HZ700臥式軸流泵性能分析及擴(kuò)能改造探討

劉興科

摘要：軸流泵是常用的一種泵型，其工作原理是以空氣動(dòng)力學(xué)中機(jī)翼的升力理論為基礎(chǔ)的，其葉片與機(jī)翼的截面形狀相似。文章對(duì)軸流泵的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，通過對(duì)HZ700臥式軸流泵的擴(kuò)能空間及運(yùn)行性能進(jìn)行分析，實(shí)施了軸流泵的擴(kuò)能技改，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：臥式軸流泵；擴(kuò)能空間；運(yùn)行性能；擴(kuò)能技改；升力理論 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH312 文章編號(hào)：1009-2374（2015）10-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0875

1 概述

一般來說，泵的參數(shù)決定了泵的結(jié)構(gòu)形式。在中國(guó)，通常情況下比轉(zhuǎn)速在300以下為離心泵，比轉(zhuǎn)速在300～500之間為混流泵（介于離心泵與軸流泵之間的結(jié)構(gòu)），比轉(zhuǎn)速高于500為軸流泵。

軸流泵的工作原理是以空氣動(dòng)力學(xué)中機(jī)翼的升力理論為基礎(chǔ)的，其葉片與機(jī)翼的截面形狀相似。當(dāng)葉片在液體中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，液流相對(duì)于葉片就產(chǎn)生了急速的繞流，在葉片對(duì)液體的作用力下，液體就被壓升到一定的高度，從而達(dá)到輸送液體的目的。

軸流泵分為立式、臥式和斜式三種，其比轉(zhuǎn)數(shù)一般介于500～1500之間，近年來，泵的比轉(zhuǎn)數(shù)有提高的趨勢(shì)，已研制出達(dá)2000左右的軸流泵。軸流泵的特點(diǎn)是流量大、揚(yáng)程低，葉輪直徑可達(dá)150～6000mm，流量Q=0.02～100m3/s，揚(yáng)程H=1～30m。因此，軸流泵被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市給排水、船舶、電力、化工、航天等行業(yè)。立式軸流泵占地面積小，但維護(hù)和檢修不便；相對(duì)而言，臥式軸流泵占地面積大，但安裝高度降低，利于降低廠房高度，便于檢修和維護(hù)；斜式軸流泵兼有立式和臥式的特點(diǎn)，使用得不多。

根據(jù)軸流泵特性曲線的特點(diǎn)，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程很高，若關(guān)閉閘閥啟動(dòng)，往往會(huì)使軸流泵難以啟動(dòng)，且有燒壞電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)。所以，在啟動(dòng)軸流泵時(shí)，出水管路閘閥必須全開，以減小啟動(dòng)功率。軸流泵在啟動(dòng)前，泵殼和吸入喇叭口必須先充滿液體。同樣，在有空氣存在的情況下，泵內(nèi)和吸入管就無(wú)法形成真空，因此，一般都另設(shè)真空泵，利用它們將泵殼和吸入喇叭口內(nèi)的空氣抽出形成真空，以達(dá)到充水的目的。

2 HZ700臥式軸流泵性能分析

我公司有一臺(tái)HZ700臥式軸流泵，驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示：

圖1 HZ700臥式軸流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1

泵參數(shù) 電機(jī)參數(shù)

流量：3500m3/h

揚(yáng)程：6m

轉(zhuǎn)速：480rpm 額定功率：200kW

滿載電流：16A

額定轉(zhuǎn)速：980rpm

以下是該泵性能測(cè)試參數(shù)及性能試驗(yàn)曲線：

額定值為：流量Q=3500m3/h，揚(yáng)程H=6.0m，軸功率P=95.3kW，轉(zhuǎn)速n=495rpm，效率η=60%，配套功率Pe=200kW。

實(shí)測(cè)值：流量Q=3631.64m3/h，揚(yáng)程H=6.23m，軸功率P=103.64kW，轉(zhuǎn)速n=495rpm，效率η=59.41%。

性能試驗(yàn)曲線如圖2所示：

圖2 HZ700性能試驗(yàn)曲線

圖2是軸流泵的典型特性曲線，圖中曲線分別為揚(yáng)程-流量曲線（H-Q）、效率-流量曲線（ηp-Q）、功率-流量曲線（p2p-Q）。軸流泵的特性曲線與其他泵型的特性曲線有所不同，為什么軸流泵的特性曲線呈這樣的形狀呢？其原因主要是：當(dāng)流量減少時(shí)，液流相對(duì)速度與圓周速度的夾角減小，而葉片安放角未變，結(jié)果沖角增大。流量越小，沖角越大，當(dāng)沖角大到一定程度，翼型表面產(chǎn)生脫流。由于葉片各截面上的揚(yáng)程各不相等，引起液體的二次回流，葉片進(jìn)出口的回流漩渦使主流道變?yōu)樾绷魇剑瑢?dǎo)致?lián)P程增高。由于脫流與二次回流均造成很大的能量損失，在揚(yáng)程增加的同時(shí)也大大消耗了泵的功率，致使效率急劇降低，故在小流量區(qū)效率曲線隨流量減小而快速下降，因而高效率工作區(qū)域狹窄。

在我公司實(shí)際生產(chǎn)過程中，該HZ700臥式軸流泵的生產(chǎn)能力與工藝環(huán)節(jié)需要的生產(chǎn)能力相比，略顯不夠，希望提高該HZ700軸流泵的能力來滿足生產(chǎn)的需要。從日常操作數(shù)據(jù)看，該泵電機(jī)電流穩(wěn)定在12A左右，距滿載電流16A還有一定的富余空間。經(jīng)過工藝、機(jī)械、電氣等專業(yè)人員討論，為最大程度提高負(fù)荷，擬將將電機(jī)負(fù)荷提升到超負(fù)荷值——滿載電流的105%，即16A×105%=16.8A。

3 擴(kuò)能改造理論計(jì)算

泵的流量取決于泵的結(jié)構(gòu)尺寸（主要為葉輪的直徑與葉片的寬度）和轉(zhuǎn)速、葉片安放角等。操作時(shí)，泵實(shí)際所能輸送的液體量還與管路阻力及所需壓力有關(guān)。

由于該泵已經(jīng)定型，改葉輪直徑、寬度及葉片安放角不現(xiàn)實(shí)，因此，在運(yùn)行工況不變的情況下，我們從改變泵的轉(zhuǎn)速著手進(jìn)行論證。

第一，根據(jù)泵的第一相似定律：

（1）

上式表明，流量之比與葉輪外徑的3次方成正比，與其轉(zhuǎn)速的一次方成正比，與其容積效率成正比。

第二，根據(jù)泵的第二相似定律：

（2）

第三，軸流泵設(shè)計(jì)工況時(shí)的輸入功率：

（3）

式中：

Q ——泵的流量m3/s

ρ——輸送液體密度kg/m3

H ——泵的揚(yáng)程m

η——泵的效率，根據(jù)泵的大小以及目前軸流泵的效率水平?jīng)Q定

第四，根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可得出：軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由于軸功率提高到原來的倍，所以泵轉(zhuǎn)速由原來的N2提高到改造后的N1，轉(zhuǎn)速提高率為：

根據(jù)相似定律確定以上參數(shù)的值比較容易，但要精確確定各種效率十分困難，在實(shí)際應(yīng)用中，由于泵的尺寸未變，轉(zhuǎn)速相差不大，可以近似認(rèn)為各種效率相等。

4 改造實(shí)施

由于該HZ700臥式軸流泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速（980rpm）比泵的轉(zhuǎn)速（495rpm）高，電機(jī)的皮帶輪相對(duì)較小，為了節(jié)省加工時(shí)間，節(jié)約改造成本，減輕維護(hù)檢修的工作量，我們選擇改造電機(jī)端的皮帶輪，即加大電機(jī)端的皮帶輪直徑。

原電機(jī)端皮帶輪原直徑為355mm，8根皮帶，皮帶型號(hào)為SPC5150，相應(yīng)地將電機(jī)端皮帶輪直徑改大到：355mm×1.12=397.6mm（取近似值400mm），形狀、材質(zhì)、皮帶槽等不變。由于改造后的皮帶輪加大，勢(shì)必會(huì)造成原來的皮帶長(zhǎng)度不夠，通過適當(dāng)調(diào)整電機(jī)位置進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

我公司的HZ700臥式軸流泵經(jīng)過改造后，流量最大值由原來的性能測(cè)試值3631.64m3/h增大到4100m3/h左右，其揚(yáng)程、抗汽蝕性能等滿足了我公司在軸流泵環(huán)節(jié)的工藝要求，達(dá)到了預(yù)期效果。當(dāng)然，由于該泵的實(shí)際流量還受到后續(xù)石墨換熱器管程結(jié)垢的影響，流量的測(cè)試值不是很精確。

參考文獻(xiàn)

[1] 何希杰，張勇.軸流泵的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].水泵技術(shù)，1998，（6）.

[2] 王海松.軸流泵CAD-CFD綜合特性研究[D].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[3] [美]A.J.斯捷潘洛夫.離心泵和軸流泵理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1972.

[4] 丁成偉.離心泵與軸流泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[5] 沈陽(yáng)水泵研究所，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

（責(zé)任編輯：秦遜玉）