多級(jí)離心泵性能的探討.docx

2011 年 12 月forestry machinery & woodworking equipmentdec. 2011試驗(yàn)與研究多級(jí)離心泵性能的探討趙義， 于文華， 宋 楊， 蔡亞光（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）摘要：綜合考慮了離心水泵的水力損失、容積損失和機(jī)械損失，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了影響多級(jí)離心泵性能的因素，揭示了離心泵使用效率與各因素的關(guān)系，為高效使用多級(jí)離心水泵提供了理論依據(jù)和方法。關(guān)鍵詞：多級(jí)離心水泵；離心泵性能；使用效率中圖分類(lèi)號(hào)：th311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1001- 4462（2011）12- 0031- 03discussion on the performance of multistage centrifugal pumpszhao yi, yu wen-hua, song yang,cai ya-guang（mechanical engineering college of beijing forestry university, beijing 100083, china）abstract：considering the hydraulic loss, volumetric loss and mechanical loss of centrifugal pumps, through experiments, thefactors influencing multistage centrifugal pumps are presented and the relationship between the efficiency of centrifugal pumps and different factors is revealed, which provides theory basis and methods for the efficient use of multistage centrifugal pumps .key words：the multiple centrifugal pump; the performance; efficiency多級(jí)離心泵是各種泵中應(yīng)用最為廣泛的一種，被廣泛應(yīng)用于城市供水、農(nóng)田灌溉、石油化工、森林消防 等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。隨著離心泵技術(shù)的不斷發(fā)展， 其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。在實(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)離心 泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程與所選泵的額定揚(yáng)程不符或發(fā)現(xiàn)其配套動(dòng) 力不足時(shí) （尤其是便攜式多級(jí)離心水泵配備的發(fā)動(dòng)機(jī) 常常由于其功率小，泵的設(shè)計(jì)性能不能得到充分發(fā)揮），如何最大效率地使用離心泵是目前很多人都在研究的課題。本文通過(guò)研究與多級(jí)離心泵性能相關(guān)的因素以 及通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出高效使用多級(jí)離心泵的 方法。1多級(jí)離心泵的損失分析離心泵在把原動(dòng)機(jī)的功率傳遞給液體的過(guò)程中伴有 各種功率損失，所以離心泵的輸出功率小于其輸入功 率，圖1 所示為泵內(nèi)能量傳遞過(guò)程中的各種損失示意圖。 泵的損失包括機(jī)械損失 pm、容積損失 pv 和水利損收稿日期：20110918基金項(xiàng)目：北京市科委共建項(xiàng)目“京郊山地條件下森林火 災(zāi)撲救裝備的研制”!像處理技術(shù)對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行特征提取，采用非圖像方式描述回波的幾何結(jié)構(gòu)，其是一種有效識(shí)別雷暴回波 的方法。作業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，整個(gè)雷達(dá)回波特征參數(shù)提 取算法容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)效性強(qiáng)，具有較好的應(yīng) 用潛力。雷達(dá) t 掃模式提取特征參數(shù)信息比較完整，可 以充分利用這些特征因子定量分析回波的演變趨勢(shì)和 變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)局部地區(qū)天氣變化，開(kāi)展消雷作業(yè)指揮 工作。參考文獻(xiàn)：1 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)m.北京：氣象出版社，2004：314-330.2 徐德祥，王馥棠，蕭永生，等.農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)調(diào)控工程與技術(shù)系統(tǒng)m.北京：氣象出版社，2002：172-178.3 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等，多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用m.氣象出版社，2007.4 廖玉芳，俞小鼎，郭慶.一次強(qiáng)對(duì)流系列風(fēng)暴個(gè)例的多普勒天氣 雷達(dá)資料分析j.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2003，14（6）：656-661.林 業(yè)機(jī) 械與 木 工 設(shè) 備第 39 卷32水力損失是液體在泵過(guò)流部分 （從泵進(jìn)口到出口的通道）的流動(dòng)中伴有的水力摩擦損失和沖擊、脫流， 速度方向及大小改變等引起的損失。離心泵的水力損 失主要由葉輪、壓水室（導(dǎo)葉）和吸水室三部分產(chǎn)生，其 中葉輪和壓水室的損失是主要的，而吸水室內(nèi)的損失 非常小，通?？梢院雎圆挥?jì)。離心泵的水力損失可分為 水力摩擦損失和局部損失。其中摩擦損失又分為葉輪 表面摩擦損失和導(dǎo)葉表面摩擦損失兩部分。這兩部分 摩擦損失通常是按照管道摩擦損失計(jì)算。（1）葉輪表面摩擦損失 s1：gqhpvphppmp=p +p +p +gqhm v h圖 1 泵內(nèi)能量損失示意圖 1 s1fl（）（w1+w2）/4gy（3）失 ph。這三種性質(zhì)不同的能量損失需要用不同的方法來(lái)處理。機(jī)械損失包括葉輪蓋板外側(cè)與水流摩擦所產(chǎn) 生的圓盤(pán)損失以及軸承和密封部件中固體間相互摩擦 所產(chǎn)生的損失。由于后者在泵損失中的比重很小，所以 可忽略不計(jì)。本文所說(shuō)的機(jī)械損失是指水泵的圓盤(pán)損 失，圓盤(pán)損失是流體和旋轉(zhuǎn)的葉輪發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的 能量損失，這部分摩擦消耗了一定的軸功率，影響水泵 的整體效率。圓盤(pán)損失與流體的密度、葉輪的外徑、葉 輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，對(duì)離心泵而言圓盤(pán)損失與葉輪外徑的五 次方成正比。由于離心泵的葉輪出口與進(jìn)口直徑比值 會(huì)隨著比轉(zhuǎn)速的降低而增大，圓盤(pán)損失在軸功率中所 占的比例也會(huì)隨著比轉(zhuǎn)速的升高而加大，當(dāng)比轉(zhuǎn)速在30 左右時(shí)，圓盤(pán)損失將占軸功率的二分之一以上，可見(jiàn) 圓盤(pán)損失對(duì)離心泵（尤其是比轉(zhuǎn)速離心泵）的性能影響 較大，離心泵圓盤(pán)損失的計(jì)算公式為：21式中：f 為摩擦系數(shù)，一般取 0.005；l 為葉片道長(zhǎng)度，l=（d -d）（/ 2cos），d 、d 分別為葉輪進(jìn)出口直徑；12212y1b（d2 ）cos2（/ b+（d2 ）cos2）；222 為葉輪出口角，b 為葉輪的出口寬度；w1、w2 分別為葉輪進(jìn)出口速度。（2）導(dǎo)葉表面摩擦損失 s2：1s2f （d3d1）/2cos3（）（c3+c1）/4gy（4）22式中：y2（b3 d3 cos3）（/ 3zd3 cos3）；d3 為導(dǎo)葉進(jìn)口直徑；3 為導(dǎo)葉進(jìn)口角；z為導(dǎo)葉的葉片數(shù)；b3為導(dǎo)葉的出口寬度。2提高水泵性能的措施離心泵的性能主要用泵的效率、揚(yáng)程、軸功率和汽 蝕余量來(lái)衡量，本文主要研究前三項(xiàng)。離心泵的總效率 mvh，要提高所選離心泵的總效率，需要提高離 心泵的機(jī)械效率 m、容積效率 v 及水力效率 h，從上 述的離心泵各項(xiàng)損失中可以看到影響這三項(xiàng)的主要因 素是泵的轉(zhuǎn)速 n、揚(yáng)程 h 以及流量 q。在實(shí)際使用過(guò)程 中，由于多級(jí)離心泵受配套發(fā)動(dòng)機(jī)和重量的限制（特別 是森林消防用多級(jí)離心泵），轉(zhuǎn)速一般達(dá)不到設(shè)計(jì)要 求，在這種情況下應(yīng)控制離心泵的揚(yáng)程和流量以達(dá)到 最大效率地使用水泵的目的。多級(jí)離心泵自身因素對(duì) 性能的影響很復(fù)雜，目前還沒(méi)有理論公式可對(duì)其性能s=f（3 d2 /2）2/q0（1）式中： 為流體密度；f 為摩擦系數(shù)，一般取 0.005； 為角速度；q0 為設(shè)計(jì)流量；d2 為葉輪的出口直徑。容積損失本質(zhì)上是一種流量的損失，它使得泵出 口的流量小于流經(jīng)葉輪的流量。水泵輸入的水力功率 用來(lái)對(duì)通過(guò)葉輪的液體做功，葉輪出口處液體的壓力 高于進(jìn)口壓力，出口和進(jìn)口的壓差使通過(guò)葉輪的一部 分液體從泵腔經(jīng)過(guò)葉輪密環(huán)（口環(huán)）間隙向葉輪進(jìn)口逆 流。這時(shí)，通過(guò)葉輪的流量 q0 并沒(méi)有完全被輸送到泵的出口，其中泄漏量 q 這部分液體把從葉輪中獲得的 能量消耗在泄漏的流動(dòng)過(guò)程中，即從高壓（出口壓力） 液體變成低壓（進(jìn)口壓力）液體。所以容積損失的實(shí)質(zhì) 也是能量損失。對(duì)于單級(jí)離心泵來(lái)說(shuō)容積損失主要是 由于葉輪前密封環(huán)處的泄漏造成的，而對(duì)于多級(jí)泵來(lái) 說(shuō)還要包括級(jí)間泄漏，另外泵密封裝置的泄漏量也在 泵的容積損失中。目前研究容積效率通常采用的經(jīng)驗(yàn) 公式為：表 1試驗(yàn)用多級(jí)離心泵參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)三級(jí)離心水泵四級(jí)離心水泵流量 /m3h- 1揚(yáng)程 /m轉(zhuǎn)速 /rmin- 1 進(jìn)水口直徑 /mm 蝸殼出口直徑 /mm 外形尺寸 /mm912060005038261210208916060005038292210208v1（/ 10.68ns式中：ns 為泵比轉(zhuǎn)速。2/3）（2）第 12 期趙義，等：多級(jí)離心泵性能的探討33進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，為了揭示多級(jí)離心泵的揚(yáng)程、流量與其性能的關(guān)系，筆者選用三級(jí)離心水泵和四級(jí)離心水泵 進(jìn)行試驗(yàn)，所選水泵參數(shù)見(jiàn)表 1。本試驗(yàn)通過(guò)改變離心水泵的流量、揚(yáng)程來(lái)測(cè)試泵 的使用效率，試驗(yàn)離心泵的轉(zhuǎn)速為 3000r/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù) 及性能曲線分別見(jiàn)表 2、表 3 及圖 2、圖 3。從試驗(yàn)中可以看出多級(jí)離心泵的揚(yáng)程隨其流量的 增大而減少，而泵的效率與流量之間成馬鞍形的關(guān)系，p（kw）n=3000r/min1016014012010080604020q-hq- q-p864206 8 10 12 14 16 18 20 22q/m3h- 1四級(jí)試驗(yàn)泵性能曲線圖表 2三級(jí)離心泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)02 4流量q/m3h- 1揚(yáng)程/m有效功率/kw軸功率/kw效率/%比轉(zhuǎn)速ns圖 33.6814.7896.6388.71110.90512.90814.66416.04717.67119.055104.705107.658110.294110.024105.83096.16984.80174.24059.31744.2380.1320.1760.2490.3260.3910.4200.4210.4030.3540.2854.4974.5184.5245.2815.7966.0526.5566.8096.8226.82223.33131.06544.05649.40054.20255.83451.63347.63241.82633.63511121416182125293646開(kāi)始隨著流量的增大水泵的效率也提高，到達(dá)一定值后隨著流量的增大水泵的效率反而降低。在實(shí)際工作中為最大效率地使用離心泵應(yīng)注意以 下幾點(diǎn)。（1）如果離心泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程與所選泵的額定揚(yáng)程不 符，或發(fā)現(xiàn)配套動(dòng)力負(fù)荷不足時(shí)，應(yīng)根據(jù)離心泵的用 途，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)離心泵的揚(yáng)程與流量，以便最大效率地 使用離心泵。（2）在調(diào)節(jié)離心泵的流量時(shí)，應(yīng)注意觀察離心泵 的揚(yáng)程，如發(fā)現(xiàn)其急劇下降說(shuō)明水泵的使用效率在 降低，應(yīng)停止調(diào)節(jié)泵的流量，以使離心泵的使用效率 最高。（3）在離心泵配套動(dòng)力負(fù)荷不足的情況下調(diào)節(jié)動(dòng) 力時(shí)，應(yīng)注意觀察離心泵的揚(yáng)程，當(dāng)離心泵的揚(yáng)程明顯 減小時(shí)應(yīng)停止調(diào)節(jié)動(dòng)力大小，這時(shí)離心泵的使用效率 最高。 20.221 25.882 0.176 7.080 20.124 71 表 3 四級(jí)離心泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)流量q/m3h- 1揚(yáng)程/m有效功率/kw軸功率/kw效率/%比轉(zhuǎn)速ns1.1582.9035.1167.2809.06511.04913.10614.96617.17319.153147.43146.21145.59147.17144.85135.83118.86100.2773.1637.940.0580.1400.2500.3580.4380.4970.5130.4960.4140.2393.7834.3105.0775.8516.3646.6586.9387.1707.4477.71912.28626.34739.93249.85156.17461.36061.12756.97145.93125.6265710121315182230523結(jié)束語(yǔ)目前對(duì)提高離心水泵性能的研究很多，但這些研 究大多是依據(jù)離心水泵的設(shè)計(jì)源頭提出的。本文以現(xiàn) 有的離心水泵為研究對(duì)象，提出了如何高效使用這些 離心水泵的方法，以發(fā)揮現(xiàn)有離心水泵的效能，為企業(yè) 創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：1 關(guān)醒凡，現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)m.北京：宇航出版社，1995.2 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