螺旋离心泵的发展现状

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螺旋离心泵研究现状

摘要：作为一种广泛应用的无堵塞泵，螺旋离心泵在工业生产中起到了很大作用。本文简单介绍了螺旋离心泵的工作原理及其优点。讨论了此种泵的研究现状，介绍了相关研究方法并提出了目前在此领域研究中所遇到的一些问题以及难点。最后，讨论了螺旋离心泵今后的发展方向以及研究热点。

关键词：螺旋离心泵   综述   试验研究   流动机理

一：研究现状

螺旋离心泵简称螺旋泵，是一种极好的无堵塞，无缠绕与损失少的新型杂质泵。主要运用于冶金、矿山、煤炭、电力、石化、食品、造纸等工业部门以及污水处理、港口河道疏浚等行业。可以说，螺旋离心泵在当今社会的发展中起到了举足轻重的作用，为我国的工业发展作了很多贡献

螺旋离心泵与一般泵相比具有以下优点：①无损性能好；②无堵塞性能好；③理想的噪声特性；④良好的调节性能；⑤效率高，且高效区宽广；⑥功率曲线平坦；⑦良好的抗汽蚀性能；⑧泵的吸入性能好；⑨腐蚀小，过流部件寿命长。

这是由于螺旋离心泵的工作原理与一般的离心泵略有不同，其不同出体现在：与传统的离心泵或者轴流式泵不同，螺旋离心泵的叶轮由螺旋段和离心段两部分组成，其中螺旋部分提高一个正向的位移推力，此力在轴向的延伸处形成一种弯转的分力，使入口入得水流沿着叶轮的切线方向形成一种弯转的分力，使入口处的水流沿着叶轮的切线方向而不是与叶轮成直角作用下被吸入泵腔。螺旋部分的轴向推力使水流平稳前进，直至离心部分，再由离心部分推送水流冲出口排出

螺旋离心泵水力设计的关键是其核心部件螺旋形叶轮的设计，其设计方法大多依靠经验与总结。我国在此类泵的研究上起步比较晚，始于20世纪90年代。

朱荣生、关醒凡等根据多年的研究成果提出一套确定螺旋离心泵叶轮几何参数的经验公式，所开发的螺旋离心泵产品效率达到69%的较理想水平。

何希杰，劳学苏针对螺旋离心泵缺乏理论和水利设计方法不具备的欠缺，推导了流体质点在螺旋离心泵叶片和负压面上的螺旋运动方程。并选用对数螺旋线作为叶片绘型，给出了叶片空间曲面方程和具体的水力设计方法，对于螺旋离心泵的研究和设计具有实际意义。

曹卫东等针对单叶片螺旋离心泵叶轮出口回流现象严重，且机械平衡和水力平衡都比较困难，提出了对叶轮结构进行改进，即在叶轮上设置短叶片的设计方案。

针对螺旋离心泵叶轮两部分关于其作用的争议，李仁年等通过模型机和数值模拟等方法，通过捕捉到的流动现象验证了叶片做功主要由螺旋段产生，离心段则对进口漩涡和出口回流有一定影响，并有针对性地提出了设计螺旋形叶轮的参考建议。同时，李仁年等人还从理论上分析了螺旋离心泵各种性能之间的关系，提出在设计螺旋离心泵时应该综合考虑各种因素，以满足不同要求。

Tate bayashi 等将90种叶轮的数据作为叶轮形状与性能的参照，建立了多种螺旋离心泵叶轮形状与性能联系。并把这些联系与“斯潘捷诺夫”叶轮设计理论结合起来，建立了一套螺旋型叶轮的设计方法，最后通过数值模拟验证了此方法的实效性。

可以说，近年来，国内外相关学者对螺旋离心泵参数与性能的关系进行了诸多的统计与归纳，总结出了许多经验公式用于螺旋型叶轮的设计。

二：方法

与普通的流体机械相同，对于螺旋离心泵的研究方法也主要分为理论分析、试验分析以及数值模拟。尤其是近年来，在计算机技术的告诉发展下，数值模拟在叶轮机械中占据这越来越重要的地位。

（一）：理论研究

在流体力学发展的前期，研究者运用理论分析方法来建立叶轮内部流动规律的统一数学描述。但是由于方程的复杂性，计算能力的有限性，理论研究一直没得到突破

（二）：试验研究

试验研究流体机械主要是流体参数的测量和流动显示。流体参数的测量主要方法是探针和热线热膜技术，缺点是探针等介入会扰动真实流场，且需要复杂的遥测技术将采集信号从转子传递到静止参考系。传统的流场显示技术又可分为壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法四类；现代流动显示技术包括：激光双聚测速仪，能够测量二维流动，测速范围广；激光多普勒测速仪（简称LDV）。能够测速三维流动，可测出近壁区的流动，但只能获得平均速度，需要选择合适的示踪粒子；粒子图像测速仪(PIV)，能够测量瞬时流动，需要选择合适的示踪粒子，但由于受壁面反射光的影响，近壁区的测量结果尚不理想；激光诱发荧光（LIF）技术、激光分子测速（LMV）技术和压敏涂层测压（PSP）技术等。其中LDA和PIV是目前应用最多的测速技术。

（三）：数值模拟

近年来越来越多的研究人员都热衷于CFD，因为它可以方便、快捷、可视化等、通过这种“数值试验”，可以充分认识流动规律，方便地评价、选择多种设计方案，进行优化设计，并大幅度减少实验室和测试等实体试验研究工作量。

其中，CFD方法的研究主要集中在（1）计算方法。主要是将已经成熟的紧致格式实用化的问题。另外就是将基于算法与传统计算流体力学结合在一起。（2）网格技术、网格技术的研究重点主要集中在研究网格与流动特征的相容性、分块网格以及混合网格技术。（3）物理模型。在此方面，除了运用基本的Euler和Navier－Stokes方程外，对一些复杂的流动问题，还需要补充相应的流动方程。（4）计算精度。计算较试验相比，有一定的可靠性，在计算扬程和效率时的精度大多数在6%之内。在研究固相的运动规律时，基本与试验保持一致。

三：存在的问题

由于固液两相流动的复杂性和特殊性，所以固液两相流泵在性能、噪音、寿命等方面存在着较大的缺陷。针对以上的问题，国内外学者先后通过理论分析，试验研究，数值模拟等方法深入研究固液两相流泵的流动机理，优化泵的设计，以提高其效率和寿命，降低噪音。

（1）叶轮内的运动规律：不同与普通的离心泵，螺旋离心泵由于输送介质的特殊性，在研究叶轮内介质的运动规律时我们必须研究固体颗粒在叶轮内部的运动规律。

针对这一问题，有三种不同的意见。1.具有代表性的是B.K.苏波隆。他运动告诉摄影技术，得出结论：小颗粒大致沿着叶片的工作面运动，大颗粒背离工作面；小颗粒分布均匀，大颗粒集中在泵壳内壁；同时，大颗粒与小颗粒的出口角也有所不同。2.清华大学水电系赵敬亭等运用高速摄影研究得出，同一粒径的颗粒，随着密度的加大，或者同一密度的颗粒，随着颗粒的增大，颗粒相对运动的包角越大，同时在运动中会越向叶片里面靠近，与工作面发生碰撞的概率会增加。3.一个日本学者提出，一定范围内颗粒质量对其运动轨迹影响不明显。但赞同此种观点的较少。

（2）叶轮内部磨损：同样是由于工作介质的原因，磨损是螺旋离心泵面临的主要问题之一。它的产生原因可分为三部分：固体颗粒的冲击造成的损伤，汽蚀损伤、损伤和腐蚀共同作用造成的损伤。

离心泵的磨损与颗粒的运动轨迹，速度及分布以及泵内流场有很大的关系。

（3）外部特性的研究：固液混合物的性质（浓度、比重、粒径）对离心泵性能方面的影响。

（4）转子动平衡研究：螺旋离心泵叶片型线为圆锥螺旋线，结构不对称，制造加工时往往很暗保证叶轮的平衡品质。这导致泵在运行时产生强烈的振动，对泵及系统产生破坏性影响。由于螺旋型叶片的制造加工困难，现有的加工方法难以保证精度。因此，三维CAD软件的设计与优化要在加工中完全实现还有较大的困难。

四：总结

虽然螺旋离心泵再近些年已经得到了很大的发展，但是任然有很多问题留给我们去解决。近年来，随着芯片技术，激光电子技术和计算机技术的飞速发展，流体力学测试技术也得到了长足的发展，在水泵领域的应用也逐渐得到开展

相对以前的传统测试方法，新的流动技术具有高精度、快响应、非接触的优势，能把对流场的影响降到最低。同时，对于不同状况的流场都适用。

要指出的是，目前国内的螺旋离心泵只能在较低的转速下运行，相比之下，国外已经将螺旋离心泵的应用突破杂质泵的低速运用范围，用于高速领域。可见，螺旋离心泵在应用上还有很大的前景可以去开发，尤其是双叶片螺旋离心泵的结构对称，动平衡性能较好，可借鉴国外的研究理论及经验，在无损伤性要求不高的条件下，应用于高速领域。

在这一方面，首先要解决振动及噪声问题。这解决这一问题上，于20世纪90年代引入流体机械研究领域的流固耦合技术可以被应用于这一专项的研究。通过耦合分析，可以对螺旋离心泵高速运行时的响应进行预估，在合理的振动位移下进行结构设计。

最后要提出的一点是双吸型螺旋离心泵。采用双吸形式可以有效地减少轴向力的产生，还可以减小水力损失，提高泵的效率。但是双吸型的螺旋离心泵在设计是需要对原有的形式进行很大的改变，因此，目前还没有相应的理论研究也没有相关的成熟产品。在今后的研究中，这一形式的螺旋离心泵也是重点研究的热点之一。

姓名：金毅

学院：能动院

学号：122080704003