何坤健，張惟斌，江啟峰，韓宇明，張慧宇，衡亞光，G·博華

（1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039；3.西華大學(xué)航空航天學(xué)院,四川 成都 610039）

圓盤泵（Disc Pump），又稱為特斯拉泵或碟片泵，是一種具有特殊葉輪結(jié)構(gòu)的泵類流體機械。在工作時，被輸送流體軸向進入泵內(nèi)，然后被引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)的圓盤中，在粘性力的作用下，能量傳遞給圓盤間連續(xù)的液體分子層，產(chǎn)生速度和壓力梯度，旋轉(zhuǎn)圓盤表面會形成邊界層。在這個過程中流體被加速，其動能增加，當(dāng)流動至圓盤外圍時會流入蝸殼，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，最后流出泵體。簡言之，圓盤泵是利用流體的粘性力和邊界層效應(yīng)將能量傳遞給流體，從而完成介質(zhì)的輸送。圓盤泵的工作特性使其可應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)學(xué)、機電等領(lǐng)域[1 ? 6]。

圓盤泵的工作機理和結(jié)構(gòu)特點使其在一些特殊的工作環(huán)境下更具有競爭力，可以解決傳統(tǒng)葉片泵和容積泵不易解決或無法解決的輸送問題，為工程應(yīng)用提供新的方案，但其工作時的總體效率較低，如何設(shè)計出高效穩(wěn)定的圓盤泵是目前的研究重點。本文針對圓盤泵的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，對其輸送性能和內(nèi)部流動進行分析和綜述，并總結(jié)了對于圓盤泵仍需研究解決的問題。

1 圓盤泵總體概述

1.1 發(fā)展歷程

圓盤泵問世至今已有一百多年，最初的圓盤泵模型是由美國人Sargent 在1850 年提出的，其葉輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示，一組平行的光滑圓盤以一定的間距安裝在轉(zhuǎn)軸上，外圍以一塊帶有圓孔的卷制鋼板包裹起來。雖然該結(jié)構(gòu)比較新穎，但是由于效率較低，當(dāng)時沒有得到廣泛的應(yīng)用。1909 年，Tesla 進一步發(fā)展了圓盤泵，使泵的性能有一定的提高，并申請了相關(guān)專利，之后于1913 年獲得了專利授權(quán)，因此圓盤泵也被稱為特斯拉泵[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。同年，基于與泵相同原理的渦輪機專利獲得授權(quán)[8]。在特斯拉泵發(fā)明的初期，由于其效率低于傳統(tǒng)葉片泵，而且葉片泵的設(shè)計理論和工程實際應(yīng)用發(fā)展較快，當(dāng)時被人們認為是概念設(shè)計，因此將研究重點集中在葉片泵上。隨著工業(yè)快速發(fā)展，傳統(tǒng)泵的使用不能很好地解決部分介質(zhì)的泵送問題。到了1950 年左右，人們?yōu)榱藢で蠼鉀Q方法，將研究重點轉(zhuǎn)向了圓盤泵。為了深入了解圓盤泵內(nèi)的流動特性，對圓盤泵進行了相關(guān)研究，促進了特斯拉泵的進一步發(fā)展。1988 年，Gurth 提出了一種新型結(jié)構(gòu)[9?10]，他用帶有若干徑直葉片的圓盤葉輪代替了平行的光滑圓盤，如圖3 所示，改進后的泵揚程和效率有較大程度的提高，使其成為第二代圓盤泵。之后，Gurth 又不斷對圓盤泵進行優(yōu)化，并申請了相關(guān)專利[11]。

圖1 Sargent 設(shè)計的圓盤泵葉輪

圖2 Tesla 設(shè)計的圓盤泵

圖3 Max 改進的圓盤泵葉輪

目前最大的圓盤泵生產(chǎn)商是美國Discflo 公司。該公司成立于1982 年，專注于解決難泵送介質(zhì)的輸送，到目前為止已擁有眾多圓盤泵專利，所生產(chǎn)的圓盤泵已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，圖4 和圖5 為該公司部分圓盤泵系列產(chǎn)品。圖4 為玻璃襯里圓盤泵，該泵在葉輪表面襯有玻璃，使其具有高耐磨性、高耐腐蝕性等優(yōu)點。圖5 為SP 系列衛(wèi)生圓盤泵，該系列圓盤泵應(yīng)用了Discflo 公司特有的技術(shù)，可以在無損傷的情況下輸送玉米、番茄等食品和醫(yī)藥產(chǎn)品，還可以輸送對剪切力敏感的流體介質(zhì)。

圖5 SP 系列衛(wèi)生圓盤泵

相比其他類型的泵，圓盤泵的發(fā)展較慢，且國內(nèi)外關(guān)于圓盤泵的研究較少。此外，由于技術(shù)壁壘和商業(yè)機密的原因，圓盤泵生產(chǎn)商鮮有公開相關(guān)技術(shù)資料，因此所能參考的資料有限，到目前為止也沒有建立起完善的設(shè)計理論與方法?，F(xiàn)階段，對圓盤泵的開發(fā)與研究主要是利用CFD 技術(shù)進行數(shù)值模擬、樣機試驗和參考其他類型泵的文獻資料在Max 的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和改進。在國內(nèi)，中國石油大學(xué)率先開展了圓盤泵的相關(guān)研究，主要集中在固液兩相流動、泵內(nèi)流場分析等方面，并成功將圓盤泵應(yīng)用于無隔水管海底泥漿舉升鉆井技術(shù)中，取得了豐富的研究成果[12?16]。在國外，針對圓盤泵的研究相比國內(nèi)起步較早，主要分析圓盤泵內(nèi)部流場和流體流動機理[17?19]。這些早期的研究成果對圓盤泵的發(fā)展起到了重要的作用，填補了相關(guān)研究方向的空白，對圓盤泵的設(shè)計和優(yōu)化改進提供了一定的參考和理論依據(jù)，為開展進一步的研究以提升其輸送能力和工作性能打下了堅實的基礎(chǔ)。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

圓盤泵的葉輪結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)葉片泵相比具有差異性，使其具有獨特的優(yōu)點。目前，圓盤泵葉輪表面設(shè)有若干葉片，葉片軸向不連續(xù)，中間存在無葉區(qū)，如圖6 所示。這種結(jié)構(gòu)減少了被輸送介質(zhì)與過流部件的接觸，從而在一定程度上緩解了葉輪表面的磨損，提高了泵的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命。傳統(tǒng)葉片式泵和容積式泵輸送含固體顆?；蛘承阅龎K的介質(zhì)時，會出現(xiàn)易堵塞、易纏繞、過流部件易磨損等問題，使泵發(fā)生故障，影響生產(chǎn)線的正常運行。而使用圓盤泵進行輸送時，由于其特殊的結(jié)構(gòu)避免了上述困擾，解決了傳統(tǒng)泵難以輸送的問題。除此之外，圓盤泵還適合輸送剪切力敏感流體、高磨損性泥漿、高粘度或高含氣量的介質(zhì)等，具有空化性能良好、運行平穩(wěn)可靠、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、壽命長等優(yōu)點。

圖6 圓盤泵特殊的葉輪結(jié)構(gòu)

圓盤泵特殊的結(jié)構(gòu)使其在經(jīng)濟性方面具有一定的優(yōu)勢。圓盤泵、離心泵和螺桿泵在資本成本、維修成本、停工損失3 個方面的對比結(jié)果如圖7所示[20]。從圖中可以看出，這3 種泵的資本成本基本持平，但圓盤泵的維修成本和停工損失遠低于另外兩種泵。這是因為當(dāng)輸送高磨損性、剪切力敏感流體等介質(zhì)時，傳統(tǒng)泵需要定期維護和更換零件，這些花銷可能比購買泵的價格還高，而圓盤泵具有無沖擊泵送的優(yōu)點，減少了對泵體的損耗。

圖7 圓盤泵、離心泵和螺桿泵成本對比

2 圓盤泵研究進展

2.1 輸送性能

2.1.1 葉輪結(jié)構(gòu)變化對性能的影響

圓盤泵早期的結(jié)構(gòu)是一組光滑圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，即第一代圓盤泵，表面沒有葉片，泵的性能較差，因此當(dāng)時未能在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。隨著圓盤泵的發(fā)展，經(jīng)過研究人員的改進和優(yōu)化，在圓盤上增加若干徑向直葉片，使得圓盤泵的性能大幅度提高，稱之為第二代圓盤泵。在國內(nèi)，早在1994年，河北省機械科學(xué)研究院張愛習(xí)[21]設(shè)計了一種MP 型圓盤摩擦泵，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。該泵采用了平滑的平行圓盤，揚程可達26 m，可輸送高粘度、含固體顆粒的介質(zhì)。中國石油大學(xué)（華東）尹樹孟等[22]設(shè)計了新型圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)，將葉輪進口段和葉片形式改變成圓弧過渡形式，結(jié)構(gòu)如圖9 所示。圖10 為西華大學(xué)團隊參考現(xiàn)有離心泵葉輪，設(shè)計制造的徑直葉片圓盤泵，圓盤上帶有徑向直葉片，葉片在軸向上不連續(xù)，前后圓盤采用圓柱連接臂連接。

圖8 MP 型圓盤摩擦泵[21]

圖9 圓弧流道圓盤泵[22]

圖10 徑直葉片圓盤泵

圖11 所示為上述幾種圓盤泵由于其葉輪結(jié)構(gòu)的改變引起的性能變化。第一代圓盤泵和張愛習(xí)所設(shè)計的圓盤泵均為光滑圓盤，揚程和效率都低于帶有葉片的葉輪圓盤泵。在圓盤上設(shè)置葉片后，一方面增加了邊界層厚度，使得能量轉(zhuǎn)化率更高，另一方面除了依靠粘性力和邊界層效應(yīng)進行能量轉(zhuǎn)化以外，還依靠圓盤高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力。西華大學(xué)制造的圓盤泵與第二代圓盤泵在葉輪結(jié)構(gòu)上均采用了徑向直葉片葉輪，性能與后者相比有略微提升，進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能變化將在后續(xù)文獻中報道。尹樹孟設(shè)計的圓弧圓盤泵是在第二代圓盤泵的基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化的，圓弧過渡結(jié)構(gòu)有效減少了流體在輸送過程中從軸向流動到徑向時的損失，故而提高了總體性能。

除了上述幾種圓盤泵結(jié)構(gòu)外，其他學(xué)者根據(jù)圓盤泵的特性提出了新式葉輪結(jié)構(gòu)。陳永超等[23?24]參考傳統(tǒng)多級離心泵提出了一種葉輪內(nèi)表面為波紋狀的多級圓盤泵。該葉輪表面波紋形式可為正弦波或余弦波，能有效提高圓盤泵的抗磨損性能。衡亞光等[25]基于傳統(tǒng)離心泵提出了一種圓盤泵葉輪，即在葉片上沿徑向設(shè)置缺口，連通各葉片間流道，使泵能夠方便地輸送變粘度介質(zhì)。張惟斌等[26]提出了一種橫截面為半徑漸變的圓弧形葉輪葉片圓盤泵，這種結(jié)構(gòu)可以減少物料在泵送過程中的破損，最大程度保證輸送介質(zhì)的完整性。前面幾種葉輪結(jié)構(gòu)均采用了“凸型”葉片，而Wu 等[27]設(shè)計了一種帶凹槽的葉輪，結(jié)構(gòu)如圖12 所示，圖中r1為圓盤內(nèi)徑，r2為圓盤外徑，h為溝槽深度，H為盤間距。凹槽會影響圓盤泵內(nèi)流場從單相流到氣液兩相流的過渡特性，而且能夠減小作用在圓盤上的最大軸向力。

圖11 圓盤泵性能變化[7,9 ? 10,21 ? 22]

圖12 帶凹槽的葉輪[27]

圓盤泵葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計有別于傳統(tǒng)葉片泵，使其具有獨特的工作特性，但圓盤泵工作時效率較低，不能充分發(fā)揮自身的特點。為了提高圓盤泵工作性能，達到工程應(yīng)用的要求，需要進一步對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。影響圓盤泵性能的因素眾多，如果清楚各影響因素的敏感性，則對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時更具有目的性，能夠節(jié)約時間和提高工作效率。王少平等[28]應(yīng)用了正交分析法研究了圓盤外徑、圓盤內(nèi)徑、圓盤間距和流量等因素對圓盤泵性能的影響程度，發(fā)現(xiàn)主要影響因素是圓盤外徑，其次是圓盤內(nèi)徑、盤間距和流量。陳永超等[29]研究了葉片的數(shù)量、寬度和形狀對泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著葉片數(shù)量的增加和葉片寬度的減少，以及采用梯形葉片能有效提高圓盤泵的性能。Martínez 等[30]在葉輪中分別設(shè)置橫截面為三角形、圓形、正方形的擾流器，觀察泵內(nèi)流場的變化，研究其對泵性能的影響，試驗結(jié)果表明在葉輪上設(shè)置正方形擾流器的泵表現(xiàn)出更好的性能。設(shè)置擾流器后，會在葉輪出口處形成如圖13 所示的環(huán)流，促進了從葉輪到流體的能量傳遞，使泵表現(xiàn)出更好的性能。Gurth 通過試驗研究發(fā)現(xiàn)盤間距會影響圓盤泵性能[31]。現(xiàn)階段圓盤泵葉輪葉片在軸向上是不連續(xù)的，中間存在無葉片區(qū)域，圓盤間距直接影響了該區(qū)域的大小，進而影響圓盤泵的輸送性能。Dodsworth 等[32 ? 33]分析了盤間距和電機轉(zhuǎn)速與泵的性能之間的關(guān)系，試驗結(jié)果表明較小的盤間距和較大的轉(zhuǎn)速會使圓盤泵具有更好的性能。Miller 等[34]研究了圓盤數(shù)分別為4～6、盤間距分別為3.81～6.35 mm 的圓盤泵性能最佳時的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果表明當(dāng)圓盤數(shù)為5、盤間距約為3.81 mm 時泵具有最佳性能。Dodsworth 和Miller 等的研究成果都表明了較小的盤間距會使泵表現(xiàn)出更好的性能，因為盤間距過大會造成對流體的控制能力下降，故而泵的性能受到影響，但盤間距也并不是越小越好，其值的大小也要考慮輸送介質(zhì)的性質(zhì)等因素。

圖13 正方形擾流器周圍的環(huán)流[30]

圓盤泵在工作狀態(tài)時流體壓力、離心力等多種載荷作用在葉輪上，優(yōu)化時需考慮其結(jié)構(gòu)的強度，保證工作時的安全性和穩(wěn)定性。周昌靜等[35]在試驗研究的基礎(chǔ)上，預(yù)測了圓盤泵葉輪軸向力，結(jié)果表明葉輪前后盤外表面壓力不一致所產(chǎn)生的軸向力大于葉輪內(nèi)表面壓力不均勻所產(chǎn)生的軸向力，前者占總軸向力的大部分。解永超等[36]分析了圓盤泵葉輪徑向力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)徑向力分量按正弦規(guī)律變化，變化周期與葉輪轉(zhuǎn)動周期一致，且軸對稱葉輪結(jié)構(gòu)受到的徑向力較小。得出作用在葉輪上各種載荷的大小及分布規(guī)律后，可針對性地優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)，采取相應(yīng)措施平衡作用力，提高圓盤泵的運行可靠性和壽命。

圓盤泵從最初的光滑圓盤結(jié)構(gòu)發(fā)展到葉輪葉片結(jié)構(gòu)，工作機理也不僅僅依靠邊界層效應(yīng)和粘性力，還依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片圓盤所產(chǎn)生的離心力。這使得在保留圓盤泵本身特點的基礎(chǔ)上，其性能得到了顯著的提升。為了能進一步提升圓盤泵的性能，發(fā)展其他傳統(tǒng)泵不具有的工作特性，以及運行時的可靠性和壽命，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，不僅要研究對泵性能的影響，還需要考慮本身的強度問題，因為結(jié)構(gòu)的改變可能會導(dǎo)致強度的降低，以及與輸送流體之間的相互作用和影響[37?38]。

2.1.2 其他因素對性能的影響

圓盤泵是利用邊界層效應(yīng)和粘性力來輸送流體的，其輸送性能會受到流體粘度的影響。Eskin[39]建立了用于輸送高粘度重油圓盤泵的工程模型，得到了內(nèi)部流體流動的近似解，并分析了流體粘度對泵性能的影響，結(jié)果如圖14 所示。從圖中可以看出泵的揚程隨著流體粘度的增加而增加，流量較大時輸送高粘度流體泵的效率會更高。Rice[40]進行了理論分析和試驗研究，發(fā)現(xiàn)圓盤泵在小型化應(yīng)用、輸送黏度大于水的介質(zhì)與傳統(tǒng)泵相比更有優(yōu)勢。因此，相較其他葉片泵，圓盤泵更適合輸送高黏度介質(zhì)，可最大化利用其工作特性。

圖14 不同粘度時泵揚程與效率的變化[39]

2.2 內(nèi)部流動

早期學(xué)者研究圓盤泵內(nèi)部流體流動規(guī)律通常采用解析方法。Breiter 等[41]和Hasinger 等[42]研究了圓盤泵內(nèi)速度場分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)盤間距、轉(zhuǎn)速、黏度等因素都會影響圓盤間的速度場分布，并提出了以下關(guān)系式：

式中：b為盤間距；ω為轉(zhuǎn)速；ν為運動黏度。盤間距越大，流體徑向速度分布在圓盤中心位置會有一定的降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為過大的盤間距會削弱其對流體的控制能力，這與Gurth[31]的研究結(jié)論是一致的。Wang 等[43]總結(jié)前人的研究成果，將圓盤間的流場分為兩個部分——入口區(qū)和漸變區(qū)（或?？寺?庫埃特區(qū)），如圖15 所示。圖中，r1為圓盤內(nèi)徑，r2為圓盤外徑，ω為圓盤旋轉(zhuǎn)角速度，δ為邊界層厚度。在入口區(qū)，流動邊界層沒有充分發(fā)展，流體流動方向由軸向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较?；在漸變區(qū)，邊界層充分發(fā)展。Rice[40]建立了圓盤間流體流動的模型，能夠準(zhǔn)確地描述流體在漸變區(qū)的流動，但對于入口區(qū)的流動則存在一定的偏差。

圖15 圓盤間流場分布[43]

由于圓盤泵結(jié)構(gòu)的特殊性，采用解析方法求解流體流動的規(guī)律比較復(fù)雜，特別是多相流工況時。隨著計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸應(yīng)用于泵內(nèi)流場的求解。Wu 等[27]使用FLUENT 模擬了圓盤間油氣兩相流動，并通過得到的數(shù)值結(jié)果分析了兩相流體的運動規(guī)律，以及圓盤的受力分布。Pérez 等[44]采用CFX 對圓盤泵進行三維數(shù)值模擬，通過計算得到的壓力和速度分布分析葉輪入口處的交互作用。Li 等[45]提出了用于求解圓盤泵內(nèi)氣固液三相流動的數(shù)值模擬方法，通過實際應(yīng)用得到了泵內(nèi)三相流動壓力和速度的變化規(guī)律，以及不同固相顆粒濃度和氣相濃度與泵揚程和效率的關(guān)系曲線。

3 總結(jié)與展望

近年來，有關(guān)圓盤泵的輸送性能與優(yōu)化設(shè)計研究取得了較大的進展，泵的性能相較以前有了顯著的提高。但是，由于圓盤泵的發(fā)展起步較晚，相關(guān)文獻資料較少，為了能進一步提升圓盤泵的性能，擴大工程應(yīng)用范圍，有以下幾個方面的問題需要針對性的研究。

1）完善圓盤泵的設(shè)計理論及方法。目前圓盤泵的理論體系還不完善，在這種情況下，對于不同的工況和尺寸規(guī)格，圓盤泵設(shè)計經(jīng)濟性較差，會增加研發(fā)成本。參考其他傳統(tǒng)泵的設(shè)計理論，完善圓盤泵的理論體系，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)與泵性能的關(guān)系，為圓盤泵的系列化奠定基礎(chǔ)。

2）優(yōu)化圓盤泵葉輪葉片結(jié)構(gòu)。葉輪是圓盤泵的核心部件，葉片尺寸、數(shù)量、排布、盤間距等參數(shù)會影響圓盤泵的揚程和效率。鑒于此，可從葉片結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，將數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，研究其結(jié)構(gòu)的改變對泵性能的影響及變化規(guī)律，提出新型葉片結(jié)構(gòu)形式，改善圓盤泵的工作性能。

另外，目前大多數(shù)有關(guān)圓盤泵的仿真分析研究僅針對泵內(nèi)流體流動進行數(shù)值模擬。事實上，在泵運行時，被輸送流體介質(zhì)與葉輪之間存在流固耦合作用。如果葉輪振動頻率接近于其固有頻率，會發(fā)生共振，這可能會影響泵工作時的穩(wěn)定性和可靠性。隨著流固耦合方法的發(fā)展，不少學(xué)者利用該方法對流體機械的葉輪部分進行強度分析。但是，目前針對圓盤泵的流固耦合研究較少，鮮有相關(guān)文獻報道，尚不清楚輸送流體與圓盤泵葉輪之間的相互作用關(guān)系，以及葉輪葉片結(jié)構(gòu)的改變對強度的影響程度。流固耦合分析為圓盤泵的優(yōu)化設(shè)計提供了參考和依據(jù)，為進一步改善圓盤泵的輸送性能和工作穩(wěn)定性提供了有效的手段，基于流固耦合分析的圓盤泵設(shè)計與優(yōu)化是未來的研究內(nèi)容之一。

隨著對圓盤泵研究的深入，逐漸完善相關(guān)設(shè)計理論和提升輸送性能，有助于圓盤泵的發(fā)展，實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，減少研發(fā)與制造成本，這對圓盤泵的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。圓盤泵所具有的優(yōu)點，能使其有廣闊的應(yīng)用前景，相信在未來，圓盤泵會逐步在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。