立式柱塞计量泵的自吸能力研究

降宇波 贾新亮 彭学龙 王成飞 寇维鹏

1. 中国核电工程有限公司 北京 100000

2. 上海阿波罗机械股份有限公司 上海 200000

1 概况

立式柱塞计量泵是往复泵的一种。往复泵是泵类产品中出现最早的一种，在旋转式原动机出现之后，才逐步地产生了离心泵和转子泵等其他类型的泵。由于离心泵和转子泵的结构比较简单、操作比较方便，而且还有体积小、重量轻、流量均匀等一系列优点，致使原来使用往复泵的地方逐步地为这些泵类所取代[1]。在离心式和容积式两大类泵中，往复泵属于容积式泵，即它是借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送流体的目的，原动机的机械能经泵直接转化为物送液体的压力能，泵的流量只取决于工作腔容积变化位及其在单位时间内的变化次数（频率），而（理论上）与排出压力无关。

目前，往复泵的产量只占整个泵类总产量很少的一部分。但是，往复泵所具有的特点并没有被其他类型泵所代替，有些特点仍为其他类型泵所不及[2]。因此，它非但不会被淘汰，而且仍将作为一种不可缺少的泵类，在核工业等行业中被广泛采用。

其主要特点有：

1.1 瞬时流量是脉动的

液体介质的吸入和排出过程（即容积变化过程）是交替进行的，而且柱塞由电机带动曲柄驱动，在位移过程中，其速度又在不断地变化之中。在单缸泵中，泵的瞬时流量不仅随时何而交化，而且是不连续的。

1.2 平均流量（即泵的流量）是恒定的

当泵的设计合理、制造质量又好时，泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其频率。往复泵这一特点也正是作为计量泵选型的基础。

1.3 对输送的介质（液体）有较强的适应性

原则上可以输送任何介质，几乎不受介质的物理性能或化学性能的限制[3]。

1.4 有良好的自吸性能

不仅有良好的吸入性能，而且还有良好的自吸性能。因此，对多数往复泵来说，在启动前通常不需灌泵。

由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围。即往复泵主要适用于高压（或超离压）、小流量，要求泵的流量恒或定量（计量）或成比例地抽送各种不同的介质（液体），或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的场合。

2 立式柱塞计量泵样机的自吸问题及理论分析

在某核化工项目中，研制了立式柱塞计量泵，这是一种单缸可调式柱塞泵[4]，具有多种规格，主要用于输送温度不高于50℃的含有放射性的液体，设计要求吸程为5m水柱，最小流量规格为250L/h。

其水力学结构示意图如图1所示，由泵体、柱塞、填料函、管道余隙、进口阀组、出口阀组等组成。

图1 立式柱塞计量泵水力学结构示意图

在进行试验验证时[5]，发现在管道满流时其吸程可以满足设计要求，但是管道无液体时，小流量规格的泵自吸高度仅为2.8m，与满流时吸程差距较大。为了研究此问题，本文对其吸入能力尤其是自吸能力进行了理论探讨。

泵的吸入能力包括两个含义；保证泵水力部分正常工作所要求的吸入条件和泵的自吸能力。前者用以确定泵的安装高度和吸入系统的设计，后者用以确定泵有无自吸能力（工作腔内无液体时能否起动并使泵进入正常运转）及极限自吸能力。

2.1 泵正常工作的条件

水力部分正常工作的条件是：工作腔内液体的压力应始终大于输送液体的饱和蒸气压力，否则，将会引起工作腔内液体汽化，造成柱塞（或活塞）与液体脱流，从面引起工作腔内的撞击、噪声、振动以及流量的减少。因此，必须满足下列不等式：

其中：pv—液体在该温度下的饱和蒸气压力；

pcmin—工作腔内液体的最小压力。

这也是在立式柱塞计量泵常规的设计思路，而往往忽略了在泵启动过程中的自吸特性。

2.2 泵的自吸能力

自吸能力是指当工作腔内未充有液体时，泵能在多少时间内，把液体吸上多高的能力，其评价指标为极限自吸高度和自吸时间。在本设备中，着重考虑自吸高度。

为使泵具有自吸能力，必须具备下列两个条件：①必须把工作腔内的空气排出，排出行程终了时，工作腔内的空气压力必须大于泵出口处的压力；②必须把吸入管内的空气抽尽，吸入行程终了时，工作胶内的空气压力必须小于净吸入压头。设空气按等温过程变化，则应满足下列条件：

其中：p2—排出压力（在计算时应注意，此时输送的是空气，不是液体）；

pcmin—工作腔内最小压力；

Vc—余隙容积；s

V—行程容积；

ρ—液体密度；

hs—泵的安装高度。

可得：

因此，极限自吸高度为：

当p2=ps=pa（ps为吸入容器液面上的绝对压力，pa为大气压）时：

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

实际上，外界空气会通过填料函或其他不严密处进入工作腔，因此上述计算是近似的，泵常会因漏入空气而使工作胶内空气排不净，不能形成低压而不能自吸，所以产品的实际自吸高度还是应该靠试验来确定[6]。

3 自吸问题的改进方向及试验验证

从前述的分析可以看出，当柱塞泵的结构一定时，要想改善泵的自吸情况，将余隙容积Vc改小是较为明显且便捷的手段，因此，在样机的改进中，采取了在保证流量的条件下减小余隙的思路，通过在样机上设置异形填充件，填充工作腔内所有非必要的空间，将工作腔内的余隙容积减小了35%，如图2所示[7]。

图2 立式柱塞计量泵余隙容积减小结构示意图

为了验证修改后样机的自吸性能，在相同的试验条件下进行了自吸试验，试验结果显示，自吸高度从2.8m提高到了3.5m。

4 结束语

在进行立式柱塞计量泵为代表的往复泵设计时，需结合实际使用工况考虑其自吸性能，并且在进行结构设计时，行程容积sV和均对自吸性能有较大影响；在泵的结构一定情况下，减小余隙容积Vc可显著改善自吸性能，且极限自吸高度应该由试验测定。