離心油泵性能的新方法
本文計算的滑移系數(shù)與利用準三元流動程序計算的滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化關系都是線性的，即隨葉片數(shù)的增加而增大，數(shù)值小于準三元流動程序計算的滑移系數(shù)。這是因為準三元流動程序計算葉輪內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)工況揚程隨葉片數(shù)的變化關系也是線性的，這就驗證了滑移系數(shù)與葉片數(shù)成線性關系是正確的。說明本文方法是合理的。Stodola、Wiesner經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)工況揚程與葉片數(shù)呈線性關系的實驗結果相違背。
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)工況揚程。由圖可見，滑移系數(shù)隨葉片數(shù)的變化規(guī)律與揚程隨葉片數(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。總體上，輸送粘油時滑移系數(shù)與葉片數(shù)的關系基本還是線性的。
圖4表示不同葉片數(shù)條件下，滑移系數(shù)隨粘度的變化關系曲線。由圖可見，滑移系數(shù)隨粘度的變化關系曲線取決于葉片數(shù)。當葉片數(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。當葉片數(shù)中等(Z=5)時，當粘度在20～100cSt范圍內，滑移系數(shù)達到最大值，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的相對環(huán)流強弱和葉片表面摩擦損失。葉輪內的相對環(huán)流越小，滑移系數(shù)越大，摩擦損失越大，滑移系數(shù)越小。當葉片數(shù)較少時，葉輪流道內的相對環(huán)流比葉片數(shù)較多的葉輪強，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)流的強度控制，受摩擦損失影響較小。當葉片數(shù)較多時，葉輪流道內的相對環(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。當液體粘度增大時，葉片數(shù)較少葉輪內的相對環(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系。當粘度低于200cSt時，Z=5葉輪水力效率比其它葉輪高；當粘度高于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 機械效率 圖8表示不同葉片數(shù)時機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)對泵的機械效率影響比較小。根據(jù)容積效率、水力效率和機械效率隨粘度變化關系可知，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)時機械損失隨粘度的變化情況。將圖8中的機械效率轉化為機械損失，并表示成機械損失占軸功率的百分比。擬合實驗數(shù)據(jù)，得到機械損失經驗公式。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械損失的主要方面。根據(jù)流體力學中圓盤損失理論解，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。
由于泵機械效率隨粘度的增加而迅速降低，即泵效率逐漸被機械效率所控制，所以如何提高輸送高粘度粘油的泵機械效率，即如何降低葉輪圓盤摩擦損失是離心油泵性能研究的關鍵問題。
3 結論
(1) 理論分析和實驗結果都表明，當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)對容積效率和機械效率影響比較小，它通過改變葉輪滑移系數(shù)和水力效率來影響泵的水力性能。(3) 機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鍵。
