離心泵在管路上的工作點和流量調(diào)節(jié)

離心泵在管路上的工作點和流量調(diào)節(jié)
    1、管路特性曲線   泵的性能曲線，只能說明泵本身的性能。但泵在管路中工作時，不僅取決于其本身的性能，還取決于管路性能，即管路特性曲線。由這兩條曲線的交點來決定泵在管路系統(tǒng)中的運(yùn)行工況。
    所謂管路特性曲線，是指在管路情況一定，即管路進(jìn)、出口液體壓力、輸液高度、管路長度和管徑、管件數(shù)目和尺寸，以及閥門開啟度等都已確定的情況下，單位質(zhì)量液體流過該管路時所必需的外加揚(yáng)程Hc與單位時間流經(jīng)該管路的液體量Qv之間的關(guān)系曲線。它可根據(jù)具體的管路裝置情況按流體力學(xué)方法算出。
    如圖2-39所示的離心泵裝置，泵從吸入容器水面A-A處抽水，經(jīng)泵輸送至壓力容器B-B。若道路中的流量為qv，由吸液池送往高處，現(xiàn)列A和B兩截面的伯努利方程式：                                 （2-8）
式中  HAB——液體垂直升揚(yáng)高度，m；
      PA,PB——A、B兩截面上的壓力，Pa;
      ρ——被輸送液體的密度，kg/m3；
      CA，CB——液體在A、B兩截面處的流速，m/s；
      ΣhAB——管路系統(tǒng)的流體阻力損失，m。
    式（2-8）說明外加揚(yáng)程為各項能頭增量和阻力損失能頭之和，其中動能頭一項可略去不計，除管理阻力損失能頭ΣhAB外，其余各項皆與管路中的流量無關(guān)。管路阻力與管路流量的關(guān)系可由阻力計算公式求得：                       （2-9）
式中Σζ——總阻力系數(shù)；
    K——管路特性系數(shù)，；
    c——管路中液體速度，，m/s；
    A——管路中的截面積，m2。
    式（2-9）表明管路系統(tǒng)的流動阻力與流量的平方成正比。代入Hc的計算式（2-8）中，并略去動能頭增量，則有：                  （2-10）
    式（2-10）即為管路特性方程式。按此式可在揚(yáng)程和流量坐標(biāo)圖上繪出管路特性曲線Hc-qv，如圖2-40中曲線I所示。式（2-10）中的稱為管路靜能頭，它與輸液高度及進(jìn)、出管路的壓力有關(guān)；管路特性系數(shù)K與管路尺寸及阻力等有關(guān)的。對一定的管路，如其中液體流動是湍流，則K幾乎是一個常數(shù)。

圖2-39 離心泵裝置

圖2-40 管路特性曲線

    調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)中的閥門，由于阻力系數(shù)的改變，將使式（2-10）中的K發(fā)生變化，故Hc-qv曲線的斜率會發(fā)生變化。圖2-40中曲線II及III分別為閥門開大和關(guān)小時的管路特性曲線。如果管路系統(tǒng)中A、B面之間距離及壓力改變，即管路靜能頭發(fā)生變化，Hc-qv曲線將平行地上下移動。圖2-40中曲線IV表示當(dāng)管路靜能頭增加后的管路特性曲線。
    2、離心泵的工作點    將離心泵性能曲線H-qv和管路特性曲線Hc-qv按同一比例繪在同一張圖上，則這兩條曲線相交于M點，M點即為離心泵在管路中的工作點，如圖2-41所示。在該點單位質(zhì)量液體通過泵增加的能量（泵揚(yáng)程H）正好等于把單位質(zhì)量液體從吸水池送到排水池需要的能量（即管路所需的外加楊程Hc），故M點是泵穩(wěn)定的運(yùn)行點，如果泵偏離M點在A點工作，此時泵產(chǎn)生的揚(yáng)程是HA，由圖2-41可知，在qva流量下管路所需要的揚(yáng)程為HCA，而HA＜HCA，說明泵產(chǎn)生的能量不足，致使液體減速，流量則由qVA減少至qvm，工作點必須移到M點方能達(dá)到平衡。同樣，如果泵在B點工作，則泵產(chǎn)生的揚(yáng)程是Hb，在qvb流量下管路所需要的揚(yáng)程為HCB，而HB＞HCB，液體的能量有富裕，此富裕能量將促使流體加速，流量則由qvb增加到qvm，只能在M點重新達(dá)到平衡。由此可以看出，只有M點才是穩(wěn)定工作點。
    有些低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能曲線常常是一條有極大值的曲線，即所謂駝峰形的性能曲線，如圖2-42所示。這樣泵性能曲線有可能和管路性能曲線相交于N、M點。M點如前所述，為穩(wěn)定工況點。而N點則為不穩(wěn)定工況點。當(dāng)泵的工況因為振動、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等原因而離開N點，如向大流量方向偏離，則泵楊程大于管路楊程，管路中流速加大，流量增加，工況點沿泵性能曲線繼續(xù)向大流量方向移動，直至流量等于零為止，若管路上無底閥和單向閥，液體將倒流。由此可見，工況點在N點是暫時平衡，一旦離開N點后，便不再回N點，故稱N點為不穩(wěn)定平衡點。

圖2-41 離心泵的管路中的工作點

圖2-42 離心泵的不穩(wěn)定工況

    3、流量調(diào)節(jié)   如前所述，離心泵運(yùn)行時其工作參數(shù)是由泵的性能曲線與管路的特性曲線所決定的。但是在石油、化工生產(chǎn)過程中，常需要根據(jù)操作條件的變化來調(diào)節(jié)泵的流量。而要改變泵的流量，必須改變其工作點。改變工作點來調(diào)節(jié)流量的方法有兩種，即改變管路特性曲線Hc-qv和改變離心泵的性能曲線H-qv。
    a、改變管路特性曲線的流量調(diào)節(jié)   改變管路特性最常用的方法是節(jié)流法。它是利用改變排出管路上的調(diào)節(jié)閥的開度來改變管路特性系數(shù)K，而使Hc-qv曲線的位置改變。在圖2-43上，在原來的管路特性曲線上，泵是在A點工作，流量為QVA，如果關(guān)小出口閥，即增大了Σζ，于是管路中的Hc-qv線変陡，是虛線位置，新的交點為A′，流量改變?yōu)镼VA′，達(dá)到了減小流量的目的。
    這種流量調(diào)節(jié)方法簡單準(zhǔn)確，使用方便，對H-qv曲線較平坦的泵，調(diào)節(jié)比較靈敏，但這種方法由于閥門阻礙力加大，就多消耗了一部分能量來克服這個附加阻力。由調(diào)節(jié)閥關(guān)小時局部阻力增加而引起的損失，一般稱為“節(jié)流調(diào)節(jié)損失”。因此在效率方面，在能量利用方面都不夠經(jīng)濟(jì)。此種方法一般只用在小型離心泵的調(diào)節(jié)上。
    b、改變離心泵性能曲線的流量調(diào)節(jié)  通過改變泵的轉(zhuǎn)速或葉輪外徑尺寸等可改變泵的性能曲線，這種調(diào)節(jié)方法沒有節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)型較好。
    （a）改變泵的轉(zhuǎn)速  此法是通過改變泵的轉(zhuǎn)速，是泵的性能曲線改變來改變泵的工作點。在圖2-44上，若原泵的轉(zhuǎn)速為n2，由一條H-qv線，工作點為2；若轉(zhuǎn)速增高至n3或n4，則H-qv線將提高，泵的工作點變?yōu)?和4，流量也曾為qv3或qv4；若減少轉(zhuǎn)速為n1，流量也減至qv1。

圖2-43 節(jié)流法調(diào)節(jié)流量

圖2-44 改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量

    變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法沒有節(jié)流損失，但它要求原動機(jī)能改變轉(zhuǎn)速，如直流電動機(jī)、汽輪機(jī)等。對于廣泛使用的交流電動機(jī)，可采用變頻調(diào)速器，可任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且節(jié)能、可靠。另外，大容量的雙數(shù)和多速的交流電動機(jī)已投入使用。因此，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，變速交流電動機(jī)將日益增多，它為離心泵的變速調(diào)節(jié)法開辟了廣闊的前景。
    （b）改變?nèi)~輪數(shù)目   對于分段式多級泵來說，由于泵軸上串聯(lián)有多個葉輪，泵的揚(yáng)程為每個葉輪揚(yáng)程的總和，所以多級泵的H-qv線也是各個葉輪的H-qv線的疊加。若取下幾個葉輪，就必須變多級泵的H-qv線，因而可以改變流量。
    （c）改變?nèi)~輪幾何參數(shù)   在改變?nèi)~輪的幾何參數(shù)來調(diào)節(jié)流量的方法中，最常用的是車削葉輪的外經(jīng)法。當(dāng)葉輪外徑經(jīng)車削略變小后，泵的H-qv線將向下移動，而此時管路特性曲線不變，故泵的工作點變動，流量變小，如圖2-45所示。用這種方法調(diào)節(jié)只能減少流量，而不能增大。由于葉輪車小后不能恢復(fù)，故這種方法只能用于要求流量長期改變的場合。此外，由于葉輪的車削量有限，所以當(dāng)要求流量調(diào)節(jié)很小時，就不能采用此法。

圖2-45 車削葉輪外徑調(diào)節(jié)流量

    在改變?nèi)~輪幾何參數(shù)來調(diào)節(jié)流量的其他方法中，有挫削葉輪出口處葉片以改變其安裝角β2A的方法；堵死幾個對稱葉片間流道的方法等。采用這些方法也能使泵的H-qv曲線及流量有所改變。這種方法是用于需要長期減少流量的情況。
    （d）旁路調(diào)節(jié)  又稱回流調(diào)節(jié)。這種方法是在泵的排出管路上接一大旁通管路，管路上設(shè)調(diào)節(jié)閥，控制調(diào)節(jié)閥的開度，將排出液體的一部分引回吸液池，以此來調(diào)節(jié)泵的排液量。這種調(diào)節(jié)方法也較簡單，但回流液體仍需消耗泵功，經(jīng)濟(jì)性較差。對于某些因流量減少造成泵效率降低較多或泵的揚(yáng)程特性曲線較陡的情況，采用這種方法也是較為經(jīng)濟(jì)的。