旋涡泵的性能和应用

1、旋涡泵的性能和应用1旋涡泵的性能和应用旋涡泵虽属于叶片泵的范畴，但其工作过程，结构以及特性曲线 的形状等均与离心泵和其他类型泵相差较大。旋涡泵在工作过程中， 由于叶轮转动，造成叶轮内和流道内的液体都有圆周方向的运动，因而就产生了离心力，叶轮内液体的圆周速度大于流道内液体的圆周速 度，即叶轮内液体的离心力大，故形成轴向和径向旋涡，旋涡泵由此 得名。旋涡泵与尺寸，转速相同的离心泵相比，其扬程要高39倍。单叶轮可以取得417kg/cm2压力，两级叶轮最高压力可达到 30kg/cm2。大部分旋涡泵均具有自吸能力，能够实现气液混输，这对 于抽送含有气体的易挥发的液体和气化压力很高的高温液体具有重 要的意

2、义。旋涡泵具有陡降的特性曲线，其扬程的变化对流量的影响 比离心泵小，因此，对系统中的压力波动不敏感。但是旋涡泵的效率 较低，其抗汽蚀性能较离心泵差。旋涡泵只能用来输送纯净介质，当 液体中含有杂质时，就会因摩擦引起轴向和径向间隙增大， 导致容积 效率和流量的降低，从而降低泵的性能。旋涡泵与柱塞泵相比，在运 行中不产生压力脉动，在小流量范围内也无需像离心泵那样打回流。由于旋涡泵有很多其他类型泵所不具有的优点，所以在国民经济 的许多部门也得到越来越广泛的应用。例如在化学工业中输送酸，碱 及其他腐蚀性液体，要求具有小流量，高扬程，较慢的化学反应速度 和较高的耐腐蚀性；在机场，汽车配油站中，加油车，油罐

3、车和固定 分配装置用来抽送易挥发性的液体（汽油，煤油和酒精）；用于小功 率的可移动式洗涤设备上和农业供水设备中。旋涡泵也可作为消防 泵，锅炉给水泵，船舶供水泵和一般增压泵使用。2国内外对旋涡泵的研究状况2.1旋涡泵的工作原理第1个进行旋涡泵研究工作的是德国科学家里台尔（1930年），研究做出了下述工作过程的假说：流道中的液体在转动，在每一液体质 点上均作用有离心力，而在叶轮内液体上所作用的离心力要比流道中 液体上所作用的离心力大，因为流道中液体的圆周速度比叶轮中慢， 由于离心力不同，引起了液体的圆环形运动（称为纵向旋涡）。液体依靠纵向旋涡在流道内流经叶轮好几次， 每经过1次叶轮，扬程就增 加1

4、次。因此，旋涡泵的扬程高于离心泵的扬程。里台尔的假说是对旋涡泵工作原理进行研究的基础。在此基础上， 后人把旋涡理论发展成为纵向旋涡加径向旋涡理论。另外，有日本学者认为，旋涡泵的工作过程是依靠叶轮的粗糙表 面，对流道内的流体作相对运动引起的摩擦剪切应力实现的。叶轮外缘”粗糙度”越大，作用于液体的摩擦力越大，泵扬程越高。径向小叶 片与流道内的液体相对运动产生紊流摩擦力， 从而把原动机的能量传 递给流道内的液体。叶轮上的叶片在流道内多次重复产生较大紊流摩 擦力，因此旋涡泵具有较高的扬程，故旋涡泵也称为摩擦泵。2.3旋涡泵的设计理论由于旋涡泵内部流动的复杂性和理论的不完善，目前还没有精确 的理论设计方

5、法，通常采用相似换算法，经验统计计算法和经验系数 计算法。20世纪60年代有学者提出旋涡泵HQ扬程流量特性曲线比较接 近于线性关系，研究发现旋涡泵的最佳流量与流道面积成正比关系。 1977年学者Dyaminov等提出了屏蔽式旋涡泵的设计方法。1988年 有国外学者提出单轮双级旋涡泵，这对于提高旋涡泵的汽蚀性能以及 综合性能有理论意义。单轮双级旋涡泵结构由于旋涡泵的扬程随流量增加而下降较快， 且扬程系数比离心泵要高很多，因此旋涡泵的工作范围很小。针对旋 涡泵的工作范围较小等问题，有学者提出并研制了高速旋涡泵， 解决 了以上问题。高速旋涡泵扬程可以达到 200m以上，这样也增加了旋 涡泵的应用范围

6、。与容易产生正斜率上升段的离心泵特性曲线相叠 加，所得到的高速旋涡泵的特性曲线不会存在正斜率上升段，这样高速旋涡泵就根本不存在小流量不稳定性等问题。对旋涡泵和高速旋涡泵的设计进行了大量研究，建立了以效率和 工作范围为主线的小流量旋涡泵的理论设计方法，通过实验分析，表明较大的流道面积可以拓宽泵的工作范围， 较大的径向间隙和轴向单 边间隙会降低泵的扬程和效率，并且研制了轴向入口旋涡泵。浙江理 工大学的谢鹏采用加大流量法对小流量高扬程离心旋涡泵进行了水 力设计，提高了样泵的抗汽蚀性能。合肥通用机械研究院的陈世亮设 计了屏蔽式旋涡泵并进行了试验研究， 屏蔽式旋涡泵没有泄漏，运行平稳，增加了旋涡泵的应用

7、范围。2.4旋涡泵的内部流动20世纪40年代以后，在里台尔假说的基础上，一些学者开始进一 步探索旋涡泵内部流动的理论，得到了多个描述旋涡泵内部流动的理 论模型。1954年，学者Senoo从旋涡泵内部的湍流摩擦力方面进行 了研究，提出了湍流混合模型。在这个理论模型中，Senoo把旋涡泵叶轮中的流动看作是库艾特-泊肃叶流动。1955年，学者Iverson对径 向叶片叶轮的旋涡泵内部流动进行研究，提出了一个湍流模型。他根据叶轮作用在液体上的剪应力来分析旋涡泵的性能，并通过实验分析 来确定模型中的剪切系数。但是以上两位学者的理论模型并不能直接 解释旋涡泵中的旋涡流动。学者 Wilson和他的研究小组在

8、前人研究 的基础上，提出了动量交换理论，从而能够很好地解释旋涡泵中的旋 涡流动。学者Dewitt和Mason应用这个理论分析了旋涡泵的性能。韩国学者J.W.Song认为现在大多数理论只能应用于旋涡泵内流动 充分发展的区域，然而在流动充分发展区域前有一个流动的发展区 域，这个区域对旋涡泵的性能有很大的影响。他建立了一个应用于流动发展区域内的理论，并通过实验来分析了这个区域对泵性能的影 响，得出增加泵进口处流道的面积可以提高泵的扬程和效率，并且可以提高泵的汽蚀性能。在国内，由于我国的旋涡泵研究起步较晚，对内部流动理论方面 的研究至今还很少。随着计算流体力学的发展，计算流体动力学CFD ( Comp

9、u2tationalFluidDynamics）自20世纪60年代中期已形成一门独立的科 学分支，成为研究流体运动规律，解决很多工程实际问题的三大手段（理论，实验，计算）之一。国内外已有学者采用 CFD软件对旋涡泵内部流场进行了数值模 拟，并取得了一定成果。Song采用Flue nt软件对不同流道截面面积 的旋涡泵内部流场进行了数值模拟， 并通过实验研究得出，当流道截 面面积增大时，叶轮和流道中的液体所受到离心力的差值也变大，从而使传递能量的纵向旋涡快速增强， 使扬程增大。江苏大学的董颖等 人通过对不同流道截面形状的旋涡泵内部流场的数值模拟，分析了旋涡泵的内部流动状况，验证了流道截面形状对旋涡

10、泵内部流动的影 响，证实了纵向旋涡和径向旋涡的存在。2.5旋涡泵的实验研究由于旋涡泵流道和叶轮的多样性，系统地针对全部类型旋涡泵进 行实验研究是个工作量巨大的工程，所以国内外学者对旋涡泵的实验 研究都是针对某一方面展开的，主要是通过对影响旋涡泵性能的过流 部件进行研究，以得到较为理想的设计参数和设计方法。英国学者Crewdson对旋涡泵叶片的造型作了系统实验，研究发现当叶片受压面（正面）的出口角约为135°同时把吸力面（背面）的 叶片边倒圆，使其形成尖的叶片尖端时，泵的效率可达到50%，比普 通叶片造型的旋涡泵高出了许多。 韩国提出了一个新的理论模型，并 根据此模型设计了一种带扭曲叶

11、片的叶轮，明显提高了旋涡泵的扬程和效率。在国内，江苏大学的沙毅等通过分析旋涡泵叶轮叶片数，泵体流 道面积对泵性能影响的对比实验，阐述了泵几何参数对泵性能影响的 变化规律，并利用数值分析方法拟合出叶轮直径 D，叶片数Z和流道 面积A的经验系数水力计算公式。郑州大学的张明成等通过对旋涡 泵中叶轮与泵体间动压场的研究，并根据侧隙泄漏量和功率损耗量得 到了叶轮与泵体之间的最佳间隙取值范围。3研究方向及发展趋势（1）在设计计算方面，针对旋涡泵特殊工作原理以及多种结构型 式，对影响旋涡泵性能的过流部件进行优化设计，提高泵的效率，完 善泵的理论设计方法。（2）在理论分析方面，进一步深入研究 CFD技术，建立符合旋 涡泵内部流动规律的数学模型，运用 CFD软件进行模拟计算旋涡泵 的工作过程。（3）在实验研究方面，采用 PIV，LDV，PU, PDV等先进测试 技术对