南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艷芳

南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艷芳

榆陽(yáng)區(qū)南郊抽水站位于榆林市南郊黃莊村，建于1962年，為五級(jí)抽水站，總揚(yáng)程134.7m，水泵電機(jī)16臺(tái)，總裝機(jī)1 647 kW。設(shè)計(jì)灌溉面積1.2萬(wàn)畝，實(shí)際灌溉面積0.67萬(wàn)畝。一級(jí)站取水形式為有壩引水，取水渠首在榆溪河上建滾水壩，滾水壩長(zhǎng)35 m，設(shè)計(jì)引水流量為1.4 m3/s。引水渠全長(zhǎng)352 m，其中沉沙渠長(zhǎng)218 m，進(jìn)水渠長(zhǎng)134 m。共安裝5套機(jī)組及相應(yīng)的電氣設(shè)備，安裝變壓器6臺(tái)，總?cè)萘?265 kV，揚(yáng)程為33 m，出水量為1.3 m3/s；二級(jí)站地形揚(yáng)程19.7 m，出水量為0.79 m3/s；三級(jí)站地形揚(yáng)程為24 m，出水量為0.75 m3/s；四級(jí)站地形揚(yáng)程33 m，出水量0.66 m3/s；五級(jí)站揚(yáng)程度25 m，出水量0.2 m3/s。

南郊抽水站使用的水泵均為離心泵，由于使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備老化，嚴(yán)重影響受益區(qū)的效益發(fā)揮。在設(shè)備不能更新、改換的情況下，要想繼續(xù)使用，必須在水泵技術(shù)上采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，從而使抽水站裝置處于理想狀態(tài)。

水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是指水泵的有效功率（即水泵輸出功率）和水泵軸功率（即水泵輸入功率）之比。水泵效率一般在65%～90%，大型泵可達(dá)90%以上。水泵效率的高低，在很大程度上取決于水泵的使用情況，如果維修和使用不當(dāng)，即使制造出高效率的水泵，也達(dá)不到高效低耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。因此，在水泵實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡力提高水泵效率。

一、抽水站水泵工作效率低的原因

（一）容積損失

包括通過(guò)大小口環(huán)的循環(huán)水流損失，填料函和平衡盤的泄漏損失。填料函和平衡盤的泄漏損失在規(guī)定的范圍內(nèi)，是屬于保證工作的正常損失。大小口環(huán)的循環(huán)水流損失主要與大小口環(huán)的密封間隙的大小、長(zhǎng)度以及泵的單級(jí)揚(yáng)程有關(guān)。一般情況下，密封間隙的長(zhǎng)度及泵的單級(jí)揚(yáng)程是基本不變的，因此大小口環(huán)的環(huán)流損失主要與大小口環(huán)的密封間隙的大小有關(guān)，大口環(huán)的密封間隙每增加0.2 mm，效率降低4%左右；小口環(huán)的密封間隙每增加0.5 mm，效率降低5%左右。

離心泵的容積損失有密封環(huán)漏泄損失、平衡機(jī)構(gòu)漏泄損失和級(jí)間漏泄損失。

1.密封環(huán)漏泄損失。在葉輪入口處設(shè)有密封環(huán)，水泵工作時(shí)，由于密封環(huán)兩側(cè)存在壓力差，一側(cè)近似為葉輪出口壓力，一側(cè)為葉輪入口壓力，始終會(huì)有一部分液體從葉輪出口向葉輪入口漏泄。這部分液體在葉輪里獲得了能量，但液體并未送出，這樣就減少了水泵的供水量。漏泄液體的能量全部用到克服密封環(huán)阻力上了。

2.平衡機(jī)構(gòu)漏泄損失。在一些離心泵中，設(shè)有平衡軸向推力機(jī)構(gòu)，如平衡孔、平衡管、平衡盤等。由于在平衡機(jī)構(gòu)兩側(cè)存在著壓力差，因而也有一部分液體從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域漏泄。平衡孔的漏泄會(huì)使水泵的效率降低5%左右。在平衡盤機(jī)構(gòu)中，漏泄量占工作流量的3%，但高壓泵有些比此值大。

（二）機(jī)械損失

是指葉輪、平衡盤的外側(cè)表面和水的摩擦、大小口環(huán)處的摩擦以及軸承和填料等處的損失，其中輪盤摩擦損失取決于比轉(zhuǎn)數(shù)，比轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)損失較小。

（三）吸水口附近的水被轉(zhuǎn)動(dòng)的軸擾動(dòng)，使進(jìn)水的入口角發(fā)生變化而造成能量損失。

（四）水力損失

水力損失直接應(yīng)影響泵的水力效率和特性，它包括摩擦損失、渦流和沖擊損失。一般情況下流量大的泵水力損失較小。摩擦損失指流體在葉輪和其他過(guò)流部件中的沿程損失，它的大小約等于流量的平方。渦流和沖擊損失指流體在渦輪機(jī)全部流動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大和收縮等造成的損失，單就葉輪來(lái)講是指流體對(duì)葉片入口處的沖擊和流量變化時(shí)葉輪內(nèi)的渦流損失。這種現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

水力損失主要是在葉輪和各通流部件中。以ns(比轉(zhuǎn)數(shù))＝90的分段式多級(jí)泵中水力損失情況為例：在葉輪和其他通流部件中的損失，大約各占50%。葉輪葉片入口處邊緣磨損后，由于入口角改變，將產(chǎn)生不正常的入口沖擊，葉片間流道粘污后，減少了有效過(guò)流面積，水流速度增加，從而加大了水力損失。水力損失中的摩擦損失是不可避免的。眾所周知，水具有粘滯的特性，單位體積的水和物體(過(guò)流部件)表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，維持其運(yùn)動(dòng)所需的能量和其粘度、接觸面積、表面粗糙度、沿途行程的長(zhǎng)短有關(guān)，并與水流運(yùn)動(dòng)速度的三次方成正比。

沖擊損失和水流速度也有很大的關(guān)系，當(dāng)水的流速太大時(shí)，特別是在葉輪吸水口附近，當(dāng)水流以較大的軸向速度流向葉輪吸水口，而葉輪又將其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)以徑向速度拋向葉輪出水口，可以說(shuō)其軸向流速具有的動(dòng)能在葉輪吸水口附近消耗殆盡。這種現(xiàn)象在水泵首級(jí)葉輪和中間葉輪均會(huì)發(fā)生，而且中間級(jí)葉輪比首級(jí)葉輪還嚴(yán)重。因?yàn)橐话愣嗉?jí)泵首級(jí)葉輪吸水口直徑比中間級(jí)葉輪的吸水口直徑大(為了改善吸水性能)，首級(jí)葉輪吸水口外水流的軸向流速還能相對(duì)降低，而且吸水管內(nèi)的壓力低于大氣壓，首級(jí)葉輪拋出的水經(jīng)導(dǎo)水圈減速增壓，經(jīng)返水圈回頭后以徑向速度到達(dá)中間級(jí)葉輪吸水口，由于吸水口直徑較小，水流被迫由徑向速度變成較大的軸向速度流向吸水口，這時(shí)水流在徑向速度所有的動(dòng)能也被消耗掉，而且返水圈的過(guò)流面積朝吸水口方向逐漸收縮，造成徑向速度增加，返水圈內(nèi)的壓力還是正壓力(大于大氣壓力)，這些情況均造成無(wú)益的水力損失。

二、提高水泵工作效率的方法

（一）減小水泵容積損失的方法

根據(jù)南郊抽水站水泵實(shí)際情況，在技術(shù)上，采取減小密封環(huán)漏泄損失、提高水泵轉(zhuǎn)數(shù)、加強(qiáng)保養(yǎng)等方法，給予改進(jìn)。

1.盡量減小密封環(huán)漏泄損失。密封環(huán)直徑Dw愈大，其兩側(cè)壓力相差愈懸殊，則泄漏量就愈大。對(duì)于定型的水泵，為了減少漏泄量提高水泵的效率，應(yīng)在許可的情況下把密封環(huán)間隙縮小。一般總間隙近似取密封環(huán)直徑的0.002，如Dw=200 mm，則總間隙為0.4 mm。裝配時(shí)，密封環(huán)不可偏心太大，否則，漏泄量也會(huì)增加。另外，可用增加密封環(huán)阻力的方法減少漏泄量，增加阻力的主要措施是將密封環(huán)制成迷宮、鋸齒形等，這同時(shí)也增加了密封環(huán)的密封長(zhǎng)度，增大了沿程阻力。密封環(huán)的漏泄，在某些情況下會(huì)引起葉輪入口的擾動(dòng)，因此要合理地設(shè)計(jì)密封環(huán)形式。

2.減小平衡機(jī)構(gòu)漏泄損失

為減少漏泄損失，可在不影響平衡力的情況下減小平衡盤的直徑。

（二）減小水泵機(jī)械損失

盡可能地提高比轉(zhuǎn)數(shù)。比轉(zhuǎn)數(shù)較全面地反映了水泵的特性，綜合了水泵的流量、全壓、轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系。比轉(zhuǎn)數(shù)大，說(shuō)明水泵在同流量下，揚(yáng)程低；比轉(zhuǎn)數(shù)小，說(shuō)明水泵在同流量下，揚(yáng)程高。

（三）減小水泵水力損失

水力損失主要由水流經(jīng)泵的過(guò)流部分（葉輪、泵殼等)產(chǎn)生的水力摩擦、渦流和水力撞擊等項(xiàng)損失所形成。水泵過(guò)流部分的壁面越粗糙，水泵運(yùn)行偏離額定工況越遠(yuǎn)，此項(xiàng)損失也越大。因此，應(yīng)盡量保持葉輪、泵殼內(nèi)壁光滑，避免銹蝕、堵塞，并力求使水泵在額定工況下工作，以減少水流的渦流和撞擊損失。

此外，裝配或檢修水泵時(shí)，由于葉輪出口與導(dǎo)水圈吻合不當(dāng)或軸向竄量太大而造成的水力損失，對(duì)泵效率和特性影響較大，即使裝配無(wú)誤，這部分損失也近于11%。除此之外，由導(dǎo)水圈向返水圈翻轉(zhuǎn)的流道中的損失占22%強(qiáng)，清除導(dǎo)翼中的飛邊和毛刺等鑄造缺陷，可避免無(wú)益的水力損失。

新配葉輪時(shí)，應(yīng)盡可能清除流道中的毛刺，保持內(nèi)壁光滑，以減少額外的水力損失，條件允許時(shí)可采用工程塑料葉輪。

（作者單位：榆林市榆陽(yáng)區(qū)南郊抽水站 719000）