離心油泵性能的新方法
本文計算的滑移系數(shù)與利用準(zhǔn)三元流動程序計算的滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化關(guān)系都是線性的，即隨葉片數(shù)的增加而增大，數(shù)值小于準(zhǔn)三元流動程序計算的滑移系數(shù)。這是因為準(zhǔn)三元流動程序計算葉輪內(nèi)部流動時沒有考慮吸入室和蝸殼的影響。在圖2(b)中，最優(yōu)工況揚(yáng)程隨葉片數(shù)的變化關(guān)系也是線性的，這就驗證了滑移系數(shù)與葉片數(shù)成線性關(guān)系是正確的。說明本文方法是合理的。Stodola、Wiesner經(jīng)驗公式計算滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化規(guī)律都與最優(yōu)工況揚(yáng)程與葉片數(shù)呈線性關(guān)系的實驗結(jié)果相違背。
圖3(a)表示在粘度為1cSt(水)、98cSt(油)和255cSt(油)條件下，采用本文方法計算的滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化曲線。圖3(b)為實驗測得的最優(yōu)工況揚(yáng)程。由圖可見，滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化規(guī)律與揚(yáng)程隨葉片數(shù)的變化規(guī)律完全一致，再次表明本文計算方法是合理的�？傮w上，輸送粘油時滑移系數(shù)與葉片數(shù)的關(guān)系基本還是線性的。
圖4表示不同葉片數(shù)條件下，滑移系數(shù)隨粘度的變化關(guān)系曲線。由圖可見，滑移系數(shù)隨粘度的變化關(guān)系曲線取決于葉片數(shù)。當(dāng)葉片數(shù)較少(Z=3)時，滑移系數(shù)隨粘度增大而增加，直到粘度大于75cSt以后，略有減小，但都比輸送清水時的大。當(dāng)葉片數(shù)中等(Z=5)時，當(dāng)粘度在20～100cSt范圍內(nèi)，滑移系數(shù)達(dá)到最大值，以后隨粘度增大而減小，接近輸送清水時的滑移系數(shù)值。當(dāng)葉片數(shù)較多(Z=7)時，滑移系數(shù)隨粘度增大而減小，比輸送清水時的小。圖5表示不同葉片數(shù)時相對滑移系數(shù)隨粘度的變化關(guān)系。相對滑移系數(shù)是指輸送粘油時的滑移系數(shù)與輸送清水時的滑移系數(shù)之比。該圖反映的變化規(guī)律與圖4完全一致。
圖2 輸送清水時葉片數(shù)對滑移系數(shù)和揚(yáng)程的影響
圖4 滑移系數(shù)隨粘度的變化圖 5 相對滑移系數(shù)隨 粘度的變化
葉輪滑移系數(shù)主要取決于葉輪流道內(nèi)的相對環(huán)流強(qiáng)弱和葉片表面摩擦損失。葉輪內(nèi)的相對環(huán)流越小，滑移系數(shù)越大，摩擦損失越大，滑移系數(shù)越小。當(dāng)葉片數(shù)較少時，葉輪流道內(nèi)的相對環(huán)流比葉片數(shù)較多的葉輪強(qiáng)，摩擦損失比葉片數(shù)較多葉輪小，滑移系數(shù)主要由相對環(huán)流的強(qiáng)度控制，受摩擦損失影響較小。當(dāng)葉片數(shù)較多時，葉輪流道內(nèi)的相對環(huán)流比葉片數(shù)較小的葉輪弱，摩擦損失比葉片數(shù)較少葉輪大，滑移系數(shù)受摩擦損失影響較大。當(dāng)液體粘度增大時，葉片數(shù)較少葉輪內(nèi)的相對環(huán)流降低的幅度比葉片數(shù)較多葉輪多，摩擦損失增加的幅度比葉片數(shù)較多葉輪小。所以，當(dāng)葉片數(shù)較少時，輸送粘油的滑移系數(shù)比輸送清水時的大，當(dāng)葉片數(shù)較多時，輸送粘油的滑移系數(shù)要比輸送清水時的小。
2.3 水力效率 圖6表示不同葉片數(shù)條件下水力效率隨粘度的變化關(guān)系。當(dāng)粘度低于200cSt時，Z=5葉輪水力效率比其它葉輪高；當(dāng)粘度高于200cSt時，Z=3葉輪比其它葉輪高。這種變化趨勢與泵總效率隨粘度的變化情況很一致，見圖9。
2.4 容積效率 圖7表示不同葉片數(shù)條件下容積效率隨粘度的變化關(guān)系。由圖可見，粘度對容積效率影響比較小。葉片數(shù)對容積效率影響也比較小。
2.5 機(jī)械效率 圖8表示不同葉片數(shù)時機(jī)械效率隨粘度的變化情況。由圖可見，雖然葉片數(shù)不同，但是機(jī)械效率隨粘度的變化規(guī)律基本相同。也就是說，葉片數(shù)對泵的機(jī)械效率影響比較小。根據(jù)容積效率、水力效率和機(jī)械效率隨粘度變化關(guān)系可知，葉片數(shù)是通過影響水力效率來影響泵效率的。為了表示不同葉片數(shù)時機(jī)械損失隨粘度的變化情況。將圖8中的機(jī)械效率轉(zhuǎn)化為機(jī)械損失，并表示成機(jī)械損失占軸功率的百分比。擬合實驗數(shù)據(jù)，得到機(jī)械損失經(jīng)驗公式。Pm/P=-0.000314546ν2+0.178352ν+34.4519。
圖6 水力效率隨粘度的變化圖 7 容積效率隨粘度的變化
圖8 機(jī)械效率隨粘度的變化圖 9 總效率隨粘度的變化
葉輪蓋板摩擦損失是機(jī)械損失的主要方面。根據(jù)流體力學(xué)中圓盤損失理論解，圓盤摩擦損失分別與粘度(層流)、(低雷諾數(shù)紊流)和ν0.2(高雷諾 數(shù)紊流)成正比。理論和實驗出現(xiàn)了差異。輸送粘油時葉輪圓盤摩擦損失需要深入研究。
由于泵機(jī)械效率隨粘度的增加而迅速降低，即泵效率逐漸被機(jī)械效率所控制，所以如何提高輸送高粘度粘油的泵機(jī)械效率，即如何降低葉輪圓盤摩擦損失是離心油泵性能研究的關(guān)鍵問題。
3 結(jié)論
(1) 理論分析和實驗結(jié)果都表明，當(dāng)葉輪其它幾何特性保持不變時，滑移系數(shù)隨葉片數(shù)增加 而增大。(2) 葉片數(shù)對容積效率和機(jī)械效率影響比較小，它通過改變?nèi)~輪滑移系數(shù)和水力效率來影響泵的水力性能。(3) 機(jī)械效率隨粘度的增加而迅速降低，降低葉輪圓盤摩擦損失是提高離心油泵性能的關(guān)鍵。