汪永海
(辰闊機(jī)電科技(上海)有限公司,上海201199)
離心泵主要由葉輪、泵體、泵軸、軸承、密封環(huán)、填料函等部件組成[1]。一般離心泵啟動(dòng)前,泵體內(nèi)要灌滿液體,當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵軸和葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),液體一方面隨葉輪作圓周運(yùn)動(dòng),一方面在離心力的作用下自葉輪中心向外周拋出,液體從葉輪獲得了壓力能和速度能,從而實(shí)現(xiàn)液體的輸送。離心泵具有性能范圍廣泛、流量均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)簡(jiǎn)單和維修方便的優(yōu)點(diǎn),因此離心泵在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。
在很多設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中,也經(jīng)常使用離心泵作為傳輸冷卻液體的供液泵,而對(duì)于一些特殊的冷卻系統(tǒng),在突然斷電導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力的情況下,需要離心泵可以延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間,并繼續(xù)保持有一定的冷卻液體輸出,從而讓被冷卻設(shè)備可以得到延時(shí)冷卻。常規(guī)的離心泵由于葉輪慣性相對(duì)較小,一旦原動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力,離心泵會(huì)在液體的阻力作用下迅速停止,因而要實(shí)現(xiàn)延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)功能,必須增加儲(chǔ)能裝置,在原動(dòng)機(jī)斷電時(shí),儲(chǔ)能裝置為離心泵提供動(dòng)力,以實(shí)現(xiàn)延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)功能。慣性飛輪作為一種機(jī)械儲(chǔ)能裝置,可以安裝在離心泵機(jī)組中,作為能量?jī)?chǔ)存裝置,增加離心泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,滿足斷電延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。
對(duì)于同一臺(tái)離心泵,當(dāng)葉輪直徑不變時(shí),改變轉(zhuǎn)速,其性能參數(shù)符合以下的比例定律:
式中:Q1、H1為轉(zhuǎn)速 N1時(shí)的流量和揚(yáng)程;Q2、H2為轉(zhuǎn)速 N2時(shí)的流量和揚(yáng)程。
在離心泵作為冷卻系統(tǒng)的供液泵的情況下,當(dāng)電機(jī)突然斷電時(shí),往往需要離心泵繼續(xù)有流量輸出,并且要保持一定的時(shí)間t,即從電機(jī)斷電到t時(shí)刻,離心泵仍有流量Qt或揚(yáng)程Ht,因此對(duì)應(yīng)的離心泵主軸轉(zhuǎn)速必須要達(dá)到Nq或 Nh。
根據(jù)離心泵比例定律,可以進(jìn)一步推導(dǎo)出新的關(guān)系式,即電機(jī)斷電后,仍需保持流量Qt或揚(yáng)程Ht時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速Nq或Nh需要滿足如下關(guān)系:
離心泵機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行工況下,轉(zhuǎn)速在主軸上的主動(dòng)力矩與阻力矩的共同作用下固定不變,主動(dòng)力矩即電機(jī)主軸的輸出力矩,阻力矩包括流體的阻力矩與機(jī)組的機(jī)械摩擦阻力矩。當(dāng)電機(jī)斷電后,機(jī)組轉(zhuǎn)子在阻力矩的作用下做減速轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速的變化取決于阻力矩的大小以及機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。
根據(jù)理論力學(xué)的知識(shí)可得出離心泵機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)的微分平衡方程:
式(3)即為離心泵機(jī)組的慣性方程式。式中:M主為離心泵機(jī)組主軸上的主動(dòng)力矩;M反為離心泵機(jī)組主軸上的阻力矩;w為離心泵機(jī)組的回轉(zhuǎn)角速度,1/s為離心泵機(jī)組的回轉(zhuǎn)角加速度,1/s2;J為離心泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,被稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)電機(jī)斷電后,主動(dòng)力矩消失,即M主=0,從而可得-,將代入,可得方程:
為了便于簡(jiǎn)化運(yùn)算,引入離心泵機(jī)組加速時(shí)間Ts的概念,可表示為
式中,w0、N0、M0分別為離心泵機(jī)組的額定角速度、額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩。將上式改寫成:
若離心泵的靜揚(yáng)程為0,即離心泵的揚(yáng)程全部用來(lái)克服管路中的阻力,則但實(shí)際工程中離心泵的靜揚(yáng)程往往不為0,故用下式進(jìn)行修正,其中a′為常數(shù),與離心泵機(jī)組的特性及離心泵機(jī)組和管道聯(lián)合工作條件有關(guān)。
根據(jù)列·夫·莫斯寧分析的結(jié)論,在沒(méi)有水錘產(chǎn)生的工況下,可以認(rèn)為系數(shù)a′約為1,則可得電機(jī)斷電后,離心泵機(jī)組主軸轉(zhuǎn)速在持續(xù)變化中,斷電前的轉(zhuǎn)速通常為額定轉(zhuǎn)速N0,斷電后t時(shí)刻轉(zhuǎn)速為Nt,將上式沿?cái)嚯姾髏時(shí)刻積分:
對(duì)于未加飛輪的離心泵而言,斷電后離心泵會(huì)迅速降低轉(zhuǎn)速直至停止轉(zhuǎn)動(dòng),因此無(wú)法滿足延時(shí)停止的工況需求,為了保證斷電后,離心泵可以延時(shí)停車,并且持續(xù)保持一段時(shí)間揚(yáng)程和流量,可以在離心泵機(jī)組中增加飛輪以儲(chǔ)存能量,當(dāng)電機(jī)因斷電而沒(méi)有輸出轉(zhuǎn)矩時(shí),飛輪儲(chǔ)備的能量可以驅(qū)動(dòng)離心泵機(jī)組繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)延時(shí)停車并保持離心泵繼續(xù)輸出液體的功能。對(duì)應(yīng)增加飛輪的離心泵機(jī)組,上式中的J=JF+JP,其中JF為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,JP為飛輪之外的其他機(jī)組部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
對(duì)于新增加的飛輪機(jī)組系統(tǒng),同樣需要增加電機(jī)功率,以滿足飛輪儲(chǔ)能的需求,增加飛輪所需的功率為:PF=,則增加飛輪后的電機(jī)總功率需求為 P=PP+PF,PP為未增加飛輪之前的離心泵機(jī)組的電機(jī)功率;增加飛輪后的電機(jī)功率可以選取大于總功率P的標(biāo)準(zhǔn)功率電機(jī)P0,相應(yīng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為M0=9550P0/N0。
將相關(guān)參數(shù)代入,即可得下式:
式中:P、t、N0、Nt、JP均為已知量,因而可求得所需飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF;對(duì)于需要保持流量Qt的工況Nt取值為Nq=N0×Qt/Q0,需要保持流量 Ht的工況 Nt取值為 Nh=N0×
根據(jù)上面求得的飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)飛輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。
計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí),可以假設(shè)飛輪質(zhì)量分布在平均直徑圓周D上,平均直徑D=(D1+D2)/2,設(shè)飛輪輪緣寬度為b,厚度為 H,材料密度為 ρ,則可得 M=πDHbρ=4J/D2。
如果選定了H/b及飛輪的材料,則飛輪的H和b即可求出。
一般取H/b=1.5~1,對(duì)于較小的飛輪,H/b取較大值;對(duì)于較大的飛輪,H/b取較小值。
對(duì)于圓盤式飛輪,D為飛輪的直徑,b為飛輪的寬度,則 J=MD2/8,M=πD2bρ/4=8J/D2。
在選定了材料和飛輪直徑后,即可計(jì)算出飛輪的寬度b。
圖1 機(jī)組布置圖
對(duì)于離心泵應(yīng)用在冷卻系統(tǒng)中需要斷電延時(shí)輸出流量的工況,可以通過(guò)慣性飛輪作為儲(chǔ)能裝置,增加整個(gè)離心泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,當(dāng)原動(dòng)機(jī)停止工作時(shí),飛輪可以作為儲(chǔ)能裝置,繼續(xù)向離心泵機(jī)組提供能量,實(shí)現(xiàn)延時(shí)停機(jī)保持流量輸出的功能。飛輪的大小可以根據(jù)離心泵固有性能參數(shù)、需求的延時(shí)時(shí)間t以及需要保持的流量Qt或揚(yáng)程Ht來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。
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