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再生液环泵的回顾以及设计和性能的进展

1. D.Karlsen Davies，G.A.Aggidis

——兰开斯特大学可再生能源和流体机械集团，工程部，兰开斯特LA1 4YW，英国

亮点

·检查了再生液环泵的工作原理和应用领域。

·突出了再生液环泵的操作优势。

·回顾了再生液环泵的性能挑战。

·介绍了再生液环泵几何参数的发展和改进。

·未来的研究重点是放在提高效率的整体方法上。

文章信息

文章历史：

2015年8月19日收到

2015年12月8日收到修订版

接受日期：2015年12月13日

2015年12月28日在线发布

关键词：

再生液环泵 自吸泵 计算建模 实验建模 性能挑战 设计优化

摘要

再生液环泵是一种旋转动力机械，它能够在一个叶轮级内以相对较低的流量产生较高的压头。尽管这种类型的泵的确切工作原理是一种尚未完全理解的现象，但是在液体泵送领域已经广泛应用了一个多世纪。尽管效率较低，但由于制造成本相对较低、简单、可靠性高、较强的启动性能，再生液环泵与其他类似的泵相比有许多优势，并且在许多应用中可以提供更有效的替代方案。提高效率是减少能源消耗并最终应对全球气候变化的关键。本文对再生液环泵的发展、性能挑战和设计改进进行了广泛的综述，特别是在提高泵的生命周期效率方面，以期对今后的研究和下一步工作提供一些有益的见解。

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1.介绍

泵是欧盟工业部门最大的电力使用机械^[1]。欧洲委员会在2001年开展的一项关于提高泵效率的研究^[1]中发现，泵每年消耗的电力高达160 TWh，相当于工业和商业用电总量的14％。在2008年这些泵浪费的能量高达46 TW h ^[2]。

离心泵约占泵全部能耗的73%。和离心泵一样，再生液环泵是一种动力机械。然而，它可以在许多应用程序中提供更有效的替代方案^[3]。尽管与其他类似的泵相比具有许多优点，但再生液环泵的主要挑战之一是理解工作原理和提高工作效率。此外，必须充分了解由于腐蚀、气蚀和自然磨损引起的降解效应，因为它与泵的效率密切相关。在远离最佳效率条件的操作过程中，磨损率往往更大。例如，在运行的前五年，大型清洁水泵的效率平均每年下降5%，一定程度上的原因是磨损^[1]。因此，不仅要改进的水力设计，而且要在整个泵的寿命周期内评估效率降低参数。本文是利用计算建模技术对再生液环泵进行寿命周期评估的一部分新研究，以提高其可靠性。

再生液环泵是一种旋转动力泵，它将叶轮的机械动力与离心力结合在一起^[4]。通过叶轮和泵送流体之间的动量交换实现了扬程的增加^[3]。然而，与离心泵相比，压力上升发生在外围而不是径向^[5][6]。也许真正区别再生液环泵的是它在一个叶轮级中以相对低的流速开发高扬程的能力^[7][8]。它具有与另一种泵分类相似的工作特性，即正排量：功率与扬程成正比，在关闭时需要最大功率，而且扬程容量曲线非常陡峭，几乎笔直^[4][9]-[11]。

在文献中，再生液环泵有时也被称为外围泵、侧槽泵、水环泵、液环泵、阻力泵、涡轮泵、牵引泵、切向泵、涡流泵和爪式泵，通常反映出几何设计的变化或对工作原理理解的偏好^[9][12][13]。

图1显示了一个通用再生液环泵的示意图。它由一个带有环形通道的径向剖分壳体和一个叶轮[10]组成，叶轮周围有几个通常为20–50^[7]的径向叶片。环形通道有时分为侧通道（叶轮两侧的通道）和叶尖通道（叶轮周围的通道）。

入口（吸入口）和出口（排出口）由一个“汽提塔区域”隔开，该区域与叶轮之间具有紧密的间隙，防止流体从出口回流到入口，因此只允许叶片之间的流体通过。叶轮盘和泵壳之间的间隙保持在最小值，以防止高压侧泄漏回低压侧^[12][15][16]。

压头的增加是通过叶轮和流体之间的动量交换来实现的。流体在叶片中循环，如图2所示。从侧面通道沿平行于机器轴的方向进入下叶片空间的流体在叶片尖端径向排出之前，由旋转叶片接收角动量。然后，叶片腔流体将角动量传递给环形明渠中的外围流动，环形明渠由旋转叶片产生的剪切力驱动。传递所有动量的流体再次沿靠近叶片轮毂的轴向进入下叶片空间。这种能量交换过程从入口到出口重复进行，因此静压继续增加。于是，流体沿着螺旋通道流经整个流道（图3）。正是这种流体（可再生）的重复运动，使得这些泵能够在单个叶轮级以相对较低的比转速产生较高的压头。

2.背景

2.1 历史

由于再生液环泵的名称和形式众多，很难准确确定何时发明的再生液环泵。也许在英国最早使用再生操作原理的概念的是Imray ^[18]的螺旋泵。它由一个桨形轮组成，在圆柱形壳体内旋转，具有固定叶片，类似于平行流动涡轮机，它在进入车轮之前引起工作流体的螺旋流动模式。Imray的螺旋泵^[18]后来被Molloy ^[19]和Addison ^[20]以自吸泵的形式应用，但是在Addison的版本中，叶轮轴偏心地安装在套管中（类似于图4）。后来发现它比同心安装的叶轮效率低^[21]。

再生泵的确切工作原理一直是多年来引起许多研究人员兴趣的事情。至今已经使用各种理论模型，实验测试研究和最近的计算建模技术对其进行了研究。

理论模型是快速评价不同几何参数的良好工具。然而，由于简化的假设和对实验校正数据的需要，它们无法以实际的方式捕获流量，这对性能预测有重大影响。20世纪40年代和50年代光明实验工作^[22]–[25]利用流动可视化（图5）成功地确定了流动模式的性质，但与其他任何实验程序一样，它们可能耗时且成本高昂，更不用说捕捉足够的细节的问题了。计算模型与理论和实验确定的参数具有良好的相关性。虽然先进的计算工具成本低且更耗时并且具有高重复性，但实验测试是有益的。然而，与所有方法一样，它也有其缺点。通常，由于处理能力的限制，需要简化建模的几何形状，例如在细节区域中应用粗网格，但这可能导致不准确^[6]。

有两个主要的理论模型来描述再生泵中的流量，每个模型都依赖于一组基本假设。这些模型可以根据流动模式的机制进行分类：湍流或角动量交换。湍流混合理论^[27][28]认为湍流机制是流动的主要驱动力。在该理论的一些变型中，湍流应力通过混合长度理论传递，而在其他情况下，假设在叶轮和流体之间以及流体和壳体之间产生湍流剪切应力。在20世纪40年代进行的流动可视化研究中^[22][23]表明，流动遵循从入口到出口的子午平面中的螺旋形图案（图3），这是由叶轮离心场引起的。Senoo ^[27]和Iversen ^[28]提出的理论无法直接描述这种螺旋流动路径。

循环-动量交换理论^[29]指出，流体在叶轮中获得动量，并通过循环将其传递给环形通道中较慢移动的流体（图2），从而增加沿环形通道的压力。 然后流体以较低的角动量重新进入叶轮。尽管排除了阻力和剪切应力的影响，但该理论已被认为足以描述内部流动机理并且已成为迄今为止大多数出版物的基础。卡尔森和阿吉迪斯^[30]对再生液环泵工作原理的研究进行了更详细的回顾，但表1给出了总结。

图1.典型再生泵的示意图[14] 图2.显示流动循环的通道横截面[17]

图3.套管横截面显示螺旋流动模式[17] 图4. Addison液体环泵的示意图，带有偏心安装的轴[21]

图5.使用有机玻璃的流动可视化研究[26]

表1 用于分析再生工作原理的方法的比较（参考文献指的是每种分析模式中的重点工作）

*列出的参考文献仅包括主要使用实验研究的研究; 它们不包括理论/数值模型的实验验证/比较

2.2 应用

再生液环泵的主要使用领域是液体泵送^[12][21]和输送水^[27]，但是已经进行了相当大的修改，应用也多样化。今天，再生液环泵履行了一系列的职责^[12]，再生工作原理也应用于压缩机和涡轮机的形式。

再生液环泵特别适用于低粘度、清洁液体应用^[10][31]，需要低流速和相对较高的压头。与具有相似叶尖速度的泵相比，它们仅使用一个叶轮来提供多级能力从而提供了更高的扬程^[13][15]。通过在公共轴上结合多个泵级，可以进一步提高扬程^[11]。

它的效率与比转速非常低的离心泵相比是有利的，但对高比转速的大型泵来说则要差得多。由于易于制造、成本相对较低、设计紧凑、运行条件稳定、吸力特性优良、无内部约束的高温性能、使用可靠和良好的启动性能^[16][32]，高效显得并不是那么重要，因此它是一种极具吸引力的选择。

一般而言，再生液环泵可用于生物医学泵送，冷凝水回收，微型涡轮机，汽车和航空燃料泵送，运输和采矿，污水坑服务（清洁水），洗衣机，洗车机，啤酒厂，喷雾系统，化学和食品加工工业，控制、润滑和过滤调节等领域，增压系统，炼油厂和船舶（饮用水），制冷，航天器低温应用，氢气管道，飞机和导弹的辅助驱动，以及作为再生鼓风机的其他应用。在低压系统中，可以使用小型增压泵（例如再生液环泵）来获得高压流量，并允许系统的

资料编号：[3285]