單臺(tái)離心泵工況調(diào)節(jié)方式分析

（江漢大學(xué)機(jī)電與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430056）

通常，在工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中，離心泵的流量和揚(yáng)程可能會(huì)比管路中要求的偏大，或者由于生產(chǎn)任務(wù)、工藝要求發(fā)生變化，需對(duì)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。事實(shí)上，離心泵在實(shí)際使用中工作點(diǎn)的選擇也會(huì)直接影響用戶的能耗和成本費(fèi)用，因此，如何合理地調(diào)節(jié)離心泵的流量顯得尤為重要。

離心泵流量的大小取決于工作點(diǎn)的位置，而工作點(diǎn)是由泵的特性曲線和管路特性曲線共同決定的，改變?nèi)魏我粭l曲線都可以使其工作點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。本文就改變離心泵流量的幾種主要方法進(jìn)行了分析和比較，以尋求較佳的流量調(diào)節(jié)方式。

1 改變管路特性曲線

1.1 節(jié)流調(diào)節(jié)

節(jié)流調(diào)節(jié)是在管路上安裝節(jié)流部件（通常為閥門），通過改變閥門的開度來控制流量大小的調(diào)節(jié)方法，有入口節(jié)流調(diào)節(jié)和出口節(jié)流調(diào)節(jié)兩種。入口節(jié)流調(diào)節(jié)由于易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，已很少采用。出口節(jié)流調(diào)節(jié)因簡(jiǎn)單易行成為離心泵常用的調(diào)節(jié)方法。節(jié)流調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點(diǎn)。如圖1所示，泵特性曲線Q～H與管路特性曲線Q～h的交點(diǎn)M為閥門全開時(shí)泵的工作點(diǎn)。當(dāng)出口閥關(guān)小時(shí)，管道局部阻力增加，管路特性曲線由Q～h變?yōu)椋≦～h）1，泵的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至M1點(diǎn)，相應(yīng)流量減少。閥門關(guān)得越小，流量也就越小。從圖1可看出，以關(guān)小閥門來控制流量時(shí)，離心泵本身的供水能力不變，揚(yáng)程特性不變，而管路特性隨著閥門開度的改變而改變。這種方法操作簡(jiǎn)便，特別對(duì)比轉(zhuǎn)數(shù)小的泵，其流量、揚(yáng)程曲線較平坦，調(diào)節(jié)靈敏，調(diào)節(jié)時(shí)流量連續(xù)，可以在某一最大流量與零之間隨意調(diào)節(jié)，且無需額外投資。但節(jié)流調(diào)節(jié)是人為增加阻力，造成揚(yáng)程損失，能量利用率差，泵的效率也將隨之下降，經(jīng)濟(jì)上不合理，工程應(yīng)用中應(yīng)盡量避免使用。

圖1 出口節(jié)流調(diào)節(jié)

圖2 旁路調(diào)節(jié)

1.2 旁路調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)是將泵排出的液體，一部分通過旁路引入到其它裝置或重新引回吸液池，從而使泵輸送到裝置的流量得到調(diào)節(jié)的方法。旁路調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是通過改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點(diǎn)。如圖2所示，設(shè)主管路、旁路的管路特性分別為（Q～h）1、（Q～h）2，則并聯(lián)后的管路特性為Q～h。當(dāng)旁路調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉時(shí)，Q～H曲線與（Q～h）1曲線的交點(diǎn)為M1；旁路調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，Q～H曲線與Q～h曲線的交點(diǎn)為M。按分支管路中求各管路流量的方法，過M點(diǎn)做水平線交（Q～h）1于A1點(diǎn)，交（Q～h）2于A2點(diǎn)，則通過主管路、旁路中的流量分別為QA1、QA2，主管路中的流量比關(guān)閉旁路閥時(shí)主管路中的流量小，所以，流量得到了調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法雖然操作中較為簡(jiǎn)單方便，但旁路中的流量仍需要消耗泵功，經(jīng)濟(jì)性較差。僅適宜比轉(zhuǎn)數(shù)較大、揚(yáng)程流量曲線較陡的情況采用。

2 改變泵特性曲線

2.1 變徑調(diào)節(jié)

變徑調(diào)節(jié)是采用切削葉輪直徑來調(diào)節(jié)流量的調(diào)節(jié)方法。變徑調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是改變泵的特性曲線，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，泵的壓頭、流量均和葉輪的直徑有關(guān)。如圖3所示，M為原工作點(diǎn)，當(dāng)葉輪直徑變?yōu)镈1時(shí)，由泵的切割定律可知其特性曲線向左下方移動(dòng)，新的工作點(diǎn)為M1，相應(yīng)地流量減少。這種調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)便易行，在一定程度上解決了離心泵類型、規(guī)格的有限性與供水對(duì)象要求的多樣性之間的矛盾，擴(kuò)大了離心泵的使用范圍，而且沒有附加能量損失，經(jīng)濟(jì)性能較好。但是，切削葉輪屬于不可逆過程，切削后再不能恢復(fù)其原有特性，因此其使用范圍受到限制，僅適應(yīng)于使流量變小、調(diào)節(jié)流量范圍不大、需長(zhǎng)期調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，而不能作為實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)使用，在實(shí)施時(shí)還需經(jīng)過精確的計(jì)算和經(jīng)濟(jì)合理性的準(zhǔn)確衡量。

圖3 變徑調(diào)節(jié)

圖4 變級(jí)調(diào)節(jié)

葉輪直徑的切削是有一定限度的，減小的幅度最好控制在20%以內(nèi)，不能任意切小，否則將引起效率的降低。隨著比轉(zhuǎn)數(shù)的增大，切削量要隨之減小。

2.2 變級(jí)調(diào)節(jié)

變級(jí)調(diào)節(jié)是通過抽取多級(jí)泵的葉輪數(shù)目來改變流量的調(diào)節(jié)方法。變級(jí)調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上也是改變泵的特性曲線。如圖4所示，Q～H曲線為某多級(jí)泵的特性曲線，M為工作點(diǎn)，因?yàn)槎嗉?jí)泵的總揚(yáng)程等于各個(gè)葉輪單獨(dú)工作時(shí)所產(chǎn)生的揚(yáng)程之和，因此多級(jí)泵的Q～H曲線也由各個(gè)葉輪的Q～H曲線疊加而成，當(dāng)抽取某一個(gè)或幾個(gè)葉輪后，特性曲線變?yōu)椋≦～H）1，工作點(diǎn)變?yōu)镸1，流量得到了調(diào)節(jié)。多級(jí)泵抽取一級(jí)葉輪后，降低了泵的軸功率，需要電機(jī)輸出的功率相應(yīng)減少，可對(duì)電機(jī)實(shí)施減容措施，降低電機(jī)的能耗。

多級(jí)泵改變?nèi)~輪級(jí)數(shù)時(shí)，不能拆卸第一級(jí)葉輪，否則會(huì)導(dǎo)致吸入阻力增加，使泵的汽蝕性能惡化。拆除葉輪后還應(yīng)注意葉輪的動(dòng)平衡和軸向推力的平衡問題。由于只能拆除某整數(shù)個(gè)葉輪級(jí)數(shù)，只適用于工況相對(duì)固定的情況，使用范圍受到很大的局限。

2.3 變速調(diào)節(jié)

變速調(diào)節(jié)是通過改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量大小的調(diào)節(jié)方法。變速調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是改變泵的特性曲線，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，閥門開度保持不變（通常為最大開度），管路系統(tǒng)特性不變，而流量和揚(yáng)程特性隨之改變。如圖5所示，M為離心泵的工作點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至n1、n2時(shí)，流量與揚(yáng)程近似地按比例定律變化，Q～H曲線向左下方移動(dòng)，但Q～h曲線不變，即可得到不同的工作點(diǎn)，流量發(fā)生了變化。采用變速調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)效率高，調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，操作方便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，不會(huì)引起附加能量損失，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，其節(jié)能效果很突出，泵的工作效率更高，而且有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。因此，變速調(diào)節(jié)是比較經(jīng)濟(jì)的，但是，采用變速調(diào)節(jié)投資較大，維護(hù)成本較高，當(dāng)離心泵變速過大時(shí)會(huì)造成效率下降，超出泵的比例范圍，因此不可能無限制地調(diào)速。

圖5 變速調(diào)節(jié)

3 結(jié)論

離心泵的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式很多，其調(diào)節(jié)原理也不一樣，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式節(jié)流調(diào)節(jié)和旁路調(diào)節(jié)雖然會(huì)造成能量損失和浪費(fèi)，且常常偏離泵的高效區(qū)，運(yùn)行效率較低，但因其調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單可靠、使用方便、投資低等優(yōu)點(diǎn)，使其在一些簡(jiǎn)單場(chǎng)合仍不失為一種快速易行的流量調(diào)節(jié)方式；變徑調(diào)節(jié)一般多用于清水泵，由于改變了泵的結(jié)構(gòu)，通用性較差，使用受到限制；變速調(diào)節(jié)因其不會(huì)引起額外的水力損失，節(jié)能效果好、自動(dòng)化程度高，可改變?cè)O(shè)備運(yùn)行工況，提高設(shè)備的安全性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，而越來越受到用戶的青睞，有逐步取代其它調(diào)節(jié)方式的趨勢(shì)，是一種較佳的離心泵流量調(diào)節(jié)方式。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)從節(jié)能、投資額、可靠性和設(shè)備壽命等多方面加以考慮，在各種流量調(diào)節(jié)方法之中綜合出最佳方案，確保離心泵的高效運(yùn)行。