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超过轴流泵流量3.5倍的一种新型水泵——“双三角泵”
来源:聊城市瑞星通风设备有限公司 发布时间: 2019/7/26 9:19:24 【返回上一步】
本页关键词:轴流泵
导语:如今的水泵原理是几百年以来一直沿用下来的,结构大同小异,是它们很完美吗?答案相反,人们在水力机械“泵”上面常常遇到了困难重重的问题,其根本原因就是能力严重不足,破解水泵能力只要做到流量和压力同时提升就行,也就是用液压泵的压力技术去达到离心泵的流量就行,能力越大作用越大。

1 引言

请看双三角泵原理示意图,每个人都会把它看成罗茨泵,其实不然,机械常识告诉我们减速传动优于等速传动的性能,双转子泵(包括罗茨泵)主转子对副转子都不能做到减速传动,而双三角形转子泵的两个转子一大一小做到了减负传动,从而达到了与减速传动同样的优越性能,它不仅噪声大大降低了,而且传动更轻松,更有利于高速运转,引起流量的大幅度提高,居然能超过轴流泵的流量达3.5倍。

双三角泵属于容积泵,在压力(扬程)方面具有先天优势,加上它的非凡流量,导致水泵总体能力得到了根本性的转变,它与离心泵相比在相同功率情况下,体积要小几倍甚至于几十倍。使水泵能力大幅度提高,用途范围更宽。

4 能力与作用

人类社会发展到今天形形色色的科学技术都发生了翻天覆地的变化,唯独水力机械“泵”几百年以来仍然大同小异,因此在很多情况下,在大自然面前人们常常显得束手无策、万般无赖。

(1)大规模的输水问题,南水北调的东线要求总抽水能力要达到10200m³/s,[4]扬程65m,目前能达到 1100m³/s,单机流量15~40m3/s不等,最大达到40m³/s,也就是144000m³/h,这种大流量只有轴流泵可以做到,按平均单机28m³/s计算,现有的1100m³/s就需要30路泵站,每一路需要30级泵站阶梯式安装,一共要900多台泵的泵站群,每一路30台泵,其中任意一台泵有故障,30台泵都不能使用,900多台泵维修工作量是何等的巨大?上述900台还不包括全部抽水量,全部建成需要10000多台泵,人类付出的代价是否太大了。

(2)石油抽吸,一直以来都是用柱塞泵,长长的拉杆达几百米几千米,几十吨重,因此配重也非常庞大,称为磕头机,磕头机的抽油效率只有30%,因为它要背负巨大配重一起运转。陆地上用磕头机,海上则不行,不能背负那么大的配重,因此海油泵一直是在研发过程中,当今使用最多的也是相对较成功的是双螺杆泵[5],双螺杆泵能达到的流量还远远不够,况且体积大,抗杂质能力太差。

(3)大型空压机,通常的空压机都是容积式,以活塞式居多。石油化工合成氨需要达到的流量只能使用离心式压缩机,离心式压缩机由多级构成,体积很大,驱动它的动力转速要达到13000 r/min[6]以上,一般都是用蒸汽机作为动力。如今天然气的输送,也是用这种压缩机,而且用量巨大,过去都是从国外进口,由于价格昂贵,现在我国已经能够自行研制生产这种离心式空压机,然而它的动力要求是一个避不开的麻烦。

三角泵

双三角形转子泵可以简称(三角泵),这种泵转子的状态确实同罗茨泵一样,然而罗茨泵尤其是两叶罗茨泵叶齿交叉量过大,交叉量越大流量就越大,流量大本来是好事,可是它产生了六个不利因素,

一是不能承受高压力,叶齿部分占位过大,使芯轴变得很细。

二是两个转子同样大,对于共轭齿轮和两根轴要承受更大的负荷。

三是两个转子大小均等会产生共振。

四是噪音太大。

五是共振阻碍了转速提高。

六是无法解决密封问题。因为这六个不利因素,所以罗茨泵大多都是用于鼓风机、真空泵或低转速的浓浆泵、砂浆泵。

三角泵属于容积泵,产生高压力容积泵具有先天优势,压力能达到的程度完全取决于密封效果和结构承载能力,该泵把转子做成三角形,缩小了两个转子的交叉量,降低交叉量就是降低了轴的负荷,加上转子做成一大一小,正好主转子大,给主轴的加粗腾出了空间,有利于受力状态的分配趋于合理,所以它的结构承载能力大大提高。三角泵的叶齿交叉量缩小了,虽然会降低一定流量比,然而剩下的叶齿交叉量能达到的流量比也不可小视,根据现有的三角泵经测试,它的流量与体积的比值已经达到了11574,

超过了轴流泵3228流量比的3.5倍,这个数值已经大到难以想象。

为了证实以上的论述,之前已经做了一个尺寸为0.12×0.12×0.15=0.00216m³,重量只有8kg的水泵,测试数据在表中都能见到,流量最大是21.91m³/h,效率最高达到了45.94%,最高扬程达到了100m,使用电机7.5kw,转速2900r/min。

与该泵参数相近的单级离心泵is65—40—315C,体积是1.27×0.97×0.645=0.79m³,重量106kg,流量最大21.4m³/h,效率最高34%,扬程最高92m,使用电机18.5kw,转速2900r/min。

从以上数据不难看出三角泵的各项指标都超过了单级离心泵,效率更高,使用电机更小,尤其是泵体重量小了10倍以上。

需要说明的是上述通过实验的三角泵虽然指标显示它的效率已经超过现有离心泵,然而该泵还并不算成功,因为它还没有达到容积泵应有的效率指标 70%以上。

在制作上述三角泵时有几个方面还有问题。

一、有一个隔离板太薄,承受不了七八十米以上的扬程压力就变形引起泄漏。

二、制作精度远远不够。如果解决了这些问题它的效率会进一步提高,流量和压力都会有更好的表现。

根据三角泵的结构特征和密封方式要使它达到柱塞泵的压力是不可能的,它的特征与滑片泵非常接近,滑片泵最高压力可以达到250bar,三角泵的压力如果能达到200bar,根据推算它的功率比就是63000,比柱塞泵的8740还要高7倍,比轴流泵的76.7要高出800多倍,在相同功率的情况下三角泵的体积要比离心泵小几倍甚至于几十倍,就是这个原因。因为它的流量比超过轴流泵3倍多,压力接近柱塞泵。则压力比超过柱塞泵达6倍多,两个指标同时提升的结果。

液压泵最常用的压力是320bar,扬程高度大约3200米。然而它的流量却很小,按水泵习惯用的单位计量,最常用的还不到10m³/h,因为它的目的是传递动力,无需强调流量大小,流量、压力两者可以优劣互补、单边强势皆能完成能力要求。

水泵的作用是抽水,达到流量就是目的,流量须有压力支撑,能力必须在流量、压力优势一致、强强相配才能完成,厚此薄彼、单边强势无效,没有互补的余地。

结束语

上述举例大规模输水的问题,要用900台轴流泵去完成的抽水量,三角泵10多台就能做到,10000多台轴流泵要完成的抽水量200台就够了。海油泵、大型空压机存在的问题会减少许多,涉及泵方面的难题远远不止上述的三个例子,当然还有其它方面。

原作者附注说明

三角泵确实是一个颠覆性的好项目,它不仅比现有水泵的体积小几倍到几十倍,还能解决水泵的能力问题、降低水泵能耗的问题。三角泵是一个容积泵,与液压泵同属静压泵,它对流体加压的力是挤压力,液压泵的效率高低主要取决于内密封效果,良好的内密封通常都能使它的效率达到90%以上,压力的升高对效率而言影响甚微。

离心泵是动压泵,它对液体加压的力是惯性力,它的效率与工况范围有关,大约100~3000m³/h这个流量范围的效率最高一般可达到70%左右,流量大于或者小于这个范围的效率会相应降低,多数是50%左右,有些只有20~30%,多级离心泵的效率是随着级数的增加而降低,因而扬程越高效率越低。

液压泵如果把转速降低1倍,它只是流量减少1倍,压力不变。而离心泵的转速降1倍,不单流量会减少1倍,压力会降低4倍,这就是动压泵与静压泵本质的区别。

三角泵比离心泵的能耗大约能降低1/3,能够提高水泵的能量转换效率,其意义就非同小可,节能减排不仅是经济的需要也是国家战略绿色、低碳的需要。

在机械传动中增速传动性能是最差的,除非万不得已而且前提还必须是低负荷才能使用,增速的倍数必须小于动力与负荷之比的倍数,否则绝对传动不了。减速传动性能最好,用途最广,当然等速传动性能就介于它们两者之间,双转子泵(包括罗茨泵)主转子对副转子都不能做到减速传动,本人设计的双三角泵其特征在于它的形状,利用主转子的三条边比较平直以缩小副转子的尺寸,从而减小了主转子对副转子的传动负荷,动力分配得到了有效改善,因此没有共振,脉动和噪声同时得到了大幅度降低,非常适合于高速运转,它的工作效率也随着转速的提高而提高,所以它的体积比一般水泵要小很多。

罗茨泵能用于鼓风机,则不能用于空压机,原因主要在两个方面,一方面是内密封存在缺陷。双三角形转子泵采用了主密封片和多个副密封片解决转子与腔壁和主转子与副转子的间隙密封,采用密封环解决主副转子两个侧面的密封,完全是一个新的尝试,虽然这种方法不能与活塞泵的密封环效果相比,但是在解决双转子泵的内密封问题上诚然又前进了一步,这一点我在实验中已经得到了证明。另一方面是承载能力,罗茨泵的两个转子一样大,主轴要承担两倍于副轴的负荷,还因为转子的交叉量过大,使得转子的形状最低处离中心距离非常短,逼退了主轴直径,影响了主轴直径的加大,所以主轴无法承受高压力。三角泵的三条边几乎平直,转子最低处向外得到了扩展,给主轴直径的加大预留了很大的空间,所以它能承受高压力,能做高压水泵或空压机。

两个圆在中心距不变的情况下吻合转动,一个圆某一个点高,另一个圆相对应的点就低,因而形成了有高有低的凸轮转子,双三角形转子泵,是基于主转子大副转子小,因此主转子的三条边就形成了特殊形状,严格说它既不是直线,也不是弧线,而是由许多小弧线构成的曲线,所以我用滚切转动情况下主转子的三条边向外凸出越多,副转子越小,向内凹进越多副转子越大,两个转子形成的吻合运动,在机构学中的专业术语是瞬心线互包络,意思是说主转子和副转子之间有滚动和滑动同时存在。

液压泵有一个特点,给它机械能它就是泵,给它液压能它就是马达。三角泵也是同样,它既是水泵,也是水轮机,并且是高能水轮机,它可以把数千米落差的水力能转换成机械能驱动发电机。

《双三角形转子泵》其作用巨大,如:大规模水利,常用轴流泵一级又一级提高水位,造价安装预算非常庞大,况且一级又一级的泵站能耗损失的叠加浪费惊人。把水泵能力提升上百倍,它能将水一级抽到位,省去多个环节,巨大的管道如若翻山越岭时,虹吸原理及落差的关系会降低能耗数倍甚至于无需消耗能源或许还能发电,一根流量40m³/s的管道从雅鲁藏布江把水送往新疆,落差达到2000m时,其发电量就能超过三峡大坝1台发电机组,经济性、低碳性其价值不可估量,还能保留原有生态地貌,在解决大气日趋变暖的今天,大量使用一次能源冷动力,尽可能避开二次能源热动力,有它无疑又多了一线曙光,这些是阶梯泵站做不到的事情。

水泵的体积能够缩小几倍到几十倍,最直接的一个优势就是它能把水泵的生产成本大幅度降低,一台多级离心泵4DA—8×9型泵体重量有672公斤,销售价能够卖到2000多元到8000多元,而与它同样参数的三角转子泵,泵体重量大约20公斤,如果批量生产成本最多不超过400元,这400元用在离心泵上面买材料的费用都还差得多。如今高层楼房二次供水对高压水泵的用量非常大,而三角转子泵又特别适合高压力大流量的场合,用三角转子泵去替代多级离心泵的应用,能够节约大量的原材料消耗,对节能环保都大有好处。

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