旋涡泵的性能和应用

　　1旋涡泵的性能和应用

　　旋涡泵虽属于叶片泵的范畴，但其工作过程，结构以及特性曲线的形状等均与离心泵和其他类型泵相差较大。旋涡泵在工作过程中，由于叶轮转动，造成叶轮内和流道内的液体都有圆周方向的运动，因而就产生了离心力，叶轮内液体的圆周速度大于流道内液体的圆周速度，即叶轮内液体的离心力大，故形成轴向和径向旋涡，旋涡泵由此得名。

　　旋涡泵与尺寸，转速相同的离心泵相比，其扬程要高3～9倍。单叶轮可以取得4～17kg/cm2压力，两级叶轮高压力可达到30kg/cm2。大部分旋涡泵均具有自吸能力，能够实现气液混输，这对于抽送含有气体的易挥发的液体和气化压力很高的高温液体具有重要的意义。旋涡泵具有陡降的特性曲线，其扬程的变化对流量的影响比离心泵小，因此，对系统中的压力波动不敏感。但是旋涡泵的效率较低，其抗汽蚀性能较离心泵差。旋涡泵只能用来输送纯净介质，当液体中含有杂质时，就会因摩擦引起轴向和径向间隙增大，导致容积效率和流量的降低，从而降低泵的性能。旋涡泵与柱塞泵相比，在运行中不产生压力脉动，在小流量范围内也无需像离心泵那样打回流。

　　由于旋涡泵有很多其他类型泵所不具有的优点，所以在国民经济的许多部门也得到越来越广泛的应用。例如在化学工业中输送酸，碱及其他腐蚀性液体，要求具有小流量，高扬程，较慢的化学反应速度和较高的耐腐蚀性；在机场，汽车配油站中，加油车，油罐车和固定分配装置用来抽送易挥发性的液体（汽油，煤油和酒精）；用于小功率的可移动式洗涤设备上和农业供水设备中。旋涡泵也可作为消防泵，锅炉给水泵，船舶供水泵和一般增压泵使用。

　　2国内外对旋涡泵的研究状况

　　2.1旋涡泵的工作原理

　　第1个进行旋涡泵研究工作的是德国科学家里台尔（1930年），研究做出了下述工作过程的假说：流道中的液体在转动，在每一液体质点上均作用有离心力，而在叶轮内液体上所作用的离心力要比流道中液体上所作用的离心力大，因为流道中液体的圆周速度比叶轮中慢，由于离心力不同，引起了液体的圆环形运动（称为纵向旋涡）。液体依靠纵向旋涡在流道内流经叶轮好几次，每经过1次叶轮，扬程就增加1次。因此，旋涡泵的扬程高于离心泵的扬程。

　　里台尔的假说是对旋涡泵工作原理进行研究的基础。在此基础上，后人把旋涡理论发展成为纵向旋涡加径向旋涡理论。

　　另外，有日本学者认为，旋涡泵的工作过程是依靠叶轮的粗糙表面，对流道内的流体作相对运动引起的摩擦剪切应力实现的。叶轮外缘"粗糙度"越大，作用于液体的摩擦力越大，泵扬程越高。径向小叶片与流道内的液体相对运动产生紊流摩擦力，从而把原动机的能量传递给流道内的液体。叶轮上的叶片在流道内多次重复产生较大紊流摩擦力，因此旋涡泵具有较高的扬程<3>，故旋涡泵也称为摩擦泵。

　　2.3旋涡泵的设计理论

　　由于旋涡泵内部流动的复杂性和理论的不完善，目前还没有的理论设计方法，通常采用相似换算法，经验统计计算法和经验系数计算法。

　　20世纪60年代有学者提出旋涡泵H～Q扬程流量特性曲线比较接近于线性关系，研究发现旋涡泵的佳流量与流道面积成正比关系。1977年学者Dyaminov等提出了屏蔽式旋涡泵的设计方法。1988年有国外学者提出单轮双级旋涡泵，这对于提高旋涡泵的汽蚀性能以及综合性能有理论意义。

　　单轮双级旋涡泵结构由于旋涡泵的扬程随流量增加而下降较快，且扬程系数比离心泵要高很多，因此旋涡泵的工作范围很小。针对旋涡泵的工作范围较小等问题，有学者提出并研制了高速旋涡泵，解决了以上问题。高速旋涡泵扬程可以达到200m以上，这样也增加了旋涡泵的应用范围。与容易产生正斜率上升段的离心泵特性曲线相叠加，所得到的高速旋涡泵的特性曲线不会存在正斜率上升段，这样高速旋涡泵就根本不存在小流量不稳定性等问题。

　　对旋涡泵和高速旋涡泵的设计进行了大量研究，建立了以效率和工作范围为主线的小流量旋涡泵的理论设计方法，通过实验分析，表明较大的流道面积可以拓宽泵的工作范围，较大的径向间隙和轴向单边间隙会降低泵的扬程和效率，并且研制了轴向入口旋涡泵。浙江理工大学的谢鹏<9>采用加大流量法对小流量高扬程离心旋涡泵进行了水力设计，提高了样泵的抗汽蚀性能。合肥通用机械研究院的陈世亮<10>设计了屏蔽式旋涡泵并进行了试验研究，屏蔽式旋涡泵没有泄漏，运行平稳，增加了旋涡泵的应用范围。

　　2.4旋涡泵的内部流动

　　20世纪40年代以后，在里台尔假说的基础上，一些学者开始进一步探索旋涡泵内部流动的理论，得到了多个描述旋涡泵内部流动的理论模型。1954年，学者Senoo<11>从旋涡泵内部的湍流摩擦力方面进行了研究，提出了湍流混合模型。在这个理论模型中，Senoo把旋涡泵叶轮中的流动看作是库艾特-泊肃叶流动。1955年，学者Iverson<12>对径向叶片叶轮的旋涡泵内部流动进行研究，提出了一个湍流模型。他根据叶轮作用在液体上的剪应力来分析旋涡泵的性能，并通过实验分析来确定模型中的剪切系数。但是以上两位学者的理论模型并不能直接解释旋涡泵中的旋涡流动。学者Wilson<13>和他的研究小组在前人研究的基础上，提出了动量交换理论，从而能够很好地解释旋涡泵中的旋涡流动。学者Dewitt<14>和Mason<15>应用这个理论分析了旋涡泵的性能。

　　韩国学者J.W.Song<16>认为现在大多数理论只能应用于旋涡泵内流动充分发展的区域，然而在流动充分发展区域前有一个流动的发展区域，这个区域对旋涡泵的性能有很大的影响。他建立了一个应用于流动发展区域内的理论，并通过实验来分析了这个区域对泵性能的影响，得出增加泵进口处流道的面积可以提高泵的扬程和效率，并且可以提高泵的汽蚀性能。

　　在国内，由于我国的旋涡泵研究起步较晚，对内部流动理论方面的研究至今还很少。

　　随着计算流体力学的发展，计算流体动力学CFD（Compu2 tationalFluidDynamics）自20世纪60年代中期已形成一门独立的科学分支，成为研究流体运动规律，解决很多工程实际问题的三大手段（理论，实验，计算）之一。

　　国内外已有学者采用CFD软件对旋涡泵内部流场进行了数值模拟，并取得了一定成果。Song采用Fluent软件对不同流道截面面积的旋涡泵内部流场进行了数值模拟，并通过实验研究得出，当流道截面面积增大时，叶轮和流道中的液体所受到离心力的差值也变大，从而使传递能量的纵向旋涡快速增强，使扬程增大。江苏大学的董颖等人通过对不同流道截面形状的旋涡泵内部流场的数值模拟，分析了旋涡泵的内部流动状况，验证了流道截面形状对旋涡泵内部流动的影响，证实了纵向旋涡和径向旋涡的存在。

　　2.5旋涡泵的实验研究

　　由于旋涡泵流道和叶轮的多样性，系统地针对全部类型旋涡泵进行实验研究是个工作量巨大的工程，所以国内外学者对旋涡泵的实验研究都是针对某一方面展开的，主要是通过对影响旋涡泵性能的过流部件进行研究，以得到较为理想的设计参数和设计方法。

　　英国学者Crewdson<19>对旋涡泵叶片的造型作了系统实验，研究发现当叶片受压面（正面）的出口角约为135°，同时把吸力面（背面）的叶片边倒圆，使其形成尖的叶片尖端时，泵的效率可达到50，比普通叶片造型的旋涡泵高出了许多。韩国提出了一个新的理论模型，并根据此模型设计了一种带扭曲叶片的叶轮，明显提高了旋涡泵的扬程和效率。

　　在国内，江苏大学的沙毅<21>等通过分析旋涡泵叶轮叶片数，泵体流道面积对泵性能影响的对比实验，阐述了泵几何参数对泵性能影响的变化规律，并利用数值分析方法拟合出叶轮直径D，叶片数Z和流道面积A的经验系数水力计算公式。郑州大学的张明成<22>等通过对旋涡泵中叶轮与泵体间动压场的研究，并根据侧隙泄漏量和功率损耗量得到了叶轮与泵体之间的佳间隙取值范围。

　　3研究方向及发展趋势

　　（1）在设计计算方面，针对旋涡泵特殊工作原理以及多种结构型式，对影响旋涡泵性能的过流部件进行优化设计，提高泵的效率，完善泵的理论设计方法。

　　（2）在理论分析方面，进一步深入研究CFD技术，建立符合旋涡泵内部流动规律的数学模型，运用CFD软件进行模拟计算旋涡泵的工作过程。

　　（3）在实验研究方面，采用PIV，LDV，PU，PDV等先进测试技术对旋流泵内部流动进行测试和分析，揭示其内部流动的规律，为理论研究提供可靠的实验依据。

　　（4）系统研究各过流部件对泵性能的影响及泵内各种损失，提高旋涡泵的效率，为设计理论提供依据。

　　（5）开发新型旋涡泵结构和叶轮型式，例如单轮双级旋涡泵，半开型叶轮，将旋涡泵与离心叶轮组合成多级泵（离心旋涡泵）等，都可以提高旋涡泵的汽蚀性能，拓宽其工作范围和应用范围。□