射流式自吸离心泵的设计与研究

射流式自吸离心泵的设计与研究
王维军;唐宇;马鸿;杨征
【摘要】针对传统的自吸式离心泵存在的结构复杂、自吸时间过长、工作效率较低等缺点,通过结构的改进,设计了一种新型离心泵外循环射流自吸装置,该装置是在普通离心泵的进口管路和出口管路间增设了一个射流和汽水分离装置,根据水射流的卷吸原理实现泵的自吸功能.本文主要介绍了该射流自吸泵的各结构组成及其工作原理.
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】3页(P32-34)
【关键词】离心泵;射流式自吸;外循环
【作者】王维军;唐宇;马鸿;杨征
【作者单位】辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州121001;辽宁工业大学机械工程与自动化学院,辽宁锦州121001
【正文语种】中文
【中图分类】TH311
随着经济的不断发展，自吸式离心泵凭借着其自吸性能强、高效节能等特点在实际工作及日常生活中被广泛应用，有着十分良好的市场前景。

但目前自吸式离心泵还存在着一定的问题，可靠性还需加强完善，而很多生产厂家把主要精力放在了它的
保护系统上，虽然这起到了一定的效果，但并不能从根本上解决问题。

而射流式自吸离心泵与其他自吸式离心泵相比，有效地提高了水泵的性能，完善了水泵的结构，使得自吸式离心泵的性能得到了较好的提高。

所谓自吸水泵就是指首次启动前只需向泵体内加入一定量的水，启动后经过一段时间可将进水管内的气体排空，依靠叶轮旋转而使水产生的离心力来工作的泵。

自吸式离心泵按其作用可分为以下几类：水环轮式、气液混合式、射流式[1]。

而普通
自吸泵存在着结构复杂、体积大、效率低等问题，为了解决上述问题，本文设计了一种结构新颖、体积小、重量轻、效率高的新型离心泵体外射流自吸引水装置，通过泵体自身体外循环，利用形成的高压水流经射流器抽真空引水，吸入管路中的气体在泵体外进行分离，装置结构如图1所示。

在泵首次启动前，泵体内先灌满液体即管泵环节，之后打开止回阀，然后启动水泵，此时泵的入口和出口阀均处于关闭状态，在离心力的作用下，泵出水口处的压力增加，当压力达到设定值时，开启射流阀和引水阀，此时离心泵自吸系统在外循环气水分离装置的作用下分离气体，在泵的入口处形成负压，从而开始引水工作。

当液位开关检测到液体时，打开泵的入口阀，同时关闭射流阀、止回阀和引水阀并打开出水阀，水泵启动工作完成[2，3]，从而进入正常的运转状态。

3.1 射流装置的工作原理
射流器的原理即在泵的出口处安装自吸装置，在其工作时液体通过射流喷嘴射出，由于喷嘴的截面积比管道的截面积小得多，流体流过喷嘴时速度迅速增大，该处的静压强急速减小，造成吸入管道真空，从而将入口管中的空气吸入，气水混合物在扩大管中速度降低，压强随之增大，最后将气水混合物送出。

3.2 射流器的基本参数确定及计算
在满足自吸式离心泵压力差及工作流量的前提下，设计条件如下：工作流量Q0=5 m3/h，扬程H0=94 m，自吸入体积流量Qs=12.5 m3/h，自吸入体积扬程
Hs=0 m.就连续射流来说，其主要参数为射流流量、射流压力、功率、流速以及
反冲力等动力学参数以及射流宽度、射流起始长度等机构参数[4]。

对于连续射流，在喷嘴出口截面内外两点间，即可得出下列关系式：
式中：P1、P2为喷嘴的内、外静压力；V1、V2为喷嘴的内、外流体的平均流速。

两点间应用连续性方程可得：
如果喷嘴流道是圆管型结构，即并假设ρ1=ρ2，有上列两式可得出：
对于水射流，由于，同时将ρ=998 kg/m3代入上式，即可得出射流流速的表达
式为：
式中：vt为射流流速（m/s）；p为射流压力（MPa）.
而由q=v·A可算出它的射流流量[5]，即
式中：qt为射流流量（L/min）；d为喷嘴出口直径（mm）.
在这里要说明的是，由式（4）与式（5）得出的是流速及流量的理论值，但是通
过喷嘴的流速v和流量q的实际值比理论值小。

将工作流量q与理论流量qt的比值定义为流量系数μ，则射流流量为
根据式（5）与式（6）可得
式中：μ为流量系数。

3.3 射流器喷嘴的设计
喷嘴是射流式自吸离心泵的重要组成部件，针对喷嘴的形式，按照形状可以分为圆柱形喷嘴、扇形喷嘴、异形喷嘴等几类；而按照孔数又可以分为单孔喷嘴、多孔喷嘴等。

考虑到射流器的性能及加工制造等因素，本次设计的射流式自吸泵采用的就是圆锥收敛型喷嘴。

3.3.1 喷嘴出口直径d1
喷嘴设计时首先要选定的重要参数是喷嘴喷孔的直径，也是确定其它参数的依据[6]，一般喷嘴的出口直径d1按下式确定：
式中：φ1为喷嘴的入口处的流速系数，通常为φ1=0.95～0.975；g为重力加速度（m/s2）；a为喉管入口修正系数，通常为a=1～1.05；△p0为工作压力（MPa）；ρ0为工作液体的密度（kg/m3）.
3.3.2 确定喉管直径
喉管直径d3由下式确定：
根据射流器的设计公式可以计算出射流器的其他几何参数，绘制出射流器的整体结构简图，如图2所示。

3.4 气水分离装置
其工作原理是水和气通过分离器内部的进水口进入分离器后，把射流器排出的气和水混合物中的气体充分分离[7]，因为气体和水的比重不同，重的水可以通过下部的排水孔排出，轻的气通过顶部排气孔顺利排出，使得进入离心泵吸入管路的介质为不含气体的液体，可以最终导致回流。

而根据压力容器设计准则，取设计压力为0.4 MPa，设计温度常温（取25℃），通径120 mm，容积0.03 m3，介质为水和空气的混合物。

根据压力容器的设计公式计算出几何参数，可得出汽水分离器外部筒体尺寸。

但是，为了更有效地分离气体，使水流经汽水分离器时降低水的流速，所以设计中在筒体内部增设另一个小型尺寸的开口筒体，根据连接管尺寸得出内部筒体尺寸，从而绘制出汽水分离器的整体结构图，如图3所示。

通过对射流式自吸泵的研究和试验表明：射流系统可以明显缩短自吸时间，尤其在箱内水位比较低时作用更明显，可以有效减小自吸装置体积，且连接时对泵的外特性影响较小，具有节能的效果，而且外部的气水分离装置可以有效地将气水混合物中的气体分离出去，减小对叶轮的气腐蚀作用，有效地提高离心泵的使用寿命，解决了传统自吸泵的存在的问题。

而且新型射流式自吸泵其结构简单新颖，体积小，重量轻，安装操作方便，适用于农作物的喷灌及排涝等场所，具有广泛的推广应用
前景，对提高经济效益及社会效益都有着重大的现实意义。

【相关文献】
[1]康勇，张建伟，李桂水.过程流体机械[M].北京：化学工业出版社，2007：37-39.
[2]吴文俊，朱汝清.大口径自吸离心泵设计[J].水泵技术，2011（03）：23-26.
[3]吴卫东.回流孔对自吸离心泵自吸性能影响的研究[J].水泵技术，2013（01）：26-30.
[4]陈茂庆.高比转数自吸离心泵设计方法的探讨[J].水泵技术，2011（02）：33-36.
[5]陶悌森.自吸离心泵自吸性能影响因素的探讨[J].水泵技术，2008（06）：33-35.
[6]彭学斌.立式无密封自吸泵的研究与应用[J].通用机械，2007（02）：63-65.
[7]兰才有.自吸泵的改进设计[J].粮油加工与食品机械，2009（01）：31-32.。