立式混流泵设计中导流片的设计

立式混流泵设计中导流片的设计

摘要：本文就立式混流泵设计中导流片对泵的性能的影响进行了分析，并根据分析结果做了真机性能对比试验，从而给出了立式泵设计时导流片如何设计的建议。
关键词：立式混流泵 设计 导流片

引言
    立式混流泵是大中型电厂、船坞、城市给排水系统、农田灌溉等必备的通用设备之一，用途广泛。根据其结构不同可分为转子可抽式与不可抽式两种，其中转子可抽式结构因其具有的拆装简便、利于维修的特点，越来越被广大用户所青睐。这使得这种原本在大型立式混流泵中常用的结构，逐渐开始用在了中小型立式混流泵中。由于转子可抽式结构的中小型化只是在最近几年才开始逐渐增多，因此在这一方面的研究目前还是很少。本文即针对转子可抽式结构的中小型化的过程中存在的具体的导流片的设计问题展开讨论。

1 导流片在泵运行中存在的问题及分析
    导流片的结构如图1所示。从图中可知，其只在转子可抽式结构中才存在；在转子不可抽结构中，导流片只是出水弯管的一部分。因此，导流片与出水弯管在泵运行中所起到的作用相同，即都起到改变泵送介质的流动方向的作用。
    虽然两者起到的作用相同，但是由于其所在的结构不同，因此它们对泵运行产生的影响有着很大的不同。
 

1.1 导流片的受力分析
    根据导流片所起的作用，可以把其受力分析的模型简化为弯管的受力分析，这样就转化为流体力学中的典型算例求弯管中流动的流体对弯管的作用力的问题。

    以出口直径D=800mm的立式混流泵为例（如图2），按设计扬程H=37m、流量Q=5000m3/h计算水流对导流片的作用力F。计算如下：
    建立如图2所示直角坐标系，则
    沿X轴方向 P1cosθ-P2+Rx=ρQ(ν2-ν1cosθ)
    则         Rx=ρQ(ν2-ν1cosθ)+P2-P1cosθ
    其中，R为导流片对水流的反作用力；
          Rx为R沿X轴方向上的分力；
          θ为泵出口中心与泵轴心线夹角，此处取为90°；
          ν1、ν2为平均流速，此处取ν2=ν1=4Q/πD2；
           P2、P1 可近似取P2≈P1=4HπD2；
    沿Y轴方向 P1sinθ- Ry=ρQ(0-ν1sinθ)
    则         Ry= P1sinθ+ρQν1sinθ
    其中，Ry为R沿Y轴方向上的分力；
    将各量转化成国际单位制后代入公式，即得
               Rx=189.7kN，Ry=189.7kN；
    水流对导流片的作用力F与R大小相等，方向相反。
    上述仅是在水泵正常运行时的理论计算，在实际工况中，由于导流片上方也存在压力，可以平衡部分水流对导流片的作用力，因此在水泵正常运行时，导流片受到的力小于计算值。但是，在水泵起动过程中，导流片上方不存在压力，且起动扬程要远大于设计扬程，因此水流对导流片的作用力在短时间内将远大于计算值，对泵运行产生较大的影响。

1.2 导流片的受力对泵运行产生的影响
    由上可知，导流片在工作中既受到轴向的作用力，又受到径向的作用力。由于导流片是轴内护管部件的一部分，与其它内护管通过法兰刚性连接，因此对于其受到的轴向作用力可以同过选择合适的连接螺栓与内护管壁厚加以克服，对泵的运行影响不大。
    对泵的运行产生较大影响的是导流片受到的径向作用力。由于导流片所在的轴内护管部件一般都是细长管件结构，在径向力作用下容易产生径向位移，而护管内部通常要设置中间滑动轴承，轴承间隙要求严格，所以产生的径向位移一旦超过或接近轴承间隙，就很容易造成轴承偏磨，进而引起泵在运行中震动超标、噪音过大、寿命降低等一系列问题。

2 解决导流片对泵不良影响的对策
    由于导流片对泵的寿命及运行稳定性存在隐患，因此在泵的最初设计中就要引起足够重视，采取措施予以解决。
    这其中，最彻底也是最简单的解决方法就是：取消导流片。当然，取消导流片后可能会引起泵出口流态的紊乱、造成额外的水力损失、降低水泵的效率。对于其影响的程度到底有多大，笔者借着本身在水泵制造企业设计部门工作的有利条件，通过性能试验进行了验证。下面就将试验过程及结果进行简单介绍。
试验选取的水泵为出口直径D=500mm的立式混流泵，设计扬程H=25m、流量Q=2200m3/h。试验过程为先进行一次正常的带导流片结构的性能试验，得到一组水力性能数据；然后将此台泵的导流片拆除，换成普通内护管，再进行一次性能试验，得到另一组水力性能数据；最后将两组数据对应的性能曲线绘制在同一坐标图上进行对比分析。结果如图3所示。

×------表示带导流片，○------表示不带导流片  。

    从图中可知，两次试验所绘的性能曲线基本重合，没有加装导流片的水泵性能没有明显下降，在工程实际中可以接受，取消导流片这一做法是可行的。

3 结论
    综上所述，通过对立式混流泵设计中导流片对泵性能的影响进行分析，以及真机性能对比试验结果验证，我们认为：在中小型转子可抽式立式混流泵设计时导流片不是必须的，可以不必设置；不设置导流片将更有利于保证泵的运行稳定性及寿命。

参考文献
1 王福军 计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004
2 查森. 叶片泵原理及水力设计[M]. 北京：机械工业出版社，1988
3 关醒凡 现代泵技术手册[M]. 北京：宇航出版社，1995

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