1旋渦泵的性能和應用

　　旋渦泵雖屬于葉片泵的范疇，但其工作過程，結構以及特性曲線的形狀等均與離心泵和其他類型泵相差較大。旋渦泵在工作過程中，由于葉輪轉動，造成葉輪內和流道內的液體都有圓周方向的運動，因而就產生了離心力，葉輪內液體的圓周速度大于流道內液體的圓周速度，即葉輪內液體的離心力大，故形成軸向和徑向旋渦，旋渦泵由此得名。

　　旋渦泵與尺寸，轉速相同的離心泵相比，其揚程要高3～9倍。單葉輪可以取得4～17kg/cm2壓力，兩級葉輪高壓力可達到30kg/cm2。大部分旋渦泵均具有自吸能力，能夠實現氣液混輸，這對于抽送含有氣體的易揮發的液體和氣化壓力很高的高溫液體具有重要的意義。旋渦泵具有陡降的特性曲線，其揚程的變化對流量的影響比離心泵小，因此，對系統中的壓力波動不敏感。但是旋渦泵的效率較低，其抗汽蝕性能較離心泵差。旋渦泵只能用來輸送純凈介質，當液體中含有雜質時，就會因摩擦引起軸向和徑向間隙增大，導致容積效率和流量的降低，從而降低泵的性能。旋渦泵與柱塞泵相比，在運行中不產生壓力脈動，在小流量范圍內也無需像離心泵那樣打回流。

　　由于旋渦泵有很多其他類型泵所不具有的優點，所以在國民經濟的許多部門也得到越來越廣泛的應用。例如在化學工業中輸送酸，堿及其他腐蝕性液體，要求具有小流量，高揚程，較慢的化學反應速度和較高的耐腐蝕性；在機場，汽車配油站中，加油車，油罐車和固定分配裝置用來抽送易揮發性的液體（汽油，煤油和酒精）；用于小功率的可移動式洗滌設備上和農業供水設備中。旋渦泵也可作為消防泵，鍋爐給水泵，船舶供水泵和一般增壓泵使用。

　　2國內外對旋渦泵的研究狀況

　　2.1旋渦泵的工作原理

　　第1個進行旋渦泵研究工作的是德國科學家里臺爾（1930年），研究做出了下述工作過程的假說：流道中的液體在轉動，在每一液體質點上均作用有離心力，而在葉輪內液體上所作用的離心力要比流道中液體上所作用的離心力大，因為流道中液體的圓周速度比葉輪中慢，由于離心力不同，引起了液體的圓環形運動（稱為縱向旋渦）。液體依靠縱向旋渦在流道內流經葉輪好幾次，每經過1次葉輪，揚程就增加1次。因此，旋渦泵的揚程高于離心泵的揚程。

　　里臺爾的假說是對旋渦泵工作原理進行研究的基礎。在此基礎上，后人把旋渦理論發展成為縱向旋渦加徑向旋渦理論。

　　另外，有日本學者認為，旋渦泵的工作過程是依靠葉輪的粗糙表面，對流道內的流體作相對運動引起的摩擦剪切應力實現的。葉輪外緣"粗糙度"越大，作用于液體的摩擦力越大，泵揚程越高。徑向小葉片與流道內的液體相對運動產生紊流摩擦力，從而把原動機的能量傳遞給流道內的液體。葉輪上的葉片在流道內多次重復產生較大紊流摩擦力，因此旋渦泵具有較高的揚程<3>，故旋渦泵也稱為摩擦泵。

　　2.3旋渦泵的設計理論

　　由于旋渦泵內部流動的復雜性和理論的不完善，目前還沒有的理論設計方法，通常采用相似換算法，經驗統計計算法和經驗系數計算法。

　　20世紀60年代有學者提出旋渦泵H～Q揚程流量特性曲線比較接近于線性關系，研究發現旋渦泵的佳流量與流道面積成正比關系。1977年學者Dyaminov等提出了屏蔽式旋渦泵的設計方法。1988年有國外學者提出單輪雙級旋渦泵，這對于提高旋渦泵的汽蝕性能以及綜合性能有理論意義。

　　單輪雙級旋渦泵結構由于旋渦泵的揚程隨流量增加而下降較快，且揚程系數比離心泵要高很多，因此旋渦泵的工作范圍很小。針對旋渦泵的工作范圍較小等問題，有學者提出并研制了高速旋渦泵，解決了以上問題。高速旋渦泵揚程可以達到200m以上，這樣也增加了旋渦泵的應用范圍。與容易產生正斜率上升段的離心泵特性曲線相疊加，所得到的高速旋渦泵的特性曲線不會存在正斜率上升段，這樣高速旋渦泵就根本不存在小流量不穩定性等問題。

　　對旋渦泵和高速旋渦泵的設計進行了大量研究，建立了以效率和工作范圍為主線的小流量旋渦泵的理論設計方法，通過實驗分析，表明較大的流道面積可以拓寬泵的工作范圍，較大的徑向間隙和軸向單邊間隙會降低泵的揚程和效率，并且研制了軸向入口旋渦泵。浙江理工大學的謝鵬<9>采用加大流量法對小流量高揚程離心旋渦泵進行了水力設計，提高了樣泵的抗汽蝕性能。合肥通用機械研究院的陳世亮<10>設計了屏蔽式旋渦泵并進行了試驗研究，屏蔽式旋渦泵沒有泄漏，運行平穩，增加了旋渦泵的應用范圍。

　　2.4旋渦泵的內部流動

　　20世紀40年代以后，在里臺爾假說的基礎上，一些學者開始進一步探索旋渦泵內部流動的理論，得到了多個描述旋渦泵內部流動的理論模型。1954年，學者Senoo<11>從旋渦泵內部的湍流摩擦力方面進行了研究，提出了湍流混合模型。在這個理論模型中，Senoo把旋渦泵葉輪中的流動看作是庫艾特-泊肅葉流動。1955年，學者Iverson<12>對徑向葉片葉輪的旋渦泵內部流動進行研究，提出了一個湍流模型。他根據葉輪作用在液體上的剪應力來分析旋渦泵的性能，并通過實驗分析來確定模型中的剪切系數。但是以上兩位學者的理論模型并不能直接解釋旋渦泵中的旋渦流動。學者Wilson<13>和他的研究小組在前人研究的基礎上，提出了動量交換理論，從而能夠很好地解釋旋渦泵中的旋渦流動。學者Dewitt<14>和Mason<15>應用這個理論分析了旋渦泵的性能。

　　韓國學者J.W.Song<16>認為現在大多數理論只能應用于旋渦泵內流動充分發展的區域，然而在流動充分發展區域前有一個流動的發展區域，這個區域對旋渦泵的性能有很大的影響。他建立了一個應用于流動發展區域內的理論，并通過實驗來分析了這個區域對泵性能的影響，得出增加泵進口處流道的面積可以提高泵的揚程和效率，并且可以提高泵的汽蝕性能。

　　在國內，由于我國的旋渦泵研究起步較晚，對內部流動理論方面的研究至今還很少。

　　隨著計算流體力學的發展，計算流體動力學CFD（Compu2 tationalFluidDynamics）自20世紀60年代中期已形成一門獨立的科學分支，成為研究流體運動規律，解決很多工程實際問題的三大手段（理論，實驗，計算）之一。

　　國內外已有學者采用CFD軟件對旋渦泵內部流場進行了數值模擬，并取得了一定成果。Song采用Fluent軟件對不同流道截面面積的旋渦泵內部流場進行了數值模擬，并通過實驗研究得出，當流道截面面積增大時，葉輪和流道中的液體所受到離心力的差值也變大，從而使傳遞能量的縱向旋渦快速增強，使揚程增大。江蘇大學的董穎等人通過對不同流道截面形狀的旋渦泵內部流場的數值模擬，分析了旋渦泵的內部流動狀況，驗證了流道截面形狀對旋渦泵內部流動的影響，證實了縱向旋渦和徑向旋渦的存在。

　　2.5旋渦泵的實驗研究

　　由于旋渦泵流道和葉輪的多樣性，系統地針對全部類型旋渦泵進行實驗研究是個工作量巨大的工程，所以國內外學者對旋渦泵的實驗研究都是針對某一方面展開的，主要是通過對影響旋渦泵性能的過流部件進行研究，以得到較為理想的設計參數和設計方法。

　　英國學者Crewdson<19>對旋渦泵葉片的造型作了系統實驗，研究發現當葉片受壓面（正面）的出口角約為135°，同時把吸力面（背面）的葉片邊倒圓，使其形成尖的葉片##時，泵的效率可達到50，比普通葉片造型的旋渦泵高出了許多。韓國提出了一個新的理論模型，并根據此模型設計了一種帶扭曲葉片的葉輪，明顯提高了旋渦泵的揚程和效率。

　　在國內，江蘇大學的沙毅<21>等通過分析旋渦泵葉輪葉片數，泵體流道面積對泵性能影響的對比實驗，闡述了泵幾何參數對泵性能影響的變化規律，并利用數值分析方法擬合出葉輪直徑D，葉片數Z和流道面積A的經驗系數水力計算公式。鄭州大學的張明成<22>等通過對旋渦泵中葉輪與泵體間動壓場的研究，并根據側隙泄漏量和功率損耗量得到了葉輪與泵體之間的佳間隙取值范圍。

　　3研究方向及發展趨勢

　　（1）在設計計算方面，針對旋渦泵特殊工作原理以及多種結構型式，對影響旋渦泵性能的過流部件進行優化設計，提高泵的效率，完善泵的理論設計方法。

　　（2）在理論分析方面，進一步深入研究CFD技術，建立符合旋渦泵內部流動規律的數學模型，運用CFD軟件進行模擬計算旋渦泵的工作過程。

　　（3）在實驗研究方面，采用PIV，LDV，PU，PDV等先進測試技術對旋流泵內部流動進行測試和分析，揭示其內部流動的規律，為理論研究提供可靠的實驗依據。

　　（4）系統研究各過流部件對泵性能的影響及泵內各種損失，提高旋渦泵的效率，為設計理論提供依據。

　　（5）開發新型旋渦泵結構和葉輪型式，例如單輪雙級旋渦泵，半開型葉輪，將旋渦泵與離心葉輪組合成多級泵（離心旋渦泵）等，都可以提高旋渦泵的汽蝕性能，拓寬其工作范圍和應用范圍。□