離心泵在管路上的工作點和流量調節

離心泵在管路上的工作點和流量調節
    1、管路特性曲線   泵的性能曲線，隻能說明泵本身的性能。但泵在管路中工作時，不僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 其本身的性能，還取決(jue) 於(yu) 管路性能，即管路特性曲線。由這兩(liang) 條曲線的交點來決(jue) 定泵在管路係統中的運行工況。
    所謂管路特性曲線，是指在管路情況一定，即管路進、出口液體(ti) 壓力、輸液高度、管路長度和管徑、管件數目和尺寸，以及閥門開啟度等都已確定的情況下，單位質量液體(ti) 流過該管路時所必需的外加揚程Hc與(yu) 單位時間流經該管路的液體(ti) 量Qv之間的關(guan) 係曲線。它可根據具體(ti) 的管路裝置情況按流體(ti) 力學方法算出。
    如圖2-39所示的離心泵裝置，泵從(cong) 吸入容器水麵A-A處抽水，經泵輸送至壓力容器B-B。若道路中的流量為(wei) qv，由吸液池送往高處，現列A和B兩(liang) 截麵的伯努利方程式：                                 （2-8）
式中  HAB——液體(ti) 垂直升揚高度，m；
      PA,PB——A、B兩(liang) 截麵上的壓力，Pa;
      ρ——被輸送液體(ti) 的密度，kg/m3；
      CA，CB——液體(ti) 在A、B兩(liang) 截麵處的流速，m/s；
      ΣhAB——管路係統的流體(ti) 阻力損失，m。
    式（2-8）說明外加揚程為(wei) 各項能頭增量和阻力損失能頭之和，其中動能頭一項可略去不計，除管理阻力損失能頭ΣhAB外，其餘(yu) 各項皆與(yu) 管路中的流量無關(guan) 。管路阻力與(yu) 管路流量的關(guan) 係可由阻力計算公式求得：                       （2-9）
式中Σζ——總阻力係數；
    K——管路特性係數，；
    c——管路中液體(ti) 速度，，m/s；
    A——管路中的截麵積，m2。
    式（2-9）表明管路係統的流動阻力與(yu) 流量的平方成正比。代入Hc的計算式（2-8）中，並略去動能頭增量，則有：                  （2-10）
    式（2-10）即為(wei) 管路特性方程式。按此式可在揚程和流量坐標圖上繪出管路特性曲線Hc-qv，如圖2-40中曲線I所示。式（2-10）中的稱為(wei) 管路靜能頭，它與(yu) 輸液高度及進、出管路的壓力有關(guan) ；管路特性係數K與(yu) 管路尺寸及阻力等有關(guan) 的。對一定的管路，如其中液體(ti) 流動是湍流，則K幾乎是一個(ge) 常數。

圖2-39 離心泵裝置

圖2-40 管路特性曲線

    調節管路係統中的閥門，由於(yu) 阻力係數的改變，將使式（2-10）中的K發生變化，故Hc-qv曲線的斜率會(hui) 發生變化。圖2-40中曲線II及III分別為(wei) 閥門開大和關(guan) 小時的管路特性曲線。如果管路係統中A、B麵之間距離及壓力改變，即管路靜能頭發生變化，Hc-qv曲線將平行地上下移動。圖2-40中曲線IV表示當管路靜能頭增加後的管路特性曲線。
    2、離心泵的工作點    將離心泵性能曲線H-qv和管路特性曲線Hc-qv按同一比例繪在同一張圖上，則這兩(liang) 條曲線相交於(yu) M點，M點即為(wei) 離心泵在管路中的工作點，如圖2-41所示。在該點單位質量液體(ti) 通過泵增加的能量（泵揚程H）正好等於(yu) 把單位質量液體(ti) 從(cong) 吸水池送到排水池需要的能量（即管路所需的外加楊程Hc），故M點是泵穩定的運行點，如果泵偏離M點在A點工作，此時泵產(chan) 生的揚程是HA，由圖2-41可知，在qva流量下管路所需要的揚程為(wei) HCA，而HA＜HCA，說明泵產(chan) 生的能量不足，致使液體(ti) 減速，流量則由qVA減少至qvm，工作點必須移到M點方能達到平衡。同樣，如果泵在B點工作，則泵產(chan) 生的揚程是Hb，在qvb流量下管路所需要的揚程為(wei) HCB，而HB＞HCB，液體(ti) 的能量有富裕，此富裕能量將促使流體(ti) 加速，流量則由qvb增加到qvm，隻能在M點重新達到平衡。由此可以看出，隻有M點才是穩定工作點。
    有些低比轉數離心泵的性能曲線常常是一條有極大值的曲線，即所謂駝峰形的性能曲線，如圖2-42所示。這樣泵性能曲線有可能和管路性能曲線相交於(yu) N、M點。M點如前所述，為(wei) 穩定工況點。而N點則為(wei) 不穩定工況點。當泵的工況因為(wei) 振動、轉速不穩定等原因而離開N點，如向大流量方向偏離，則泵楊程大於(yu) 管路楊程，管路中流速加大，流量增加，工況點沿泵性能曲線繼續向大流量方向移動，直至流量等於(yu) 零為(wei) 止，若管路上無底閥和單向閥，液體(ti) 將倒流。由此可見，工況點在N點是暫時平衡，一旦離開N點後，便不再回N點，故稱N點為(wei) 不穩定平衡點。

圖2-41 離心泵的管路中的工作點

圖2-42 離心泵的不穩定工況

    3、流量調節   如前所述，離心泵運行時其工作參數是由泵的性能曲線與(yu) 管路的特性曲線所決(jue) 定的。但是在石油、化工生產(chan) 過程中，常需要根據操作條件的變化來調節泵的流量。而要改變泵的流量，必須改變其工作點。改變工作點來調節流量的方法有兩(liang) 種，即改變管路特性曲線Hc-qv和改變離心泵的性能曲線H-qv。
    a、改變管路特性曲線的流量調節   改變管路特性常用的方法是節流法。它是利用改變排出管路上的調節閥的開度來改變管路特性係數K，而使Hc-qv曲線的位置改變。在圖2-43上，在原來的管路特性曲線上，泵是在A點工作，流量為(wei) QVA，如果關(guan) 小出口閥，即增大了Σζ，於(yu) 是管路中的Hc-qv線変陡，是虛線位置，新的交點為(wei) A′，流量改變為(wei) QVA′，達到了減小流量的目的。
    這種流量調節方法簡單準確，使用方便，對H-qv曲線較平坦的泵，調節比較靈敏，但這種方法由於(yu) 閥門阻礙力加大，就多消耗了一部分能量來克服這個(ge) 附加阻力。由調節閥關(guan) 小時局部阻力增加而引起的損失，一般稱為(wei) “節流調節損失”。因此在效率方麵，在能量利用方麵都不夠經濟。此種方法一般隻用在小型離心泵的調節上。
    b、改變離心泵性能曲線的流量調節  通過改變泵的轉速或葉輪外徑尺寸等可改變泵的性能曲線，這種調節方法沒有節流損失，經濟型較好。
    （a）改變泵的轉速  此法是通過改變泵的轉速，是泵的性能曲線改變來改變泵的工作點。在圖2-44上，若原泵的轉速為(wei) n2，由一條H-qv線，工作點為(wei) 2；若轉速增高至n3或n4，則H-qv線將提高，泵的工作點變為(wei) 3和4，流量也曾為(wei) qv3或qv4；若減少轉速為(wei) n1，流量也減至qv1。

圖2-43 節流法調節流量

圖2-44 改變泵轉速調節流量

    變轉速調節法沒有節流損失，但它要求原動機能改變轉速，如直流電動機、汽輪機等。對於(yu) 廣泛使用的交流電動機，可采用變頻調速器，可任意調節轉速，並且節能、可靠。另外，大容量的雙數和多速的交流電動機已投入使用。因此，隨著工業(ye) 技術的不斷發展，變速交流電動機將日益增多，它為(wei) 離心泵的變速調節法開辟了廣闊的前景。
    （b）改變葉輪數目   對於(yu) 分段式多級泵來說，由於(yu) 泵軸上串聯有多個(ge) 葉輪，泵的揚程為(wei) 每個(ge) 葉輪揚程的總和，所以多級泵的H-qv線也是各個(ge) 葉輪的H-qv線的疊加。若取下幾個(ge) 葉輪，就必須變多級泵的H-qv線，因而可以改變流量。
    （c）改變葉輪幾何參數   在改變葉輪的幾何參數來調節流量的方法中，常用的是車削葉輪的外經法。當葉輪外徑經車削略變小後，泵的H-qv線將向下移動，而此時管路特性曲線不變，故泵的工作點變動，流量變小，如圖2-45所示。用這種方法調節隻能減少流量，而不能增大。由於(yu) 葉輪車小後不能恢複，故這種方法隻能用於(yu) 要求流量長期改變的場合。此外，由於(yu) 葉輪的車削量有限，所以當要求流量調節很小時，就不能采用此法。

圖2-45 車削葉輪外徑調節流量

    在改變葉輪幾何參數來調節流量的其他方法中，有挫削葉輪出口處葉片以改變其安裝角β2A的方法；堵死幾個(ge) 對稱葉片間流道的方法等。采用這些方法也能使泵的H-qv曲線及流量有所改變。這種方法是用於(yu) 需要長期減少流量的情況。
    （d）旁路調節  又稱回流調節。這種方法是在泵的排出管路上接一大旁通管路，管路上設調節閥，控製調節閥的開度，將排出液體(ti) 的一部分引回吸液池，以此來調節泵的排液量。這種調節方法也較簡單，但回流液體(ti) 仍需消耗泵功，經濟性較差。對於(yu) 某些因流量減少造成泵效率降低較多或泵的揚程特性曲線較陡的情況，采用這種方法也是較為(wei) 經濟的。