离心泵基础-叶轮

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摘要:无论是与协助泵选型的应用工程师的电话,还是泵投标用的规格文件,或者是本学习系列,围绕泵的许多讨论都是从叶轮开始的。叶轮是将驱动机(通常是电机)产生的动力传递到流体运动中的关键零件。

前言

无论是与协助泵选型的应用工程师的电话,还是泵投标用的规格文件,或者是本学习系列,围绕泵的许多讨论都是从叶轮开始的。叶轮是将驱动机(通常是电机)产生的动力传递到流体运动中的关键零件。

虽然所有叶轮的共同任务都是移动流体,但它们有不同的形状、尺寸和材料,以满足特定应用的要求。要在众多选择中进行区分似乎很难,但了解叶轮的基本原理将对正确选择泵具有很大的帮助。

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叶轮几何形状

了解典型离心叶轮的剖面结构非常重要。叶轮的中心被称为叶轮吸入孔(eye)。从中心向外延伸的是叶轮的叶片。叶轮的叶片是弯曲的(通常是后弯曲的),在叶轮旋转时捕捉并移动流体。叶片后面的大型圆形部分是叶轮的轮毂。轮毂为叶片提供支撑,同时将所有叶片连接到叶轮组件。轮毂的外径是可以找到叶轮盖板的地方。半开式叶轮有一个覆盖叶轮叶片顶部的盖板。闭式设计是指具有覆盖叶轮叶片顶部和底部盖板的叶轮。或者,叶轮可能没有盖板,这种类型被称为开式叶轮。

叶轮的设计可能会有所不同,但一些基本原理在所有叶轮中都是不变的。叶片的外径决定了泵所能产生的压力。与直径较大的类似叶轮相比,较小的外径将产生较低的压力。叶轮叶片的高度决定了泵产生的流量。与具有较高叶片的叶轮相比,较低的叶轮叶片将产生较少的流量。这些叶轮几何特征提供了叶轮样式设计的背景。

叶轮的物理表征

叶轮是连接泵的动力输入(驱动机)和动力输出(流体运动)的纽带。泵送过程开始时,驱动机通过轴带动叶轮旋转。叶轮转动时,水从中心沿叶片边缘向外推,压力随之增加。高压水从叶片的末端释放到泵的蜗壳(或导叶)中。沿着蜗壳/导叶的路径,水以叶轮几何形状决定的流量和压力排出。水沿着叶轮叶片加速,在叶轮吸入孔处形成低压。大气压力大于叶轮吸入孔的低压,对被泵送流体的表面产生作用力,使流体持续流向叶轮吸入孔。

固体处理

许多应用都需要泵送含有固体的流体。对于潜水泵来说,这种情况很常见,因为潜水泵位于用于收集径流和废物的蓄水池中的较低位置。一种以其固体处理能力而闻名的叶轮类型是通道式叶轮(channel impellers)。通道式叶轮允许固体有效通过叶轮叶片之间。这种叶轮设计通常用于污水和废水处理应用。

另一种常见的固体处理叶轮是旋涡式,也称为凹进式叶轮(recessed impeller)。这种叶轮位于蜗壳内,在叶轮和吸入口之间形成一个较大的开放空间。与其它依靠叶片推动水流的叶轮不同,这种叶轮会在蜗壳的开放空间中产生涡流。叶轮快速旋转产生的涡流使流体和固体在与叶轮接触最小的情况下移动。泵送流体与叶轮之间没有接触,这对含有磨料或大颗粒固体的应用非常有利。

切割和切碎泵

对于容易堵塞的应用,有一些叶轮设计用于处理这些麻烦的固体。切割泵(cutter pump)就是这样一种设计。切割泵的叶轮有一个锋利的前缘,通常由碳化钨等硬质材料制成。这种锋利的边缘在设计上与带有锋利锯齿边缘的配套吸板之间有一个紧密的间隙。当叶轮吸起固体时,固体的一部分会被吸板上的固定锯齿状边缘卡住,使旋转的切割叶轮能够切割固体。切割泵可减少各种固体和碎屑(如抹布、“可冲洗”湿巾甚至衣物)造成的堵塞,从而减少泵的停机时间。这些切割后的固体可以在泵的下游进行过滤。

另一种用于易堵塞应用的叶轮设计是切碎泵(chopper pump)。切碎泵的机械结构类似于切割泵。固体物质在叶轮锋利的前缘和吸入口的锋利静止边缘之间撕裂。

与在吸入板上使用锯齿状边缘的切割泵不同的是,切碎泵具有一个安装在叶轮吸入孔外部的切割刀机构。切碎泵叶片与叶轮吸入孔、叶片与吸入板之间保持紧密的公差。这些紧密的公差提供了整个叶片的切割,防止整个蜗壳的堵塞。

高压应用

有些应用需要较高的压力,例如泵送到高海拔或在系统设计需要小直径管道的情况下。为了实现这种高压,可以通过几种方法改变叶轮的设计。增加压力的一种方法是增大叶轮的外径。

另一种增加压力的方法是在叶轮叶片的上方和下方加装盖板。闭式叶轮叶片之间的区域可减少流动再循环(内部回流),从而实现更有效的高压输出。虽然闭式叶轮能有效地增加压力,但却限制了叶轮处理固体的能力。

高压泵通常配有过滤器,以防止闭式叶轮出现堵塞。但是,如果存在大量固体,研磨泵(grinder pump)可能更适合这种应用。研磨泵的吸入口外侧有一个研磨叶片。当这个锋利的叶片旋转时,会将固体粉碎成细小的碎片,经吸入滤网流入泵中。然后,通常通过一个高扬程的叶轮将磨细的固体送出泵。在地形不平坦的地区,城市污水收集中经常会用到研磨泵。这些地区依靠小口径、高压管道输送污水。研磨泵不仅能提供所需的高压,还能减少固体物质,从而减少对较小管道的堵塞。

叶轮材料

选择合适的结构材料与选择叶轮样式同样重要。叶轮可采用各种材料,如不同等级的铸铁、不锈钢、青铜和树脂塑料。铸铁具有良好的耐磨性和经济性。但是,铸铁可能无法承受高磨损性或腐蚀性流体。为了防止叶轮因腐蚀而过早失效,可能需要使用不锈钢叶轮。虽然不锈钢比铸铁昂贵,但它通常能更好地抵御腐蚀性化学品。

青铜是另一种耐腐蚀材料,经常在沿海地区使用。在近海应用或输送盐水的流程中,青铜可防止盐水侵蚀。一些较小的泵可能使用塑料叶轮。与不锈钢或青铜替代品相比,这些模制叶轮具有优异的耐化学性和高耐磨性,并且具有成本效益。

泵送的流体以及系统条件将决定所需的叶轮类型。请务必将此信息告知泵供应商,以确保叶轮和泵的正确选择。

作者简介:Pat Donahue毕业于Purdue University机械工程专业,现在Tsurumi美国公司工作。

标签:离心泵

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