1998年6月农业机械学报第29卷第2期泵内圆盘摩擦损失实验研究李巍徐忠陆逢升【摘要】当封闭空腔内圆盘顶部径向间距保持不变时,在轴向间距、旋转雷诺数不同情况下,对旋转圆盘的摩擦损失进行实验研究,结果表明:轴向间距增大会增加圆盘摩擦损失;随着旋转雷诺数增加,摩擦转矩系数逐渐减小;粗糙度增大使圆盘摩擦损失增加。最后,以轴向间距比、旋转雷诺数为特征参数推导出摩擦转矩系数的经验计算式。叙词:泵摩擦损失功率引言在我国干旱少雨丘陵、高原地区,经常需要选用具有高扬程特性的低比转数离心式农用水泵进行农田灌溉。当比转数小于140时,圆盘摩擦损失在轴功率中所占的比例迅速增加,几乎在比转数的全部范围内,圆盘摩擦损失约等于容积损失的一倍[1],因此降低圆盘摩擦损失对提高水泵机械效率具有重要意义。圆盘摩擦损失是由于泵内叶轮旋转时,其两侧盖板表面与泵壳体内流体间产生摩擦损失。在低比转数泵内,它是机械损失中的主要部分。早在30年代,Schultz2Grunow、Zumbusch详细给出圆盘摩擦转矩系数变化的实验曲线。1960年,DailyJW&NeceRE[2]从理论和实验角度分别进行研究,并给出计算摩擦转矩系数的理论和半经验公式。1961年,Pfleiderer[3]研究结果表明:圆盘摩擦损失与流体密度、叶轮转速的三次方及其外径的五次方成正比,因此摩擦损失随叶轮转速及外径的增大而急剧升高。本文用封闭空腔内旋转圆盘运动作为泵壳体内叶轮轮盘运动的一种简化形式。通过对此封闭空腔圆盘摩擦损失研究相应获得轮盘摩擦损失的变化特性。1实验设备与测量仪表111实验系统图1所示为实验系统示意图。整个系统采用卧式布置。空腔由左、右两部分壳体用螺栓连接封闭而成,旋转圆盘安装在此封闭腔内。在右侧壳体外壁面上加装O型圈保证良好密封。沿左侧壳图实验系统示意图体内壁面导向连续移动右侧壳体以改1收稿日期:1997206218李巍西安交通大学能源与动力工程学院流体工程系博士生,710049西安市徐忠西安交通大学能源与动力工程学院流体工程系教授博士导师陆逢升西安交通大学能源与动力工程学院流体力学教研室教授第2期李巍等:泵内圆盘摩擦损失实验研究95变空腔壁面间的轴向间距S。其中:①直流电动机,带动圆盘旋转;②ZJYW1型数字式转矩转速仪和ZJ型转矩转速传感器,转矩转速传感器直接感应转轴产生的扭矩,转矩转速仪作为转矩、转速的显示仪表;③旋转圆盘;④外壳,用7mm厚钢板、钢管焊接而成,封闭空腔内径D2=230mm;⑤进水孔、排气孔,保证实验过程中工质充注及气体排放。112实验设备与测量仪表采用直流电机和KZD21型小直流晶闸管无级调速装置实现对电机转速0～2000römin连续调节,所以实验是在不同旋转雷诺数下进行。实验过程中由ZJYW1型数字式转矩转速仪和ZJ型转矩转速传感器实时采集转轴转速及其传递的转矩。旋转圆盘用来代替叶轮轮盘,采用7mm钢板制成。根据常用农用水泵型号[4],设计的旋转圆盘直径D1=220mm,圆盘顶部径向间隙为5mm,圆盘与壳体左壁面保持10mm距离不变,与壳体右壁面间距离可连续调节。圆盘通过电机带动实现转速0～2000römin连续调节。在左侧壳体轴承盖的内孔上加装铜套,使轴、孔良好配合,减小机械摩擦损失和流体泄漏。圆盘表面由于水的侵蚀被不断锈蚀,因此在实验中需考虑表面粗糙度对圆盘摩擦损失的影响。实验中选用水作为间隙流场内的工作介质。由于实验在封闭系统中进行,为防止实验过程中因流体温度升高而造成误差,每进行一组实验均需要重新注水,使介质保持常温。2实验结果及分析实验结果中,作用在旋转盘上的圆盘摩擦损失功率可表示为N=MõX式中M——圆盘摩擦转矩,可由转矩表直接测量得到X——圆盘旋转角速度无量纲摩擦转矩系数Cm可表示为125Cm=M(QXR1)ö23式中Q——介质密度,kgömR1——旋转圆盘半径,m211空腔轴向间距、旋转雷诺数影响实验中轴向间距S从4mm～25mm变化,相应的轴向间距比SöR2为0103636～0122727。图2示出不同SöR2下,摩擦转矩系数与旋转雷诺数Re的关系曲线。图3示出SöR2分别为0103636、0113636、0122727时,圆盘转速n与圆盘摩擦损失N间关系曲线。图2实验结果表明:Cm随着SöR2减小而降低;相同SöR2时,Cm值随Re增大而减小。图3实验结果表明:圆盘摩擦损失随圆盘转速、SöR2增大而增大;随圆盘转速的增大,圆盘摩擦损失随SöR2变图2无量纲摩擦转矩系数与雷诺数关系曲线图3圆盘摩擦损失与转速关系曲线06农业机械学报1998年化而产生的变