无过载离心泵的理论、特性、实际应用

杨晓峰

1. 概述：

随着科学技术的发展与进步，產品的可靠性已成为各行业的中心议题。一台水泵在什么样的工况下使用，才不会由于轴功率的增大而损坏水泵、汽蚀叶轮是一个在用户使用中很大的课题，但市场上排灌机械水泵的可靠性主要集中在样机的工况使用试验以及提高关键件（水泵叶轮、蜗壳）的使用寿命上，就如何提高水泵的低比转数轴功率性能，解决低比转数泵在大流量运行易过载，损坏水泵（烧电机），如用闸门调节水泵不在工况区域内运行，造成短时间叶轮进水口环气蚀等很多问题，不能有明确的分析与指导。本文在分析了潜水泵行业中低比转数泵在大流量运行易过载，可靠性差及其产品的原因问题，指出几条解决问题的途径，以供读者参考。

2. 低比转数泵的轴功率特性及其影响因素

① 低比转数泵的轴功率特性

众所周知低比转数泵的轴功率曲线是连续上升的，混流泵和斜流泵的轴功率特性接近于水平线，轴流泵的轴功率曲线是连续下降的。因此离心泵总是闭阀启动（排水公司基本都是潜水离心排污泵，只有大码头北边两台是轴流泵，易家桥、洪江路泵站是混流泵（旋流泵））轴流泵总是开阀启动，而混流泵则是两者皆可；并且比转数ns越低，轴功率曲线随流量增加上升越快。（观音山排江水泵就是此原因）

加大流量设计，改变水泵叶轮是提高低比转数泵效率的有效方法，其主要措施是选择较大叶轮出口角β2，一般β2=30°-40°，有时提高至50°，选择较大叶片口宽度b2，一般b2比计算值增加20～30%，选择泵体喉部面积Ft比计算面积增加20～40%，以上的措施的确使低比转数的效率有了一定程度的提高，但随之常来的后果是泵的轴功率在相同流量下需增加（如图1所示）大马拉小车，如不增加功率，使泵在大流量低扬程工况运行时严重超载烧坏电机，因而泵的可靠性差。

② 几何参数对轴功率特性的影响

对于非螺旋形吸水泵室， Vu1=0泵的扬程和轴的功率为

H=ηhg V2（h-Q η2u2πD2b2φ2tgβ2 ） （1）

P=PgQH η =P ηm-ηv Qu2?（h0-Q η2u2Πd2φ2tgβ2 ） （2）

a.叶轮出口角β2 由式（1）得知，泵的扬程随β2的减小而降低，扬程曲线随β2的减小而变陡，从式（2）可知，在同一流量下轴功率随扬程的降低而减小，且轴功率曲线变得平坦，即减小β1能达到降低大流量区轴功率的目的，如图2所示。

b.叶轮外径D2，由式（1）（2）可知泵的扬程和轴功率随叶轮外径D2的增加而增加，如图2所示；

c.叶轮出口宽度b2，由式（1）和（2）可知，减小叶片的出口宽度b2，泵的流量、扬程、轴功率都会随之变化，如图2所示，因此b2减小轴功率的降低值随流量的增大而增大，即减小b2可使轴功率曲线变得平坦；

d.泵体喉部面积Ft（涡壳抛物线与出水拐角部），当减小泵体喉部面积Ft时，在同一流量下，泵喉部流速增加；从而增加了泵体液流与叶轮流速不一致而引起撞击损失使泵的流量减小，扬程降低，轴功率减小，高效点向小流量方向转移，如图2所示；

e.叶片数Z根据泵有限叶片数的理论，减小叶片数Z，叶片间流道增大，由于叶轮内轴向旋涡的影响，叶轮内液流的相对速度的圆周分量减小，泵的扬程降低，扬程曲线变陡，轴功率曲线变得平坦；

f.排挤系统φ2

扬程曲线斜率tgφ=n 60gb2φ2 ctgβ2

可见排挤系数φ2越小即叶片厚排挤大时φ值增大，扬程曲线变陡，功率曲线变得平坦，如图2所示。

3. 无过载泵的运行特点及其可靠性

无过载泵的运行有两个明显的特点：

① 因轴功率曲线有最大值，且最大值位置与设计点相近（通过合理选择各几何参数和适应调整它们之间的关系总可以做到这一点）因此只需要原动机的配套功率大于此最大值，则泵在任何工况下运行均不会发生过载现象，这个优良特性可用于所以离心泵的设计，并且极为实用，因此无需在泵的出水部分按出水阀（因日常维护和维修需要，实际在使用中出水管路都装有出水闸门），泵在实际运行工况未知时，且由于各种原因在不断变化，泵常在大流量工况去运行。无过载泵的轴功率在达到一定最大值时，随流量增加而不断减小，因而提高了泵的运行可靠性。

② 由于各种原因引起的装置特性变化或改变泵的使用工况时虽然扬程变化有较大△H，而流量变化却有较小的△Q，图3所示。这个优点也具有很大的实用性，这样一台泵不但可以在高扬程或低扬程下使用（不考虑效率和节能效果，仅考虑运行可靠性，主要对实用可言）而且用户将一台泵用于不同工况，其主要目的是为了得到不同扬程，而不是得到不同流量，无过载离心泵正是实现了这一要求。

4. 无过载泵存在的问题及解决办法

低比转数泵一般具有较大的扬程系数φ和小的流量系数φ。由式（4）可知，很小的φ值必然要求有较小的叶片出口角β2。由式（1）可知，减小β2，泵扬程H减小，为了保证水泵需要的扬程H，必须加大叶轮的外径D2；因此对于比转数极低的泵来说，若要使其具备无过载性能，则需一个反常大的叶轮。这样由于圆盘摩擦损失与外径n次方成正比，因而大大增加了圆盘摩擦损失，从而降低盘的效率，同时D2增大，b2/D2比值减小，又加上β2较小，此方法可能制作铸造时有困难，但确可产生无过载反应。

解决上述问题的正确办法是，进行深入、全面、综合分析泵的各种几何参数性能的影响极其关系，摸索解决问题的途径，使得水泵既经济又实用，能在实际应用中产生效果，满足国家相关标准规定性能参数，具备优良的轴功率特性，制造出可行性，无过载、管路下、实用、高效的离心泵。

例观音山污水处理厂出水池，可在原泵池不加大的情况下对水泵的设计流量，泵的出水方法进行改进研制，定可使得水泵在正确的工况下运行，减少气蚀和烧毁电机，减少一次性投入。