组合式离心泵的设计与试验

任丰兰

（1.常德职业技术学院机电系，湖南 常德 415000；2.中南大学机电工程学院，长沙 410083）

0 引 言

离心泵是国民经济各领域中应用最广泛的通用机械，它具有结构简单紧凑、安装方便、易维护等优点［1］。但常用的离心泵在使用前都要灌注一定的引水，才能把水吸上来，而且离心泵的吸程都不是很高。许多学者研究新型的离心泵结构，从理论分析［2-4］、试验研究［5-7］等方面探寻高效的结构，不断进行优化，省去灌引水的麻烦，以提高离心泵的吸程。孙九江［8］提出在现有离心泵的基础上加装水箱等结构，不需在吸入管路中充满水就能把水抽上来。武永生等［9］设计了一种新型自吸结构的大流量自吸离心泵，将高压空气射流应用于泵的排气系统中，通过皮带轮连接泵轴与空压机主轴，产生压缩空气。压缩空气通过射流喷嘴后产生射流，射流不断卷吸泵体和进口管内的气体，达到自吸目的。高善全［10］提出了一种高吸程自吸式离心泵，这种离心泵由供水装置和泵组件组成，其中由减速机、摆杆连杆机构、活塞机构及单向阀机构组成的供水装置，通过联轴器和离心泵的合理结合，实现自吸和高扬程的目的。这些离心泵虽然避免了灌注引水的麻烦，但是普遍存在结构复杂、自吸性能差、效率低等缺点。开发一种结构简单、自吸性能好和效率高的离心泵就成为泵面临的关键问题。本文设计的组合式离心泵就是依此而提出来的，其利用王安大［11］提出的获得大气压力能的方法以及用真空泵抽水装置［12］的思维，采用旋片式的真空泵和离心泵进行组合，并进行结构优化、选型及实验，以提高离心泵的吸程。

1 组合式离心泵的结构及其工作原理

1.1 组合式离心泵结构

组合式离心泵是采用旋片式真空泵和离心式水泵组合而成的一种组合式的泵，它主要由离心泵、旋片式真空泵、水量开关、压力表、逆止阀、闸阀、进气管、真空表、进水管等组成，其结构简图如图1所示。

图1 组合式离心泵结构简图

1.2 组合式离心泵的工作原理

一般离心泵主要由叶轮、轴、泵壳、轴封及密封环等组成，它在启动前泵壳内要灌满液体，以防止气蚀现象发生［13］，当电动机带动泵轴和叶轮旋转时，液体一方面随叶轮作圆周运动，另一方面在离心力的作用下自叶轮中心向外周抛出，同时在叶轮中心部分造成低压区，与吸入液面的压力形成压力差，迫使液体不断地被吸入，液体从叶轮获得了压力能和速度能，并以一定的压力排出，叶轮在电动机带动下不断高速旋转，水就源源不断地从低处被抽到高处。

组合式离心泵利用马德堡半球实验的原理：①通过旋片式真空泵连续运转，抽取离心泵进水管2中的空气，使离心泵内始达到一定的真空，与吸入液面形成一定的压差，通过大气压力将水压人离心式水泵4中；②继续运行旋片式真空泵10，抽取进水管中水中含有的空气，使离心泵内始终保持一定的真空度，再利用离心式的水泵叶轮高速转动把水排出去，从而实现水从低处抽到高处，其工程过程为如图2所示。

图2 组合式离心泵工程流程

2 组合式离心泵可行性分析

2.1 组合式离心泵理论可行性

泵一般有两个过程，一个是吸的过程，即把水从水池或地下水吸入泵里面，另一个过程是排的过程，就是把吸入泵的水排出去，其实质都是通过泵中体积的变化，实现其压强的变化，达到吸和排的这两个过程。而离心泵吸的过程是利用叶轮的旋转，通过离心力的作用在叶轮中心部分造成低压区［14］，与吸入液面的压力形成压力差，迫使液体不断地被吸入，再把吸进来的水排出去。由此，可以看出实际上离心泵在吸程过程中的靠离心泵运转时抽取水中空气产生一定的真空，只是离心泵获得的真空度较低而也。

组合式离心泵的吸程是通过旋片式真空泵连续运转，抽出离心泵进水管中的空气或抽出连续流入离心式水泵内－定体积水中的气体，产生真空，使离心式水泵内始终保持一定的真空度，再通过大气压力将该体积的水压上来，再利用离心式的水泵把水排出去，可见离心泵和组合式离心泵的吸程吸程是相同的，都是抽取水中的空气，形成一定的真空度，只是采用的是旋片式的真空泵抽取真空，比离心泵自身抽的真空度效果更好，所以从理论上来说是可行的。

2.2 采用旋片式真空泵抽真空的可行性

2.2.1 旋片真空泵与水环式真空泵的比较

真空泵中，旋片式真空泵和水环式真空泵都是应用最广泛的。水中所含空气一般不超过2%，不过要抽出真空状态下水中2%的空气，利用不同类型的泵，因泵所获得极限真空度的不同，所消耗的电量不一样，真空泵的名义抽速是指泵在大气压時的抽速，而真正起作用的抽速则是泵工作在真空状态時的有效抽速，而泵的抽速性能曲线表明，极限真空状况下，泵的有效抽速迅速下降到零，所以泵获得极限真空度越高，泵工作在真空状态時的有效抽速就越大。

若200 L／s的水流入离心泵，在真空状态下，水中的气体完全从水中游离出来，则有200×2%＝4 L／s的气体，将4 L／s气体抽走，则可维持离心泵内的真空状态，此时水才可以连续的被大气压力压上來，如选用型号为2X-8旋片真空泵就完全满足要求（其有效抽速为8 L／s，所配电机仅为1.1 kW）。相同条件下，如果选择水环式真空泵，有4 L／s的气体，在80%的真空度时，需选用SZ-2的型号，其所配电动机为10 kW；在90%真空时，选用SZ-3型号，其所配电动机为28 kW，从耗能的角度比较，当抽取相同空气的真空泵，水环式真空泵的耗能明显要比旋片式真空泵耗能高，因此，选择旋片式的真空泵。

2.2.2 采用旋片式真空泵抽真空的可行性

由于水泵获得的真空度低，一般水泵的吸程仅4-7 m，通常按6 m计算。旋片式真空泵的极限真空度较高，理论上可使水提升10 m，工程上将水提升9 m是可行的，这样利用真空泵抽水可比水泵抽水多提升3 m。假设本装置中水的流量是200 L／s，多提升3 m获得的能量，根据水能的计算公式：

式中：N为水的能量，kW；Q为体积流量，m3／s；H为水的扬程，m。

把Q＝200 L／s＝0.2 m3／s，H＝3 m代入式（1）得：N＝9.81QH＝9.81×0.2×3＝5.88 kW，按标准所配旋片式真空泵的电动机仅1.1 kW。由此可见，虽然本装置中比离心泵多安装一台真空泵，并非多余，而是多获得了4.78 kW的能量。根据能量守恒定律，离心泵就不会再消耗能量用于产生真空，按理论上的推断离心泵吸水过程中会缷载运行，离心泵主要起排水作用，真空吸水则由旋片式真空泵承担。由此可见，采用旋片式真空泵抽真空理论上是可行的。

3 组合式离心泵的典型元件选型

组合式离心泵式由真空泵和离心泵组合而成的，要求50 L／s的水流入离心泵，要求选出合适的旋片式真空泵、离心泵及其相关的元器件。

3.1 旋片式真空泵和离心泵的选型

由50 L／s的水流入离心泵，根据水中所含空气一般不超过2%计算，那么水中应该含有50×2%＝1 L／s的气体，如果每秒钟将1 L气体抽走，则可维持离心泵内的真空状态，此时水才可以连续的被大气压力压上來，根据技术参数选用型号为2X-2旋片真空泵则可以满足要求，其有效抽速为2 L／s，功率250 W。

假设水在管道中的流速为0.26 m／s，对离心泵来说，要求50 L／s的流速，根据流速与流量的计算公式：

式中：v为水在管道中的流速，m／s；S为管道的截面积，m2；Q为水在特定的时间内流过的流量，m3／s。

选用的离心泵出口截面积：S＝Q／V≈0.192 3 m2，出口半径d≈0.247 m，口径为φ50 mm的即可，而型号为50DB-2.2的单项离心自吸泵则可以满足要求，其功率2.2 kW，转速为2 850 r／min，扬程20 m。

3.2 其他元件的选型

旋片式的真空泵与离心泵通过1个三通管进行连接，连接时要求密封性能要好。在离心泵入口处，安装了1个型号为YF-21-6带水量传感器和型号为HFS-25

水流开关，水量传感器的作用是检测流入离心泵中液体的流量，水流开关在旋片式真空泵在利用大气压的力压入水之前是关闭的，当检测到旋片式的真空泵把水压入到离心泵的入口处时，水流开关马上打开，再通过离心泵的作用把水压出去。

4 组合式离心泵的试验

组合式离心泵进行实验，其三维模型原理图如图3所示，实验装置如图4（a）所示。选用型号为2XZ-2的旋片式真空泵和型号为50DB-2.2的单项离心自吸泵，采用单相功率表进行功率记录，其量程为0～5 kW，为了安装方便，进水管和排水管均采用D25的弹簧管，抽气管采用弹簧管和PVC管的组合，对消耗的功率采用功率计进行数据记录。

图3 组合式离心泵的三维模型图

图4 组合式离心泵抽水试验

水从6 m高的地方抽上来（参考水泵相关技术参数中的吸程），为防止水进入真空泵，抽气管道上端应高于水面10 m。在水泵流量相同（实验用同一台水泵），吸程相同的条件下，比较组合式离心泵和离心式水泵单独工作抽水时的功率变化。实验采用对比实验的方法，通过离心泵单独抽水和组合式的离心泵抽水进行对比实验［15-17］，从而对两者进行比较。

4.1 离心泵单独抽水试验

不启动旋片式的真空泵，让离心泵单独工作，让泵的吸水口与吸水管相连接，出水口与压水管相连接，共同组成吸水—增压—排水通道。离心泵在工作前，要灌注引水，以防止气蚀现象发生。由于叶片的作用形成不同的压强，致使一面不断地吸入液体，另一面又不断地给予吸入的液体一定的能量，将液体排出，水就源源不断地从低处被抽到高处。

实验从高6 m处抽水，水泵空转，水抽不上来，将水缸提升2 m，减小水泵吸程，因离心泵真空吸力小，水仍抽不上来。将水缸安放在3 m处，吸程为3 m，水可以抽上来，功率计的读数见图4，从功率计读得水泵耗功约为1.047 kW。

4.2 组合式离心泵抽水试验

采用组合式离心泵进行试验，从高6 m处抽水，先启动旋片式的真空泵，抽取水中2%的空气，产生真空，此时利用外面的大气压强与真空压力所产生的压差把水往上吸，大约过了2 min，见水已经从6 m的吸程吸上来，此时打开离心式水泵把水排出，它与离心泵单独工作时的比较图如图5所示。采用功率表进行数据的记录，从9：46开始检测到10：56结束，间隔5 min记录所消耗的功率，共记录15个数据，所获取的功率与时间变化的曲线图如图5所示。从图5数据可以知道，组合式离心泵从吸程为6 m高度所消耗的功率平均为1.270 kW。

图5 组合式离水泵功率与时间的关系

5 结 语

本文从理论上论证了组合式离心泵的可行性，通过离心泵和组合式离心泵进行对比试验。结果表明：①离心泵能实现抽水，而组合式离心泵也能实现抽水，它与离心泵的工作原理是类似，只是在抽取真空的时候，其采用的是旋片式的真空泵抽取真空，比离心泵抽的真空度效果更好；②组合式离心泵减少了离心泵灌引水的麻烦，提高了泵的自动化程度；③离心泵的吸程是3 m，耗能是1.047 kW，而组合式的离心泵吸程是6 m，消耗功率约1.270 kW，利用组合式的离心泵抽水，可提高水泵吸程高度，从而提高水泵工作效率的目的，为该结构的泵的市场拓展提供试验依据。