立式柱塞計(jì)量泵的自吸能力研究

降宇波 賈新亮 彭學(xué)龍 王成飛 寇維鵬

1. 中國(guó)核電工程有限公司 北京 100000

2. 上海阿波羅機(jī)械股份有限公司 上海 200000

1 概況

立式柱塞計(jì)量泵是往復(fù)泵的一種。往復(fù)泵是泵類產(chǎn)品中出現(xiàn)最早的一種，在旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)出現(xiàn)之后，才逐步地產(chǎn)生了離心泵和轉(zhuǎn)子泵等其他類型的泵。由于離心泵和轉(zhuǎn)子泵的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、操作比較方便，而且還有體積小、重量輕、流量均勻等一系列優(yōu)點(diǎn)，致使原來(lái)使用往復(fù)泵的地方逐步地為這些泵類所取代[1]。在離心式和容積式兩大類泵中，往復(fù)泵屬于容積式泵，即它是借助工作腔里的容積周期性變化來(lái)達(dá)到輸送流體的目的，原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能經(jīng)泵直接轉(zhuǎn)化為物送液體的壓力能，泵的流量只取決于工作腔容積變化位及其在單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)（頻率），而（理論上）與排出壓力無(wú)關(guān)。

目前，往復(fù)泵的產(chǎn)量只占整個(gè)泵類總產(chǎn)量很少的一部分。但是，往復(fù)泵所具有的特點(diǎn)并沒(méi)有被其他類型泵所代替，有些特點(diǎn)仍為其他類型泵所不及[2]。因此，它非但不會(huì)被淘汰，而且仍將作為一種不可缺少的泵類，在核工業(yè)等行業(yè)中被廣泛采用。

其主要特點(diǎn)有：

1.1 瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的

液體介質(zhì)的吸入和排出過(guò)程（即容積變化過(guò)程）是交替進(jìn)行的，而且柱塞由電機(jī)帶動(dòng)曲柄驅(qū)動(dòng)，在位移過(guò)程中，其速度又在不斷地變化之中。在單缸泵中，泵的瞬時(shí)流量不僅隨時(shí)何而交化，而且是不連續(xù)的。

1.2 平均流量（即泵的流量）是恒定的

當(dāng)泵的設(shè)計(jì)合理、制造質(zhì)量又好時(shí)，泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率。往復(fù)泵這一特點(diǎn)也正是作為計(jì)量泵選型的基礎(chǔ)。

1.3 對(duì)輸送的介質(zhì)（液體）有較強(qiáng)的適應(yīng)性

原則上可以輸送任何介質(zhì)，幾乎不受介質(zhì)的物理性能或化學(xué)性能的限制[3]。

1.4 有良好的自吸性能

不僅有良好的吸入性能，而且還有良好的自吸性能。因此，對(duì)多數(shù)往復(fù)泵來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)前通常不需灌泵。

由上述往復(fù)泵的主要特點(diǎn)可以看出往復(fù)泵的主要適用范圍。即往復(fù)泵主要適用于高壓（或超離壓）、小流量，要求泵的流量恒或定量（計(jì)量）或成比例地抽送各種不同的介質(zhì)（液體），或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的場(chǎng)合。

2 立式柱塞計(jì)量泵樣機(jī)的自吸問(wèn)題及理論分析

在某核化工項(xiàng)目中，研制了立式柱塞計(jì)量泵，這是一種單缸可調(diào)式柱塞泵[4]，具有多種規(guī)格，主要用于輸送溫度不高于50℃的含有放射性的液體，設(shè)計(jì)要求吸程為5m水柱，最小流量規(guī)格為250L/h。

其水力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由泵體、柱塞、填料函、管道余隙、進(jìn)口閥組、出口閥組等組成。

圖1 立式柱塞計(jì)量泵水力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)[5]，發(fā)現(xiàn)在管道滿流時(shí)其吸程可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是管道無(wú)液體時(shí)，小流量規(guī)格的泵自吸高度僅為2.8m，與滿流時(shí)吸程差距較大。為了研究此問(wèn)題，本文對(duì)其吸入能力尤其是自吸能力進(jìn)行了理論探討。

泵的吸入能力包括兩個(gè)含義；保證泵水力部分正常工作所要求的吸入條件和泵的自吸能力。前者用以確定泵的安裝高度和吸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，后者用以確定泵有無(wú)自吸能力（工作腔內(nèi)無(wú)液體時(shí)能否起動(dòng)并使泵進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)）及極限自吸能力。

2.1 泵正常工作的條件

水力部分正常工作的條件是：工作腔內(nèi)液體的壓力應(yīng)始終大于輸送液體的飽和蒸氣壓力，否則，將會(huì)引起工作腔內(nèi)液體汽化，造成柱塞（或活塞）與液體脫流，從面引起工作腔內(nèi)的撞擊、噪聲、振動(dòng)以及流量的減少。因此，必須滿足下列不等式：

其中：pv—液體在該溫度下的飽和蒸氣壓力；

pcmin—工作腔內(nèi)液體的最小壓力。

這也是在立式柱塞計(jì)量泵常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，而往往忽略了在泵啟動(dòng)過(guò)程中的自吸特性。

2.2 泵的自吸能力

自吸能力是指當(dāng)工作腔內(nèi)未充有液體時(shí)，泵能在多少時(shí)間內(nèi)，把液體吸上多高的能力，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為極限自吸高度和自吸時(shí)間。在本設(shè)備中，著重考慮自吸高度。

為使泵具有自吸能力，必須具備下列兩個(gè)條件：①必須把工作腔內(nèi)的空氣排出，排出行程終了時(shí)，工作腔內(nèi)的空氣壓力必須大于泵出口處的壓力；②必須把吸入管內(nèi)的空氣抽盡，吸入行程終了時(shí)，工作膠內(nèi)的空氣壓力必須小于凈吸入壓頭。設(shè)空氣按等溫過(guò)程變化，則應(yīng)滿足下列條件：

其中：p2—排出壓力（在計(jì)算時(shí)應(yīng)注意，此時(shí)輸送的是空氣，不是液體）；

pcmin—工作腔內(nèi)最小壓力；

Vc—余隙容積；s

V—行程容積；

ρ—液體密度；

hs—泵的安裝高度。

可得：

因此，極限自吸高度為：

當(dāng)p2=ps=pa（ps為吸入容器液面上的絕對(duì)壓力，pa為大氣壓）時(shí)：

由此可以看出，ps越大，Vc越小，極限自吸高度越大。ρ、p2越大，sp越小，極限自吸高度越小。

實(shí)際上，外界空氣會(huì)通過(guò)填料函或其他不嚴(yán)密處進(jìn)入工作腔，因此上述計(jì)算是近似的，泵常會(huì)因漏入空氣而使工作膠內(nèi)空氣排不凈，不能形成低壓而不能自吸，所以產(chǎn)品的實(shí)際自吸高度還是應(yīng)該靠試驗(yàn)來(lái)確定[6]。

3 自吸問(wèn)題的改進(jìn)方向及試驗(yàn)驗(yàn)證

從前述的分析可以看出，當(dāng)柱塞泵的結(jié)構(gòu)一定時(shí)，要想改善泵的自吸情況，將余隙容積Vc改小是較為明顯且便捷的手段，因此，在樣機(jī)的改進(jìn)中，采取了在保證流量的條件下減小余隙的思路，通過(guò)在樣機(jī)上設(shè)置異形填充件，填充工作腔內(nèi)所有非必要的空間，將工作腔內(nèi)的余隙容積減小了35%，如圖2所示[7]。

圖2 立式柱塞計(jì)量泵余隙容積減小結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗(yàn)證修改后樣機(jī)的自吸性能，在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行了自吸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，自吸高度從2.8m提高到了3.5m。

4 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行立式柱塞計(jì)量泵為代表的往復(fù)泵設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際使用工況考慮其自吸性能，并且在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，行程容積sV和均對(duì)自吸性能有較大影響；在泵的結(jié)構(gòu)一定情況下，減小余隙容積Vc可顯著改善自吸性能，且極限自吸高度應(yīng)該由試驗(yàn)測(cè)定。