蝸殼泵喉部面積變化對性能影響的試驗驗證

　　以蝸殼泵的理論設計和工程應用相結合的方式，闡述了改變蝸殼泵喉部面積，在大流量點(diǎn)獲得一條陡降的特性曲線(xiàn)，以確保泵在節能和穩定的條件下運行，并通過(guò)試驗給予驗證。

一、前言

　　在各種工程實(shí)際中， 由于自動(dòng)控制程度的不斷提高，對離心泵性能曲線(xiàn)的要求也越來(lái)越多�，F以石化裝置為例，為了對閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制，通常會(huì )以揚程作為開(kāi)關(guān)閥的切換數據，也就是通過(guò)泵出口壓力表的靈敏讀數，來(lái)確定閥門(mén)的開(kāi)啟程度。在這種情況下就要求在離心泵允許的流量范圍內，揚程必須要有相對明顯的差值，以滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)閥切換的要求。而過(guò)于平坦的離心泵性能曲線(xiàn)，往往不能滿(mǎn)足裝置的自動(dòng)控制要求，到關(guān)死點(diǎn)有個(gè)連續上升的平滑曲線(xiàn)是工程中的理想特性曲線(xiàn)。通過(guò)調節出口閥來(lái)限制流量，閘閥也要耗去一部分能量，但是不通過(guò)調節出口閥控制流量很可能燒毀配套電動(dòng)機，不能確保泵安全可靠地運行，此問(wèn)題的最好解決辦法是在設計過(guò)程中減小蝸殼泵喉部面積，通過(guò)試驗給予驗證。

　　實(shí)際上泵通常是在某一確定的流量點(diǎn)運行的，最好是閘閥全開(kāi)運行，這樣能量損失最小，出口管路安裝閘閥的主要目的是泵起動(dòng)時(shí)關(guān)閉閘閥抽真空或是停車(chē)關(guān)閥防止水錘對泵的沖擊，防止泵被損壞。

二、泵特性曲線(xiàn)及其影響因素

　　1. 泵特性典線(xiàn)

　　特性曲線(xiàn)定義：泵內運動(dòng)參數之間存在著(zhù)一定的聯(lián)系，運動(dòng)參數的外部表現形式之間也必然存在著(zhù)聯(lián)系，用曲線(xiàn)表示泵性能參數之間的關(guān)系，成為泵的性能曲線(xiàn)(也叫特性曲線(xiàn))通常用橫坐標表示流量Q，縱坐標表示揚程H、效率η 等。

　　特性曲線(xiàn)的形式 ，實(shí)際上泵的特性曲線(xiàn)的形狀是多種多樣的，大致可以分為三種形式，如圖1所示。

圖1 泵特性曲線(xiàn)(Q—H)形式

　　(1)單調下降的特性曲線(xiàn) 在這種曲線(xiàn)中Q=0時(shí)揚程最大，隨流量增加，揚程逐漸下降，每一個(gè)揚程對應一個(gè)流量，這是一種穩定的特性曲線(xiàn)。

　　(2)平坦的特性曲線(xiàn) 這種曲線(xiàn)流量變化很大，而揚程變化很小，這種情況下泵運行很不穩定，極易超功率。

　　(3)駝峰(中高)特性曲線(xiàn) 在這種曲線(xiàn)中Q=0時(shí)揚程為H0，在揚程高于H0的部分，每一個(gè)揚程對應兩個(gè)流量，這是一種不穩定的特性曲線(xiàn)。工程中絕對不允許這種曲線(xiàn)的存在。

　　2.影響因素

　　(1)蝸殼截面形狀對特性曲線(xiàn)的影響 常見(jiàn)蝸殼截面形狀有矩形、梨形、梯形和圓形。在保持所有其他設計參數不變的情況下，蝸殼截面形狀對泵的特性影響不大。

　　(2)葉輪幾何參數對特性曲線(xiàn)的影響 改變葉輪出口安放角β 2，改變葉輪外徑D2，改變葉輪出口寬度b2、排擠系數ψ 2以及修削葉片進(jìn)出口部分都可調整特性曲線(xiàn)。由于在工程現場(chǎng)無(wú)法通過(guò)改變葉輪幾何參數來(lái)調整特性曲線(xiàn)，該方法多用在泵制造廠(chǎng)。

　　(3)蝸殼喉部面積對泵特性曲線(xiàn)的影響 同一個(gè)葉輪在蝸殼喉部截面積不同的兩個(gè)泵體中運行，所獲得的流量揚程特性曲線(xiàn)形狀僅取決于葉輪，而與泵體無(wú)關(guān)。但最佳流量范圍內的實(shí)際揚程主要取決于蝸殼中的水力損失，改變蝸殼喉部面積，可以改變水力損失大小，使最佳效率點(diǎn)發(fā)生偏移，同時(shí)特性曲線(xiàn)形狀發(fā)生變化，因此通過(guò)改變喉部面積可以改變揚程曲線(xiàn)的形狀和最高效率點(diǎn)的位置，而且用改變喉部面積來(lái)改變泵的性能，要比用改變葉輪的幾何參數來(lái)改變泵的性能更敏感些。

三、喉部面積影響特性曲線(xiàn)的應用原理

　　流體通過(guò)孔口形成局部收縮，導致流速增大，靜壓降低，造成孔口前后的壓差，流量越大，壓差越大。通過(guò)縮小蝸殼泵喉部面積，實(shí)際上是增加了離心泵喉部的局部損失，進(jìn)而使離心泵的總揚程降低，而根據局部損失公式，流量越大，總揚程降低的幅度越大，離心泵的性能曲線(xiàn)則越陡降。

　　喉部面積變化應用原理同薄壁圓形小孔口淹沒(méi)出流原理，如圖2所示。小孔口所形成的局部損失Hξ計算如下:

　　式中 v——流速;

　　ξ ——局部損失系數，具體取值范圍見(jiàn)表1。

四、應用與分析

　　1. 應用實(shí)例

　　深藍泵業(yè)13Z111號合同，對ESH 40—400一臺臥式、單級、單吸離心泵特性曲線(xiàn)異常進(jìn)行處理，泵出口直徑40mm，葉輪A字輪直徑425mm，合同直徑33mm，工況點(diǎn)(額定點(diǎn))流量30m3/h，揚程150m。裝置要求：關(guān)死點(diǎn)揚程高于額定點(diǎn)10%實(shí)現閥門(mén)自動(dòng)控制。第一次試驗泵性能曲線(xiàn)如圖3所示，不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，拆泵檢測泵喉部面積551mm2，通過(guò)計算，初步獲得新的喉部面積485mm2(該面積留有安全余量)，依據圖4、圖5將喉部進(jìn)行點(diǎn)焊處理。通過(guò)試驗數據可知該面積不能滿(mǎn)足揚程變化需要，再次計算獲得第二次修復試驗的喉部面積436mm2并重新進(jìn)行試驗，所得對比性能試驗曲線(xiàn)如圖3所示。由試驗所得曲線(xiàn)可知，該面積下的揚程變化滿(mǎn)足曲線(xiàn)升量要求。

圖3 面積縮小前后的試驗曲線(xiàn)、效率對比

　　分析數據可知，理論值與實(shí)際值基本相符，數據分析表明本次試驗結論與理論計算基本吻合。

五、結語(yǔ)

　　由試驗曲線(xiàn)可以看出當流量相同時(shí)，蝸殼泵喉部面積越小，壓差越大;同時(shí)也可看出蝸殼泵喉部面積相同時(shí)，流量越大，壓差越大;對于泵制造廠(chǎng)對泵性能范圍控制可以采用改變蝸殼泵喉部面積的方式，比較簡(jiǎn)單易行，但從試驗曲線(xiàn)同樣可以看出，所取泵喉部面積較小時(shí)，對泵的外特性曲線(xiàn)影響很大，如流量范圍、效率參數等。因此在實(shí)際應用中要給予充分的考慮。