CN108131327B - 一种基于固液两相流的离心泵的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，离心泵输送的介质为固液两相流介质，基于现有离心泵，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙缩小，对应减小泵体的尺寸，同时，保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角。现有技术中采用放大设计制作的离心泵，额定最高效率偏大负荷点，采用本发明的设计方法设计的离心泵，实际运行点更符合实际系统需要的额定载荷点，叶轮消耗的功率减小，提高了离心泵的效率。

Description

一种基于固液两相流的离心泵的设计方法
技术领域
本发明涉及流体输送技术领域，特别是涉及一种基于固液两相流的离心泵的设计方法。
背景技术
离心泵是利用叶轮旋转而使水发生离心运动来工作的。水泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水发生离心运动，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入水泵的压水管路。离心泵的基本构造是由六部分组成的分别是叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环和填料函。叶轮是离心泵的核心部分，它转速高出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验，叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失；泵体也称泵壳，它是水泵的主体，起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。
现有技术中，固液两相流泵涉及的大多是近似球状颗粒，比如，杂质泵、污水泵等，对于这类固液两相流，通常其流动阻力是高于清水情形的，且随固粒浓度增高阻力也大幅增高的。过去由于缺乏有关于含纤维固粒两相流输送的研究，泵行业技术人员普遍采用传统的固液两相流观念，因而，在含纤维固液两相流泵输送过程中，也同样采用放大设计法，以满足载荷要求。一般的放大设计，也就是所谓的加大流量设计，其结果是设计出的泵额定最高效率偏大流量工况，见图1点A，对这种情况，通常用节流阀调节泵运行于系统额定工况，见图1点B，此时，图1中阴影部分的面积即为浪费的能耗，显然，设计中加大流量越多，能耗浪费越大。
离心泵行业通常采取放大设计的方法，甚至为了保证设计余量，进一步放大设计，以避免在实际应用中达不到指定载荷，带来的结果是大马拉小车，造成较为普遍的能源浪费。对于造纸及制浆工业，这类泵应用极为广泛，无形中造成了巨大的能源浪费，增加了制造成本。
因此，如何改变现有技术中，固液两相流离心泵造成能源浪费的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，使离心泵在满足额定载荷的前提下做到节约能源。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，离心泵输送的介质为固液两相流介质，具体设计方法包括如下步骤：
步骤一、相对于现有离心泵而言，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙缩小，对应减小泵体的尺寸；
步骤二、保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角。
优选地，离心泵输送的介质为水中加入纤维颗粒形成的纤维悬浮液。
优选地，在水中加入的纤维颗粒的长度为1-5mm，纤维颗粒的质量浓度为1-15％。
优选地，在步骤一中，隔舌与叶轮外缘的间隙缩小5-15％。
优选地，在步骤二中，增大后的叶片出口角为40-45°。
优选地，叶片包角为145-150°，叶片前盖板和叶片后盖板呈流线型，叶片前盖板流线角为145°，叶片后盖板流线角为150°，叶片前盖板和叶片后盖板连接处圆滑过渡。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的基于固液两相流的离心泵的设计方法，离心泵输送的介质为固液两相流介质，基于现有离心泵，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙缩小，对应减小泵体的尺寸，同时，保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角。现有技术中采用放大设计制作的离心泵，额定最高效率偏大负荷点，采用本发明的设计方法设计的离心泵，实际运行点更符合实际系统需要的额定载荷点，叶轮消耗的功率减小，提高了离心泵的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中放大设计法采用节流阀控制泵偏小流量运行的能耗示意图；
图2为直管道纤维悬浮液输送阻力特性曲线图；
图3为放大设计的离心泵；
图4为本发明设计方法的离心泵；
图5为清水试验得到的放大设计的离心泵和本发明设计的离心泵的特性曲线对比图；
图6为纤维悬浮液试验得到的放大设计的离心泵和本发明设计的离心泵的特性曲线对比图；
其中，δ为离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙，β2为叶片出口角，α为包角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，使离心泵在满足额定载荷的前提下做到节约能源。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1至图6，图1为现有技术中放大设计法采用节流阀控制泵偏小流量运行的能耗示意图，图2为直管道纤维悬浮液输送阻力特性曲线图，图3为放大设计的离心泵，图4为本发明设计方法的离心泵，图5为清水试验得到的放大设计的离心泵和本发明设计的离心泵的特性曲线对比图，图6为纤维悬浮液试验得到的放大设计的离心泵和本发明设计的离心泵的特性曲线对比图。
本发明提供一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，离心泵输送的介质为固液两相流介质，离心泵输送的介质为水中加入纤维颗粒形成的纤维悬浮液，在水中加入的纤维颗粒的长度为1-5mm，纤维颗粒的质量浓度为1-15％，当纤维颗粒的质量浓度到10％左右，易携入气体但仍具有明显减阻，15％以上减阻效果减弱，应采用真空排气系统。基于纤维悬浮液减阻效应，水中加入纤维颗粒形成的纤维悬浮液对应的直管道阻力特性曲线如图2所示，沿横坐标正方向，流速值越大，对应的阻力曲线逐渐低于清水情形，图2中，D点为湍流减阻的起始点。
基于上述纤维悬浮液减阻的离心泵的设计方法包括如下步骤：
步骤一、相对于满足载荷要求的现有离心泵而言，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙δ缩小，具体地，离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙δ相对于现有离心泵间隙缩小5-15％，对应减小泵体的尺寸；步骤二、保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角β2，增大后的叶片出口角β2为40-45°。具体地设计对比文图请参考图3和图4，图3为放大设计的离心泵，图4为基于纤维悬浮液湍流减阻设计的离心泵，基于纤维悬浮液减阻效应，离心泵中，叶轮内的流体速度较高，一般介于十几米到数十米每秒，为典型的湍流流态，湍流流态下利用纤维悬浮液减阻，减小离心泵的隔舌与牙轮外缘的间隙δ，增大叶片出口角β2，使离心泵的实际运行点更符合实际系统需要的额定载荷点，同时提高离心泵的扬程，叶轮消耗的功率减小，使离心泵的效率得到提高，在满足额定载荷的条件下，达到节能的效果。
现有放大设计的离心泵和本发明设计的离心泵，两种离心泵对应的性能对比如图5和图6所示，图5为清水试验得到的两种离心泵的特性曲线对比图，图6为采用纤维悬浮液试验得到的两种离心泵的特性曲线对比图，横坐标Q为离心泵的流量，纵坐标H为离心泵的扬程，η为离心泵的效率，其中，实线为放大设计法的离心泵，虚线为本发明设计方法的离心泵。放大设计的高效点显然偏大流量，且具有更高的扬程，但是效率较低。本发明基于湍流减阻设计的实际运行点流量偏小，更符合实际需要的系统额定载荷点。同时，泵扬程也有较大幅度的提高，提高幅度在4～10％左右，由于减阻叶轮消耗的功率也减小，泵效率明显提高，提高幅度在6～15％。因此，在满足额定载荷的条件下，基于湍流减阻的设计具有较大的节能优势。
另外，叶片包角为145-150°，叶片前盖板和叶片后盖板呈流线型，叶片前盖板流线角为145°，叶片后盖板流线角为150°，叶片前盖板和叶片后盖板连接处圆滑过渡。
本发明的基于固液两相流的离心泵的设计方法，离心泵输送的介质为固液两相流介质，基于现有离心泵，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙缩小，对应减小泵体的尺寸，同时，保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角。现有技术中采用放大设计制作的离心泵，额定最高效率偏大负荷点，采用本发明的设计方法设计的离心泵，基于纤维悬浮液的湍流减阻效应，实际运行点更符合实际系统需要的额定载荷点，叶轮消耗的功率减小，提高了离心泵的效率。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于固液两相流的离心泵的设计方法，其特征在于，离心泵输送的介质为固液两相流介质，具体设计方法包括如下步骤：
步骤一、基于现有离心泵，保持离心泵的蜗壳出口的管径不变，将离心泵的隔舌与叶轮外缘的间隙缩小5-15％，对应减小泵体的尺寸；
步骤二、保持叶轮的外径不变，增大叶片出口角，增大后的叶片出口角为40-45°；
叶片包角为145-150°，叶片前盖板和叶片后盖板呈流线型，叶片前盖板流线角为145°，叶片后盖板流线角为150°，叶片前盖板和叶片后盖板连接处圆滑过渡。
2.根据权利要求1所述的基于固液两相流的离心泵的设计方法，其特征在于：离心泵输送的介质为水中加入纤维颗粒形成的纤维悬浮液。
3.根据权利要求2所述的基于固液两相流的离心泵的设计方法，其特征在于：在水中加入的纤维颗粒的长度为1-5mm，纤维颗粒的质量浓度为1-15％。
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