自吸过程（共7篇）
自吸过程 篇1
0 引言
自吸泵属于特殊的离心泵, 与普通离心泵相比, 能够实现自动化操作, 便于远程调控, 广泛用于农业、消防、矿山、市政、电力、化工等部门, 尤其适合用于移动灌溉、流动工作、启动频繁和灌液困难等场合[1,2,3]。
国内外已有不少关于离心泵瞬态水力特性的研究。国外方面, H.Tsukamoto等[4,5]对离心泵启动及关闭过程进行了大量的试验研究, 国内的吴大转[6]、武鹏[7]等对离心泵的瞬态流动进行了相关研究, 发现瞬态操作过程区别于稳态过程, 表现出明显的瞬态效应, 但目前国内对于自吸泵瞬态水力特性的研究还很缺乏。自吸泵有别于普通离心泵, 不少学者已对影响自吸泵自吸性能的水力结构尺寸等进行了很多研究, 但基本上仍停留在半理论半经验的设计阶段, 所以通过试验研究自吸泵自吸过程的瞬态水力特性就显得尤为必要。试验研究是对理论研究和数值模拟的有力补充, 可以有效地解决单一研究方法的局限性, 比较客观的反映出自吸过程的真实流动情况, 为自吸泵结构参数的设计优化提供试验依据, 并为自吸机理的研究奠定可靠的基础[8]。
1 试验装置
试验采用65ZB-40型外混式喷灌泵, 设计转速为2 900r/min, 额定功率为7.5kW, 设计扬程为40 m, 设计流量为30m3/h, 规定自吸时间为160s, 规定自吸高度为5m。本文在自吸泵外特性试验台基础上利用NI虚拟仪器、LabVIEW编程平台搭建了泵内部流态特性瞬态数据测试系统对65ZB-40型喷灌自吸泵自吸过程进行了试验研究。
试验装置由自吸泵及管路系统、动态测试系统和水力性能测试分析软件组成[9,10]。其中动态测试系统由NI虚拟仪器、LabVIEW编程平台和计算机组成。试验台具备多种功能:能测量泵自吸性能、水力性能, 能测量水泵内部流动特性, 能测量速度、压力等的瞬态数据和平均数据, 最大试验自吸安装高度装置能达到9m, 能在改变介质性质 (颗粒、黏度及温度等) 时进行以上试验。试验仪器的布置如图1所示。
在该测试系统中, 流量采用的是精度为±0.4%的涡轮流量计;压力传感器的型号是CYG1103, 精度为±0.2%, 输出电流为3~20mA, 量程分别为-100~100kPa和0~1 MPa。
2 试验方法
瞬时扬程的测试方法与稳态测试方法类似, 首先通过进出口管路上的压力变送器分别测得两端的静压值, 再加上测量点处水的动扬程以及位差修正值, 获得瞬时扬程, 试验台的流量测量采用的是涡轮流量计, 瞬时转速与扭矩则采用转速扭矩仪测得。利用虚拟仪器编程的软件采集模块如图2所示。
具体试验过程如下。
(1) 安装电动机、扭矩仪、水泵及进出口管路, 并将水泵机组停留在1m自吸高度的升降台上, 使其组成一个开式试验台。
(2) 通过压力传感器将泵进口、叶轮进口、泵出口、蜗壳回流孔和出口回流孔5处测压孔与虚拟仪器相连, 设计数据系统的的软件采集模块。
(3) 启动电动机, 利用LabVIEW自动采集各测压孔处压力、转速和扭矩, 采集时间间隔为0.5s, 采集数据时间持续到自吸完成, 水泵持续出水为止。
1.计算机;2.虚拟仪器;3蓄水池;.4虚拟信号调理器;.5.压力传感器;6.升降台;7.自吸泵;8.扭矩阵速仪;9.变频电机;10.吸入管;11.软管;12.流量计
(4) 通过升降试验台改变自吸高度, 依次在1.5、2.5、3.5、4.5、5m等5个高度下重复进行步骤 (1) ~ (3) , 完成试验。
3 试验结果分析
3.1 内特性结果分析
图3分别是自吸高度为1.5、3.5和5m时, 泵进口、叶轮进口、泵出口、蜗壳回流孔和出口回流孔5处关键监测点的压力瞬时变化曲线。
从图3可以看出:泵进口、叶轮进口处压力变化趋势基本一致而且叶轮进口真空度稍稍大于泵进口真空度。泵进口处及叶轮进口处真空度随自吸泵安装高度增加而增加, 并在自吸完成后存在真空度瞬间增大的过程, 压力值最终逐渐稳定在各对应自吸高度所需的真空度水平上。自吸过程中, 蜗壳回流孔处大部分时间处于负压状态且变化趋势与进口压力变化一致。在自吸过程后期, 压力迅速上升至出口压力值附近但略小于出口压力值。泵出口压力值与出口回流处压力值在自吸过程中, 基本上维持在1~2kPa之间, 但在自吸即将完成时, 压力值迅速增至400kPa附近。在6个不同自吸高度条件下, 各关键监测点的变化均符合上述结论, 变化趋势保持一致。
3.2 外特性结果分析
图4、图5是自吸泵在6个不同自吸高度下自吸过程中流量和扬程随自吸时间的瞬变结果。
从图4、图5中可以看出, 流量在自吸过程前期一直处于零流量的状态, 在接近自吸完成时, 流量迅速提升到全流量再逐渐趋于稳定。在此过程中, 扭矩前期较小, 流量增大后扭矩也迅速增加, 对应的转速则稍稍减小, 表现为轴功率前期在0~1kW范围内波动, 后期迅速上升到5kW以上并保持稳定。扬程前期由于出口没有液体流出, 基本上维持在略高于大气压的水平上, 在后期随着流量的增加扬程也逐渐上升, 并在流量稳定后也趋于稳定状态。从总体上看, 在不同自吸高度下的自吸过程中, 流量、扬程变化趋势十分接近。
图6是自吸泵在1.5、3.5和5 m的自吸高度下自吸过程中瞬时转速、轴功率、输出功率和效率随时间的变化关系。
从图6中可以看出, 随着自吸时间的增加, 转速在自吸开始的瞬间 (1s内) 均存在一个较小值, 这是因为泵自吸过程同时也是一个启动过程, 电机转速本身存在一个从零增加的过程。在1~2s后转速迅速增加到2 950~3 000r/min内。从图中特别是自吸高度5m时可以看到在自吸过程中期转速有一个迅速下降过程, 分析原因应该是随着自吸的进行, 泵进口真空度逐渐增加, 吸水管中水位上升使得泵做功增加且随自吸高度的增加表现得更为明显。在自吸即将完成自吸泵开始逐渐出水后, 由于泵开始正常工作, 转速又迅速下降20~30r/min左右并保持稳定。
在自吸过程中轴功率前期基本上在0~1kW范围内波动, 后期迅速上升到5kW以上并保持稳定。相比于轴功率而言, 由于前期自吸泵没有输送液流, 不存在流量及扬程, 输出功率相对稳定并基本保持与流量变化趋势一致, 表现为前期基本为零, 后期随着流量增加也逐步增大。通过输出功率与轴功率的比值可知, 效率变化趋势基本与输出功率一致。在自吸完成后, 效率达到最大值且最大效率超过了60%, 可以看出自吸泵在自吸完成后效率基本能满足设计要求。
4 结语
在自吸泵快速自吸过程中, 性能参数随自吸时间快速变化, 表现出不同于稳态过程的瞬态效应。本文对喷灌自吸泵自吸过程进行了试验研究, 在自吸泵外特性试验台的基础上, 搭建了喷灌泵自吸瞬时流动动态测试系统来研究喷灌泵的自吸过程, 得出以下结论。
(1) 在6个不同自吸高度条件下, 各关键监测点的压力变化趋势基本一致。泵进口及叶轮进口处真空度随自吸泵安装高度增加而增加。回流孔处在自吸初期为负压状态, 但末期压力迅速上升至400kPa左右, 说明外混式自吸泵回流孔处为气液混合的主要区域。流量、扬程、轴功率、输出功率及转速也均在自吸即将完成时有一个显著的变化, 表现出明显的瞬态效应。
(2) 在不同自吸高度下的自吸过程中, 流量、扬程及轴功率的变化趋势十分接近。自吸过程前期, 除轴功率有小幅度的波动外, 流量和扬程均比较稳定。在自吸接近完成时, 三者均有一较大幅度的变化过程, 并在自吸完成后达到稳定。
(3) 随着自吸时间的增加, 转速在自吸开始的瞬间均存在一个较小值, 在1~2s后转速迅速增加到2 950~3 000r/min内。自吸过程中轴功率前期基本上在0~1kW范围内波动, 后期迅速上升到5kW以上并保持稳定。相比于轴功率而言, 由于前期自吸泵没有输送液流, 不存在流量及扬程, 输出功率相对稳定并基本保持与流量变化趋势一致, 表现为前期基本为零, 后期随着流量增加也逐步增大。通过输出功率与轴功率的比值可知, 效率变化趋势基本与输出功率一致。
参考文献
[1]吕智军, 兰才有, 王福军.自吸泵研究现状及发展趋势[J].排灌机械, 2005, 23 (3) :1-5.
[2]郭晓梅, 杨敏官, 王春林.自吸泵现状分析[J].水泵技术, 2002, (1) :27-29.
[3]潘中永, 刘建瑞, 施卫东, 等.轻小型移动式喷灌机组现状及其与国外的差距[J].排灌机械, 2003, 21 (3) :1-5.
[4]H Tsukamoto, H Ohashi.Transient characteristics of a Centrifugal Pump During Starting Period[J].ASME Journal of Fluid Engineering, 1982, 104 (1) :6-13.
[5]H Tsukamoto, S Matsunaga, H Yoneda, et al.Transient characteristics of a Centrifugal Pump During Stopping Period[J].ASME Journal of Fluid Engineering, 1986, 8 (4) :392-399.
[6]吴大转, 王乐勤, 胡征宇.离心泵快速启动过程外部特性的试验研究[J].工程热物理学报, 2006, (1) :68-70.
[7]武鹏, 吴大转, 李志峰, 等.离心泵流量突增过程瞬态流动研究[J].工程热物理学报, 2010, 29 (3) :419-422.
[8]李红, 王涛, 沈振华, 等.喷灌泵内部流场的数值计算及试验对比分析[J].中国农村水利水电, 2010, (8) :4-7.
[9]National Instruments Corporation.LabVIEW data acquisition basics manual[M].Austin:National Instruments Corporation, 1998.
[10]武刚.基于虚拟仪器的流体输送综合测试系统的研究[D].杭州:浙江大学, 2005.
自吸过程 篇2
随着我国农业的发展, 移动式轻小型喷灌溉设备对于提高现有的管道输水灌溉系统利用率, 有着不可忽视的重要作用, 但是难点在于机组自吸泵自吸性。文章研究的就是这个难题的解决办法。
1 自吸泵的种类和工作原理介绍
自吸泵是指在泵启动前灌满水, 启动后只需要确保吸入管路水量充足, 就能依靠泵本身自动将水吸上来。从自吸泵的结构来分类, 主要分为内混式和外混式两种。
两种自吸泵在泵体启动初期, 泵内的存水或灌入的水会射向叶轮进行气液混合, 然后叶轮槽道中的水在叶轮作用下, 扩散进入气液分离室, 分离开的气体从泵的出口排出去, 分离出来的水回到泵内进行下一次的循环。经过几次循环, 将原先管内的气体排净, 提高泵内真空度, 增加对管口中水体进泵压力, 确保泵开始正常工作的自吸性能。
内混式和外混式最大的区别在于气水混合后, 内混式自吸泵的回流水直接流向叶轮入口, 外混式自吸泵则流向叶轮外缘。
2 自吸泵的设计研究
2.1 设计概念描述
65z B40-5.5D型内混式启动方便, 效率较高, 所以本次实验选取了这种型号的自吸泵。
为了实验设备能够满足JB/6664.1-93《自吸泵型式与基本参数》要求。通过计算为实验确定出自吸泵叶轮和蜗壳模型的具体零部件大小。
2.2 65ZB40-5.5D型自吸泵的设计计算
2.2.1 设计参数设定
计算中, 所使用的参数参照JB/6664.1-93《自吸泵型式与基本参数》, 设定为:流量Q=30m3/h, 扬程H=40m, 转速n=2900r/min, 效率η=61.8%, 必需汽蚀余量NPSHr=3.5m。
2.2.2 叶轮模型计算
(1) 泵的液体进出口大小计算
a.进水口大小Ds:设定vs=2.5m/s, 所以
b.出水口大小Dd的计算:进水口比出水口约大一圈, 根据GB2555-2556-81的比照值, 取值Dd=50mm。
(2) 叶轮部位大小的计算
实际中设备有一定厚度的, 初算忽略了这些厚度, 必须对叶轮出水口直径大小D2作出修正, 修正时取值D2=180mm。
通过对无穷叶片的扬程、出口轴面和圆周速度的计算, 修正后的叶轮出水口直径较为符合实际, 所以取值D2=180mm。
2.2.3 蜗壳模型计算
蜗壳各个接口断面面积的计算:
∵ns=61∴从《叶片泵设计手册》中可查到kv3=0.525, 同时可取值φ0=17°
其他断面依次可以得到其他七个断面面积分别为782、64、546、428、310、192、74mm2。
2.3 设计结果
在实验前, 按照设计模型制作了样机进行测试。测试中, 将泵的自吸高度控制在5m, 转速n控制在2900r/min, 运转中实际测得流量Q为30.78m3/h、扬程H为41.04m、效率η为65.9%、自吸时间为100s、轴功率N为5.21 k W。当额定液体流量, 使扬程达到汽蚀临界时, 可测得临界汽蚀余量NPSH为2.85m。
将所测得的结果与JB/6664.1-93《自吸泵型式与基本参数》中明确的指标进行对比分析, 可控参数流量和扬程与要求指标很接近, 并且自吸泵的效率、自吸时间、轴功率和临界临界汽蚀余量与要求的指标相比, 都有所优化, 符合了实验要求, 是一次成功的设计。
3 自吸泵自吸性能试验研究
3.1 试验目的
实验采用的泵体是内混式自吸泵, 主要对自吸泵的叶轮与泵体隔舌的间隙、回流喷嘴、储液室液体容量、进水口宽度等要素进行实验, 寻找能够提高自吸性能的最佳状态, 达到改善现有自吸泵自吸性能的目的。
3.2 试验条件与装置
实验中, 为了便于对比分析, 制作了三台样机, 型号分别是65ZB35-4D型、80ZB40-8.8C型和100ZB40-l1D型, 它们的比转速分别为61、78和94。为了满足实验需要, 一些零部件采用特殊的加工方法, 如叶轮与泵体隔舌的间隙和进水口接头, 在实验中, 储液室的水量和进水口大小的互换都是需要人为控制, 人工加水和互换。
3.3 试验内容与结果分析
自吸性能实验主要测试的是自吸时间长短, 每个实验数据的获得都经过三次重复实验, 然后取平均值, 实验中自吸高度都固定保持在5m, 并充分考虑水力对实验结果的影响。实验中对应自吸泵型号分别用65型、80型、10型代表。
3.3.1 叶轮与泵体隔舌的间隙对比分析
实验过程:实验中将65型和80型自吸泵的叶轮与泵体隔舌的间隙范围控制在0.5mm至10mm之间, 分别进行八组实验。
实验结果分析:通过对数据的线性回归分析, 两种自吸泵自吸时间随着泵体隔舌的间隙的增大而增大, 实验中最高效率的自吸时间是在叶轮与泵体隔舌的间隙为0.5mm时。
3.3.2 回流喷嘴对比分析
实验过程:实验使用了四种直径不同的锥角为10°回流喷嘴在三种自吸泵上转换进行 (结果见表1) 。
实验结果分析:从整体结果来看, 喷嘴直径d越大的自吸时间越短。
3.3.3 储液室液体容量对比分析
实验过程:65型、80型和10型自吸泵储液室最大储水量分别为4、6.8和8.1kg, 实验中分别从最大储水量开始逐步递减, 每次减少0.2kg (结果见表2) 。
实验结果分析:在实验数据范围内, 三种型号的自吸泵都呈现出一种规律, 也就是随着储液室中水量的减少, 泵的自吸时间越来越长, 最短的自吸时间是出现在储液室中水量最多的时候。
3.3.4 进水口宽度对比分析
实验使用65和80mm两种直径不同的吸入管, 通过互换实验, 得到65型自吸泵自吸时间分别是86.8和147.6mm, 80型的则为98.1和136.2mm。不同的吸入管口在自吸泵上显现出自吸时间明显变化, 可以肯定的是吸入管大小对自吸性能有着影响, 但由于实验条件限制, 无法进行进一步的关系论证。
3.4 小结
从上述实验中, 可以总结出下面四点结论:
结论一, 自吸性能会随着泵体隔舌的间隙的增大而提高, 一般来说会在0.5mm时达到最好的自吸性能。
结论二, 自吸性能与回流嘴直径大小相关, 在20mm及以下范围内, 回流嘴直径越大, 自吸性能越好。
结论三, 自吸性能随着储液室中水量的增多而提高, 储液室中水量接近于注满的时候, 自吸性能是最好的。
结论四, 自吸性能受到吸入管直径大小的影响。
4 结束语
本次实验对自吸泵叶轮和蜗壳模型的具体零部件大小进行了设计, 较为严谨的使实验设备符合JB/6664.1-93《自吸泵型式与基本参数》要求。在实验中从叶轮与泵体隔舌的间隙、回流喷嘴、储液室液体容量、进水口管宽度四个方面全面的对自吸泵自吸性能影响因素进行了实验和分析, 得出了一些初步结论, 即自吸泵自吸性能优化可以通过在一定范围内增大泵体隔舌的间隙和回流嘴直径, 增多储液室中水量, 改变吸入管直径等方式来实现。本次实验研究有一定成效, 得到了一些较为有用的结论成果, 但在实验中未能考虑到更多细微的影响因素, 如外部环境, 以后有机会还会再做进一步研究。
参考文献
[1]范宗霖.有关自吸离心泵若干问题[J].水泵技术, 2004 (6) .
[2]章光新, 邓伟, 何岩.我国北方地下水危机与可持续农业的发展[J].干旱区地理, 2004 (3) .
[3]潘中永, 曹卫东, 施卫东, 等.喷灌泵压水室的新型设计[J].水泵技术, 2003 (5) .
浅谈离心泵的自吸 篇3
1 离心泵简介
1.1 离心泵的工作原理
1.离心泵;2.截止止回阀;3.气液分离柜;4.电动机;5.摩擦离合器;6.水环式真空泵;7.控制杆;8.液压缸;
离心泵其主要工作部件是泵壳和叶轮。螺线形的泵壳亦称蜗壳,包括蜗室和扩压管两部分。叶轮通常有5-7个弧形叶片和前后圆形盖板构成,用键和螺帽固定在泵轴的一端。轴的另一端穿过填料函伸出泵壳,由原动机驱动右旋回转。螺帽通常采用左旋螺纹,以防反复起动因惯性而松动。离心泵工作时,预先充满在泵中的液体受叶片的推压,随叶轮一起回转,产生离心力,从叶轮中心向四周甩出,于是在叶轮中心处形成低压,液体便在吸入液面气体压力的作用下,由吸入接管被吸进叶轮。从叶轮流出的液体,压力和速度都比进入叶轮时增大了许多,由蜗壳的蜗室部分将它们会聚,平稳的导向扩压管。扩压管流道截面逐渐增大,液体流速降低,大部分动能变为压力能,然后进入排出管。叶轮不停的回转,液体的吸排便连续的进行[1]。
1.2 离心泵不能自吸的原因
离心泵属于叶轮式泵,其主要工作部件是叶轮和泵壳,离心泵不像容积式泵有密闭的腔室,其泵壳和外界密封不好,当离心泵第一次起动里面没有灌满水或没有灌水时,其泵壳内就全是空气,此时叶轮旋转,离心泵就像一个风机不停地使空气进行循环。吸入口的压力、大气压和吸入液面压力三者几乎相等,在吸入口和吸入液面之间就没有了足够的压力差,水就不能进入离心泵壳体,不能吸上水。
1.3 离心泵的自吸条件
正确地选用引水装置是离心泵正常运转的前提。为了使离心泵运转时能自吸必须满足下列要求[2]。
(1)泵的吸高不超过允许值。离心泵的允许吸高受汽蚀极限限制,并由泵的结构所确定。在泵的性能曲线图上,允许吸高用净正吸入高度表示。泵的净正吸入高度值小于泵装置的净正吸入高度值,泵运转时才能不发生汽蚀。
(2)泵及其吸入系统注满了所输送的介质。引水装置的任务就是为了将水引入吸入管路。空气在负压的作用下从吸入系统中抽出。泵起动时抽除空气的过程一般称为前引水过程,而运转时抽除空气的过程称为后引水过程。两者实际区别在于前引水过程基本上只是抽除吸入系统中的空气而后引水过程在抽气时伴随有大量的水排出。
1.电磁阀;2.空气喷射器;3.气动阀;4.压力继电器;5.控制箱;6.离心泵;
由于水与空气在密度上有很大的差别,引水装置必须符合上述运行的要求。
2 离心泵的自吸装置
2.1 离心泵的水环泵自吸装置
图1示出船用离心泵所用的一种水环泵自吸装置的简图。驱动离心泵1的电动机4,可同时靠摩擦离合器5驱动水环式真空泵6。这种装置无需借助压缩空气气源即可工作,水环泵和离心泵不是同时工作。水环泵为离心泵建立自吸后离心泵再起动,其缺点是在自吸完成以前离心泵处于干转状态,因而泵不允许使用机械轴封和以水润滑的轴承。
2.2 离心泵的真空箱自吸装置
离心泵的真空箱自吸装置的工作原理如图2所示:真空箱自吸装置适用于对多个离心泵的自吸,一个自吸设备可以为多个离心泵服务,在此系统中有离心泵、自动通气阀、真空箱、真空开关和真空发生器。真空发生器的作用是使真空箱中产生足够低的真空度。真空发生器是由真空开关控制的,当真空箱内的真空度小于要求的最小值时,真空开关控制真空发生器起动,抽真空;同理,当真空箱内的真空度大于等于最大值时,真空控制开关使真空发生器停止工作。真空箱还有观察镜和泄水口,当自动通气阀故障,使得离心泵中的水进入真空箱,可以通过观察镜看到,并进行放水。自动通气阀是一个浮动开关,当离心泵需要自吸时自动开启,当进入离心泵的水到达了阀的位置,使自动通气阀的浮子浮起,阀就被关闭,水就不能进入到真空箱中[3]。
2.3 离心泵的空气喷射器自吸装置
图3所示为离心泵的另一种采用空气喷射器的自吸装置。这种自吸装置靠来自压缩空气瓶的0.5~0.7 MPa的压缩空气为离心泵抽气引水,尺寸十分紧凑,而且离心泵可延时起动,从而避免了干转。这种用时间继电器控制离心泵延时起动的方法虽然简单可靠,但如果延时时间调节不准(吸高、密封等因素的改变,会导致所需自吸时间变化),则泵仍有可能在自吸成功前就起动,发生干转。故有的自吸装置在抽气管上设浮子室,只有自吸成功使浮子开关闭合,才会起动离心泵和停止抽气,这样可使泵完全避免干转。但浮子开关的故障率显然比时间继电器高。
3 结语
离心泵常见的自吸装置有:水环泵自吸装置,真空箱自吸装置,空气喷射器自吸装置等。它们有各自的特点和使用范围,使用时要根据实际需要综合地选择。
参考文献
[1]费千.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社,2007.
[2]梶原滋美.泵及其应用[M].山西:煤炭工业出版社,1984.
自吸式离心泵的现状研究 篇4
自吸式离心泵利用气液混合原理并通过泵的特殊结构实现抽吸流体, 并在泵吸入管路内形成一定程度真空状态的特殊离心泵[1]。自吸式离心泵仅首次启动前需要灌泵, 再次启动时可依靠泵自身作用将水吸上来[2]。一旦因空气漏入或其他气体析出而使泵的工作中断, 其可以排除这些气体并恢复正常运行[3]。自吸式离心泵工作可靠, 使用方便, 便于远程集中控制, 广泛运用于化工、农业、电力、食品、消防、市政等部门[4,5,6]。
但自吸式离心泵在长期的发展过程中仍然存在结构笨重、效率低下、自吸性能差等问题[7]。因此, 提高自吸式离心泵的自吸性能和效率, 加强对自吸机理的研究很有必要[8]。自吸式离心泵的自吸时间和自吸高度是评价自吸性能的2个主要参数[9]。
自吸时间过长则不利于在频繁启停和紧急的情况下工作, 自吸高度不足则无法适应水量变化的工作环境。影响自吸性能的因素有叶轮形式、叶轮最大圆周速度、叶轮出口宽度、吸入管尺寸、回流孔面积和位置、叶轮外缘与泵体隔舌的间隙、储液容积以及气液分离室的容积等[10]。
文中以自吸式离心泵的发展历史为背景, 着重介绍了常见自吸式离心泵的种类和特点, 并总结了影响自吸式离心泵自吸性能的主要因素。
1 自吸式离心泵的发展过程
19世纪末, 高速电动机发明, 离心泵有了理想的原动机, 其优越性能得以展现[11]。离心泵的应用日渐广泛, 但启动前灌泵十分麻烦, 是其一大缺点。因此20世纪初期, 国际上开始设法使离心泵实现自吸[12]。德国是世界上最早研究开发自吸式离心泵的国家, 德国西门子公司早在1917年就首次研制出内混式自吸泵。日本自1930年开始研制自吸式离心泵, 在20世纪50年代初形成批量生产[13]。
20世纪60年代, 沈阳水泵研究所研制出国内第一台农用自吸泵[14], 20世纪70年代开始推广应用。但这一阶段的自吸泵基本不堵回流孔, 因此效率偏低[15]。20世纪80年代我国研制了2种系列的自吸式离心泵: 一种是外混式自吸泵, 这种泵自吸性能好, 但效率低; 另一种是内混式自吸泵, 这种泵效率比外混式自吸泵高, 但结构复杂, 性能不稳定且成本高[13]。1984年研制出BP系列自吸喷灌泵[16], 这一系列泵均为内混式, 并在回流孔处安装橡胶钢球阀实现自动开关, 使得泵的性能参数大幅提高。20世纪90年代中期, 研制出弹性橡胶阀, 外混式自吸泵实现自动开关堵回流孔, 性能达到内混式自吸泵水平[17]。加之外混式自吸泵结构简单可靠性高, 逐渐取代内混式自吸泵。
在工业生产的实践中, 自吸式离心泵得到了长足的发展。最初自吸式离心泵多为卧式泵, 因其轴向尺寸偏大, 不适合在狭小空间使用。之后出现体积较小的立式泵, 广泛用于船舶和车辆[18]。现今自吸式离心泵广泛采用直联传动, 并出现了使用新材料、新工艺的新型泵, 应用范围更广, 能够输送的介质种类更多[4,5,6]。同时生产厂家越来越注重泵的造型设计和自动控制, 泵的外形更加美观, 使用更加方便。
2 自吸式离心泵的分类和特点
广义上讲, 自吸式离心泵的种类很多, 按其作用原理可分为自吸离心泵、自吸混流泵和自吸旋涡泵, 从狭义上说一般都指自吸离心泵[7]。文中所提到的自吸泵除特殊说明外均指自吸离心泵。
按自吸泵实现自吸的结构和方式分为气液混合式 ( 包括内混式和外混式) 、水环轮式、射流式 ( 包括液体射流和气体射流) 等[2]。我国自吸泵产品的自吸方式, 大多数是气液混合式, 也有少数水环真空式[12]。
2. 1 气液混合式自吸泵
根据气液混合的部位不同, 气液混合式自吸泵分为内混式和外混式。气液混合物在气液分离室中完成分离后, 液体回流到叶轮进口处, 并和空气在叶轮进口处混合的称为内混式自吸泵; 液体回流到叶轮出口处, 并和空气在叶轮外缘处混合的称为外混式自吸泵[2]。
气液混合式自吸泵的结构和普通离心泵相似, 但泵体为双层, 内层为蜗壳, 外层为气液分离室, 因此这种泵的体积比普通离心泵大。泵内有回流孔和回流通道, 以保证气液分离后液体回流。停泵后, 泵内仍储存一定的液体, 所以再次启动泵时就不必灌泵。
内混式自吸泵结构如图1所示[2], 由双层 ( 带气水分离室) 的泵体, S型进水弯管、回流喷嘴、回流阀等组成。
首次启动前需向泵内灌水, 泵启动后, 泵中的水通过回流水道流向叶轮进口, 在叶轮中进行气水混合。混合液再经蜗壳、扩散管进入气水分离室进行气水分离。气体从出口 ( 或排气阀) 排出, 水落下后再次通过回水通道, 被压向叶轮进口。如此循环, 进水管中的液面逐渐上升, 直到排气完毕, 泵出口连续出水。此时泵体充满水, 泵完成自吸过程。泵开始正常输水后, 回流阀必须关闭, 否则泵的效率和扬程会大大降低[12]。回流阀可以人工关闭, 也可以依靠水的压差自动关闭。
外混式自吸泵如图2所示[2], 其结构和内混式自吸泵相似, 但回流孔位置不同。外混式自吸泵的回流孔开在蜗壳上, 其位置和大小直接影响泵的自吸性能。
外混式自吸泵的工作过程和内混式自吸泵也很相似, 不同的是回流的液体经泵体底部的回流孔在叶轮出口处进行气水混合。外混式自吸泵的回流孔可以不堵, 但会带来一定的水力损失。如果堵回流孔, 外混式自吸泵的性能参数可达到内混式的水平。外混式自吸泵的结构相对简单, 工作更为可靠, 因此市场占有率较高。
2. 2 水环轮式自吸泵
水环轮式自吸泵是在离心泵的基础上附加一个水环真空轮, 并在水泵出口加一个手动阀, 如图3所示[12]。启动前打开手动阀并加入一定量的启动引水。此时水环真空轮进口通过手动阀和泵的蜗壳相连, 然后关闭泵出口阀。泵启动后, 水环轮抽吸泵内的气体, 泵开始自吸。当水环轮出口出水时, 泵完成自吸, 关闭手动阀, 打开泵出口阀, 泵进入正常工作状态[7]。
水环轮式自吸泵的设计主要从其真空功能上考虑, 其有自吸时间短、自吸高度高的优点。它相当于在离心泵上附加了一个抽真空装置, 水环轮所能达到的真空度能满足泵的吸上高度即可。水环轮式自吸泵在正常输水过程中, 由于水环轮和泵内相连的手动阀关闭, 泵的效率和普通离心泵近似, 比气液混合式自吸泵高[7]。
2. 3 射流式自吸泵
离心泵和喷射器组合同样能达到自吸的目的, 依靠喷射器在喷嘴处产生真空[2], 使吸入管道和泵内的空气排出。但水流过喷射器时有能量损失, 因此其效率比普通离心泵低[3]。
3 影响自吸式离心泵性能的因素
水环轮和喷射器都是获得真空环境的常用设备, 它们和离心泵组合相当于给离心泵装了附加的真空泵, 因此自吸时间都比较短。水环式自吸泵限于水环轮所能达到的极限真空度, 自吸高度比射流式自吸泵低。这2种自吸泵的自吸形式和当前广泛使用的气液混合式自吸泵不同。
以下总结影响气液混合式自吸泵自吸性能的主要因素。
3. 1 隔舌间隙
隔舌间隙是指叶轮外圆和隔舌的间隙, 如图4所示[2]。传统自吸离心泵设计认为这一间隙越小, 泵自吸性能越好。但隔舌间隙过小, 容易因液流阻塞而引起噪声和振动; 间隙过大, 因间隙处存在旋转的液流环消耗一定能量, 使泵效率下降[2]。
有些实验结果表明间隙δ = 2. 5mm时自吸性能最好[19]。也有一些学者的实验表明吸程同为5m的情况下, 即使隔舌间隙δ = 14mm时泵仍然能完成自吸, 且自吸时间仅比隔舌间隙δ = 0. 5mm时长了约30s。影响泵的自吸性能的因素不仅仅是隔舌间隙, 还有叶轮后盖板与泵盖的间隙。曾有学者用其他泵托架快捷组装1台50ZB35 - 2. 9C外混式泵, 该间隙大于6mm。无论怎样调整其他结构几何参数, 自吸高度始终不超过3m。经校对图纸并在泵盖上镶一块木板使间隙为2. 5mm, 自吸高度在100s内超过了6m[20]。因此对于隔舌间隙对自吸性能的影响不能一概而论, 需要综合考虑多种因素并通过实验得出结论。
3. 2 回流孔面积和位置
在确定叶轮和蜗壳设计的情况下, 回流孔大则回流的液体多, 自吸时间短, 但最大自吸高度、泵效率和扬程低; 反之自吸 时间长, 最大自吸 高度高[12]。原因在于回流孔面积大, 自吸时经回流孔回流的液体增加, 叶轮排出的液体增加, 并且排出部分液体从泵出口吐出, 从而使储液室中液体减少, 导致排气能力减弱, 最大自吸高度下降。且停泵时会使经回流孔的液体增多, 不足以供下次启动所需的储液要求, 从而使自吸吸不上[21]。若回流孔过小, 则导致回流的液体过少, 排气能力弱。当叶轮排出的液体量等于经过回流孔回流的液体量时, 回流孔面积为最佳值[22]。
外混式自吸泵的回流孔一般为腰形孔, 内混式自吸泵的回流孔一般为圆孔[23]。对于外混式泵而言, 回流孔的位置也会影响自吸性能, 一般布置在泵的下方蜗壳的侧面, 从隔舌起沿大断面向小断面转115° ~ 160°[12]。回流孔在泵完成自吸后最好能自动堵上, 比较好的方法是在内混式自吸泵上采用橡胶钢球阀, 在外混式自吸泵上采用弹性橡胶阀, 如图5所示。
3. 3 叶轮宽度和叶轮圆周速度
叶轮圆周速度提高, 不仅促使自吸泵回流量增加, 同时还有加强气液混合的作用, 使叶轮外缘的气液泡沫带增厚, 使气液混合区到叶轮中心的距离增大。这样, 由于隔舌的刮削作用, 进入气液分离室的气体也就增加, 从而改善了泵的自吸性能。叶轮宽度对自吸性能的影响和叶轮宽度类似[7]。一般来说, 自吸泵多为小型泵, 叶轮相对较小, 适当加大叶轮直径和叶轮宽度不仅有利于提高泵的自吸性能和效率, 还降低了叶轮加工制造的难度。
3. 4 储液室容积
自吸泵储液容积是指泵吸入口最低点以下的泵体容积, 也即泵停机后泵体内能储存液体部分的体积, 也即排除了泵停机后因虹吸作用而被倒排到吸入池中的液体[7]。储液室内的循环水应有一定的高度, 以保障回流孔有一定的淹没深度。储液面要在蜗壳之上, 并能保证停泵后剩余水量足够再次启动所需的水量[12]。因此无论是内混式自吸泵还是外混式自吸泵, 入口均高于蜗壳的最高点, 并通过S形弯管使泵入口和叶轮入口相连。这是保证储液量所普遍采用的方法。通常储液室容积为设计流量 ( 每秒) 的1 /2[12]。为防止停泵后储液因虹吸作用回流, 可以在泵进口处安装逆止阀。
3. 5 气液分离室容积
气液分离室是指泵体吸入口最低点到泵体顶部的泵体空间体积, 即储液室液面以上的泵腔空间。气液分离室容积大则有利于气液混合物分离, 但这样会增加泵的体积; 气液分离室过小则气液分离不完全, 容易导致储液从泵口排出, 泵的排气能力因此下降[24]。泵启动时叶轮突然搅动液体, 储液不可避免地外溢。停泵后吸入管中的液体回流, 产生负压, 导致储液沿吸入管路回流[25]。因此, 气液分离室的容积有微小的变化。气液分离室的容积一般由泵体出口高度保证。
3. 6 其他影响因素
其他因素有吸入口管径, 出口管路结构和安装方式, 轴封气密性, 吸入管路气密性, 浸入液面下的管路深度, 入口管路的容积, 以及泵的加工和安装等[7]。
自吸泵自吸性能是各种因素综合影响的结果, 这些因素既相互关联, 又相互制约。分析这些影响因素的目的, 在于找到它们之间最佳配合, 达到优良的自吸性能。
4 自吸式离心泵的发展趋势
自吸式离心泵以低比转数的小型泵居多, 结构简单, 使用方便, 市场前景十分广阔。自吸泵适用于输送清水、海水以及其他具有腐蚀性的介质。在国内目前的装备条件下, 研制开发由不锈钢和有机材料等新材料加工出来的新型泵, 对扩大自吸泵的适用范围具有重要意义[7]。
目前广泛生产的自吸泵大多以铸铁为材料, 比较笨重, 不便于农业喷灌、市政、消防等需要移动作业的领域。以铝合金等轻金属为材料, 采用压铸等先进铸造工艺[7], 可批量生产轻型自吸泵。
研制半开式和开式叶轮, 可以赋予自吸泵输送污水、杂质以及带颗粒液体的功能[26,27]。目前自吸污水泵已被广泛使用。
除提高泵的自吸能力外, 优化泵的结构及提高泵的可靠性也是当今自吸泵的一个主要发展方向。泵的设计不仅要考虑其水力设计, 也要兼顾可靠性、节能、经济性、价值工程、产品的模块化和个性化相结合等[13]。
传统的离心泵设计方法是建立在一元理论和相似理论基础上的速度系数设计法和相似设计法[28]。这些方法简单实用, 而且人们在长期的实践中积累了丰富的经验, 至今仍是水泵设计最常用的方法。但泵的内部流场比较复杂, 基于经验的传统设计方法尚不完善。可以利用CFD软件分析泵的内部流动规律, 并采用PIV技术对内部流场进行测量, 提高泵的性能预测和计算机仿真技术[20]。
5 结语
自吸泵作为一种简单、耐用、廉价的通用机械设备, 种类繁多, 应用广泛, 在一些应用领域有取代普通离心泵的趋势。但长期以来自吸泵的结构形式没有太大改进, 自吸泵型号陈旧、性能低下的局面亟待改观。
文中对影响自吸泵自吸性能的一些主要因素做出总结和分析, 并对自吸泵未来的发展趋势提出一些意见。但对自吸性能缺乏定量研究, 对一些其他影响因素未能面面俱到。需要结合实验对自吸泵的水力设计和自吸性能进行更为深入的研究。
自吸泵转子动力学特性分析 篇5
转子动力学的研究理论与研究技术的迅速发展以及计算机技术发展,为离心泵叶轮转子系统动力学特性分析的开展提供了可靠的保证。早期的旋转机械结构比较简单。可以把转子看作由圆盘装在无重的弹性转轴上,而转轴的两端由完全刚性即不变形的轴承及轴承座支持。这种模型称为刚性支撑的转子。根据这种模型进行分析计算所得的概念和结论在转子动力学中是最基本的东西[1]。
离心泵是一种旋转式流体机械,以转子为工作主体,转轴与叶轮构成了离心泵的转子,运动时会有各种各样的原因导致转子系统发生振动,它不仅会降低泵的工作效率,产生噪音,严重时还会造成事故,影响泵的安全经济运行,因此对转子系统进行动力学分析具有重要意义。许多学者对泵的振动噪声与模态分析进行了研究,赵万勇等采用Fluent软件对某大型双吸离心泵内部流场进行数值模拟,计算出不同流量下叶轮所受径向力,作为叶轮转子有限元分析的边界条件,进行有限元分析,得到振动特性[2]。高新民等从离心泵产生振动噪声的因素出发,对某型船用离心泵进行了设计制造改进,对改进后泵进行流场模拟与底板模态分析,减少了泵的振动[3]。本文根据磁力自吸泵的实际结构特点,用soildworks三维软件进行建模,运用Ansys有限元软件对自吸磁力泵转子系统进行模态分析与谐响应分析,避免泵在工作时发生共振。对转子系统进行模态分析,极大的确保了自吸泵工作时的安全性。通过对泵的转子系统进行有限元分析得到的振动特性(固有频率和振形),对后续转子系统的优化设计具有一定的参考价值。
1 磁力自吸泵结构分析
磁力自吸泵是一种通过磁力传动器来实现无接触力矩传递从而以静密封取代动密封,使泵达到完全无泄漏的目的。它由自吸泵、磁力传动器、电动机三部分组成。由于泵轴、内磁转子被泵体、隔离套完全封闭,从而彻底解决了“跑、冒、滴、漏”问题,消除了炼油化工行业易燃、易爆、有毒、有害介质通过泵密封泄漏的安全隐患,有力地保证了职工的身心健康和安全生产[4]。
磁力自吸泵的结构如图1,由泵体,叶轮,滑动轴承,主轴,隔离套,内磁钢,外磁钢,电机和底座组成[5]。本文主要对设计的如图1所示的小型磁力自吸泵结构进行转子动力学分析。该泵在工作时转速为2950r/min,主频为49Hz,叶轮有5个叶片。
2 转子系统模态分析
2.1 建模与网格划分
利用Solidworks三维软件建立自吸磁力泵转子系统模形,在保证精度的前提下,为了节约计算时间对叶轮转子进行适当合理的简化,将转子模形导入Ansys中作为模态分析的几何模形。根据设计要求,叶轮材料为06Cr19Ni10,轴的材料为14Cr17Ni2,在Engineering Data中输入材料的密度、弹性模量、泊松比,程序自动划分网格如图2。
对磁力自吸泵转子系统进行网格划分时轴上设置比其他处大的网格精度,这样可以得出更多的节点应力值,使结果更加精确而又节省时间,系统对转子系统自动进行网格划分[6]。将转子系统的实体模形变为有限元模形,为后续加载与求解做准备。
2.2 转子加载和求解
在这个步骤中,我们进入SOLUTION处理器来完成求解类型定义,分析选项设置,施加载荷,载荷选项设置,并最终求解的流程。加载和求解的步骤又细分为:定义分析类型和设置分析选项、施加载荷、设置载荷选项、求解[7]。再通过后处理过程可以得到转子各阶固有频率及振形的仿真结果。
2.3 结果后处理
在加载和求解这一步完成后,需要查看计算结果,此时要用后处理器来完成这项工作,观察和分析有限元的计算结果。可以在后处理器中显示各阶固有频率和振形,得到各阶固有频率如表1所示。
由表1可以看出,最低固有频率为1312.4Hz。根据实际工作情况,电机转速为每分钟2950转,频率为49Hz,由于叶轮有5个叶片,故外部激励频率大约是电机频率的5倍,大约为245 Hz。最低阶固有频率远高于工作环境激振频率,不会发生共振现象。
3 转子系统谐响应分析
3.1 谐响应分析定义
一个持续的周期载荷必将对结构产生持续循环的相应,在动力学中通常称为谐响应分析。即分析一个线性系统的稳态动力学行为[8]。
3.2 转子系统谐响应分析
根据图3、图4所示,分别在叶轮转子系统中的叶轮与内磁钢上进行激励,得到如下两个振动位移响应-频率曲线图。在图3中可以看出,在变形较大的叶轮上一点沿Y轴的旋转方向的1500~2000Hz,4000~4500Hz范围内值较大,所以与模态分析所提的二阶、八阶、九阶固有频率数据一致。在图14中可以看出,在变形较大的内磁钢上一点沿Y轴的旋转方向的3000~3500Hz范围内值较大,与模态分析所提的七阶固有频率数据一致。在出现峰值情况下的转速远高于叶轮转子系统的转速,故不会出现振动稳定性问题。
4 结论
(1)利用Ansys对叶轮转子进行模态分析,得到了叶轮转子前十阶固有频率和相关振形,同时进行谐响应分析,得到振动位移响应-曲线图,进行多模态验证。证明了设计的合理性。
(2)根据仿真数据得知,叶轮转子的各阶固有频率中,最低固有频率为1312.4Hz。根据实际工作情况,电机转速为每分钟2950转,频率为49Hz,由于叶轮有5个叶片,故外部激励频率大约是电机频率的5倍,大约为245 Hz。最低阶固有频率远高于工作环境激振频率,不会发生共振现象。确保了自吸泵工作时的安全性。
(3)实践证明本文运用的计算分析方法是可行的,为今后的自吸泵的优化设计提供了一个有效的设计方法。
参考文献
[1]钟一諤,何衍宗,王正,李方泽.转子动力学[M].北京:清华大学出版社,1987:1-2.
[2]赵万勇,王磊,白双宝.大型离心泵转子动力学分析[J].甘肃科学学报,2013,25(01):80-82.
[3]高新民,陈冰,吕敬高等.船用离心泵减振降噪分析[J].流体机械,2011,39(09):50-53.
[4]刘学刚,邹立莉,苟莲香,所子明.磁力泵研究浅析[J].通用机械制造,2011(10):89-99.
[5]陈伟.国内磁力驱动泵的现状和发展[J].化工部设备设计技术中心站,1994(03):45-46.
[6]赵万勇,王磊,白双宝.大型离心泵转子动力学分析[J].甘肃科学学报,2013,25(01):83-84.
[7]邓凡平.ANSYS12.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2011:41-42.
一种新型恒压自吸喷灌系统设备 篇6
目前的喷灌系统设备产品大多选用普通离心自吸泵来抽水, 普通离心自吸泵设备体积大、笨重, 其流量扬程曲线是下降的, 在大流量使用时压力不足而小流量使用时可能超压导致喷雾的喷头容易脱落、耗能高。也有不少是选用旋涡自吸泵产品应用在喷灌系统设备上, 旋涡自吸泵产品体积小, 但其流量扬程曲线是直线型陡降的, 运行使用范围很窄小, 甚至是在点工况下使用, 在小流量时压力太高, 导致喷雾的喷头很容易脱落, 在大流量时压力严重不足导致喷不起雾而无法使用。
国内不少蔬菜大棚用喷灌自吸泵大多选用旋涡式自吸泵或者是普通离心自吸泵, 如果只在一个泵能达到的固定流量扬程工况点附近使用还是可以的, 但在现代农业科技园中的蔬菜大棚、林业花卉中喷水、喷药以及叶面施肥等过程中急需一种轻便实用、变流恒压、能耗低的自吸喷灌系统设备, 也就是说, 需要一种流量可以在很大范围内变化而压力又可以保持不变 (才可以保证喷头喷雾效果不变) 的变流稳压喷灌系统设备, 要达到恒压, 现在常用的办法是选用变频调速器来达到泵恒压, 从而使喷灌系统恒压, 这种办法增加了设备投入, 选用的普通离心自吸泵体积大、笨重。
国外恒压喷灌技术主要是用大型的固定管道式的泵站, 投资成本非常高。
2 新型恒压喷灌系统设备的特点
该新型喷灌系统设备示意图见图1, 它包括在全流量范围内都恒压的恒压自吸泵1、总压力表2、总管阀3、分管阀4, 末端管阀5。
该新型恒压自吸喷灌系统设备中的介质通过流程为:水、肥、农药等液体介质经过配置0.4~0.5MPa设计压力的恒压自吸泵1被抽上来后, 经过总压力表2与总管阀3后被分流到分管阀4, 再流到每个需要喷灌大棚的喷头, 大棚喷头总流量为恒压自吸泵的额定流量或整数倍为最佳。
因此, 该新型恒压自吸喷灌系统设备不需要价格高昂的变频调速器来恒压, 直接采用价格与普通离心自吸泵相近的恒压自吸泵来达到喷灌系统小流量不超压大流量不降压、系统喷灌流量范围宽广、投资成本低等效果。该新型恒压喷灌系统设备主要关键是采用了在全流量范围内都恒压的恒压自吸泵实用新型专利产品 (ZL201120043452.X) [1], 该产品是近年来研制成功的专门应用于喷灌系统设备上的创新科技产品, 该泵产品在结构上的独特设计使得泵不但具有自吸性能, 还具有变流稳压特性 (就是其流量扬程曲线是平直的, 当流量变化时压力不变) , 而且该泵效率也比较高, 因此也就不需要变频调速器了。该喷灌系统设备是一种轻便、恒压、低成本的恒压喷灌系统设备。
3 新型恒压喷灌系统设备的性能
3.1 主要性能
新型高效喷灌系统设备共配置恒压自吸泵共5个型号, 其性能范围如下:
流量:1~30m3/h;扬程:40~55m;
转速:2 900r/min;电机功率:1.1~1 1 k W。
恒压自吸泵型号与性能参数见表1。
该系列恒压自吸泵性能参数基本适合现代现代农业科技园中的蔬菜大棚中喷水、喷药以及叶面施肥等过程中的使用。
3.2 性能对比
以配置HYZX12.5-50型恒压自吸泵的新型喷灌系统设备同目前市场上销售使用的旋涡自吸泵与离心自吸泵的喷灌系统设备性能对比见表2, 恒压自吸泵、离心自吸泵、旋涡自吸泵流量扬程曲线对比见图2。
从表2与图2的对比中可见:新型恒压高效喷灌自吸泵具有种体积小、大流量不降压小流量不超压 (即恒压特性) 、能耗低等特点。
4 新型恒压喷灌系统设备节能性
普通恒压喷灌系统设备常常选用普通离心自吸泵, 再给其配置变频调速器来达到恒压喷灌的目的[2], 现在以与同电机功率与近似参数的ZB17-55-4型离心自吸泵相比较, 新型喷灌系统设备配置HYZX12.5-50-4新型恒压自吸泵的效率高7%, 其节电效果计算如下:在新型恒压自吸泵效率47%时, 泵轴功率:12.5×50/ (3.6×102×0.47) =3.62 k W, 在普通离心自吸泵效率40%时, 泵轴功率:12.5×50/ (3.6×102×0.40) =4.26 k W, 轴功率相差0.64 k W/h, 若按照每年累计50天连续运行使用来计算的话, 单台套设备也可以节约电:0.64×24×50=768 k W/h/年, 具有明显的节能特性, 因该新型恒压自吸泵用量大, 累计社会效益是很明显的。
5 新型恒压喷灌系统设备节资性
该新型恒压喷灌系统设备较变频调速恒压喷灌系统节约资金达30%, 预计单套系统节约资金约1万元, 从2012年5月以来, 达州市已经应用57套本新型恒压喷灌系统设备, 在喷灌投资上节约资金达57万元。
6 新型恒压喷灌系统设备应用推广
该新型恒压自吸喷灌系统设备从2012年5月开始在达州市通川区现代农业科技园、达州市大竹县欣绿果蔬农民合作社等23个单位得到应用至今, 该新型恒压自吸喷灌系统设备运行平稳未出现过故障, 以前是选用旋涡泵一次只能喷一个大棚且泵出口阀门开大就掉压喷不起雾, 无法使用, 本文介绍的新型恒压自吸喷灌系统设备一次可以喷2~3个大棚且泵出口阀门开大也不掉压, 系统设备具有变流稳压特性, 解决了大棚喷灌中的一个技术难题, 恒压自吸泵效率较近似参数普通自吸离心泵ZB17-55-4高7%, 节电效果明显, 社会效益良好。
该新型恒压自吸喷灌系统设备解决了现代农业中的大棚恒压喷灌系统设备的恒压技术难题, 也解决大棚喷洒农药时的人身安全问题, 该新型恒压自吸喷灌系统设备主要应用于现代农业科技园中的蔬菜大棚、林业花卉中喷水、喷药以及叶面施肥等, 它轻便实用、恒压、能耗低、价格低, 是喷灌类节水灌溉系统设备中较为理想的创新设备, 具有较大的推广应用价值。
摘要：该文介绍一种新型高效恒压自吸喷灌系统设备, 该设备上主要选用一种新型恒压自吸泵专利产品, 该恒压自吸泵不但可以自吸, 还具有在使用的全流量范围内压力基本不变化, 即具有变流稳压特性, 该恒压自吸喷灌系统设备体积小、轻便、高效节能, 在整个流量范围内使用都保持恒定压力, 该新型高效恒压自吸喷灌系统设备不需要使用变频器, 因此也具有节资特性。
关键词：喷灌设备,恒压,节能,节资
参考文献
[1]张元华, 方长河, 曾宪荣.一种自吸泵[P].中国专利:20112004352.X, 2011-12-07.
[2]陈卯.小型恒压喷灌系统机泵的设计[J].福建农机, 2009 (3) :45—48.
[3]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社, 1995.
[4]沈阳水泵研究所叶片泵设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1983.
自吸过程 篇7
关键词：自吸泵,变频器调速,节电,降低故障率
1 前言
当前, 我国钢铁行业正在经历寒冬。钢铁行业大部分处于亏损状态, 中国铁矿石进口困难, 铁矿石价格上涨, 导致生产成本增加, 利润率下降。钢铁工业增产减收, 销售利润率大大低于全国规模以上工业平均水平。为提高利润, 如何在节能方面降低生产成本, 刻不容缓。
随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展, 变频器已经广泛地用于交流电动机的速度控制。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。若我们正确地应用变频器, 能显著地节省电力, 提高经济效益。
2 水泵采用变频调速的节能分析
2.1 变频调速节电原则
异步电动机变压变频调速时, 通常在50HZ以上采用恒功率调速, 50HZ以下采用恒转矩调速。在恒功率调速时, 电动机已发挥最大使用功率, 此时应用变频器是不节电的。在恒转矩调速时, 电动机的转矩基本恒定, 则频率越低转速越低, 机械输出功率越小, 变频器输入的电功率也相应减少。在恒转矩调速时, 转速越低越节电。变频器的节电原则:必须采用恒转矩调速, 频率越低节电越多。
2.2 水泵典型的压力、流量、功率与转速的特性
当输送流体的密度p不变, 仅转速改变时, 其性能参数的变化遵循比例定律:水泵流量与转速的一次方成正比;压头 (扬程) 与转速的二次方成正比;液体压力与转速的一次方成正比;功率与转速的三次方成正比。
如图1所示以一台水泵为例, 它的出口压头为H0 (出口压头即泵入口和管路出口的静压力差) , 额定转速为n0, 阀门全开时的管阻特性为r0, 额定工况下与之对应的压力为H1, 出口流量为Q1。在现场控制中, 通常采用水泵定速运行, 出口阀门控制流量。当流量从Q1减小至Q2时, 阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1, 系统工作点沿方向由原来的A点移至B点;受其节流作用压力H1变为H2。则电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n, 当流量从Q1减小至Q2时, 那么管网阻力特性为同一曲线r0, 系统工作点将沿方向由原来的A点移至C点, 水泵的运行也更趋合理。在阀门全开, 只有管网阻力的情况下, 系统满足现场的流量要求, 能耗势必降低。此时, 电机节省的功耗为BQ2OH2和CQ2OH3的面积差。
由变频控制电机的转速调节流量, 电机的转速越低, 消耗的电能越小, 为转速的立方衰减。因此变频调速在泵类上的应用将大大节省电能。同时可根据生产工艺的需求在管道上安装压力传感器检测液体压力, 与变频器形成闭环控制, 实现泵类的恒压运行, 管道的阻抗损耗减小, 使系统的节能效果更电机转速与节电关系表理想;也可在泵类系统上安装液位控制器, 参与变频器的二次回路控制, 实现变频器的自动调速。
3 自吸泵控制方式改造方案
3.1 改造所要实现的目标
福建三钢炼钢厂板坯连铸车间的铁皮沉淀池自吸泵自安装投产以来的控制方式为:用软启动器驱动90KW的电机恒功率输出, 用管道上的电动蝶阀控制废水流量, 从而控制废水池内的水量。经过几年的生产运行, 用此方式控制的水泵系统出现以下弊端: (1) 水泵系统从电网吸收的能量并没有减少, 电动机的输出动力基本没有改变。虽然阀门的输出量达到了工况要求, 但能量有效应用的比例减少了, 白白浪费掉大量的无用功, 造成电力的严重浪费; (2) 由于通过阀门调节使系统压力升高, 对管道和阀体的密封性能造成威胁和破坏, 电动阀的故障率高, 经常是电动阀的阀体漏水而更换电动阀, 平均一年需更换2台电动阀; (3) 水泵叶轮长期处于高速运行状态, 对叶轮和泵体的机械性能影响较大, 通常是由于叶轮磨损和泵体憋死导致二年需更换1台水泵, (4) 水泵电机长期满负荷运行, 电机温度高, 由于电机烧, 平均半年需更换1台电机; (5) 曾出现过多次由于生产进行中水泵电机未开, 废水坑水位过高, 导致一次坑的多数设备被淹; (6) 需根据水位高度, 人为的调节阀门开度, 浪费人力资源。本次对板坯铁皮沉淀池水泵系统的控制方式改造, 就是为了实现节省电能, 降低设备故障率, 减少备件的消耗, 减少维修人员的工作量, 从而达到节能的目标。
3.2 变频调速改造方案
水泵为变转矩负载, 使用恒转矩调速的电机驱动时, 速度变化到低速时所能输出的转矩仍有剩余。因此, 恒转矩调速电机可以满足调速要求。在实际应用设计方案时, 应根据生产工艺的具体要求来决定采用开环控制还是闭环控制。变频器可以是水泵专用变频调速器, 也可选用通用变频调速器。在满足生产工艺需求的前提下, 选择最实用、最经济的方案。
选用艾默生 (EV2000-4T132OP) 水泵专用变频器取代软启动器控制自吸泵90KW电机, 变频器高速运行设置为45HZ, 低速运行设置为30HZ;在废水坑上方安装液位计检测水位, 为变频器的高、低速度运行提供信号;考虑到降低改造成本和减少控制系统的故障点, 本次改造不采用PLC控制, 而是在板坯P6操作室内安装自吸泵控制箱;设计变频器控制的二次回路, 实现电机的自动变频调速
如图2、3所示, 自吸泵控制箱上设置“手动———自动”转换开关。若转换开关处于自动状态下, 当生产过程中废水池内的水位高于液位计设置的高位时, KA3线圈得电, KA3常开触点闭合, KA1线圈得电, 变频器自动启动, 并且高速运行;当水位低于高位时, KA3线圈失电, KA1常开触点自锁, 变频调速电机低速运行;当水位低于液位计设置的低位时, KA2线圈得电, KA2常闭触点断开, KA1线圈失电, 变频器停止工作, 电机不运行。根据电气原理图分析, 电机的转速由变频器自动调节, 电机多数时间运行在低速状态。
在改造后的试运行阶段, 初步使用的浮球液位控制器。由于废水池的进水量大且急, 水面波动大, 液位计的浮球上下摆动, 水池的高、低位难以判断, 给变频器的自动控制造成很大的麻烦, 变频器大多数时间处于高速运行状态。浮球液位计不适合在液面波动较大的地方使用。为解决这一问题改用超声波液位计, 由于受水面波动的影响减小, 液位计工作正常。
经过改造后一年的投入使用, 从液位计→变频器→电机很好地实现了根据水位的变化对水泵电机的自动变频调速控制。由于水泵电机长期处于低速运行, 电动机运行电流有较大幅度下降, 节电效果明显, 系统效率有较大提高。电机运行温度下降, 叶轮和泵体的磨损降低, 水压对管道阻抗和阀体密封性的影响降低, 使得各设备的使用寿命大大提高, 降低了设备的损耗。板坯一次铁皮沉淀池自吸泵的变频调速改造成功, 很好地实现了节能目的。
4 变频调速改造时应注意的问题
可选用水泵专用的变频器, 此类变频器比通用变频器功率器件容量小, 价格较低, 选此类变频器可减少投资。此类变频器已按风泵的特性设定好V/f曲线, 节电效果显著。
用变频器控制泵类时, 要设定好加减速度时间, 一般应根据电机功率适当放长升速与减速时间, 避免起动与关机太快造成冲击流太大。
在变频器输出频率低时, 输出电压也低, 电压降比例也大。因此, 造所用的电缆的截面积比没有用变频器作驱动电动机的电缆截积要大一级。
5 结束语
目前全国的钢铁行业正面临着严峻的挑战, 有效地减少生产能, 降低吨钢生产成本, 提高利润, 是全国钢铁企业首当其冲必须考的问题。本次对板坯一次铁皮沉淀池自吸泵的改造, 不仅节省了产用电, 还大大降低了水泵系统设备的故障率, 减少了设备采购用, 节能改造效果明显。
参考文献
[1]艾默生变频器用户手册[Z].