離心泵與風(fēng)機(jī)

第3章離心泵的運(yùn)行工況及其分析

離心泵的運(yùn)行工況及其分析

在實(shí)際運(yùn)行中，泵的瞬時(shí)出水量Q、揚(yáng)程H、軸功率N及效率η等在Q-H、Q-N、Q-η曲線上的具體位置，稱為該泵裝置的瞬時(shí)工況點(diǎn)，它表示了該泵在此瞬間的實(shí)際工作能力。影響工況點(diǎn)的因素： 1）泵本身的型號； 2）泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速； 3）輸、配水管路系統(tǒng)的布置以及水池、水塔的水位值及其變動(dòng)等邊界條件。水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法

這些調(diào)節(jié)方法基本上可歸結(jié)為二條，即：1）改變輸、配水管路系統(tǒng)的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)；2）改變泵本身的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選用合適的調(diào)節(jié)方法，并可同時(shí)采用數(shù)種調(diào)節(jié)方式以使水泵運(yùn)行在所需要的或最佳的狀態(tài)。閥門節(jié)流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)串/并聯(lián)臺數(shù)調(diào)節(jié)變?nèi)~輪大小調(diào)節(jié)3.1離心泵管道系統(tǒng)特性曲線

水流經(jīng)過管道時(shí)，一定存在管道水頭損失，其值用∑h表示，它是管道中沿程摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的水頭損失之和。對于一定的管道來說，可以表示為：

式中S代表長度、直徑已定的管道的沿程摩阻與局部摩阻之和的系數(shù)，稱為阻力系數(shù)。

上式可用一條拋物線（也即Q-∑h曲線來表示），此曲線一般稱為管道水頭損失特性曲線。曲線的曲率取決于管道的直徑、長度、管壁粗糙度以及局部阻力附件的布置情況。水泵裝置的管道系統(tǒng)特性曲線

為了確定水泵裝置的工況點(diǎn)，我們利用Q-∑h曲線，并且將它與水泵工作的外界條件（如水泵的靜揚(yáng)程HST等）聯(lián)系起來考慮，按水泵的揚(yáng)程計(jì)算式H=HST+∑h可畫出如圖所示的曲線，我們稱此曲線為水泵裝置的管道系統(tǒng)特性曲線。

該曲線上任意一點(diǎn)K的一段縱坐標(biāo)hK，表示水泵輸送流量為QK、將水提升至HST高度時(shí)，管道中每單位重量液體所需消耗的能量值。水泵裝置的管道系統(tǒng)特性曲線

水泵裝置的靜揚(yáng)程HST，在實(shí)際工程中，可以是吸水池至壓出水池水面間的垂直幾何高差，也可能是吸水池與壓水密閉水箱之間的表壓差。

因此，管道水頭損失特性曲線只表示在水泵裝置管道系統(tǒng)中，當(dāng)HST=0時(shí)，管道中水頭損失與流量之間的關(guān)系曲線，此情況為管道系統(tǒng)特性曲線的一個(gè)特例。

3.2離心泵定速運(yùn)行工況與調(diào)節(jié)

離心泵的工況點(diǎn)即其運(yùn)行時(shí)所處的狀態(tài)點(diǎn)，該狀態(tài)點(diǎn)由離心泵在管路系統(tǒng)中所具有的一些特性參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程等）共同確定。3.2.1離心泵的定速運(yùn)行工況

當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，所對應(yīng)的工況稱為離心泵的定速運(yùn)行工況

M點(diǎn)表示將水輸送到高度為HST時(shí)，水泵所供給水的總比能與管道所要求的總比能相等的那個(gè)點(diǎn)，稱它為該水泵裝置的平衡工況點(diǎn)（也稱工作點(diǎn)）。只要外界條件不發(fā)生變化，水泵裝置將穩(wěn)定地在這點(diǎn)工作，其出水量為QM，揚(yáng)程為HM，該點(diǎn)即為該離心泵的定速工況點(diǎn)。

圖3-3離心泵裝置的工況3.2.2離心泵定速工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)

在水泵的運(yùn)行管理中，常需要人為地對水泵裝置的工況點(diǎn)進(jìn)行必要的改變和控制，我們稱這種改變和控制為“調(diào)節(jié)”。

最常見的調(diào)節(jié)是用閘閥來節(jié)流，也就是改變水泵出水閘閥的開啟度來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

利用閘閥的開啟度可使水泵裝置的工況點(diǎn)由零到極限工況點(diǎn)QA之間變化

圖3-4離心泵工況點(diǎn)隨水位變化

圖3-5閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)3.3離心泵并聯(lián)及串聯(lián)運(yùn)行工況3.3.離心泵并聯(lián)運(yùn)行的適用場所1離心泵并聯(lián)運(yùn)行： 1）用戶需要大流量而單臺泵滿足不了要求； 2）使用過程中流量要大幅度變化，且要求能進(jìn)行

水泵臺數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)； 3）要求有水泵備用以滿足不間斷供水需要時(shí)； 4）盡管單臺泵可滿足流量要求，但多臺泵并聯(lián)的

效率高于單臺泵時(shí)。

離心泵并聯(lián)運(yùn)行工況的圖解法原理

把I號泵Q-H曲線上的1、1ˊ、1ˊˊ，分別與II號泵Q-H曲線上的2、2ˊ、2ˊˊ各點(diǎn)的流量相加，則得到I、II號泵并聯(lián)后的流量3、3ˊ、3ˊˊ，然后連接3、3ˊ、3ˊˊ各點(diǎn)即得水泵并聯(lián)后的總（Q-H）1+2曲線。

圖3-6水泵并聯(lián)Q—H曲線圖3-7同型號、同水位、對稱布置的兩臺水泵并聯(lián)

一臺泵單獨(dú)工作時(shí)的流量，大于并聯(lián)工作時(shí)每一臺泵的流量，也即兩臺泵并聯(lián)工作時(shí)，其流量不是單泵工作時(shí)的流量加倍。這種現(xiàn)象在多臺泵并聯(lián)時(shí)，就很明顯，而且當(dāng)管道系統(tǒng)特性趨向較陡時(shí)，就更為突出。如圖3-8。

注意：圖3-8五臺同型號泵并聯(lián)工作示意圖不同型號的兩臺水泵在相同水位下的并聯(lián)工作這種情況不同于上面所述的主要是：兩臺水泵的特性曲線不同，管道中水流的水力不對稱。兩臺水泵并聯(lián)后，每臺泵工況點(diǎn)的揚(yáng)程也不相等。

因此，欲繪制并聯(lián)后的總Q-H曲線，就不能簡單地使用等揚(yáng)程下流量疊加的原理，而要先扣除造成兩臺泵揚(yáng)程差異的因素，即將兩臺泵的揚(yáng)程換算為平衡揚(yáng)程后（亦可用圖解法），才能采用等揚(yáng)程下流量疊加的原理。

其具體方法是：在各臺水泵的特性曲線上分別減去各自由吸水管口到并聯(lián)交匯點(diǎn)這段管道的能量損失，得到兩條新的水泵特性曲線即為扣除了阻力影響的水泵等效特性曲線，再在等效特性曲線上應(yīng)用圖解法即可。

3.3.2離心泵串聯(lián)運(yùn)行

離心泵串聯(lián)

就是將第一臺水泵的壓水管作為第二臺水泵的吸水管，水由第一臺水泵壓入第二臺水泵，水以同一流量依次流過各臺水泵。

水泵的串聯(lián)主要應(yīng)用在以下場合：

1）單臺泵的揚(yáng)程不能滿足供水要求時(shí)；

2）對舊系統(tǒng)進(jìn)行改造后，管路系統(tǒng)的阻力增大，使原有的水泵難以滿足要求，而此時(shí)又要利用原有水泵時(shí)。

離心泵串聯(lián)運(yùn)行圖解法

各臺水泵串聯(lián)工作時(shí)，其總Q-H曲線等于同一流量下?lián)P程的疊加。

水泵串聯(lián)運(yùn)行，要注意參加串聯(lián)工作的各臺水泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)是接近的，否則，就不能保證兩臺泵都在較高效率下運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可使小泵過載或者反而不如大泵單獨(dú)運(yùn)行。因?yàn)樵谒么?lián)條件下，通過大泵的流量也必須通過小泵，這樣，水泵就可能在很大的流量下強(qiáng)迫工作，軸功率增大，電動(dòng)機(jī)可能過載。

另外，兩臺泵串聯(lián)時(shí)，應(yīng)考慮到后一臺泵泵體的強(qiáng)度問題。

圖3-9水泵串聯(lián)工作3.4離心泵的調(diào)速運(yùn)行工況

調(diào)速運(yùn)行是指水泵在可調(diào)速的電機(jī)或其他變速裝置的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行，通過改變轉(zhuǎn)速來改變水泵裝置的工況點(diǎn)。

對調(diào)速運(yùn)行工況，將著眼于在管網(wǎng)用水量逐時(shí)變動(dòng)的情況下，如何充分利用通過變速而形成的離心泵Q-H曲線的高效工作區(qū)。因此，調(diào)速運(yùn)行大大地?cái)U(kuò)展了離心泵的有效工作范圍，是水泵運(yùn)行中十分合理的調(diào)節(jié)方式。

3.4.1相似定律

實(shí)際應(yīng)用中，如果實(shí)際水泵與模型水泵的尺寸相差不大，且轉(zhuǎn)數(shù)相差也不大時(shí)，可近似地認(rèn)為三種局部效率都不隨尺寸而變，則相似定律可寫為：

（3-5）

3.4.2離心泵調(diào)速性能分析

此式表示同一臺離心泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，其他性能參數(shù)將按上述比例關(guān)系而變，上面這三個(gè)式子為相似定律的一個(gè)特殊形式，稱為比例律。它反映出轉(zhuǎn)速改變時(shí)，水泵主要性能變化的規(guī)律。在后述的關(guān)于離心泵裝置的變速調(diào)節(jié)工況就是應(yīng)用比例定律來換算的。

應(yīng)用：（1）已知水泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的（Q-H）1曲線，但所需工況點(diǎn)并不在該特性曲線上，而在坐標(biāo)點(diǎn)A2處。則要知道水泵在A2點(diǎn)工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速n2應(yīng)為多少；（2）已知水泵n1時(shí)的（Q-H）1曲線，試用比例律畫出轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的（Q-H）2曲線。

圖3-10比例律的應(yīng)用圖3-11轉(zhuǎn)速改變時(shí)特性曲線變化3.4.3離心泵的調(diào)速途徑及調(diào)速范圍石油化工生產(chǎn)中的離心泵都是通過交流電機(jī)來帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，交流電機(jī)調(diào)速方法多種多樣，從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同調(diào)速方式無非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用的電磁轉(zhuǎn)差離合器，液力偶合器，油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速以及無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。3.4.3離心泵的調(diào)速途徑及調(diào)速范圍從能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電機(jī)，變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。低效調(diào)速屬有轉(zhuǎn)差損耗，如轉(zhuǎn)子串電阻，電磁離合器，液力偶合器。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。3.4.3離心泵的調(diào)速途徑及調(diào)速范圍為了合理選擇調(diào)速方案，必須對各種方法進(jìn)行分析、比較，并結(jié)合泵與風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況來決定。一般遵循下列原則進(jìn)行：

①電動(dòng)機(jī)及負(fù)載類型和容量大小。

②節(jié)電效果和收回設(shè)備投資成本時(shí)間。

③性能指標(biāo)：調(diào)速范圍、機(jī)械特性、效率、功率

因數(shù)、對電網(wǎng)的干擾等。

④易維修和使用單位維修能力，設(shè)備的可靠性。3.4.4離心泵調(diào)速的注意事項(xiàng)

1）水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)子與其他軸系一樣，在配置一定的基礎(chǔ)后，都有自己的固有頻率。要防止出現(xiàn)共振。2）水泵的調(diào)速一般不輕易地調(diào)高轉(zhuǎn)速（指高于額定轉(zhuǎn)速）。3）調(diào)速裝置價(jià)格昂貴，一般采用調(diào)速泵與定速泵并聯(lián)工作的方式。4）調(diào)速后工況點(diǎn)的揚(yáng)程如果等于調(diào)速泵的啟動(dòng)揚(yáng)程，調(diào)速泵不起作用（即調(diào)速泵流量為零）。

5）一般地，調(diào)速后泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速的50%～65%以上。

3.4.5

離心泵變頻節(jié)能原理與系統(tǒng)組成1.

離心泵變頻節(jié)能原理

根據(jù)電機(jī)的特性，其轉(zhuǎn)速n與其電源頻率f之間存在如下關(guān)系：當(dāng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)固定后，其p就是一個(gè)常數(shù)，s也可當(dāng)作常數(shù)，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其電源頻率f成正比關(guān)系。也即改變電機(jī)的電源頻率，即可改變其轉(zhuǎn)速。這就是所謂的變頻調(diào)速。1.

離心泵變頻節(jié)能原理不難發(fā)現(xiàn)，通過改變離心泵電機(jī)的電源頻率，可以改變離心泵的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速的改變則會引起離心泵功率以三次方的規(guī)律隨之變化。也就是說，只要改變離心泵的供電電源頻率，就能較大幅度地降低離心泵的功率消耗，這就是離心泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理。3.5離心泵吸水性能及其影響因素

3.5.1離心泵吸水管中的壓力變化過程

3.5.2離心泵中的氣穴和氣蝕

氣穴現(xiàn)象

“氣蝕”效應(yīng)

氣蝕是氣穴現(xiàn)象侵蝕材料的結(jié)果，很多時(shí)候?qū)⑵浣y(tǒng)稱為氣蝕現(xiàn)象。 在氣蝕開始時(shí)，表現(xiàn)在水泵外部的是輕微噪音、振動(dòng)和水泵揚(yáng)程、功率開始有些下降； 氣蝕嚴(yán)重時(shí)，氣穴區(qū)就會突然擴(kuò)大，這時(shí)，氣泡大量產(chǎn)生，使水泵中過流減小以致流量降低，并使水流狀態(tài)遭到破壞、能量損失增大，水泵的H、N、η就將到達(dá)臨界值而急劇下降，最后停止出水。氣蝕嚴(yán)重時(shí)，水泵的葉輪會遭到嚴(yán)重破壞與毀損，此時(shí)需要分析并排除引起氣蝕的原因并更換葉輪。

離心泵氣蝕現(xiàn)象離心泵葉輪氣蝕圖例泵氣蝕后的葉輪3.5.3離心泵的最大安裝高度

水泵的安裝高度HSS，是吸水池水面的測壓管高度與泵軸的高差。由于泵通常是在一定流量下運(yùn)行，其流速水頭和管路水頭損失都是定值，因此隨著水泵安裝高度HSS的增加，水泵吸入口的真空度也會增加。當(dāng)吸入口真空度增加到某一最大值時(shí)，泵吸入口的壓力接近液體的氣化壓力，就易在泵內(nèi)引起氣蝕效應(yīng)。

水泵銘牌或樣本中，對于各種水泵都給定了一個(gè)允許吸上真空高度HS，此HS即為水泵泵殼吸入口的測壓孔處真空值HV的最大極限值。在實(shí)用中，水泵的HV超過樣本規(guī)定的HS值（即HV＞HS）時(shí)，就意味著水泵將會遭受氣蝕。由于制冷空調(diào)工程中應(yīng)用水泵時(shí)，均設(shè)置為自灌式系統(tǒng)，即其安裝高度是負(fù)值，葉輪常安裝在吸水面以下，因此對其最大安裝高度的確定并未加以過多的注意。對此類泵較常采用的是用“氣蝕余量”來衡量它們的吸水性能。3.5.4氣蝕余量NPSH

（NetPositiveSuctionHead）

使用中，也有用HSV表示的，還有用Δh表示的。

氣蝕現(xiàn)象的原因

1）泵的幾何安裝高度過大，使泵進(jìn)口處的真空度

過高。2）泵安裝地點(diǎn)的大氣壓強(qiáng)過低，如安裝在高海拔

地區(qū)。3）泵所輸送的液體的溫度過高。

離心泵的吸水過程，是建立在水泵吸入口能夠形成必要真空值的基礎(chǔ)上的。此真空值是個(gè)必須要嚴(yán)格控制的條件值，