离心式水泵的工况分析及调节

1.水泵工况点

当一台水泵与某一管道系统连接并工作时，把水泵的扬程曲线和管道特性曲线按相同比例画在同一坐标纸上，如图8-37所示。水泵的扬程特性曲线与管路特性曲线有一交点M，这就是水泵的工作状况点，简称工况点。假设水泵在M′点所示的情况下工作，则水泵产生的压头大于管路所需的压头HM，这样多余的能量就会使管道内的液体加速，从而使流量增加，直到流量增加到QM为止。另一方面，假设水泵在M″点所示的情况下工作，则水泵产生的压头小于经管路把水提高到HM″所需的压头，这时由于能量不足，管内流速减小，流量随之减少，直到减至QM为止。所以水泵必定在M点工作。总而言之，只有在M点才能使压头与流量匹配，即H泵=H管，Q泵=Q管。与M点对应的QM、HM、NM、ηM、HsM称为该泵在确定管道中工作时的特性参数值，亦称为工况参数。

2.水泵正常工作条件

1）稳定性工作条件

泵在管路上稳定工作时，不管外界情况如何变化，泵的扬程特性曲线与管路特性曲线有且只有一个交点，反之是不稳定的。下面讨论稳定工作条件。

水泵运转时，对于确定的排水系统管路，特性曲线基本上是不变的。

对于确定的泵，泵的参数是不变的，泵的特性曲线只随转速而变化。转速与供电电压有关，供电电压在一定范围内是经常变化的，因此有可能出现以下两种极端情况，如图8-38所示。

图8-37　水泵工况点的确定

图8-38　泵不稳定工作情况

（1）同时出现两个工况点。由于供电电压下降，当转速由n变化为n′时，工况点有2、3两个，这样水泵工作时，扬程上下波动，水量忽大忽小，呈现不稳定的状况。

（2）无工况点。当转速进一步下降到n″时，扬程曲线与管路特性曲线无相交点，即无工况点，水泵无水排出。

上述两种情况均为不稳定工作状况，从图8-38可发现，发生上述两种情况的原因是泵在零流量时的扬程小于管路测地高度。因此为保证水泵的稳定工作，泵的零流量扬程应大于管路的测地高度。考虑到供电电压波动是不可避免的，其一般下降幅度在2%～3%范围内，则反映到泵的扬程上为下降5%～10%，因而稳定性工作条件为

Hsy≥(0.90～0.95）H0　(8-32）

2）经济性工作条件

为了提高经济效益，必须使水泵在高效区工作，通常规定运行工况点的效率不得低于最高效率的85%～90%，即

ηM≥(0.85～0.90）ηmax　(8-33）

根据式（8-33）划定的区域称为工业利用区，如图8-39所示的阴影区域。

图8-39　工业利用区确定图

3）不发生汽蚀的条件

由水泵的汽蚀条件分析可知，为保证水泵正常运行，实际装置的汽蚀余量应大于泵的允许汽蚀余量。

总之，要保证水泵正常和合理工作，必须满足：稳定工作条件；工况点位于工业利用区；实际装置的汽蚀余量大于泵的允许汽蚀余量。

3.水泵工况点调节

水泵在确定的管路系统工作时，一般不需要调节，但若选择不当，或运行时条件发生变化，则需要对其工况点进行调节。由于工况点是由水泵的扬程特性曲线与管路特性曲线的交点决定的，所以要改变工况点，则可以通过改变管路特性或改变泵的扬程特性的方法来达到。

1）节流调节

图8-40　节流调节时的性能曲线

当把排水闸阀关小时，由于在管路中附加了一个局部阻力，故管路特性曲线变陡（图8-40），于是泵的工况点就沿着扬程曲线朝流量减小的方向移动。闸阀关得越小，附加阻力越大，流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工况点位置的方法，称为节流调节。把闸阀关小时，水泵需要额外增加一部分能量用于克服闸阀的附加阻力。所以，节流调节是不经济的，但是此方法简单易行，在生产实践中可用在临时性及小幅度的调节中，特别是全开闸阀使电动机过负荷时，可采用关小闸阀使电动机电流保持在额定电流之下。(www.xing528.com)

2）减少叶轮数目

多级泵由多个叶轮串联而成，其扬程可依据水泵串联工作的理论确定。因此，多级泵的扬程是单级叶轮的扬程乘以叶轮个数，即

H=iHi　(8-34）

式中　H——多级泵的扬程，m；

Hi——单级叶轮的扬程，m；

i——叶轮个数。

当泵的扬程高出实际需要的扬程较多时，可通过减少叶轮数来调节泵的扬程，使其进入工业利用区进行有效的工作。此法在凿立井工作排水时采用较多。凿立井时，随井筒的延伸所需的扬程发生变化，而吊泵的扬程是一个有级系列，为适应使用需要，往往采用拆除叶轮的办法来解决。

拆除叶轮时只能拆除最后或中间一级，而不能拆除吸水侧的第一级叶轮。因为第一级叶轮拆除后，增加了吸水侧的阻力损失，将使水泵提前发生汽蚀。

拆除叶轮时，泵壳及轴均可保持原状不动，但需要在轴上加一个与拆除叶轮轴向尺寸相同的轴套，以保持整个转子的位置固定不动，另外也可采用换轴和拉紧螺栓的方法。两种方法各有优缺点，前者调整方便，操作简单，工作量小，但对效率有一定的影响；后者调整工作量较大，但对效率影响较小。

3）削短叶轮直径

削短直径后的叶轮与原叶轮在几何形状上并不相似，但当切割量不大时，可看成近似相似，仍遵循相似定律。

在保持转速不变的情况下，由相似定律可导出切割定律。

（1）低比转速叶轮。

由于叶轮流道形状窄而长，在切割量不大时，出口宽度基本不变，即b2=。故当转速不变，叶轮外径由D2切割为D′2时，其流量、扬程和功率的变化关系为

（2）中、高比转数叶轮。

由于流道形状短而宽，当叶片外径变化时，出口宽度变化较大，一般认为叶片出口宽度与外径成反比，即。故当转速不变，叶轮外径由D2切割为时，其流量、扬程和功率的变化关系为

由切割定律知，削短叶轮直径后，水泵的扬程、流量和功率将减小，从而使特性曲线改变，则工况点也发生相应的变化。在单级泵中使用这种方法可以扩大水泵的应用范围。

这里应当指出，按切割定律得到的切割后的性能曲线只适合叶轮车削量否则需要通过试验后来确定。同时叶轮车割量不能超出某一范围，不然会导致原来的构造被破坏，水力效率会严重降低。叶轮车削后，轴承与填料内的损失不变，有效功率则由于叶轮直径变小而减小，因此机构效率也会降低。现综合国内资料把许可的切割范围和效率下降值列入表8-4中。

表8-4　离心式叶轮的叶片最大切割量与效率的关系

不同的叶轮应当采用不同的车割方式，如图8-41所示。

图8-41　叶轮的车割方式

①低比转数离心泵叶轮的车割量，在两个圆盘和叶片上都是相等的（如果有导水器或在叶轮出口有泄漏环，则只车割叶片，不车割圆盘）。

②高比转数离心泵，叶轮两边车割成两个不同的直径，前盘的直径大于后盘的直径，而

低比转数离心泵叶轮车割以后，如果按图8-42所示中的虚线把叶片末端锉尖，可使水泵的流量和效率略为增大。

图8-42　车削前后的叶片末端