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节能型“宽效”离心泵研制浅析
2017-02-27 16:24:46 字体大小:【
一、前言
泵作为一种通用机械,是工业各部门中不可缺少的设备。在流体输送系统中,泵又是最主要的耗
电设备,约占全国电能消耗的20%以上。而离心泵由于具有单工况点效率高、高效区域相对宽泛、运行平稳及适应性强等优点,所以其应用相当广泛,约占用泵总量的85%以上。而我国实际应用离心泵的效能状况却是严重低效,能源浪费巨大,这完全不符合当前的全球节能减排大势。原因在于:
1)泵本身技术落后,产品档次低。
2)选型时过多关注功能性或行业习惯,忽略效能指标。
3)考虑到最极端工况下的生产工艺需求及运行的安全可靠性,往往多环节设置安全余量。
4)由于工况水位较低或水温较高使得泵产生汽蚀现象。
5) 泵与管路系统的匹配性差,系统损失大。
6)泵及系统使用不当、管理不善及疏于维护等。
总体来说,国产离心泵的效率比国家标准效率A线低6%~12%,比国外离心泵的效率低8%~15%;相比于采用国外离心泵及系统,国产离心泵及系统的整体运行效率低15%~25%。而随着国家对环境保护及节能减排的要求越来越高,甚至于提出了泵实行节能补贴的方针政策,再加上近几年全球经济形势趋寒,国内严重产能过剩,耗能大户钢铁企业严重亏损,已出现大面积减产,甚至停产、破产。如此,
泵的节能改进已是迫在眉睫,研制出节能型“宽效”离心泵也是势在必行。
二、量身定制思想
通过对大量离心泵的现场使用及工况调查分析,发现几乎所有的离心泵的实际运行都偏离了高
效区,且是变工况运行,另外又常在汽蚀情况下运行,即泵经常运行在低效区域。针对这种现状
提出了量身定制思想,即泵为针对现场工况而特殊定制的对应产品,以一种高效区宽泛的泵来满
足现场工况的变化,来实现平均运行效率的最高化。
三、超常规多工况设计方法
超常规多工况设计方法的重点在于追求多个工况点均高效,高效区范围宽泛。其设计思路主要是通过一种超乎常规的取值方式取泵的相关几何参数,分别针对多个工况进行计算,再通过三元流技术进行模拟分析,而后均衡各参数取值,使各几何参数之间达到一种最佳的配置,使泵及系统内的总损失最小,效率最高、高效区最宽泛。
1. 叶轮主要几何参数设计要点
(1)叶片出口宽度b2 要做到高效区宽泛,就需要流量-扬程曲线平坦,那么必须要叶片内部的流动损失较小,所以往往会取较宽的叶片出口宽度。叶片出口宽度大即意味着叶片间的通道宽大、通畅,那么流体的流动效果就较好,流体在叶轮间流动时的损失自然就小。另外也可以减小铸造偏差、表面粗糙度不达标及叶片间通道易堵塞等诸多加剧流动损失的因素,从而最大程度地提升叶轮的效率,加宽高效区范围,故b2可按式(1)计算,取值按表1。

b2 = 0.7Kb2(ns/100)0.65 (1)

式中ns——比转速。

(2)叶轮外径D2 对于低比转速泵,取较小的叶轮外径利于降低圆盘摩擦损失,而对于高比转速泵,
取稍大一点的叶轮外径利于减小流道的扩散程度。摩擦损失和扩散损失降低,自然曲线就平坦,高效区就变得宽泛。又由于前面取了较大的叶片出口宽度,那么就可以叶轮外径取得稍小些,故可按式(2)计算,取值按表2。

D2 = 9.25KD2(ns/100)-1/2(Q/n)1/3 (2)

式中Q——流量,单位为m3/s;
n ——转速,单位为r/min。

(3)叶轮进口内径Dj 叶轮进口内径的大小主导着叶轮的汽蚀性能,另外也对叶片间流道的扩散程度
有着一定的影响。叶轮一旦汽蚀,效率自然会大幅下降,那么叶轮进口内径的取值必须是在保证叶片间流道的扩散度的基础上尽可能地取大值,故可按表3选取。

(4)叶片包角φ 及出口安放角β 2 叶片间的扩散损失是叶轮水力损失的主要组成部分,加大叶片包角有利于减小叶片间的扩散损失,但包角过大一样会增加沿程损失,也会造成叶片排挤、流道堵塞。而叶片包角与出口安放角是相辅相成的,叶片包角和出口安放角要达到一种最佳匹配,叶轮内的流动才合理,损失才最低,效率自然最高,故可按表4选取。

(5)叶片数Z 为追求高效及宽高效区,可取稍多的叶片数,但叶片数多必然导致排挤严重,流道堵塞,叶轮汽蚀性能较差,故可按表5选取。

2. 泵体主要几何参数设计要点
(1)螺旋形压水室速度系数K3 螺旋形压水室断面面积决定着泵体内流动损失的状况,也对泵体的汽蚀及流动平稳性有着较大影响,进而影响泵的效率及高效区的宽窄。而螺旋形压水室的断面面积是由速度系数所决定的,故可按表6选取。

(2)压水室流道宽度b3 泵体流道宽度往往需要取得大一些,便于更好地回收一部分圆盘摩擦损失,减小泵体内的流动损失,故可按式(3)计算:

b3 = B2+0.1D2 (3)

式中B2——包含叶轮盖板的叶轮出口宽度。
(3)压水室基圆直径D3 压水室基圆与叶轮外径之间间隙的大小决定着泵效率的高低以及高效区范围的宽广,为求高效区范围宽泛,当取稍大的基圆直径,故可
按式(4)计算:

D3 =(1.05~1.12)D2 (4)

大流量泵取大值,反之取小值。
3. 叶轮与泵体的匹配性
泵的特性是由叶轮和泵体所共同决定的,也就是说叶轮与泵体须达到一种最佳匹配状态时泵的性能才最佳,所以在设计取值时需充分考虑实际工况需求,确定要达到的预期目标,平衡叶轮与泵体的各参数取值,以使两者达到一种最佳匹配,从而泵效率较高,高效区范围宽泛。
4. 三元流技术运用
针对多种工况,由上面的设计思路计算出多组设计参数,进行平衡取值后设计出优良的水力模型,然后采用三元流技术对所设计的水力模型进行流场分析及性能预测,对前期的设计进行二次优化改进,以使各相关参数、相关部件达到一种最佳匹配,实现高效、高效区域宽泛的最终目标。
四、过程控制及工艺优化处理
1)严格进行过程管控,从铸件到加工再到装配,必须达到图样尺寸及工艺要求。
2)对叶轮及泵体流道进行清理,保证流道表面的光洁、平整、无堵塞,以保证性能的准确性及流
动损失最小。
3)修薄叶片进口厚度,减小进口排挤,增大进口面积,减少进口冲击损失。
4)对铸件质量较差、流道表面粗糙度差的泵体和叶轮的流道表面进行喷涂处理,减小流动摩擦损
失。
5)在叶轮的密封环处设置压力平衡装置,以减小容积损失,提高效率。
6)根据实际工况需求对泵体喉部进行改造处理,以使其适用于各种工况要求,使泵的整个工况运行范围综合运行效率最高。不同的客户现场就有不同的运行工况,且工况也不是一成不变的,那么要实现真正意义上的节能,就必须研制出既要对应工况点高效又要高效区范围宽泛的“宽效”泵。
通过研究国外先进离心泵技术,对比国内外离心泵设计及生产上的不同,反向推导,存同求异,再结合大量离心泵的现场使用及工况调查分析,所研制出的节能型“宽效”离心泵是在兼顾高效的同时重在做到高效区宽泛,以适应大范围的工况波动,实现综合运行效率的提高。我们所研制的节能型“宽效”离心泵单从效率上来说均高于国家标准,也接近或超过某些国外离心泵的效率,且高效区域宽度也比一般水泵宽30%~80%,属于真正意义上的高效节能泵。
五、实例性能对比
原泵性能参数:Q=1 300m3/h,H=52.5m,P=280kW,n=1 480r/min,η=82%,78%效率以上高效区流量范围1 050~1 500m3/h。节能型“宽效”离心泵测试性能参数:Q=1 350m3/h,H=51m,P=250kW,n=1 480r/min,η =89%,85%效率以上高效区流量范围为950~1 600m3/h。性能曲线对比如下图所示。

由性能曲线对比图可以看出,节能型“宽效”离心泵相比于原泵:
1)最高效率提高了7%以上。
2)在最高效率点两侧,效率整体提高了8%~12%以上。
3)若以80%以上效率为高效区,原泵高效区流量范围为1 080~1450m3/h,节能型“宽效”离心泵高效区流量范围为800~1 700 m3/h,高效区域增宽了140%以上,即泵在很大范围内都可以实现高效运行。
参考文献
[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:中国宇航出版社,1995.
[2]沈阳水泵研究所.叶片泵设计手册[M].北京:机械工业出版社,1983.