離心泵在管路上的工作點(diǎn)和流量調(diào)節(jié)
1、管路特性曲線(xiàn) 泵的性能曲線(xiàn)，只能說(shuō)明泵本身的性能。但泵在管路中工作時(shí)，不僅取決于其本身的性能，還取決于管路性能，即管路特性曲線(xiàn)。由這兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)來(lái)決定泵在管路系統(tǒng)中的運(yùn)行工況。
所謂管路特性曲線(xiàn)，是指在管路情況一定，即管路進(jìn)、出口液體壓力、輸液高度、管路長(zhǎng)度和管徑、管件數(shù)目和尺寸，以及閥門(mén)開(kāi)啟度等都已確定的情況下，單位質(zhì)量液體流過(guò)該管路時(shí)所必需的外加揚(yáng)程Hc與單位時(shí)間流經(jīng)該管路的液體量Qv之間的關(guān)系曲線(xiàn)。它可根據(jù)具體的管路裝置情況按流體力學(xué)方法算出。
如圖2-39所示的離心泵裝置，泵從吸入容器水面A-A處抽水，經(jīng)泵輸送至壓力容器B-B。若道路中的流量為qv，由吸液池送往高處，現(xiàn)列A和B兩截面的伯努利方程式： （2-8）
式中 HAB——液體垂直升揚(yáng)高度，m；
PA,PB——A、B兩截面上的壓力，Pa;
ρ——被輸送液體的密度，kg/m3；
CA，CB——液體在A、B兩截面處的流速，m/s；
ΣhAB——管路系統(tǒng)的流體阻力損失，m。
式（2-8）說(shuō)明外加揚(yáng)程為各項(xiàng)能頭增量和阻力損失能頭之和，其中動(dòng)能頭一項(xiàng)可略去不計(jì)，除管理阻力損失能頭ΣhAB外，其余各項(xiàng)皆與管路中的流量無(wú)關(guān)。管路阻力與管路流量的關(guān)系可由阻力計(jì)算公式求得： （2-9）
式中Σζ——總阻力系數(shù)；
K——管路特性系數(shù)，；
c——管路中液體速度，，m/s；
A——管路中的截面積，m2。
式（2-9）表明管路系統(tǒng)的流動(dòng)阻力與流量的平方成正比。代入Hc的計(jì)算式（2-8）中，并略去動(dòng)能頭增量，則有： （2-10）
式（2-10）即為管路特性方程式。按此式可在揚(yáng)程和流量坐標(biāo)圖上繪出管路特性曲線(xiàn)Hc-qv，如圖2-40中曲線(xiàn)I所示。式（2-10）中的稱(chēng)為管路靜能頭，它與輸液高度及進(jìn)、出管路的壓力有關(guān)；管路特性系數(shù)K與管路尺寸及阻力等有關(guān)的。對(duì)一定的管路，如其中液體流動(dòng)是湍流，則K幾乎是一個(gè)常數(shù)。
圖2-39 離心泵裝置
圖2-40 管路特性曲線(xiàn)
調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)中的閥門(mén)，由于阻力系數(shù)的改變，將使式（2-10）中的K發(fā)生變化，故Hc-qv曲線(xiàn)的斜率會(huì)發(fā)生變化。圖2-40中曲線(xiàn)II及III分別為閥門(mén)開(kāi)大和關(guān)小時(shí)的管路特性曲線(xiàn)。如果管路系統(tǒng)中A、B面之間距離及壓力改變，即管路靜能頭發(fā)生變化，Hc-qv曲線(xiàn)將平行地上下移動(dòng)。圖2-40中曲線(xiàn)IV表示當(dāng)管路靜能頭增加后的管路特性曲線(xiàn)。
2、離心泵的工作點(diǎn) 將離心泵性能曲線(xiàn)H-qv和管路特性曲線(xiàn)Hc-qv按同一比例繪在同一張圖上，則這兩條曲線(xiàn)相交于M點(diǎn)，M點(diǎn)即為離心泵在管路中的工作點(diǎn)，如圖2-41所示。在該點(diǎn)單位質(zhì)量液體通過(guò)泵增加的能量（泵揚(yáng)程H）正好等于把單位質(zhì)量液體從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(diǎn)是泵穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)，如果泵偏離M點(diǎn)在A點(diǎn)工作，此時(shí)泵產(chǎn)生的揚(yáng)程是HA，由圖2-41可知，在qva流量下管路所需要的揚(yáng)程為HCA，而HA＜HCA，說(shuō)明泵產(chǎn)生的能量不足，致使液體減速，流量則由qVA減少至qvm，工作點(diǎn)必須移到M點(diǎn)方能達(dá)到平衡。同樣，如果泵在B點(diǎn)工作，則泵產(chǎn)生的揚(yáng)程是Hb，在qvb流量下管路所需要的揚(yáng)程為HCB，而HB＞HCB，液體的能量有富裕，此富裕能量將促使流體加速，流量則由qvb增加到qvm，只能在M點(diǎn)重新達(dá)到平衡。由此可以看出，只有M點(diǎn)才是穩(wěn)定工作點(diǎn)。
有些低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能曲線(xiàn)常常是一條有極大值的曲線(xiàn)，即所謂駝峰形的性能曲線(xiàn)，如圖2-42所示。這樣泵性能曲線(xiàn)有可能和管路性能曲線(xiàn)相交于N、M點(diǎn)。M點(diǎn)如前所述，為穩(wěn)定工況點(diǎn)。而N點(diǎn)則為不穩(wěn)定工況點(diǎn)。當(dāng)泵的工況因?yàn)檎駝?dòng)、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等原因而離開(kāi)N點(diǎn)，如向大流量方向偏離，則泵楊程大于管路楊程，管路中流速加大，流量增加，工況點(diǎn)沿泵性能曲線(xiàn)繼續(xù)向大流量方向移動(dòng)，直至流量等于零為止，若管路上無(wú)底閥和單向閥，液體將倒流。由此可見(jiàn)，工況點(diǎn)在N點(diǎn)是暫時(shí)平衡，一旦離開(kāi)N點(diǎn)后，便不再回N點(diǎn)，故稱(chēng)N點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。
圖2-41 離心泵的管路中的工作點(diǎn)
圖2-42 離心泵的不穩(wěn)定工況
3、流量調(diào)節(jié) 如前所述，離心泵運(yùn)行時(shí)其工作參數(shù)是由泵的性能曲線(xiàn)與管路的特性曲線(xiàn)所決定的。但是在石油、化工生產(chǎn)過(guò)程中，常需要根據(jù)操作條件的變化來(lái)調(diào)節(jié)泵的流量。而要改變泵的流量，必須改變其工作點(diǎn)。改變工作點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)流量的方法有兩種，即改變管路特性曲線(xiàn)Hc-qv和改變離心泵的性能曲線(xiàn)H-qv。
a、改變管路特性曲線(xiàn)的流量調(diào)節(jié) 改變管路特性zui常用的方法是節(jié)流法。它是利用改變排出管路上的調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)改變管路特性系數(shù)K，而使Hc-qv曲線(xiàn)的位置改變。在圖2-43上，在原來(lái)的管路特性曲線(xiàn)上，泵是在A點(diǎn)工作，流量為QVA，如果關(guān)小出口閥，即增大了Σζ，于是管路中的Hc-qv線(xiàn)変陡，是虛線(xiàn)位置，新的交點(diǎn)為A′，流量改變?yōu)镼VA′，達(dá)到了減小流量的目的。
這種流量調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，使用方便，對(duì)H-qv曲線(xiàn)較平坦的泵，調(diào)節(jié)比較靈敏，但這種方法由于閥門(mén)阻礙力加大，就多消耗了一部分能量來(lái)克服這個(gè)附加阻力。由調(diào)節(jié)閥關(guān)小時(shí)局部阻力增加而引起的損失，一般稱(chēng)為“節(jié)流調(diào)節(jié)損失”。因此在效率方面，在能量利用方面都不夠經(jīng)濟(jì)。此種方法一般只用在小型離心泵的調(diào)節(jié)上。
b、改變離心泵性能曲線(xiàn)的流量調(diào)節(jié) 通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速或葉輪外徑尺寸等可改變泵的性能曲線(xiàn)，這種調(diào)節(jié)方法沒(méi)有節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)型較好。
（a）改變泵的轉(zhuǎn)速 此法是通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速，是泵的性能曲線(xiàn)改變來(lái)改變泵的工作點(diǎn)。在圖2-44上，若原泵的轉(zhuǎn)速為n2，由一條H-qv線(xiàn)，工作點(diǎn)為2；若轉(zhuǎn)速增高至n3或n4，則H-qv線(xiàn)將提高，泵的工作點(diǎn)變?yōu)?和4，流量也曾為qv3或qv4；若減少轉(zhuǎn)速為n1，流量也減至qv1。
圖2-43 節(jié)流法調(diào)節(jié)流量
圖2-44 改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量
變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法沒(méi)有節(jié)流損失，但它要求原動(dòng)機(jī)能改變轉(zhuǎn)速，如直流電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等。對(duì)于廣泛使用的交流電動(dòng)機(jī)，可采用變頻調(diào)速器，可任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且節(jié)能、可靠。另外，大容量的雙數(shù)和多速的交流電動(dòng)機(jī)已投入使用。因此，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，變速交流電動(dòng)機(jī)將日益增多，它為離心泵的變速調(diào)節(jié)法開(kāi)辟了廣闊的前景。
（b）改變?nèi)~輪數(shù)目 對(duì)于分段式多級(jí)泵來(lái)說(shuō)，由于泵軸上串聯(lián)有多個(gè)葉輪，泵的揚(yáng)程為每個(gè)葉輪揚(yáng)程的總和，所以多級(jí)泵的H-qv線(xiàn)也是各個(gè)葉輪的H-qv線(xiàn)的疊加。若取下幾個(gè)葉輪，就必須變多級(jí)泵的H-qv線(xiàn)，因而可以改變流量。
（c）改變?nèi)~輪幾何參數(shù) 在改變?nèi)~輪的幾何參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)流量的方法中，zui常用的是車(chē)削葉輪的外經(jīng)法。當(dāng)葉輪外徑經(jīng)車(chē)削略變小后，泵的H-qv線(xiàn)將向下移動(dòng)，而此時(shí)管路特性曲線(xiàn)不變，故泵的工作點(diǎn)變動(dòng)，流量變小，如圖2-45所示。用這種方法調(diào)節(jié)只能減少流量，而不能增大。由于葉輪車(chē)小后不能恢復(fù)，故這種方法只能用于要求流量長(zhǎng)期改變的場(chǎng)合。此外，由于葉輪的車(chē)削量有限，所以當(dāng)要求流量調(diào)節(jié)很小時(shí)，就不能采用此法。
圖2-45 車(chē)削葉輪外徑調(diào)節(jié)流量
在改變?nèi)~輪幾何參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)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(gè)對(duì)稱(chēng)葉片間流道的方法等。采用這些方法也能使泵的H-qv曲線(xiàn)及流量有所改變。這種方法是用于需要長(zhǎng)期減少流量的情況。
（d）旁路調(diào)節(jié) 又稱(chēng)回流調(diào)節(jié)。這種方法是在泵的排出管路上接一大旁通管路，管路上設(shè)調(diào)節(jié)閥，控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，將排出液體的一部分引回吸液池，以此來(lái)調(diào)節(jié)泵的排液量。這種調(diào)節(jié)方法也較簡(jiǎn)單，但回流液體仍需消耗泵功，經(jīng)濟(jì)性較差。對(duì)于某些因流量減少造成泵效率降低較多或泵的揚(yáng)程特性曲線(xiàn)較陡的情況，采用這種方法也是較為經(jīng)濟(jì)的。
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