微小流量高揚(yáng)程的旋殼泵比高速泵具有更高的性價(jià)比，介紹了旋殼泵的起源、發(fā)展現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)及特點(diǎn)，分析了旋殼泵與高速泵的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，及其經(jīng)濟(jì)性。而旋殼泵由于其更高的效率、更低的轉(zhuǎn)速、更平穩(wěn)的運(yùn)行特性、更長(zhǎng)的軸承使用壽命、更低的運(yùn)行成本，在小流量高揚(yáng)程的工藝操作條件下，可替代高速泵大量運(yùn)用于對(duì)流體輸送要求較平衡的生產(chǎn)崗位。

　　引言

　　旋殼泵是一種采用常規(guī)離心泵和航天技術(shù)中沖壓滯止增壓的獨(dú)特工作原理的新型小流量單級(jí)高壓泵，屬極低比轉(zhuǎn)數(shù)泵。由于旋殼泵技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)較晚，至今在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然很少，但是作為一種新型泵產(chǎn)品，在某些工況下代替高速泵具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1、旋殼泵技術(shù)的發(fā)展歷史

　　世界上關(guān)于旋殼泵(皮托泵)的專利是1923 年由F. W. Krogh 首先申請(qǐng)的，他把皮托管的原理推廣應(yīng)用于泵的設(shè)計(jì)上，故稱皮托泵。20 世紀(jì)30 年代，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，德國(guó)和英國(guó)急需火箭和導(dǎo)彈的燃料泵，但是在當(dāng)時(shí)可采用的多級(jí)離心泵可靠性差；往復(fù)泵在高壓下壓力脈動(dòng)強(qiáng)烈，易損件又多，于是科研人員開始研發(fā)新型小流量超高揚(yáng)程泵。研制人員當(dāng)時(shí)提出了兩種構(gòu)思的離心泵：一是高速、開式葉輪、部分流離心泵方案，發(fā)展成今天的高速泵；另一全新構(gòu)思是將葉輪與泵殼聯(lián)為一體同步回轉(zhuǎn)，發(fā)展成今天的旋殼泵。但是旋殼泵在當(dāng)時(shí)具體實(shí)施起來(lái)還有很多設(shè)計(jì)障礙，所以該方案未被軍方接受。直到上世紀(jì)60 年代，旋殼泵的理論和制造技術(shù)有了重大突破， 在此背景下，到70 年代，美國(guó)Kobe 公司生產(chǎn)出了第一臺(tái)商用旋殼泵，從此旋殼泵開始走向市場(chǎng)，逐漸被人們所接受。目前，國(guó)外主要旋殼泵生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品是美國(guó)Weir 公司Roto-jet Pump和德國(guó)Sterling 公司Pitot Tube Pump。

2、旋殼泵的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

　　對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，旋殼泵的發(fā)展基本經(jīng)歷了引進(jìn)—消化吸收—開發(fā)生產(chǎn)的過(guò)程。1987 年，我國(guó)第一次引進(jìn)旋殼泵，是在炭黑新工藝改造中用于原料油的輸送。

　　隨著旋殼泵的成功引進(jìn)，國(guó)內(nèi)開始對(duì)旋殼泵的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水力設(shè)計(jì)及使用條件等進(jìn)行研究，取得了一些初步成果。1988 年，龍興茂等對(duì)旋殼泵作了專題介紹，詳細(xì)介紹了旋殼泵結(jié)構(gòu)和原理，列出了系列產(chǎn)品的性能范圍和所用的材料，并說(shuō)明了旋殼泵在小流量高揚(yáng)程范圍內(nèi)的發(fā)展前景。董長(zhǎng)善也專門對(duì)美國(guó)貝克休斯公司的旋殼泵進(jìn)行了介紹，詳細(xì)列出了貝克休斯公司生產(chǎn)的3 種旋殼泵的主要參數(shù)和主要部件的材料。1989 年北京化工機(jī)械廠開始對(duì)旋殼泵進(jìn)行調(diào)研和試制，經(jīng)過(guò)他們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，旋殼泵的揚(yáng)程和功率曲線都比較平緩，效率比高速泵要高6% ~ 8%。2002 年，山東長(zhǎng)志泵業(yè)有限公司研制的LG-2/130 和RA 一2/130 型管道式旋殼泵，經(jīng)山東海化集團(tuán)等單位長(zhǎng)期使用證明，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。楊軍虎等進(jìn)行了旋殼泵葉輪內(nèi)的準(zhǔn)三元流動(dòng)計(jì)算，計(jì)算顯示葉片工作面速度先減小后增大，葉片背面速度先增大后減小。旋殼泵作為國(guó)內(nèi)的新泵型，在推廣和使用方面還缺乏經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)使用中的問(wèn)題，張宏等介紹了旋噴泵故障的預(yù)防和處理措施。鄔國(guó)秀等在理論方面對(duì)旋殼泵內(nèi)能量損失及流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，加深了對(duì)旋殼泵運(yùn)行機(jī)制的了解。

　　此后我國(guó)多家高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都對(duì)此種泵的關(guān)鍵部件集流管和葉輪進(jìn)行了深入研究和試驗(yàn)，相繼取得了一些國(guó)家專利。從那時(shí)開始，國(guó)產(chǎn)的旋殼泵逐步在炭黑行業(yè)應(yīng)用，并擴(kuò)展到食品、煉油和化工等不同行業(yè)。隨著各廠家技術(shù)水平的不斷提高，目前國(guó)產(chǎn)旋殼泵的效率、可靠性等方面逐漸縮小了與國(guó)外品牌的差距，體現(xiàn)出了較好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。

3、旋殼泵的技術(shù)特點(diǎn)

　　3.1、旋殼泵的結(jié)構(gòu)與原理

　　旋殼泵結(jié)構(gòu)上最主要的特點(diǎn)就是葉輪與轉(zhuǎn)子腔連在一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子腔內(nèi)的集流管靜止不動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)不斷從泵的入口吸入，并獲得能量從而具有很高的動(dòng)能，高速介質(zhì)進(jìn)入集流管后發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，成為平穩(wěn)的高壓介質(zhì)輸出。旋殼泵的剖面如圖1 所示。

圖1　旋殼泵的剖面圖

　　旋殼泵具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，其中主要的原因就是葉輪與轉(zhuǎn)子腔同步旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)在獲得動(dòng)能的過(guò)程中無(wú)圓盤摩擦損失，這就使得旋殼泵在效率上比高速泵和多級(jí)泵具有優(yōu)勢(shì)。旋殼泵另一關(guān)鍵部件就是集流管，集流管的內(nèi)腔相當(dāng)于壓水室的擴(kuò)散管，可把流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高壓能輸出，同時(shí)為了減少繞流阻力的損失，集流管通常被設(shè)計(jì)成流線型，典型的外形圖見圖2。根據(jù)介質(zhì)流量的大小不同，集流管還可以有雙向結(jié)構(gòu)的，見圖3。

圖2　集流管圖片

圖3　雙向集流管圖片

　　3.2、旋殼泵與離心泵的區(qū)別

　　目前，化工裝置中常規(guī)采用的小流量高揚(yáng)程泵可分為多級(jí)泵、高速泵和柱塞泵等高比轉(zhuǎn)速泵。其中多級(jí)泵和高速泵屬葉片式泵中的離心泵，多級(jí)泵內(nèi)有多級(jí)葉輪，采用逐級(jí)升壓的方式，效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及密封要求高。而高速泵卻存在轉(zhuǎn)速高、效率低、可靠性差的問(wèn)題。柱塞泵屬容積泵中的往復(fù)式柱塞泵，其缺點(diǎn)是出口壓力脈動(dòng)、體積大、噪聲大。

　　離心泵液體旋轉(zhuǎn)而泵體不旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的液體與泵體之間存在很大的圓盤摩擦損失。旋殼泵液體與轉(zhuǎn)鼓同步旋轉(zhuǎn)，基本上消除了圓盤摩擦損失，而與液體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的集液管只有很小的面積。離心泵的最大揚(yáng)程為0.6~0.7v2/g(v 表示泵進(jìn)口處的絕對(duì)速度m/s，g 表示重力加速度m/s²)，旋殼泵的最大揚(yáng)程為0.97 v2/g，旋殼泵揚(yáng)程回收比離心泵高50%左右。離心泵效率低的原因是葉輪圓盤摩擦損失顯著增大，而旋殼泵不存在圓盤磨擦損失，也無(wú)蝸殼水力損失，雖然有轉(zhuǎn)子腔和集水管的水力損失，但其效率仍比同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵高。

　　3.3、旋殼泵的性能參數(shù)

　　美國(guó)Enviro 公司的旋殼泵，僅五種泵型的單級(jí)泵就能覆蓋很廣的工作范圍(流量2~160m³/h、揚(yáng)程不大于1600m)。只要改變皮托管入口直徑、皮托管根數(shù)和泵轉(zhuǎn)速，就能滿足不同流量和揚(yáng)程的要求，并使泵在高效區(qū)運(yùn)行。

圖4　特性曲線比較圖

　　流量小于6 m³/h、揚(yáng)程低于800 m 時(shí)，旋殼泵效率比高速泵高很多，而多級(jí)泵可選泵型很少。流量為6~10 m³/h、揚(yáng)程低于800 m 時(shí)，高速泵的效率僅為旋殼泵的一半，雖然多級(jí)泵可選泵型增加，但是效率比旋殼泵低10% ~ 20%。流量為10 ~16 m³/h、揚(yáng)程低于400 m 時(shí)，旋殼泵效率比多級(jí)離心泵效率略高，比高速泵約高10%；揚(yáng)程為400 ~800 m 時(shí)，旋殼泵比多級(jí)離心泵效率存在一定的優(yōu)勢(shì)。

　　3.4、旋殼泵的優(yōu)勢(shì)

　　旋殼泵在某些工況下可以用于替代高速泵或者多級(jí)泵，相對(duì)而言它有如下優(yōu)勢(shì)：

　　1)適合小流量高揚(yáng)程輸送，流量<110 m³ / h，揚(yáng)程<2 000 m，效率比同比轉(zhuǎn)速的離心泵高；

　　2)流量揚(yáng)程特性曲線平滑，在較寬的流量范圍內(nèi)，揚(yáng)程變化小，且不存在高速泵的“駝峰”現(xiàn)象；在極小流量(0.5~5 m³/h) 時(shí)流量揚(yáng)程曲線仍然平穩(wěn)，它可以在從零流量到設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)任一流量點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的殼體和一個(gè)集流管，運(yùn)動(dòng)部件少，拆裝維護(hù)方便，而高速泵和多級(jí)泵的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜很多。

　　4)整機(jī)的易損件只有機(jī)械密封，維護(hù)費(fèi)用低。旋殼泵的機(jī)械密封設(shè)在泵入口，僅承受最大入口壓力，所以機(jī)封壽命較長(zhǎng)。

　　5)主軸不接觸介質(zhì)，不用考慮其耐蝕性。

　　6)軸承使用壽命長(zhǎng)。旋殼泵轉(zhuǎn)子的徑向力和軸向力較小，且與流量的關(guān)系很小，從根本上克服了高速泵、多級(jí)泵的軸向力大，方向不易控制的問(wèn)題，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的原因機(jī)封泄漏不會(huì)污染軸承。

　　7)初次投資費(fèi)用較低，尤其是不需要增速的旋殼泵價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。

　　3.5、旋殼泵的劣勢(shì)

　　1)在檢修機(jī)械密封時(shí)，需要將進(jìn)、出口側(cè)的法蘭拆開，對(duì)于端進(jìn)端出的泵型需要設(shè)置進(jìn)、出口管路的拆卸短節(jié)。

　　2)一般認(rèn)為，旋殼泵的汽蝕性能較離心泵差，汽蝕的持續(xù)發(fā)展會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，“堵塞” 葉輪流道，破壞液流連續(xù)性。

　　3)從泵的結(jié)構(gòu)看，檢修時(shí)轉(zhuǎn)子腔內(nèi)介質(zhì)的放凈不方便，當(dāng)泵輸送易燃易爆有毒介質(zhì)時(shí)，這種弊端尤為明顯。但是目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有制造商針對(duì)這個(gè)問(wèn)題著手設(shè)計(jì)立式旋殼泵，如果能夠開發(fā)成功并解決放凈的問(wèn)題，將會(huì)擴(kuò)展旋殼泵的使用范圍。

　　4)旋殼泵不能像離心泵一樣通過(guò)切割葉輪來(lái)改變泵的性能參數(shù)，通常采用改變轉(zhuǎn)速來(lái)改變泵的性能范圍，典型的性能曲線見圖5。而在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的三種方式中，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)不宜采用皮帶輪增速，采用齒輪箱或者變頻增速都會(huì)增加初次投資。

圖5　旋殼泵典型性能曲線

4、旋殼泵的研究與發(fā)展前景

　　旋殼泵是一種值得推廣的新型極低比轉(zhuǎn)數(shù)泵。國(guó)外對(duì)它的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用已比較成熟，但對(duì)其研究報(bào)道極少。國(guó)內(nèi)對(duì)旋殼泵的研究開發(fā)尚處于起步階段。在以下幾方面尚需進(jìn)一步開展工作，使旋殼泵能在國(guó)內(nèi)得到廣泛的推廣應(yīng)用。

　　1)旋殼泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬。由于該泵結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究極其困難。利用數(shù)值模擬，有助于了解旋殼泵內(nèi)部流動(dòng)，對(duì)水力設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。一般離心式葉輪內(nèi)的數(shù)值模擬的文章已不少，而復(fù)合葉輪內(nèi)的數(shù)值模擬工作，尚未開展轉(zhuǎn)子腔和集流管中的流動(dòng)數(shù)值模擬。

　　2)旋殼泵的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法研究，目前還很不完善，還有大量工作要做。相比于普通極低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵，兩者的葉輪大體一致，研究也較多。旋殼泵沒(méi)有圓盤摩擦損失和蝸殼水力損失，而多了轉(zhuǎn)子腔和集流管的水力損失，因此轉(zhuǎn)子腔(集水管外部流場(chǎng))和集水管的設(shè)計(jì)研究尤為重要。

　　3)旋殼泵的外特性研究。主要是葉輪和集流管有關(guān)幾何參數(shù)對(duì)泵性能影響的試驗(yàn)研究和理論分析，為完善旋殼泵的設(shè)計(jì)方法積累資料。

　　4)旋殼泵產(chǎn)品開發(fā)與推廣應(yīng)用。在我國(guó)石油化工、冶煉、炭黑等行業(yè)引進(jìn)設(shè)備中旋殼泵并不少見。在近年的化工設(shè)備中亦有用旋殼泵替代部分高壓多級(jí)泵和高速泵的成功事例，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的新產(chǎn)品很少，應(yīng)用量不大，應(yīng)加強(qiáng)這方面的工作。

5、結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)旋殼泵這一新型泵的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，對(duì)高速泵與旋殼泵進(jìn)行了對(duì)比，綜合各方面的特點(diǎn)來(lái)看，高速泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難、運(yùn)行成本高，常用于輸送小流量高揚(yáng)程的場(chǎng)合，而旋殼泵由于其更高的效率、更低的轉(zhuǎn)速、更平穩(wěn)的運(yùn)行特性、更長(zhǎng)的軸承使用壽命、更低的運(yùn)行成本，在小流量高揚(yáng)程的工藝操作條件下可替代高速泵大量運(yùn)用于對(duì)流體輸送要求較平衡的生產(chǎn)崗位。旋殼泵在小流量高揚(yáng)程的工況下確有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，建議在更多的工程實(shí)踐中，綜合考慮泵送介質(zhì)的特點(diǎn)、操作檢修情況、效率能耗、安全環(huán)保等多方因素，將旋殼泵作為一種新的選擇。