离心泵在管路上的工作点和流量调节

离心泵在管路上的工作点和流量调节
    1、管路特性曲线   泵的性能曲线，只能说明泵本身的性能。但泵在管路中工作时，不仅取决于其本身的性能，还取决于管路性能，即管路特性曲线。由这两条曲线的交点来决定泵在管路系统中的运行工况。
    所谓管路特性曲线，是指在管路情况一定，即管路进、出口液体压力、输液高度、管路长度和管径、管件数目和尺寸，以及阀门开启度等都已确定的情况下，单位质量液体流过该管路时所必需的外加扬程Hc与单位时间流经该管路的液体量Qv之间的关系曲线。它可根据具体的管路装置情况按流体力学方法算出。
    如图2-39所示的离心泵装置，泵从吸入容器水面A-A处抽水，经泵输送至压力容器B-B。若道路中的流量为qv，由吸液池送往高处，现列A和B两截面的伯努利方程式：                                 （2-8）
式中  HAB——液体垂直升扬高度，m；
      PA,PB——A、B两截面上的压力，Pa;
      ρ——被输送液体的密度，kg/m3；
      CA，CB——液体在A、B两截面处的流速，m/s；
      ΣhAB——管路系统的流体阻力损失，m。
    式（2-8）说明外加扬程为各项能头增量和阻力损失能头之和，其中动能头一项可略去不计，除管理阻力损失能头ΣhAB外，其余各项皆与管路中的流量无关。管路阻力与管路流量的关系可由阻力计算公式求得：                       （2-9）
式中Σζ——总阻力系数；
    K——管路特性系数，；
    c——管路中液体速度，，m/s；
    A——管路中的截面积，m2。
    式（2-9）表明管路系统的流动阻力与流量的平方成正比。代入Hc的计算式（2-8）中，并略去动能头增量，则有：                  （2-10）
    式（2-10）即为管路特性方程式。按此式可在扬程和流量坐标图上绘出管路特性曲线Hc-qv，如图2-40中曲线I所示。式（2-10）中的称为管路静能头，它与输液高度及进、出管路的压力有关；管路特性系数K与管路尺寸及阻力等有关的。对一定的管路，如其中液体流动是湍流，则K几乎是一个常数。

图2-39 离心泵装置

图2-40 管路特性曲线

    调节管路系统中的阀门，由于阻力系数的改变，将使式（2-10）中的K发生变化，故Hc-qv曲线的斜率会发生变化。图2-40中曲线II及III分别为阀门开大和关小时的管路特性曲线。如果管路系统中A、B面之间距离及压力改变，即管路静能头发生变化，Hc-qv曲线将平行地上下移动。图2-40中曲线IV表示当管路静能头增加后的管路特性曲线。
    2、离心泵的工作点    将离心泵性能曲线H-qv和管路特性曲线Hc-qv按同一比例绘在同一张图上，则这两条曲线相交于M点，M点即为离心泵在管路中的工作点，如图2-41所示。在该点单位质量液体通过泵增加的能量（泵扬程H）正好等于把单位质量液体从吸水池送到排水池需要的能量（即管路所需的外加杨程Hc），故M点是泵稳定的运行点，如果泵偏离M点在A点工作，此时泵产生的扬程是HA，由图2-41可知，在qva流量下管路所需要的扬程为HCA，而HA＜HCA，说明泵产生的能量不足，致使液体减速，流量则由qVA减少至qvm，工作点必须移到M点方能达到平衡。同样，如果泵在B点工作，则泵产生的扬程是Hb，在qvb流量下管路所需要的扬程为HCB，而HB＞HCB，液体的能量有富裕，此富裕能量将促使流体加速，流量则由qvb增加到qvm，只能在M点重新达到平衡。由此可以看出，只有M点才是稳定工作点。
    有些低比转数离心泵的性能曲线常常是一条有极大值的曲线，即所谓驼峰形的性能曲线，如图2-42所示。这样泵性能曲线有可能和管路性能曲线相交于N、M点。M点如前所述，为稳定工况点。而N点则为不稳定工况点。当泵的工况因为振动、转速不稳定等原因而离开N点，如向大流量方向偏离，则泵杨程大于管路杨程，管路中流速加大，流量增加，工况点沿泵性能曲线继续向大流量方向移动，直至流量等于零为止，若管路上无底阀和单向阀，液体将倒流。由此可见，工况点在N点是暂时平衡，一旦离开N点后，便不再回N点，故称N点为不稳定平衡点。

图2-41 离心泵的管路中的工作点

图2-42 离心泵的不稳定工况

    3、流量调节   如前所述，离心泵运行时其工作参数是由泵的性能曲线与管路的特性曲线所决定的。但是在石油、化工生产过程中，常需要根据操作条件的变化来调节泵的流量。而要改变泵的流量，必须改变其工作点。改变工作点来调节流量的方法有两种，即改变管路特性曲线Hc-qv和改变离心泵的性能曲线H-qv。
    a、改变管路特性曲线的流量调节   改变管路特性最常用的方法是节流法。它是利用改变排出管路上的调节阀的开度来改变管路特性系数K，而使Hc-qv曲线的位置改变。在图2-43上，在原来的管路特性曲线上，泵是在A点工作，流量为QVA，如果关小出口阀，即增大了Σζ，于是管路中的Hc-qv线変陡，是虚线位置，新的交点为A′，流量改变为QVA′，达到了减小流量的目的。
    这种流量调节方法简单准确，使用方便，对H-qv曲线较平坦的泵，调节比较灵敏，但这种方法由于阀门阻碍力加大，就多消耗了一部分能量来克服这个附加阻力。由调节阀关小时局部阻力增加而引起的损失，一般称为“节流调节损失”。因此在效率方面，在能量利用方面都不够经济。此种方法一般只用在小型离心泵的调节上。
    b、改变离心泵性能曲线的流量调节  通过改变泵的转速或叶轮外径尺寸等可改变泵的性能曲线，这种调节方法没有节流损失，经济型较好。
    （a）改变泵的转速  此法是通过改变泵的转速，是泵的性能曲线改变来改变泵的工作点。在图2-44上，若原泵的转速为n2，由一条H-qv线，工作点为2；若转速增高至n3或n4，则H-qv线将提高，泵的工作点变为3和4，流量也曾为qv3或qv4；若减少转速为n1，流量也减至qv1。

图2-43 节流法调节流量

图2-44 改变泵转速调节流量

    变转速调节法没有节流损失，但它要求原动机能改变转速，如直流电动机、汽轮机等。对于广泛使用的交流电动机，可采用变频调速器，可任意调节转速，并且节能、可靠。另外，大容量的双数和多速的交流电动机已投入使用。因此，随着工业技术的不断发展，变速交流电动机将日益增多，它为离心泵的变速调节法开辟了广阔的前景。
    （b）改变叶轮数目   对于分段式多级泵来说，由于泵轴上串联有多个叶轮，泵的扬程为每个叶轮扬程的总和，所以多级泵的H-qv线也是各个叶轮的H-qv线的叠加。若取下几个叶轮，就必须变多级泵的H-qv线，因而可以改变流量。
    （c）改变叶轮几何参数   在改变叶轮的几何参数来调节流量的方法中，最常用的是车削叶轮的外经法。当叶轮外径经车削略变小后，泵的H-qv线将向下移动，而此时管路特性曲线不变，故泵的工作点变动，流量变小，如图2-45所示。用这种方法调节只能减少流量，而不能增大。由于叶轮车小后不能恢复，故这种方法只能用于要求流量长期改变的场合。此外，由于叶轮的车削量有限，所以当要求流量调节很小时，就不能采用此法。

图2-45 车削叶轮外径调节流量

    在改变叶轮几何参数来调节流量的其他方法中，有挫削叶轮出口处叶片以改变其安装角β2A的方法；堵死几个对称叶片间流道的方法等。采用这些方法也能使泵的H-qv曲线及流量有所改变。这种方法是用于需要长期减少流量的情况。
    （d）旁路调节  又称回流调节。这种方法是在泵的排出管路上接一大旁通管路，管路上设调节阀，控制调节阀的开度，将排出液体的一部分引回吸液池，以此来调节泵的排液量。这种调节方法也较简单，但回流液体仍需消耗泵功，经济性较差。对于某些因流量减少造成泵效率降低较多或泵的扬程特性曲线较陡的情况，采用这种方法也是较为经济的。