内混式自吸离心泵射流自吸装置的试验研究

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水利学报年月第卷第期文章编号内混式自吸离心泵射流自吸装置的试验研究仪修堂兰才有窦以松高战地中国农业大学水利与土木工程学院北京中国农业机械化科学研究院北京北京工业大学分部北京摘要通过安装不同收缩角和不同出口截面积的射流嘴对种内混式射流自吸离心泵的自吸性能进行了试验研究利用压力传感器和真空仪测量了吸水管内和叶轮进口的真空度分析了自吸离心泵自吸过程中吸水管内和叶轮进口真空度的变化情况以及射流嘴收缩角和出口截面积对自吸性能的影响结果发现射流嘴出口压力取决于叶轮进口的真空度而吸水管内的真空度曲线则反映了自吸离心泵的自吸过程射流嘴的收缩角为时自吸性能最佳射流嘴的最佳出口截面积与自吸离心泵的大小有关随泵的额定流量呈指数关系变化关键词自吸离心泵内混式射流自吸射流装置中图分类号文献标识码离心泵是轻小型移动式喷灌机组的主要配套部件之一使用中需要随机组工作位置的不断变换而频繁起动和停止为了减轻操作人员的劳动强度避免普通离心泵安装底阀带来的水力损失提高机组效率轻小型移动式喷灌机组通常都配套自吸离心泵根据水和空气混合部位的不同自吸离心泵通常分为内混式和外混式两种外混式自吸离心泵的自吸循环水通过叶轮外圆周附近泵体蜗壳壁上的回流孔回到叶轮外周处内混式自吸离心泵通过外置的回流装置将泵腔与叶轮进口连通形成自吸循环水通道在性能参数相同或相近的条件下内混式自吸离心泵一般较外混式自吸性能好效率高所以用量也较外混式多国内外学者对自吸离心泵的自吸性能进行了大量研究研究内容主要集中在外混式自吸离心泵自吸时间的计算回流孔的面积和位置以及储液室容积等方面如范宗霖主要进行了自吸时间计算的研究陈茂庆主要进行了回流孔面积和位置的研究仪群等主要进行了泵腔储液室容积的研究到目前为止关于内混式自吸离心泵射流自吸装置研究的文献不多沙毅张文涛等通过个出口截面积不同的回流嘴在同一台内混式自吸离心泵上进行了试验表明回流嘴的出口直径存在最佳值叶忠明在同一台泵上用种不同尺寸的自吸回流装置进行了数值模拟和试验研究得出的结论与文献基本相同这些研究都是针对一种自吸离心泵进行的且自吸装置的规格少研究结果不具有普遍性本文用种不同射流嘴收缩角和出口截面积的射流自吸装置在比转速为的种内混式射流自吸离心泵上进行了次有效自吸性能试验并对试验结果进行了理论分析该研究对内混式自吸离心泵的设计射流自吸装置最佳结构参数的确定以及进一步提高该类泵的自吸性能具有较重要的意义内混式射流自吸离心泵的结构与工作原理如图所示内混式射流自吸离心泵主要由射流自吸装置含阀球回流管和射流嘴泵体加水短收稿日期基金项目国家计划课题作者简介仪修堂男内蒙古赤峰人博士研究生主要从事节水灌溉技术与设备研究工作 管叶轮轴承体泵轴等组成自吸离心泵首次起动前需向泵腔内注足够量的水停机时会自动存留一部分供下次起动时使用泵起动后在叶轮高速旋转的离心力作用下吸水管见图内的空气与水混合并被排到泵腔内的气水分离室在气水分离室比重较轻的空气从水中分离并从泵的出口及加水短管排出脱气后的水经过回流管返回泵腔内继续与空气混合经过反复循环直到将吸水管和泵腔内的空气排尽由于泵腔内是高压区而吸水管内和叶轮进口是低压区泵腔内的部分水经过射流自吸装置时形成的高速射流使叶轮进口的真空度进一步加大从而提高了泵的自吸性能水泵完成自吸过程后阀球自动关闭回流管射流自吸装置停止工作水泵转入正常工作状态阀球回流管射流嘴泵体进口接头计算机真空仪压力传感器测压管加水短管兼作排气管出口接头叶轮吸水管被试自吸离心泵电机轴承体泵轴联轴器图试验装置示意图内混式射流自吸离心泵结构原理射流自吸装置是一种利用高速流体作为工作动力的装置它本身没有运动部件因而具有结构简单密封性能好工作可靠和成本低等优点试验装置与方案试验用自吸离心泵试验所用的自吸离表试验用自吸离心泵主要性能参数心泵是国家计划轻小型移动式与大型自流量扬程转速比转速实测效率型号走式喷灌机组及配套产品研制与产业化开发?????课题中轻小型移动式喷灌机组配套水泵中的种均为采用射流自吸装置的内混式自吸离心泵其比转数为主要性能参数详见表试验装置和仪表图为试验装置示意图被试自吸离心泵全部安装在叶轮中心距蓄水池水面的高度处吸水管绝大部分长度与水面垂直而水平段很短其影响可忽略不计为了获得射流嘴出口前后的压力差并测量吸水管内的真空度在叶轮进口和吸水管靠近泵进口处各设置一个测压点利用压力传感器真空仪和计算机的数据采集程序采集叶轮进口和吸水管内的真空度传感器将感受到的真空度以电流的形式传递给真空仪真空仪将其转换为数字形式并传送给计算机计算机的数据采集程序记录测得的真空度和时间自吸离心泵一经起动计算机的数据采集程序同时开始记录并将开始时间设置为零根据自吸时间的长短设定计算机数据采样程序的采样时间间隔利用多功能大气压力计测量试验中的即时大气压力和温度测量仪表及其精度如下压力传感器测量范围为精度为真空仪精度为多功能大气压力计大气压测量精度为温度测量精度为 试验方案射流嘴是射流自吸装置的关键部件如图所示射流嘴的横断面为圆形是射流嘴的进口直径与回流管的出口直径相同是射流嘴的出口直径射流嘴的出口截面积和收缩角是射流自吸装置的主要结构参数对自吸离心泵的自吸性能起着决定性影响作用为了使射流自吸装置的回流管能够在研制的配套自吸离心泵系列中通用降低制造成本射流嘴的进口直径均取相同值试验采用的射流嘴收缩角分别为和出口直径分别为和共计组成种射流自吸装置试验时分别依次安装在种不同规格的自吸离心泵上每隔对吸水管和叶轮进口的真空度采样一次同时记录自吸时间自吸离心泵自吸过程结束后再持续运行一段时间直到叶轮进口和吸水管内的真空度基本稳定为止每个射流嘴进行次试验为了使自吸时间与真空度的结果相对应试验结果选取最接近平均自吸时间的自吸时间和真空度数据不包括对型自吸离心泵所做的加大射流嘴出口截面积的补充试验本研究共计进行了次自吸性能有效试验试验结果分析叶轮进口和吸水管内的真空度图是泵从开始起动到正常工作过程中叶轮进口和吸水管内真空度随时间的变化规律曲线从图中可以看出自吸离心泵的工作过程主要包括个阶段即自吸阶段过渡阶段和正常工作阶段自吸离心泵起动后随着吸水管内的空气不断被排出吸水管内的真空度不断提高同时吸水管内的液面随之上升当吸水管内的真空度达到约时吸水管内的液面也升高到自吸离心泵的进口处此后大量的水开始进入泵内经过一个短暂的过渡阶段后自吸离心泵转入正常工作阶段此时吸水管内的真空度基本维持一个恒定值根据自吸离心泵进出口之间的伯努力方程该恒定值的大小主要与自吸离心泵的在该工作点的扬程有关图射流器喷嘴结构简图图叶轮进口和吸水管内真空度曲线自吸过程中叶轮进口真空度随时间的变化规律和吸水管内的真空度一致只是在自吸阶段叶轮进口真空度与吸水管内真空度的差值不断增加自吸阶段结束时和正常工作阶段的叶轮进口真空度均高于吸水管内的真空度试验过程中自吸离心泵的出口是敞开的压力为零因此射流嘴出口前后的压力差应由叶轮进口真空度确定自吸离心泵的吸水管可看作上端封闭下端浸入水面以下的真空管根据压力平衡方程吸水管内的空气压强为水式中为吸水管内的空气压强为大气压强水为水的重度为吸水管内液面上升的高度又根据真空度绝对压强和大气压强的关系得出水式中为吸水管内的空气压强据式自吸阶段吸水管内的真空度与吸水管内水柱产生的压强相等因此吸水管内的真空度反映了自吸离心泵的自吸过程如果把自吸阶段吸水管内的真空度曲线看作直线则该直线的斜率表示泵在相应自吸高度时的自吸过程射流嘴的主要结构参数对自吸时间的影响根据水力学原理射流离开射流嘴的出口边界后与 周围静止的空气之间形成一个速度不连续的间断面这个间断面是不稳定的面上波动发展形成旋涡产生强烈的紊动所以射流边界上的水与其相邻周界处静止的空气发生掺混将部分动量传递给周围静止的空气这部分原来静止的空气便因获得能量而被射流携带两者掺混在一起共同向前运动混有空气的水在叶轮离心力的作用下进入泵腔内的气水分离室进行气水分离因此气水混合物中的空气掺混量影响着自吸时间而掺混量又受到射流嘴结构参数的影响图图是种被试自吸离心泵自吸时间与不同收缩角的射流嘴出口截面积之间的关系曲线从图中可以看出射流嘴的收缩角为时自吸时间最短而射流嘴出口截面积并不是越大或越小越好除了型自吸离心泵外每种自吸离心泵都有一个最佳的射流嘴出口截面积在型自吸离心泵的试验过程中继续加大射流嘴出口截面积不但不能缩短自吸时间而且根本不能实现自吸上水而型自吸离心泵的试验却相反随着射流嘴出口截面积的增加自吸时间一直呈缩短趋势尽管增补了种加大出口截面积的射流嘴仍未获得最佳自吸时间最短射流嘴出口截面积数值图型自吸离水泵试验结果图型自吸离水泵试验结果图型自吸离水泵试验结果图型自吸离水泵试验结果图型自吸离水泵试验结果上述现象表明对型自吸离心泵射流嘴的进口直径还需进一步加大以便在收缩角相同的情况下获得更大的出口截面积使自吸性能进一步得到改善最佳射流嘴出口截面积与自吸离心泵的性能参数存在着一定的关系泵的尺寸越大射流嘴最佳出口截面积越大结论通过试验研究以及对试验结果的分析可以得出如下结论内混式射流自吸离心泵射流嘴出口前后的压力差应根据叶轮进口的真空确定吸水管内的真空度反映了自吸离心泵的自吸过程如果将自吸阶段吸水管内的真空度曲线看作直线则该直线的斜率表示泵在相应自吸高度时的自吸过程射流嘴收缩角对内混式自吸离心泵自吸时间的影响不明显通常射流嘴收缩角为时自吸性能最佳以追求最佳自吸性能为目标的射流嘴出口截面积存在最佳值且最佳出口截面积与自吸离心泵的大小有关自吸离心泵的额定流量越大最佳出口截面积也越大最佳出口截面积随自吸离心泵的额定流量呈指数关系变化本文的局限性在于仅通过变换射流自吸装置主要结构参数对内混式射流自吸离心泵自吸性能的影响进行了初步探讨对于进水流道内部流动状态对自吸性能的影响还有待于进行更多的试验或采 用数值模拟等方法进一步深入研究以便揭示本研究所得结果的内在原因参考文献关醒凡现代泵设计手册北京宇宙出版社沈阳水泵研究所中国农业机械化科学研究院主编叶片泵设计手册北京机械工业出版社范宗霖自吸泵的自吸性能及自吸时间计算甘肃工业大学学报陈茂庆回流孔对自吸离心泵自吸性能影响的试验研究水泵技术仪群刘一声关于自吸式离心泵储液室容积的研究和探讨排灌机械沙毅施卫东康灿提高农用自吸泵性能的实验研究及设计方法中国农村水利水电叶忠明射流式自吸离心泵的设计理论数值模拟及实验研究镇江江苏大学清华大学水力学教研组编水力学上册北京高等教育出版社郭晓梅杨敏官王春林自吸泵现状分析水泵技术施卫东汪飞喷灌泵燃气射流自吸装置农业机械学报颜和平高比转数自吸离心泵的试验研究排灌机械骆大章刘善　窦以松低比转数自吸离心泵的设计与试验研究农业机械学报刘景植梁爱国朱劲木龙新平射流泵喉管最优长度的数值计算水利学报高传昌脉冲液体射流泵基本性能的研究水利学报责任编辑李福田