多级离心泵性能的探讨.docx

2011 年 12 月forestry machinery & woodworking equipmentdec. 2011试验与研究多级离心泵性能的探讨赵义， 于文华， 宋 杨， 蔡亚光（北京林业大学工学院，北京 100083）摘要：综合考虑了离心水泵的水力损失、容积损失和机械损失，通过实验提出了影响多级离心泵性能的因素，揭示了离心泵使用效率与各因素的关系，为高效使用多级离心水泵提供了理论依据和方法。关键词：多级离心水泵；离心泵性能；使用效率中图分类号：th311文献标识码：a文章编号：1001- 4462（2011）12- 0031- 03discussion on the performance of multistage centrifugal pumpszhao yi, yu wen-hua, song yang,cai ya-guang（mechanical engineering college of beijing forestry university, beijing 100083, china）abstract：considering the hydraulic loss, volumetric loss and mechanical loss of centrifugal pumps, through experiments, thefactors influencing multistage centrifugal pumps are presented and the relationship between the efficiency of centrifugal pumps and different factors is revealed, which provides theory basis and methods for the efficient use of multistage centrifugal pumps .key words：the multiple centrifugal pump; the performance; efficiency多级离心泵是各种泵中应用最为广泛的一种，被广泛应用于城市供水、农田灌溉、石油化工、森林消防 等国民经济的各个行业。随着离心泵技术的不断发展， 其应用范围也在不断扩大。在实际使用过程中，当离心 泵设计扬程与所选泵的额定扬程不符或发现其配套动 力不足时 （尤其是便携式多级离心水泵配备的发动机 常常由于其功率小，泵的设计性能不能得到充分发挥），如何最大效率地使用离心泵是目前很多人都在研究的课题。本文通过研究与多级离心泵性能相关的因素以 及通过相关的实验数据，提出高效使用多级离心泵的 方法。1多级离心泵的损失分析离心泵在把原动机的功率传递给液体的过程中伴有 各种功率损失，所以离心泵的输出功率小于其输入功 率，图1 所示为泵内能量传递过程中的各种损失示意图。 泵的损失包括机械损失 pm、容积损失 pv 和水利损收稿日期：20110918基金项目：北京市科委共建项目“京郊山地条件下森林火 灾扑救装备的研制”!像处理技术对雷达回波进行特征提取，采用非图像方式描述回波的几何结构，其是一种有效识别雷暴回波 的方法。作业应用结果表明，整个雷达回波特征参数提 取算法容易实现，结构简单，时效性强，具有较好的应 用潜力。雷达 t 扫模式提取特征参数信息比较完整，可 以充分利用这些特征因子定量分析回波的演变趋势和 变化规律，监测局部地区天气变化，开展消雷作业指挥 工作。参考文献：1 张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学m.北京：气象出版社，2004：314-330.2 徐德祥，王馥棠，萧永生，等.农业气象防灾调控工程与技术系统m.北京：气象出版社，2002：172-178.3 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等，多普勒天气雷达原理与业务应用m.气象出版社，2007.4 廖玉芳，俞小鼎，郭庆.一次强对流系列风暴个例的多普勒天气 雷达资料分析j.应用气象学报，2003，14（6）：656-661.林 业机 械与 木 工 设 备第 39 卷32水力损失是液体在泵过流部分 （从泵进口到出口的通道）的流动中伴有的水力摩擦损失和冲击、脱流， 速度方向及大小改变等引起的损失。离心泵的水力损 失主要由叶轮、压水室（导叶）和吸水室三部分产生，其 中叶轮和压水室的损失是主要的，而吸水室内的损失 非常小，通常可以忽略不计。离心泵的水力损失可分为 水力摩擦损失和局部损失。其中摩擦损失又分为叶轮 表面摩擦损失和导叶表面摩擦损失两部分。这两部分 摩擦损失通常是按照管道摩擦损失计算。（1）叶轮表面摩擦损失 s1：gqhpvphppmp=p +p +p +gqhm v h图 1 泵内能量损失示意图 1 s1fl（）（w1+w2）/4gy（3）失 ph。这三种性质不同的能量损失需要用不同的方法来处理。机械损失包括叶轮盖板外侧与水流摩擦所产 生的圆盘损失以及轴承和密封部件中固体间相互摩擦 所产生的损失。由于后者在泵损失中的比重很小，所以 可忽略不计。本文所说的机械损失是指水泵的圆盘损 失，圆盘损失是流体和旋转的叶轮发生摩擦而产生的 能量损失，这部分摩擦消耗了一定的轴功率，影响水泵 的整体效率。圆盘损失与流体的密度、叶轮的外径、叶 轮转速有关，对离心泵而言圆盘损失与叶轮外径的五 次方成正比。由于离心泵的叶轮出口与进口直径比值 会随着比转速的降低而增大，圆盘损失在轴功率中所 占的比例也会随着比转速的升高而加大，当比转速在30 左右时，圆盘损失将占轴功率的二分之一以上，可见 圆盘损失对离心泵（尤其是比转速离心泵）的性能影响 较大，离心泵圆盘损失的计算公式为：21式中：f 为摩擦系数，一般取 0.005；l 为叶片道长度，l=（d -d）（/ 2cos），d 、d 分别为叶轮进出口直径；12212y1b（d2 ）cos2（/ b+（d2 ）cos2）；222 为叶轮出口角，b 为叶轮的出口宽度；w1、w2 分别为叶轮进出口速度。（2）导叶表面摩擦损失 s2：1s2f （d3d1）/2cos3（）（c3+c1）/4gy（4）22式中：y2（b3 d3 cos3）（/ 3zd3 cos3）；d3 为导叶进口直径；3 为导叶进口角；z为导叶的叶片数；b3为导叶的出口宽度。2提高水泵性能的措施离心泵的性能主要用泵的效率、扬程、轴功率和汽 蚀余量来衡量，本文主要研究前三项。离心泵的总效率 mvh，要提高所选离心泵的总效率，需要提高离 心泵的机械效率 m、容积效率 v 及水力效率 h，从上 述的离心泵各项损失中可以看到影响这三项的主要因 素是泵的转速 n、扬程 h 以及流量 q。在实际使用过程 中，由于多级离心泵受配套发动机和重量的限制（特别 是森林消防用多级离心泵），转速一般达不到设计要 求，在这种情况下应控制离心泵的扬程和流量以达到 最大效率地使用水泵的目的。多级离心泵自身因素对 性能的影响很复杂，目前还没有理论公式可对其性能s=f（3 d2 /2）2/q0（1）式中： 为流体密度；f 为摩擦系数，一般取 0.005； 为角速度；q0 为设计流量；d2 为叶轮的出口直径。容积损失本质上是一种流量的损失，它使得泵出 口的流量小于流经叶轮的流量。水泵输入的水力功率 用来对通过叶轮的液体做功，叶轮出口处液体的压力 高于进口压力，出口和进口的压差使通过叶轮的一部 分液体从泵腔经过叶轮密环（口环）间隙向叶轮进口逆 流。这时，通过叶轮的流量 q0 并没有完全被输送到泵的出口，其中泄漏量 q 这部分液体把从叶轮中获得的 能量消耗在泄漏的流动过程中，即从高压（出口压力） 液体变成低压（进口压力）液体。所以容积损失的实质 也是能量损失。对于单级离心泵来说容积损失主要是 由于叶轮前密封环处的泄漏造成的，而对于多级泵来 说还要包括级间泄漏，另外泵密封装置的泄漏量也在 泵的容积损失中。目前研究容积效率通常采用的经验 公式为：表 1试验用多级离心泵参数设计参数三级离心水泵四级离心水泵流量 /m3h- 1扬程 /m转速 /rmin- 1 进水口直径 /mm 蜗壳出口直径 /mm 外形尺寸 /mm912060005038261210208916060005038292210208v1（/ 10.68ns式中：ns 为泵比转速。2/3）（2）第 12 期赵义，等：多级离心泵性能的探讨33进行准确计算，为了揭示多级离心泵的扬程、流量与其性能的关系，笔者选用三级离心水泵和四级离心水泵 进行试验，所选水泵参数见表 1。本试验通过改变离心水泵的流量、扬程来测试泵 的使用效率，试验离心泵的转速为 3000r/min，试验数据 及性能曲线分别见表 2、表 3 及图 2、图 3。从试验中可以看出多级离心泵的扬程随其流量的 增大而减少，而泵的效率与流量之间成马鞍形的关系，p（kw）n=3000r/min1016014012010080604020q-hq- q-p864206 8 10 12 14 16 18 20 22q/m3h- 1四级试验泵性能曲线图表 2三级离心泵试验数据02 4流量q/m3h- 1扬程/m有效功率/kw轴功率/kw效率/%比转速ns图 33.6814.7896.6388.71110.90512.90814.66416.04717.67119.055104.705107.658110.294110.024105.83096.16984.80174.24059.31744.2380.1320.1760.2490.3260.3910.4200.4210.4030.3540.2854.4974.5184.5245.2815.7966.0526.5566.8096.8226.82223.33131.06544.05649.40054.20255.83451.63347.63241.82633.63511121416182125293646开始随着流量的增大水泵的效率也提高，到达一定值后随着流量的增大水泵的效率反而降低。在实际工作中为最大效率地使用离心泵应注意以 下几点。（1）如果离心泵设计扬程与所选泵的额定扬程不 符，或发现配套动力负荷不足时，应根据离心泵的用 途，适当地调节离心泵的扬程与流量，以便最大效率地 使用离心泵。（2）在调节离心泵的流量时，应注意观察离心泵 的扬程，如发现其急剧下降说明水泵的使用效率在 降低，应停止调节泵的流量，以使离心泵的使用效率 最高。（3）在离心泵配套动力负荷不足的情况下调节动 力时，应注意观察离心泵的扬程，当离心泵的扬程明显 减小时应停止调节动力大小，这时离心泵的使用效率 最高。 20.221 25.882 0.176 7.080 20.124 71 表 3 四级离心泵试验数据流量q/m3h- 1扬程/m有效功率/kw轴功率/kw效率/%比转速ns1.1582.9035.1167.2809.06511.04913.10614.96617.17319.153147.43146.21145.59147.17144.85135.83118.86100.2773.1637.940.0580.1400.2500.3580.4380.4970.5130.4960.4140.2393.7834.3105.0775.8516.3646.6586.9387.1707.4477.71912.28626.34739.93249.85156.17461.36061.12756.97145.93125.6265710121315182230523结束语目前对提高离心水泵性能的研究很多，但这些研 究大多是依据离心水泵的设计源头提出的。本文以现 有的离心水泵为研究对象，提出了如何高效使用这些 离心水泵的方法，以发挥现有离心水泵的效能，为企业 创造更大的经济效益。参考文献：1 关醒凡，现代泵技术手册m.北京：宇航出版社，1995.2 袁卫星，张克危.离心泵性能预测j.水泵技术，1991（2）.3 张景成，张立秋.水泵与水泵站