车用液体加热器循环水泵性能的试验分析

2011年第10期农业装备与车辆工程No.10 2011 .(总第243期)AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINC(Totally 243)doi: 10.3969/j.ssn.1673-3142.2011.10.006车用液体加热器循环水泵性能的试验分析郭彬',逄学艳',毛华永',郝胜兵",王伟2(1.山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061; 2.河北安吉宏业机械股份有限公司,河北泊头062150)摘要:对数种车用液体加热器循环水泵进行了台架试验,分析对比了水泵特性,讨论了影响水泵扬程的多种因素。关键词:加热器;循环水泵;水泵性能;试验分析中图分类号:TK402文献标识码:A文章编号: 1673-3142(2011)10 0018-05Experiments and Analysis of Water Circulating Pump Performance for Vehicle Liquid HeaterGuo Bin', Pang Xueyan', Mao Huayong', Hao Shengbing', Wang Wei?(1. School of Energy and Power Engineering, Shandong University , Jinan 250061 ,China;2. Hebei Anji Hongye Machinery cO. LTD, Botou 062150,China)Abstract: Assessment experimental researches are carried out on several water circulating pumps of vehicle liquid heater. Theperformance of pump is analyzed and compared, and then the influencing factors of pump head are discussed.Keywords: heater; water circulating pump; pump performance; experiment analysis0引言车用加热器作为- -种独立的供热装置，已被10广泛用于汽车、军用装甲车船舶等各种运载机械在冬季(或寒冷地区)取曖、发动机冷启动预热和风挡玻璃化霜等。循环水泵是液体式加热器能否保证正常供热的重要组成部分。为了了解加热器循环水泵的现有特性,作者对国产YJP(T)-Q系列车用加热器及德国--同类加热器的循环水泵进行了试验对比分析。1试验装置及方法图1水泵试验装置示意图试验是在图1所示作者自制的简易试验装置1.水箱2.进水阀门3.真空表4.压力表5.水泵6.闪光测上进行的。该试验装置主要包括水箱、进出水调节仪7. 直流功率表8.出水阀门9.直流可调稳压电源阀LZB- -50型玻璃浮子流量计Y-150(正)压力10.浮子流量计表.YE膜盒(负)压力表、SX48-DP直流功率表、出水口直径为φ30mm(德国泵同),而YJP-Q32/JC17330直流稳压电源、SC-8B型闪光测速仪等。2.2- -CD型泵,其进、出水口直径为中20mm。试验试验所用水泵型号为YJP-Q32/2.2型和中将以上两种型号各3个泵和一个德国泵进行了YJP-Q32/2.2-CD型,及一个与YJP-Q32/2.2型相相对比较试验。对YJP -Q32/2.2型泵编号为01#、近的德国泵。以上水泵均为单吸单级、半开式低02#、03#;而YJP- -Q32/2.2- -CD型泵的编号为11#、压泵。YJP-Q32/2.2 型与YJP- Q32/2.2- -CD型水泵12#、13#。的叶轮及电机等均相同,唯-不同的是二者进、出因试验所用加热器水泵属微型泵，其叶轮外水口的直径不同。其中YJP-Q32/2.2 型水泵的进、径仅中46.5mm,电机功率约100W左右,而叶轮是收稿日期:2011-07-07直接安装在电机的悬臂轴上,因试验手段所限,没作者简介:郭彬(1985- ),男,山东潍坊人,在读硕士研究生,目前能测量轴功率,仅测了电机功率。主要从事车用加热器的研究。中国煤化工- 18-MHCNMH G郭彬等:车用液体加热器循环水泵性能的试验分析2011年10月试验过程中,进水阀i]全开,由可调直流稳压德国泵,以上三线均为最低,其中德国泵在最大流电源调节水泵转速，通过调节出水阀[ ]开度并配量点时的功率比03#低22% ,而比01#低26%,这合调节电源电压来调节水泵流量。每个测点均待对节能、低碳具有重要意义。工况稳定后迅速记录各参数值。h =20mm2试验结果与分析图2是水泵距水面高度h=20mm时额定电压(24V)下的流量特性曲线。该图可认为是在装机应品用时,水泵随着系统阻力的不同而变化的实际工作特性。n-3700r/min 1 40 。h=20mm24120-国40R 60-告203800图3 3700r/min流量特性300盟图4为变转速特性。随着转速n的增大,其水电压24V流量q.、出口静压px及电压U、电流1、功率p均要80是上升的。大口径泵的水流量和出口静压大于小口径泵,但其电机功率也略大于小口径泵。德国泵流量q,/m2.h的电压、电流与功率最小,而流量和出口静压则与图2额定电压时流量特性大口径泵相近。由图2可看出,随着水流量q。的增大,因水5.6≤4.85泵负荷增大,其电机的电流I和功率P增大,但转医4.0速n和出口静压ps呈下降趋势。在常用的最大流"3.2量点,进、出水口直径为φ20mm的12#和13#泵比进、出水口较粗的φ30mm泵02#和03#的流24 3量略小,其出口静压也略小,但小流量时则出口静-o- 02*4压略大于大口径泵02#和03#。且出口静压曲线.较大口径泵略陡，这对应对较大的管路阻力变化时略显有利。而德国泵最高点流量最大,其静压曲-0- 03#|120店线走向与国产大口径泵相似,但略高于大口径泵。80有在相同水流量下，大口径泵02#和03#的转速和-德泵电机电流略大于小口径泵12#和13#，功率各有大有小。而德国泵转速最高，但电流和功率却最低,这说明德国泵的电机性能最好。3300 3600 3900 4200 4500转速n/r. min'图3是3700r/min定转速流量特性。可以看图4变转速特性出,各泵出口静压ps的变化趋势与额定电压下的试验中做了额定电压24V时不同水位对水泵流量特性曲线相似。其电机电压U、电流1、功率P性能的影响。从图5看，水位对水流量及电流、功均随水流量q。的增大而增大，但在同样转速下的率和转速等基本影响不十，出门静乐与水位呈线中国煤化工THCNMHG -19-2011年第10期农业装备与车辆工程.01#家2惠3.4 t--0-20510品16Fg-90-1200 出电压24Vh=820mm-1800古-3700 's3600 5500最3400 3600 3800 400 420044000转速n/r. min'图701# 泵扬程与转速的关系水位7h/mm804300r/min后则负压变化较快。若继续大幅提高转15 水位h对性能的影响速会使空化(也称汽蚀)余量NPSH(Net Positive性增大,小口径水泵比大口径泵出口静压略低,但Suction Head)减小,从而增大空化出现的可能。另其流量却低得较多,约低7%左右。外,也会使功耗大幅上升,效率下降,故很高的转图6为01#泵在不同转速时压力与流量之关.速是不可取的。系图。由图可看出,进口静压只在4500r/min且为3扬程分析该转速较大流量时其负压才有显著变化，而在低于4500t/min时其负压基本变化不大。水泵的扬程图8是试验用YJP-Q32水泵叶轮结构及进、和出口静压在各转速下基本呈平行、等距走势,但出口速度示意图。该泵叶片是由两段圆弧r和r2.由4300r/min升高至4500r/min时,其二者压力几构成的双圆弧圆柱形叶片,其出口安放角Bun=31°乎相当，这有可能是随着转速的上升其流动损失<90*,属后弯叶片。迅速增大所致。由此可见,现有水泵如欲通过进一Bu=31°=步提高转速来提高其扬程已受到限制。3w=-23*6001=: 50 ，如124030蟊图8叶轮结构与进、出口速度示意图20号装车使用中，加热器水泵是在额定电压24V,转速约为n=3600~3700r/min的单点工况下运行目-1000的。将试验所得额定电压下最大流量q。和最大流口-2000量下与之对应的扬程H&代人我国惯用的比转速3000 !n,=3.65nq,1/2/H.3/4 式可得:YJP-Q32/2.2型水泵流量q:/m°.h"'n,=300~320,德国水泵约n,=330,均超出所定义的图6不同转速时压力与流 的关系离心泵高比转数的上限300,已进人混流式水泵图7是01#泵变转速特性。该曲线是由不同范围。但考虑到比转速值尚属混流泵n,=300 -500转速下最大流量,及最大流量所对应压力值绘制。的 下限,且实际水流仍为径向经蜗壳输出，故以下可看出,流量随转速呈线性变化;进口负压在转速仍以离心泵的相关理论予以分析。小于4200r/min时也基本呈线性变化，但当高于水泵的欧拉能号方智/甘本古州去出式为:中国煤化工- 20-TYHCNMH G .郭彬等:车用液体加热器循环水泵性能的试验分析2011年10月(Stodola),普夫列德尔(C.Pfleiderer)和斯基克钦H=I (upxm-41)=- (21.)+gg“(Stechkin)公式。提出较早(1927年)且应用较多衣(uz3-u7)+ 2x (wn3-w2=2)的斯托道拉公式为:=Hs+Hs=Huo +Hs +Hgm(1)K=1- uysinBz(2)式中H一理想液体单位时间内通过无穷多叶式中z-叶片数,其它含 意同前所述。片叶轮后所获得的能量(为理论扬程,与流体的种将试验用水泵有关参数代人(2)式后,得K=类和性质无关),m;g--重 力加速度,m/s?;w、u、0.595。用该K值对式(1)修正,得试验用水泵的理相对速度、牵连速度和绝对速度,m/s;论扬程H,=Kk=2.488 m。由此可见,仅轴向涡流的Hao一动扬程, 是液体流经叶轮后的动压增量,影响，即使无限多叶片叶轮的理论扬程降低了m;Hs----势扬程 ,是单位重量液体流经叶轮后的40.5%。势能增量,m;Hs-进 、出口圆周(牵连)速度不从式(2)可看出,通过碱小Bus和增大z可提同所致的势能增量,m;Hgo-叶 片流道截面增大高H,值。另外,减小B2u还有使扬程-流量曲线变致使液体相对速度下降而转化为势能的增量,m。化较陡的效果，这对应对运行中流道阻力的变化若动扬程Ha大,则表明流体在叶轮出口处是有利的。的绝对速度U2a大,这意味着高流速会使水力损失水泵的实际扬程Hp可应用柏努利方程，即:增大,泵效率降低,故从提高泵效率的角度,- -般并不希望Ha过大。所以对于叶片泵而言,通常希“ pg2g”-+(Zr Z)(3)望势扬程Hsw大-一些。扬程中动扬程与势扬程二式中 Hr一 扬程， 是受单位重力作用的液体流者之比例与叶轮出口安放角Bas有关。转速和流量经泵后所增加的能量,m;Pr--水泵出口 表压，相同时，其前弯叶片所获扬程最大，后弯叶片最Pa;pr--水泵进口 表压, Pa;er-- -出口平均水流小。βuy>90°时,可有最大的扬程值,但此时液体能速度,m/s;cr-进口 平均水流速度,m/s;p-液量全部为动能,其水力损失大,效率低;βx=90° ,可体密度,kg/m';g--重 力加速度,m/s?;Zz---出 口.动、静扬程各占一半;而Bu<90时,其静.动扬程压力表表面中心至基准面(如水泵中心轴线)的垂所占比重为静扬程大,动扬程小，水泵效率高。直距离,m;Z--进口压力表表面中心至基准面试验用水泵Bu=31°。将YJP- -Q32/2.2型水泵.的垂直距离,m。有关参数代人(1)式后,得Hm= 4.181m。其中Hw=将试验用YJP-Q32/2.2型01#水泵测量值代2.0883m;H=2.0895m;Hy=l.72x10~'m。基本是动人(3)式得Hs=1.851。比上述有限叶片泵理论扬程势能与静势能分别占半。H,下降了25.6%。可见水泵除相对涡流损失外还式(1)是在一元理论假设叶片无限多时推出存在其它损失。其它损失主要有叶轮与泵壳内壁的。对于实际叶片有限多的叶轮,由于流体惯性的粗糙度所产生的摩擦损失;因水泵出、进口压力差作用，会在每两个叶片之间的流道中产生相对涡产生泄漏而造成的容积损失;以及流动中伴有的流。该涡流致使叶轮出口处的相对速度不再沿无水力摩擦损失、冲击、脱流、速度大小和方向变化限多叶片时的切线方向，而是向叶轮旋转相反的等所引起的水力损失等。表1为试验水泵进、出口方向滑移一个角度,从而使出口流动角βr小于叶流速和不同压力对比- -览表。片安装角B",其出口速度三角形发生改变,最终通常水泵的扬程与流量是根据使用要求来确导致有限叶片理论扬程H,小于无限叶片理论扬定的,而转速则是针对所要求的扬程和流量，同时程Hm。故一般须用修正系数对基本方程进行修考虑吸人性能后在设计(或选定)泵时应确定的。正。常用的修正系数有滑移系数σ和环流系数K。转速确定后,可按比转数式决定比转数。比转数n,确定修正系数的公式不少，我国也有文献提出新是决定叶轮形状、泵特性的重要指标4。如当水泵的修正式凹。但σ和K至今尚无精确的理论计算的转速和流量一定时，比转速n,越小，则扬程越式，目前多采用经验公式。国外常用的是威斯奈高。因此,根据能量方程式,必须增加叶轮外径D,(Wiesner)公式用，而我国常用的有斯托道拉减小叶轮出 口宽度bn所以低比转谏的叶轮直径中国煤化工TYHCNMHG -21-2011年第10期农业装备与车辆工程.表1水泵流速与压力一览表01_(m/s)V2(m/s)u(m/s)us(m/s)weo(m/s)w2-(n/s)H.(m)H(m)He(m)6.1988.910 .6.1998.9124.1812.488(↓40.5%) 1.851( ↓25.6%)比D/D。较大,而b/D2较小,其叶型变得窄而长。随略高些,约较国产泵高3.7%左右。以上与德国泵着n,的增加,流量增大,扬程减小,亦即b2D2增的差距，初步认为应主要是德国水泵电机的性能大,D2Do减小，其叶型变的短而宽。当n,>300时,此优于国产泵,故国产电机还大有潜力可挖。时叶轮的出口边就会变得倾斜而成为混流式泵问。就水泵自身性能而言,国产泵与德国泵似无叶片包角中(见图8)因会影响叶片的几何形太大差异,二者有限叶片理论扬程H,均比无限叶状改变流体在叶片出口处的滑移,而使流体液流片理论扬程Ha小很多,其实际扬程H#比有限叶角发生改变导致泵性能变化。叶片包角过大,会增片理论扬程H,亦均有较大差距,故在叶轮的改进大叶片摩擦面积,不利于提高泵的水力效率;而过上还均有工作可做。小又会降低叶片对流体的控制能力和液流的稳定参考文献性,也不利于提高泵的效率1间。故在叶轮外尺不变的情况下,存在最优包角”。文献[8]通过多元回[1] [美]gor J.Karassik.泵手册(第三版)[M].陈允中,曹占友,邓国强,译.北京:中国石化出版社,2002:270.归法得出叶轮出口宽度b2、出口安放角βu、叶片[2]何希杰,劳学苏离心泵理论扬程修正系数的再研究[J].水泵技数Z、叶片包角φ和叶轮外径D2等5个参数中,术,1997(4);13-15,33.D2对扬程的影响程度最大, Z影响最小，依其影[3]李舂.水泵现代设计方法[M]. 上海:上海科学技术 出版社,2010:51,63.响的重要程度的大小排序为D>b>B2x>@>Z。[4] [日]乘装置手册编辑委员会.泵装置手册[M].张树荫, 于富禄，4结束语译:北京:机械工业出版社, 1992:1.通过对国产车用加热器，及德国同类车用加[5]安连锁,吕玉坤.泵与风机M].北京:中国电力出版社, 2008.[6]张翔,王洋,徐小敏,等叶片包角对离心泵性能的影响J.农业热器循环水泵的对比分析，认为德国水泵较国产机械学报,2010.41(11):34- 42.水泵的功耗小，在其额定电压(24V)最大工况点,[7] 杨华,刘超,汤方平,等.不同叶片包角的离心泵试验与教值模德国泵比国产泵之功率低20%以上;而因在同样掀J].机械工程学报,2007 ,43( 10): 166-169.额定电压时其德国泵的转速略高些，故其流量亦[8} 何希杰,劳学苏离心乘诸参敷对扬程影响程度的研究[].水泵技术,2000(4):7-8,21.欢迎订阅2012年度《农业装备技术》杂志欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告《农业装备技术》杂志由江苏大学农业装备工程研究促进农业装备技术水平的提高。院主办,是经国家科技部、国家新闻出版总署批准公开发《农业装备技术>主要栏目:装备工程、现代农业、设行的科技期刊,列入CNKI中国知识基础设施工程,为中计与工艺、农业开发、机手之友、热点问题、适用技术、四国学术期刊综合评价数据库统计源期刊、中国核心期刊新集萃、展望预测、信息窗等。(遴选)数据库全文收录期刊、中国期刊全文数据库全文收《农业装备技术》杂志为双月刊,大16开64页,每录期刊、中国学术期刊综合评价数据库全文收录期刊。期定价8.00元,全年48元。由本杂志社发行部自办发行,《农业装备技术》杂志面向新世纪农业现代化发展订款可通过邮局或银行直接汇款到《农业装备技术》杂志的要求,宣传党和国家有关方针政策,为提高我国现代化社订阅。农业装备水平，促进农业工程技术与生物技术的协调发地址:江苏省镇江市学府路71号展及其各相关因素的优化结合,加强农业的物质技术基邮编:212003电话:0511-84403490础,开展现代农业装备及相关技术的研究与交流,介绍推开户银行:江苏省镇江市农行城南分理处广先进实用的科技措施和生产技术，交流国内外先进技帐号:319001040007506术、先进装备科研新成果及发展动态,促进农机企业及E- -mail:nyzbjs @ sina.com产品的宣传与交流,传授科技致富经验，传播科技知识,中国煤化工-22-MHCNMH G