成本，简化结构，提高可靠性，普遍开始转产 外混式。近2 0 年来自吸泵发展很快，在小型泵领域中，它正向着高速小型，高扬程，自动控制的 方向发展。 国卜3 内混式橡胶钢球阀自动堵回流孔装置囤1 - 4 外混式弹性橡胶阀自动墙回流孔装置 我国自6 0 年代初研究设计和开发出卧式自吸离心泵以来，已得到了长足的发展，应用领域不 断拓宽，自吸泵受到越来越多人的关注和接受。然而，已大量生产的卧式自吸离心泵，由于结构 的限制，在某些方面，还存在不足。例如，其轴向尺寸较大，安装位置受限，在船舶舰艇和车辆 上很难得以推广应用。为了拓展自吸泵的应用范围。近年来已经研究出了6 5 i z - 4 0 型导叶式自吸 离心泵“，叶轮吸入口朝上的立式白吸泵和叶轮吸入e 1 朝下的立式自吸泵“以及便拆立式自吸 泵 1 7 1 = 由于立式自吸离心泵与电动机直联，所以占地面积小，结构紧凑，进出e l 在同一水平线上。 这些结构的泵可在户外管道中使用，结构紧凑，占地小，故在某些领域有取代卧式自吸离心泵的 趋势 1 s o 另外，2 0 世纪9 0 年代初期，为了解决高扬程工况输送液体困难的问题和扩大自吸式离心泵的 应用范围，还开发出了外混式双级自吸离心泵“”和d a i z - 1 0 0 型节段式多级自吸离心泵 1 9 o 在卧式泵方面，江苏大学流体机械研究中心( 2 0 0 3 年) 开发了两种新型自吸喷灌泵，一是不 对称导叶自吸喷灌泵，这种泵类似于外混式，但是没有采用涡壳型式的压水室，其压水室为导叶 式的，而且三个导叶不对称布置，这样布置是为了使泵有良好的自吸性能。这种泵的流量扬程 曲线平坦，特别适用于灌溉用途：二是射流自吸喷灌泵是由喷嘴在叶轮进e l 形成具有卷吸作用的 射流，射流在泵的进口进行气液混合，所以射流自吸喷灌泵的混合型式是内混式。射流自吸喷灌 泵的压水室也是导叶型式的”。 1 3 2 自吸泵的自吸性能 自吸泵的性能包括水力性能、汽蚀性能和自吸性能。自吸性能的优劣是评价自吸泵的个重 要指标。评价自吸泵自吸性能的指标，主要指自吸时间和自吸高度。自吸时间，又叫抽气速率， 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 就是指在规定试验条件下泵从起动开始连续运转到泵出口开始连续输出液体所需要的时间；自 吸高度，y 口t t 极限真空度，是指从静止液面到泵入口中心线的几何高度，在规定试验条件下，自 吸泵能够实现自吸，并在规定工况点运行时不产生汽蚀现象”1 。 自吸性能的考核有两项指标，即垂直5 m 自吸时间和晟大自吸高度。在某些使用场合，要求 自吸性能好，可靠。因此，其最大自吸高度应不小于6 m ( 其实高于6 m 已没有多大意义，这是因 为自吸泵的使用除受到最大自吸高度限制外，还受汽蚀余量的限制) ，垂直5 m 自吸时间越短，性 能越佳1 。 ( 一) 自吸泵的自吸特性曲线 从自吸式离心泵的工作特性可以知道，自吸式离心泵除了与常规离心泵完全相同的性能参 数，如流量( q ) 、扬程( h ) 、效率钿) 、必需汽蚀余量( n p s h r ) 外，还必须有用于描述自吸过程的 性能参数，通常用吸上高度( 1 - i s ) 和吸上时间( t ) 。吸上高度是指以泵起动时的液面为基准，在保 持该基准液面不变时，吸入管路中液面的静高度：吸上时间是指泵启动后实现某一吸上高度所需 要的时间。吸上高度与吸上时间的变化关系也被称为自吸泵的自吸特性曲线。 目前，国外的大多数自吸泵厂商除了向用户提供 卜电、n q 及n p s h q 三条预期的特性曲 线外，还提供预期的自吸特性曲线( h f _ t ) 供用户选型参考。 在国内，很少有自吸泵厂能提供预期的自吸特性曲线。在这里，特别需要指出的是，国内自 吸泵产品普遍使用最大自吸高度和最长自吸时间来表征泵的自吸特性。其中，最大白吸高度 ( 仃；) 是指自吸泵所能实现的最大静吸上高度，也就是自吸特性曲线中的最高点；相应地，最 长自吸时间( f ) 是指泵从启动到实现白吸高度所需要的时间“。 无论是国内还是国外，自吸泵的自吸特性都是通过试验来确定的。但尚未找到与测试自吸特 性的试验方法有关的标准，不过总的来讲，有三点是明确的，即：( 1 ) 在常温常压环境下使用清洁 的常温水作泵腔循环液和被输送介质；( 2 ) 入口管路的通径与泵的吸入口通径相同；( 3 ) 吸上高度 用水柱高度表示，单位为米( m ) ，吸上时间单位为秒( s ) 。 综合国内、外多个厂家的自吸泵通用产品，一般情况下，自吸式离心泵的自吸高度都不超过 6 ，5 m ，自吸时间一般y ) , 3 0 2 5 0 s 不等。 ( 二) 自吸泵自吸性能的计算模型 由于自吸泵的工作原理特殊，其中的气液两相流的流动是复杂的过程。目前在自吸性能预 算方面的理论途径主要有两种： 一是通过对自吸过程中瞬时抽气率表达式进行积分来求取自吸时间，一旦叶轮圆周速度、叶 轮宽度、叶轮泵体隔舌间隙、回流孔面积确定后就能确定其自吸性能“1 ： 川n f 甓酱0 5 i1 0 i h + jx 剐一讣掣罴 c ，叫 肌”n 【絮齿拟一昙) 一一嫩帆s ；心平 9 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 管段距液面的高度，m ；l 一水平管段长度，m ；t 一水平管段安装在离液面h 米处，水平管段长 为米的自吸时间，s ；c 一系数，与泵的结构形式、自吸方式及泵的参数有关。 文献e 2 a 列出了数种外混式自吸泵( 以5 0 c y z - - 5 0 为例) 在不同自吸高度以及水平管道 距离液面不同高度情况下自吸时间的试验值与计算值，通过对比分析发现：试验值与计算值基本 吻合，相对误差低于5 。 自吸泵的安装应尽可能靠近液面。“。另外，对进口管路的设计安装，上述公式提供了设计 依据，在垂直管路相同的情况下，水平管路安装在离液面越低的地方，自吸时间越短1 。 同时，文献 2 4 导出了最大自吸高度的计算公式： h 一1 2 1 3 f f - 磐2 2k 1 ( 1 2 ) 式中，壕进口直径，m m ；哥一叶轮宽度，1 1 1 1 1 1 1u ，一叶轮最大圆周速度，m s ：墨一系数， 与泵进口直径关系较大。 与试验值对比分析发现，相对误差低于5 ，此公式有一定精度。 二是采用射流、湍流理论和寻优的计算方法，求解出气液两相流的变密度方程以及在叶轮出 口处的无因次纵向速度分布规律，从而建立了自吸时间的计算模型。根据自吸泵的结构参数、安 装条件和室温，即可推算出自吸时间。“： r l 怒 ( 竿+ 护- ( 半+ 刮 c ，吲 式中，d 一吸入管直径，m ；肠气体的分子量：折合成水柱高的大气压力，m ；三一吸入 管总长，m ；h 管内液面上升的高度，m 。 若试验装置中含有水平管段，当自吸抽气达到水平管路时，水自动流向叶轮进口，液体会带 走吸入室内剩余的空气，算为输水工况，因而可不考虑水平管的影响o “。 目前，泵内气液两相流这一领域的研究尚处于探索阶段，有待于今后进一步发展。 1 3 3 自吸泵自吸性能的影响因素 影响自吸泵自吸性能的因素有很多，包括叶轮型式、叶轮出口宽度、叶轮的圆周速度、叶轮 与泵体隔舌的间隙、回流孔( 阀) 、储液室容积、气液分离室容积、进水管道的安装状况、出水 管道的安装状况等。此外自吸性能还受加工、安装等条件的影响。国内一些学者对影响自吸泵自 吸性能的因素进行了研究，其中钟明等( 1 9 9 8 年) 应用灰色系统关联度方法对自吸泵自吸时间的 影响因素进行分析，结果表明影响因素的重要顺序依次为：隔舌间隙、回流孔面积、叶轮宽度、 叶轮圆周速度 2 7j 。 ( 一) 叶轮型式对自吸性能的影响 比转数3 0 n ， 1 2 7 ，自吸时间反而有所增加。可 见泵体储液容积过大过小均不好，而是选取最佳值，在保证性能情况下尽量节省材料“。一 般情况下，自吸泵储液室容积与泵以秒计设计流量之比q ，7 q 一般必须大于0 5 ，建议当n ， 5 0 时， 一般i r q l 他值为1 2 5 左右；当5 0 n ， 2 5 0 1 j ，- - 睃取q i o 值等于或略小于o 5 ”。单位通常取吼为m 3 ，q 为 n 3 脂。 此外，储液室容积的大小对泵的体积和重量有着直接的关系。储液室容积大，泵体体积大， 重量增加：反之则相反。但储液室容积的大小对泵的效率影响不大。其理由是：自吸泵要完成自 吸过程必定具有一定的储液量，其在泵正常输液过程中储液量还是必定存在的，它会通过回流孔 而返回叶轮一部分液体，然而它并不随储液量的多少而返回。只取决于回流孔叶轮侧和泵体蜗壳 外腔侧的两压力差而返回。实践也证明了这一过程。 ( 五) 气液分离室容积对茸吸性能的影响 自吸泵的气液分离室是白吸泵应必备的关键结构部分之一。其容积的大小对自吸性能的优劣 起着关键性的作用。 固1 5 1 一气液分离室2 一储液室 从理论上分析，气液分离室容积应是指自吸泵泵体结构内除储液室容积以外的那部分空间。 而储液室容积是指自吸泵吸入口晟低点以下的泵体容积。那么，气液分离室的容积可表示为自吸 泵泵体吸入口最低点到泵体顶部的泵体空间体积。如图1 - - 5 所示。当然，实际上，气液分离室的 容积是有微小增大变化的。这主要来自泵起动时储液量的外溢和泵停机后吸入管真空虹吸作用倒 回一部分液体，降低了泵体内的储液室容积。 气液分离室容积是确保自吸泵气液混合物分离的充分和必要条件。实践证明：气液分离室容 积越大，气液混合体的分离效果越好，气液分离得越快，自吸性能越好，但对泵的效率有所影响。 并使泵体结构体积变得庞大，也增加了泵的重量。反之，如果，气液分离室容积较小，则会使自 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 吸泵在自吸过程中气液混合物来不及分离便从泵出口排出，使得自吸泵排气能力减弱、自吸性能 较差。甚至导致自吸困难。 自吸泵气液分离室容积的大小不必笼统地取等于或略大子储液室容积。一般情况下，当 h 。 1 2 0 时，气液分离室容积应大于或等 于储液室容积取值。如在储液室较小情况下，可通过增大气液分离室的设计来提高自吸性能。通 过归纳统计，得出估算气液分离室容积值的直线方程式。： 口2 一( o 0 0 5 9 n ，+ 0 1 9 1 j 窖l ，其中，当n ，较小时，取大值，当疗，较大时，p 取小值。 式中，q ，：自吸泵气液分离室容积；q ，：储液室容积；，l 。；比转数：s ：修正系数，一般 取值为0 0 5 。 ( 六) 回流孔( 阀) 对自吸性能的影响 回流孔这一因素与自吸泵自吸性能关系密切，很大程度地影响自吸性能。内混式自吸泵回流 水直接通叶轮进口，有良好的抽吸作用。回流孔径过大过小均不好，而是取一中问值。外混式的 回流孔面积过大过小也不合适，同样也有一中间值： 内混式自吸泵回流孔面积预算公式。”：f = ；( 1 1 5 ) 2 ( q n ) 拍 ( 1 4 ) 4 外混式自吸泵回流孔面积预算公式“1 ：f ；( 1 1 1 8 ) 2 ( q 加尸3 ( 1 5 ) 斗 式中，q 一泵的设计流量，m 3 s ；n 一泵的转速，r r a i n 。 公式中系数的取值规律一般为：( 1 ) 转速低时取较小值，转速高时取较大值。( 2 ) 低比转数 泵取较大值，大比转数泵取较小值。( 3 ) 大口径泵取较小值，小口径泵取较大值。( 4 ) 同流量泵， 扬程越高取值偏大。 当经回流孔回流的液体等于叶轮排出的液体时，自吸性能为最佳。所对应的回流孔面积为最 佳回流孔面积o “： 所；学去 1 ( 1 6 ) 式中，p 。一吸入管路中空气的绝对压力，p 。：g 一在自吸时间内总的排气量，肌3 ；g o 吸 入管路及泵体内原始的总气体体积，胁3 ；k s 一系数，对于给定的泵为常数；p 被输送液体 密度，堙所；p ，一回流孔出口侧的压力，p 。 外混式回流孔一般为腰形孔，而内混式回流孔一般是圆孔。”。外混式自吸泵的自吸性能还与 回流孔的位置有关，其位置处于泵体中心线最下方为最佳“。 还有，回流孔对内混式自吸泵性能影响非常大，所以内混式自吸泵必须堵回流孔。而回流孔 对外混式自吸泵性能的影响远低于内混式自吸泵。 ( 七) 吸入管径对白暇性能的影响 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 - - 一般地，通过加大吸入管直径来获得较大的流量，尤其是在工况处于自吸泵性能曲线的右侧 或者吸入管过长的情况下。加大吸入管直径会使自吸时间变长。在相同自吸高度下，自吸泵加大 吸入管直径后的自吸时间与配备标准吸入管径的自吸泵的自吸时间存在如下关系式。”： “f f 翁 i d ( i 一7 ) 式中，f 一自吸泵加大吸入管直径后的自吸时间，s f 配备标准吸入管直径的自吸时间，s ： d 一加大的吸入管直径，n l m l d 一标准的吸入管直径，m m ： 公式( 1 - - 7 ) 说明，自吸时间与吸入管的面积成正比。这一结论与公式( 1 - - 3 ) 相吻合。 另外，有人认为入口管路的直径较泵的入口大一至两个规格，不会对泵的自吸高度产生明显 的负