王護(hù)橋

(新界泵業(yè)集團(tuán)股份有限公司,浙江溫嶺 317525)

自吸泵的發(fā)展史及發(fā)展趨勢(shì)探討

王護(hù)橋

(新界泵業(yè)集團(tuán)股份有限公司,浙江溫嶺 317525)

自吸泵是一種特殊的離心泵，廣泛的應(yīng)用于噴灌和消防等場(chǎng)合。理論上說，自吸泵應(yīng)該是離心泵的一種進(jìn)步和發(fā)展，也就是說，自吸泵是對(duì)傳統(tǒng)離心泵的原理加以改善和拓展，讓離心泵的應(yīng)用更加廣泛。本文主要從自吸泵的結(jié)構(gòu)和功能的演變出發(fā)，具體介紹自吸泵的發(fā)展過程和性能演變。在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了嚴(yán)密的論證和推理，對(duì)自吸泵的發(fā)展趨勢(shì)做以研究和探討，并指出了自吸泵進(jìn)一步發(fā)展的具體方向，為自吸泵的發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)。

自吸泵 發(fā)展史 前景

自吸泵的工作原理是：水泵啟動(dòng)前先在泵殼內(nèi)灌滿水(或泵殼內(nèi)自身存有水)。啟動(dòng)后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時(shí)入口形成真空，使進(jìn)水逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進(jìn)入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達(dá)外緣。自吸泵的優(yōu)點(diǎn)就是使用起來十分方便，而且，工作可靠性也得到了提升。尤其在流動(dòng)灌溉和消防系統(tǒng)上運(yùn)用最為廣泛，也最為適合。不過隨著我國(guó)水資源使用量的不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致我國(guó)地下水位的下降，也就對(duì)自吸泵的自吸性能提出了更高的要求。所以自吸泵在經(jīng)過了巨大的發(fā)展和改善之后又迎來了新的發(fā)展瓶頸，所以筆者在對(duì)自吸泵的演變深入研究之后提出了新的發(fā)展方向。

1 自吸泵的應(yīng)用介紹

我國(guó)是一個(gè)水資源的大國(guó)，然而人均占有量卻遠(yuǎn)低于世界的平均水平，這也就為我國(guó)對(duì)水資源的節(jié)約提出了很高的要求。再加上我國(guó)又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，所以農(nóng)業(yè)灌溉方面的技術(shù)也直接影響著我國(guó)的水資源保護(hù)問題。由于我國(guó)目前很多地方采用漫灌的手法，不僅對(duì)水資源是一種極大的浪費(fèi)，而且灌溉的使用效率也并不算高，所以農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)的輸水和用水成為了我國(guó)水利研究的主要課題。

自吸泵的研究是我國(guó)氣液綜合能力的主要成果。尤其是80年代中期，回流孔的開發(fā)與使用，讓自吸泵才真正得到了發(fā)展和創(chuàng)新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以，自從自吸泵幾十年的發(fā)展史以來，人們?cè)谑褂眠^程中越來越關(guān)注和接受自吸泵的發(fā)展應(yīng)用。不過，目前我國(guó)仍以自吸泵為實(shí)例進(jìn)行氣液相流的研究，并在這一領(lǐng)域處于較為領(lǐng)先的地位。然而，總的來說，自吸泵的研究仍然以探索為主。自吸泵在工作時(shí)需要在自吸泵內(nèi)部預(yù)先存入一定量的水，在管路內(nèi)制造出接近真空的環(huán)境，然后通過外界大氣壓與自吸泵內(nèi)部構(gòu)造的綜合作用將水輸送到預(yù)定位置。這是自吸泵的基本工作原理和基本應(yīng)用方式。

2 自吸泵的結(jié)構(gòu)以及性能的演變

自吸泵的出現(xiàn)，最早要追溯到20世紀(jì)的30年代。當(dāng)時(shí)一些國(guó)家對(duì)自吸泵進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，并提出了設(shè)計(jì)方案。但是直到20世紀(jì)50年代的時(shí)候才真正進(jìn)行生產(chǎn)和銷售。而我國(guó)對(duì)自吸泵的應(yīng)用較晚，在20世紀(jì)70年代時(shí)才開始推廣使用。但是最早的自吸泵無論是性能還是工作效率都不盡人意。直到80年代中期，自吸泵才真正得到了發(fā)展和創(chuàng)新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。

到了20世紀(jì)90年代，外混式自吸泵的研究成果使自吸泵提升了一個(gè)層次。尤其在最近一二十年之內(nèi)，自吸泵的發(fā)展極為迅速，自吸泵的發(fā)展也逐漸邁向高速、高揚(yáng)程的小型泵的發(fā)展領(lǐng)域。其中，自動(dòng)化技術(shù)在自吸泵的應(yīng)用也逐漸增多，使自吸泵逐漸向更高的科技上發(fā)展。與此同時(shí)，自吸泵在實(shí)際使用過程中操作十分簡(jiǎn)單，同時(shí)，其揚(yáng)程與流量的實(shí)際值大約能達(dá)到標(biāo)牌值的80%~90%，總體效率是很高的。再加上其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行時(shí)的具體優(yōu)勢(shì)，可以說自吸泵的發(fā)展在一定程度上改善了具體的勞動(dòng)條件。

影響自吸泵自吸性能的因素很多。理論上來說，葉輪的圓周速度以及回流孔的面積都會(huì)對(duì)自吸性能產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)自吸泵的構(gòu)造結(jié)構(gòu)來看，葉輪邊和泵體隔舌之間存在著一定的間隙，這一間隙的大小直接決定了自吸能力的大小。同時(shí)，儲(chǔ)液容積和氣液分離室的容積更是對(duì)自吸泵的自吸功能和效率起到?jīng)Q定作用。根據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)液容積以及氣液分離室容積、回流孔、以及自吸泵氣密性都對(duì)自吸泵的性能具有較大影響。

根據(jù)上文所說，對(duì)自吸泵的影響分為不同的因素，下面筆者就從數(shù)學(xué)模型的建立上出發(fā)，對(duì)每一種因素進(jìn)行深入探討和改進(jìn)。

(1)儲(chǔ)液容積和氣液分離室容積的計(jì)算和模型建立。首先，設(shè)泵體內(nèi)儲(chǔ)液容積為V，泵體設(shè)計(jì)的流量為Q，那么根據(jù)數(shù)學(xué)的極限原理可以得出以下結(jié)論：

V/Q＜0．35 泵不能完成自吸工作

V/Q=0．35~1．27 泵可以完成自吸工作，但是自吸時(shí)間隨儲(chǔ)水量的增加而縮短

V/Q＞1．27 泵能完成自吸工作，而且泵體自吸時(shí)間隨儲(chǔ)水量的增加而增加

由此可見，泵體的自吸工作完成容易，最主要的是尋找儲(chǔ)液容積與流量之比的最佳值。在保證性能的情況下，盡量減少資源的浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)，V/Q的值一般要大于0．5，而且，當(dāng)轉(zhuǎn)速少于50轉(zhuǎn)/s時(shí)，一般V/Q的值為1．25左右。而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過50轉(zhuǎn)/s而小于150轉(zhuǎn)/s時(shí)，取V/Q的值為0．7左右。所以，可以看出V/Q參數(shù)的圖像應(yīng)該顯示“U”字型圖像。其中，V的單位為m3，Q的單位為m3/s。根據(jù)上述條件，利用歸納統(tǒng)計(jì)原理可以得出最終的表達(dá)式：

式中，q1表示儲(chǔ)液室的容積、q2表示分離室容積、ns為轉(zhuǎn)速、ε為系數(shù)。

(2)回流孔的數(shù)學(xué)模型建立。由于在最早時(shí)期的自吸泵應(yīng)用過程中，基本上不堵回流孔，直到80年代中期，自吸泵才真正得到了發(fā)展和創(chuàng)新，對(duì)回流孔有了更加深入的認(rèn)識(shí)。而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。所以回流孔的位置大小以及作用都是自吸泵的重要進(jìn)步。所以對(duì)自吸泵回流孔的數(shù)學(xué)模型建立對(duì)自吸泵的改善會(huì)起到更加重要的作用。根據(jù)自吸泵的具體分類來看，內(nèi)混式自吸泵回流水能直接進(jìn)入葉輪進(jìn)口，有非常良好的抽吸作用。對(duì)于回流孔的大小來說，不能過大，也不能過小，只能取中間值，而中間值的計(jì)算就需要用到不同自吸泵的預(yù)算公式。

式中，Q為泵的流量，單位為m3/s，n為泵的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。在此公式中，可以看出，系數(shù)的取值與轉(zhuǎn)速的高低相關(guān)，一般轉(zhuǎn)速越高，系數(shù)的取值就越大。而當(dāng)泵口直徑越當(dāng)回流孔回流的液體體積等于葉輪排除液體體積時(shí)自吸性能最佳。所對(duì)應(yīng)的回流孔的面積就是最佳取值。所以，可以得出回流孔最佳取值的最終表達(dá)式如下：

式中，pa為吸入管路中空氣的壓力，G為自吸時(shí)間內(nèi)的排氣量，G0為吸入管路及泵體內(nèi)原始排氣量，K5為系數(shù)，ρ為被輸送的液體的密度(一般液體為水，密度取值1．0kg/m3)。根據(jù)上式可以普遍性確定回流孔的最佳面積取值以及回流孔對(duì)自吸泵的具體影響的量化值。

圖1 浸入深度和流速關(guān)系圖

(3)在上述兩個(gè)因素量化之外，還有一個(gè)比較重要的影響因素，那就是自吸泵的氣密性。自吸泵的氣密性分為兩種種，一是軸封氣密性，二是管路氣密性。如果能將氣密性進(jìn)一步提高對(duì)整個(gè)自吸泵的性能提升是比較大的。上文中已經(jīng)提到，自吸泵的原理是將泵中入口管路部分出現(xiàn)真空，然后利用壓強(qiáng)的不同進(jìn)行具體工作。所以管路和軸封的氣密性對(duì)真空形成的時(shí)間和效果影響極大，如果能在短時(shí)間內(nèi)形成高度的真空，那么對(duì)于自吸泵來說是一種整體的性能提升。除此之外，能加以量化的還有管路的浸入深度。隨著浸入深度的不同，會(huì)導(dǎo)致入口管路液體流入的速度不同。具體表現(xiàn)如圖1所示。

縱坐標(biāo)為：流速，橫坐標(biāo)為浸入深度。

總體看來，浸入深度和流速并不是完全的線性比例關(guān)系，而是隨著浸入深度的增加反而是流速逐漸減緩。這是因?yàn)榻肷疃仍黾拥耐瑫r(shí)，水壓也逐漸變大，而入口管路的直徑是一定的，并沒有隨之增大，又因?yàn)樗聣簭?qiáng)的方向是不固定的，所以流速會(huì)相應(yīng)減少。所以根據(jù)具體量化結(jié)果可以分析計(jì)算出最佳的浸入深度與流速關(guān)系圖。

3 從自吸泵的改進(jìn)技巧談自吸泵的發(fā)展趨勢(shì)

自吸泵的改進(jìn)與發(fā)展是我國(guó)液汽作用領(lǐng)域的主要課題。而具體論述，應(yīng)該從上文所說的幾個(gè)量化特點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)自吸泵的改進(jìn)。下面筆者就從以下三個(gè)方面具體論述自吸泵的改進(jìn)與發(fā)展趨勢(shì)。

(1)以國(guó)內(nèi)技術(shù)為核心對(duì)材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。自吸泵的外殼一直以來是利用金屬構(gòu)造，經(jīng)過逐漸的發(fā)展和改換，目前氟塑料自吸泵的出現(xiàn)成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合非金屬泵技術(shù)的代表，所謂氟塑料自吸泵主要是內(nèi)襯氟塑料，過流部件采用氟塑料制作，這就有效的防止了水蝕的現(xiàn)象對(duì)自吸泵的影響。這一技術(shù)的產(chǎn)生無疑會(huì)在一定程度上增加自吸泵的壽命，并對(duì)自吸泵的工作效率產(chǎn)生一定的促進(jìn)。

(2)設(shè)計(jì)開發(fā)以回流孔和儲(chǔ)液容積與氣液離室容積量化最優(yōu)值的自吸泵。上文中已經(jīng)說到，當(dāng)轉(zhuǎn)速少于50轉(zhuǎn)/s時(shí)，一般V/Q的值為1．25左右。而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過50轉(zhuǎn)/s而小于150轉(zhuǎn)/s時(shí)，取V/Q的值為0．7左右?？梢愿鶕?jù)轉(zhuǎn)速和V/Q值具體建立起合適的儲(chǔ)液容積與氣液分離室容積比的自吸泵。而回流孔的位置大小以及作用都對(duì)自吸泵有著極大的影響。所以，對(duì)于回流孔的大小來說，不能過大，也不能過小，只能取中間值，而中間值的計(jì)算就需要用到不同自吸泵的預(yù)算公式進(jìn)行實(shí)際計(jì)算得來。所以自吸泵的一大改進(jìn)方向就是利用量化的數(shù)值進(jìn)行最優(yōu)結(jié)合。

(3)在普通離心泵的基礎(chǔ)上加大自吸泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用。普通離心泵的使用更加廣泛，而自吸泵的使用是更加全面的，所以根據(jù)普通離心泵的具體使用途徑加快自吸泵的研發(fā)是自吸泵發(fā)展的主要趨勢(shì)和前景。自吸泵的使用很多時(shí)候是在噴灌和消防等場(chǎng)合，對(duì)于這些場(chǎng)合的使用更多的要求高壓水泵和準(zhǔn)確控制的水泵。所以對(duì)管口氣密性以及軸封氣密性的重視會(huì)具體提升自吸泵的使用效率。并在一定程度上減少自吸泵的啟動(dòng)時(shí)間。如果能在短時(shí)間內(nèi)形成高度的真空，那么對(duì)于自吸泵來說是一種整體的性能提升，也是對(duì)噴灌和消防工作的具體支持。

4 自吸泵的發(fā)展研究意義

自吸泵的研究是我國(guó)氣液綜合能力的主要成果。尤其到80年代中期，回流孔的開發(fā)與使用，讓自吸泵才真正得到了發(fā)展和創(chuàng)新，而且自吸泵的性能和效率也得到了大幅度的提高。自吸泵利用其自吸性能對(duì)傳統(tǒng)離心泵加以改善和拓展，讓離心泵的應(yīng)用更加廣泛。所以具體說來，對(duì)自吸泵的發(fā)展還是具有許多重大的意義的。下面筆者將具體從三個(gè)方面介紹自吸泵的發(fā)展研究意義。

(1)水資源的利用方面的意義。上文中已經(jīng)介紹，我國(guó)是一個(gè)水資源的大國(guó)，然而人均占有量卻遠(yuǎn)低于世界的平均水平，這也就為我國(guó)對(duì)水資源的節(jié)約提出了很高的要求。再加上我國(guó)又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，所以農(nóng)業(yè)灌溉方面的技術(shù)也直接影響著我國(guó)的水資源保護(hù)問題。自吸泵的發(fā)展對(duì)水資源利用具有一定的意義。

(2)對(duì)我國(guó)氣液相流研究領(lǐng)域的意義。氣液相流領(lǐng)域是對(duì)液體利用方式開發(fā)的新型領(lǐng)域，這一領(lǐng)域在很多地方得到了重視和利用。而自吸泵在一定程度上來說應(yīng)該是氣液相流研究領(lǐng)域的具體表現(xiàn)。所以，自吸泵的發(fā)展的速度和方向就代表了氣液相流技術(shù)的發(fā)展的速度和方向。而且自吸泵在實(shí)際利用時(shí)出現(xiàn)的具體問題可以為氣液相流研究領(lǐng)域提出新的發(fā)展模式與發(fā)展前景。在解決自吸泵的實(shí)際問題同時(shí)，對(duì)氣液相流技術(shù)加以增強(qiáng)和改進(jìn)。所以自吸泵的發(fā)展與研究對(duì)氣液相流研究領(lǐng)域的意義也是比較重要的。

(3)人們對(duì)自吸泵應(yīng)用的意義。近一二十年之內(nèi)，自吸泵的發(fā)展極為迅速，自吸泵的發(fā)展也逐漸邁向小型泵發(fā)展領(lǐng)域，并向高速、高揚(yáng)程發(fā)展。其中，自動(dòng)化技術(shù)在自吸泵的應(yīng)用也逐漸增多。所以，自從自吸泵幾十年的發(fā)展史以來，人們?cè)谑褂眠^程中越來越關(guān)注和接受自吸泵的發(fā)展應(yīng)用。所以自吸泵的發(fā)展和研究具有著方便人們使用與接受的意義。

5 結(jié)語

吸泵在工作時(shí)需要在自吸泵內(nèi)部預(yù)先存在一定量的水，從而在泵吸入管路內(nèi)制造出接近真空的環(huán)境，然后通過外界大氣壓將水輸送到預(yù)定位置。目前，我國(guó)仍以自吸泵為實(shí)例進(jìn)行氣液相流的研究，并在這一領(lǐng)域處于較為領(lǐng)先的地位?？偟膩碚f，自吸泵的研究仍然以探索為主。所以對(duì)自吸泵的改進(jìn)和探索仍然具有著十分重要的意義。所以筆者就自吸泵的發(fā)展歷程和趨勢(shì)加以研究，利用量化的方式將儲(chǔ)液容積和氣液分離室容積的計(jì)算和模型加以研究。并對(duì)回流孔的數(shù)學(xué)模型予以研究，同時(shí)引出回流孔最佳情況的判定公式。然后利用這些量化數(shù)據(jù)以及科技發(fā)展趨勢(shì)的綜合，總體介紹了自吸泵的發(fā)展歷程和研究意義。

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