低汽蝕余量的軸流葉片式屏蔽泵設(shè)計與制作

0引言

屏蔽泵是機泵一體化產(chǎn)品,因其內(nèi)部的屏蔽套結(jié)構(gòu)而得名,以其無泄漏、低振動、低噪聲、免維護(hù)的特性而廣泛應(yīng)用于化工、制冷以及“風(fēng)光氫儲”等各個領(lǐng)域。屏蔽泵需依靠內(nèi)部液體冷卻電機和潤滑軸承,所以電機的正常工作對循環(huán)液有一定的要求,該循環(huán)液會對泵的性能造成影響,所以在屏蔽泵設(shè)計中要綜合考慮電機與泵的需求,二者兼顧才能制造出合格的屏蔽泵。

常見屏蔽泵大多采用離心式葉輪,具有離心泵的水力特性。近來也有學(xué)者及工程師研發(fā)旋渦式或齒輪式屏蔽泵,用以應(yīng)對小流量高揚程的工況,但鮮有關(guān)于大流量低揚程屏蔽泵的研究。生產(chǎn)實踐中,大流量低揚程工況大多采取切割離心葉輪的方式,其效果自然不盡如人意,而軸流泵則適用于大流量低揚程工況,所以如果使用軸流式葉輪作為泵內(nèi)的驅(qū)動輪則可以較好地解決大流量低揚程工況性能不佳的問題。

誘導(dǎo)輪作為一種特殊的軸流葉輪,具有揚程低、汽蝕余量小的特性,將誘導(dǎo)輪作為軸流葉輪與屏蔽電機結(jié)合起來即可構(gòu)成低汽蝕余量的軸流式屏蔽泵。本文將結(jié)合實例,介紹一個簡易的軸流式低汽蝕余量的屏蔽泵設(shè)計過程及葉片的制作方法。

1 工況需求

某工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)需求一款工質(zhì)循環(huán)泵,輸送介質(zhì)為LiBr溶液,密度1 600 kg/m³,流量450 L/min,揚程3 m,要求流量具有1.2倍余量,適用于在真空系統(tǒng)中運行,汽蝕余量低,體積小,重量輕。

根據(jù)真空系統(tǒng)運行的特點,該工況應(yīng)使用屏蔽泵。屏蔽電機轉(zhuǎn)速略低,轉(zhuǎn)速取2 550 r/min,根據(jù)流量、揚程計算比轉(zhuǎn)速ns=354。根據(jù)比轉(zhuǎn)速劃分離心泵類型,n_s在10~80范圍內(nèi)為低比轉(zhuǎn)速泵,在80~150范圍內(nèi)為中比轉(zhuǎn)速泵,在150~300范圍內(nèi)為高比轉(zhuǎn)速泵。該泵比轉(zhuǎn)速已經(jīng)超出離心泵范圍,所以不宜用離心泵結(jié)構(gòu),而應(yīng)采用混流泵或軸流泵,根據(jù)汽蝕余量低的要求,該泵適宜將誘導(dǎo)輪作為工作動力葉輪,所以該泵主要設(shè)計點為制作一個滿足該工況的誘導(dǎo) 輪,并與屏蔽電機結(jié)合構(gòu)成屏蔽泵。

2 葉片設(shè)計

誘導(dǎo)輪根據(jù)螺距可以分為等螺距誘導(dǎo)輪和變螺距誘導(dǎo)輪,根據(jù)輪轂形狀可以分為圓柱形誘導(dǎo)輪和錐形誘導(dǎo)輪,其中圓柱形等螺距誘導(dǎo)輪最為常見,錐形變螺距誘導(dǎo)輪性能最好,但制造也較為復(fù)雜,需要精密鑄造成型,重量和成本均較大?？紤]到要求體積小、重量輕,誘導(dǎo)輪選取為圓柱形等螺距形式,葉片由薄板拉伸成型,制作簡便,重量較輕,而且表面光潔度好。

2.1 設(shè)計參數(shù)

流量450L/min=27m³/h,1.2倍則為32.4m³/h,屏蔽電機需有內(nèi)部循環(huán)液用以冷卻電機,假設(shè)電機損耗產(chǎn)生的熱量全部由循環(huán)液帶走,則循環(huán)流量q(L/min)計算公式為:

q=[860×0.85P(1/η_m—1)]/(60r?c?Δt)  ^[1]

式中:P為電機額定功率;η_m為電機效率;r為液體比重;c為液體比熱;Δt為液體溫升限值。

估算電機功率為2.2kw,查LiBr溶液比熱約為0.5 kcal/(kg?℃),按電機效率65%、溫升2℃計算,q=9L/min=0.54m³/h,考慮不同介質(zhì)的通用性及屏蔽泵的內(nèi)部循環(huán)結(jié)構(gòu)特點,循環(huán)流量增大為1 m³/h。誘導(dǎo)輪輪緣間隙的泄漏量通常為(0.02~0.06)Q^[2](Q為理論流量),考慮到屏蔽泵泄漏量較大,取0.1Q,則設(shè)計流量=(32.4+1)× 1.1≈37 m³/h,取設(shè)計流量Q_t=40m³/h。

考慮泵內(nèi)損失,取設(shè)計揚程H_t=3.5 m。

2.2 直徑計算

進(jìn)口當(dāng)量直徑D₀:

系數(shù)K₀取5.5,效率η_v取0.9,按屏蔽電機較低轉(zhuǎn)速取n=2 550 r/min,可得D₀=93 mm,根據(jù)軸徑選取輪轂直徑d=32 mm。

進(jìn)口直徑D₁:

式中:D₀為當(dāng)量直徑;d為輪轂直徑。

計算可得D₁=98.4 mm,取100 mm。

輪轂比=32/100=0.32,一般輪轂比的合理范圍為0.2~0.4,本設(shè)計的0.32在范圍之內(nèi),所以輪緣直徑與輪轂直徑是合理的,可以進(jìn)行下一步計算。

2.3 翼型安放角計算

進(jìn)口直徑圓周速度u:

u=ΠnD₁/60

本次取進(jìn)口直徑D₁=100 mm,計算可得u=13 m/s。軸面速度v_m:

式中:φ為葉片排擠系數(shù),一般取0.8~0.95。

本次葉片排擠系數(shù)φ取0.8,計算可得0m=2.2 m/s。

輪緣進(jìn)口直徑相對液流角β_y1':

式中:v_m為軸面速度;u為圓周速度。

計算可得β_y1'=9.7°。

輪緣進(jìn)口葉片角β_y1:

β_y1=β_y1'+Δβ_y1

式中:β_y1'為輪緣進(jìn)口直徑相對液流角;Δβ_y1為沖角。取沖角Δβ_y1=5°,計算可得β_y1=14.7°。

出口直徑的圓周速度u₂=u=13m/s,出 口直徑絕對速度的圓周分量v_u2:

式中:H_t為設(shè)計揚程;u2為圓周速度;η_h為水力效率。

一般誘導(dǎo)輪水力效率η_h=0.8~0.9^[3],考慮到屏蔽泵效率低,η_h取為0.7,則計算可得v_u2=3.8 m/s。

出口直徑相對液流角β_y2':

式中:v_u2為出口直徑絕對速度的圓周分量。

計算可得β_y2'=13.5°。

輪緣出口葉片角β_y2:

β_y2=β_y2'+Δβ_y2

式中:β_y2'為出口直徑相對液流角;Δβ_y2為沖角。

取沖角Δβ_y2=3°,計算可得β_y2=16.5°。

輪緣翼型安放角β_cy:

β_cy=(β_y1+β_y2)/2

式中:β_y1為輪緣進(jìn)口葉片角;β_y2為輪緣出口葉片角。

計算可得β_cy=15.6°,取為16°。

2.4 導(dǎo)程和軸向高度計算

導(dǎo)程S:

S=πD?tanβ_cy

式中:D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑;β_cy為輪緣翼型安放角。

D=D₁=100 mm,計算可得S=90 mm。

葉片輪緣包角φ₁:

式中:1/t為葉柵稠密度;z為葉片數(shù)。

葉柵稠密度1/t選取最優(yōu)值1.5^[4] 。葉片數(shù)一般選取3時性能較好,但是制作較復(fù)雜,考慮制作的簡便性,本次取葉片數(shù)z=2。計算可得φ₁=260°。

輪緣軸向高度h_y:

h_y=S?φ₁/360

式中:S為導(dǎo)程;φ1為葉片輪緣包角。

計算可得h_y=65 mm。

葉片輪轂包角φ₂:

φ₂=φ₁+Δφ

式中:φ₁為葉片輪緣包角;Δφ為葉片進(jìn)口后掠角,一般取60°~180°。

本次后掠角Δφ取為100°,則計算φ2=260°+100°=360°,湊成360°便于加工。

輪轂軸向高度hh:

h_h=S?φ₂/360

式中:φ₂為葉片輪轂包角。

計算可得h_h=90 mm。

3 葉片制作

葉片平面圖如圖1所示,根據(jù)圓柱螺旋線展開公式和圓環(huán)面積公式,可推導(dǎo)出葉片:

式中:R為葉片外圓半徑;B為葉片寬度;D為誘導(dǎo)輪輪緣直徑;d為輪轂直徑;S為導(dǎo)程。

代入數(shù)值計算可得R=57.9mm,留出加工余量3mm,則外徑A=2R+3≈119 mm。

內(nèi)徑C=2R—2B=47.8mm,根據(jù)工藝經(jīng)驗內(nèi)徑需減小3 mm,取45 mm。

角度θ:

計算可得θ=36.6°。

將葉片拉伸到規(guī)定導(dǎo)程后焊接到輪轂上,如圖2所示。

為便于拉伸與批量生產(chǎn),可將多個葉片焊接在一起拉伸成型,拉伸前根據(jù)計算角度畫線,拉伸成型后根據(jù)畫線切割出合適尺寸的葉片。兩片葉片對稱布置,按輪緣軸向高度車削。精加工后打磨葉片。打磨葉片進(jìn)口邊能夠提高抗汽蝕性能,打磨葉片出口邊能夠提高效率。因為誘導(dǎo)輪本身效率不高,生產(chǎn)實踐中一般對葉片出口邊不進(jìn)行特殊打磨,只需去掉毛刺和銳邊即可,而葉片入口對汽蝕性能影響較大,一般要進(jìn)行后掠修圓,汽蝕性能能夠提高10%~25%。為獲得較好的汽蝕性能,葉片入口需要打磨成刀尖型,為避免葉片過薄導(dǎo)致不穩(wěn)定,可以在葉片入口鉆孔以平衡葉片兩側(cè)的壓力。

4整機結(jié)構(gòu)與性能

泵體設(shè)計成軸向吸入徑向排出的結(jié)構(gòu),電機定子和轉(zhuǎn)子分別焊接屏蔽套保護(hù)繞組和轉(zhuǎn)子,電機與泵間開小孔引入工作介質(zhì)作為循環(huán)液,流經(jīng)屏蔽套縫隙和軸承間隙,從軸內(nèi)中心孔流回入口端。該循環(huán)液用于冷卻電機和潤滑軸承,同時不會腐蝕電機,也不會泄漏。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)采用軸內(nèi)循環(huán)方式,軸內(nèi)回流的循環(huán)液會與入口處的液體發(fā)生沖擊,對汽蝕性能略有影響,如果采取在輪轂側(cè)面開孔進(jìn)行循環(huán)則會有所改善,但制作較為復(fù)雜,本次仍采用從軸頭處循環(huán)回流的方式。經(jīng)測試,性能符合要求,額定點汽蝕余量小于0.6 m,小流量時汽蝕余量可達(dá)0.45 m,性能曲線如圖4所示。

5工程應(yīng)用

該類型屏蔽泵適用于裝置汽蝕余量較低的工況,這種工況一般都是由于條件所限而液位較低,或者因為工藝需要氣相區(qū)壓力較低(如制冷系統(tǒng),所輸送液體基本為飽和狀態(tài)),當(dāng)揚程要求不高時完全可以只用一個軸流式誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu),從而同時滿足汽蝕余量和揚程的需求。

該誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)也可以安裝在葉輪前側(cè),達(dá)到降低汽蝕余量的 目的,泵的揚程主要由后部主葉輪實現(xiàn)。無論是新產(chǎn)品設(shè)計還是老產(chǎn)品技術(shù)改造,都可以考慮在葉輪前加裝誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu),一般至少可以降低0.5 m的汽蝕余量,很多可以降低1 m以上。某些標(biāo)準(zhǔn)(如API標(biāo)準(zhǔn))中不建議使用誘導(dǎo)輪,但實際應(yīng)用中有大量帶誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)的泵運行狀態(tài)良好,尤其本文介紹的誘導(dǎo)輪重量輕,制作簡單,對轉(zhuǎn)動部件的不利影響較小,而且設(shè)計制作的難度較小。但是要注意誘導(dǎo)輪外徑與管壁內(nèi)徑的間隙要合理,如果間隙較小則有摩擦的風(fēng)險,如果間隙較大則性能不佳,一般推薦間隙為(0.005~0.01)D₁^[3]。一般認(rèn)為間隙在一定區(qū)間內(nèi)對性能影響不大,根據(jù)筆者的試驗,在測量精度較高時還是能測試出間隙增大后抗汽蝕性能有一定的下降,而且一般不宜減小誘導(dǎo)輪外徑,而應(yīng)該通過增加泵入口管徑的方式增加間隙,根據(jù)經(jīng)驗,常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪間隙通常在0.75~1.5 mm之間。

6 結(jié)論

本次實踐驗證了誘導(dǎo)輪的設(shè)計方法同樣適用于屏蔽泵,設(shè)計中需特殊考慮循環(huán)液流量和間隙泄漏的影響。只裝誘導(dǎo)輪形成的軸流葉片式屏蔽泵結(jié)構(gòu)是可以滿足高比轉(zhuǎn)速的特殊工況的,具有汽蝕余量低、體積小、重量輕、制作便捷等優(yōu)點,最優(yōu)汽蝕余量可達(dá)0.45 m。本次實踐也驗證了誘導(dǎo)輪葉片拉伸成型的平面圖尺寸公式,并結(jié)合生產(chǎn)實際確認(rèn)了留3 mm 工藝余量是適宜的。最后根據(jù)經(jīng)驗推薦了常用屏蔽泵誘導(dǎo)輪與管壁的最小間隙范圍為0.75~1.5 mm。

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2024年第22期第7篇