不同转速水泵实现相同流量扬程的差异分析.pdf

施工 材料与设备 不同转速水泵实现相同流量扬程的差异分析 田扬捷鲍中林 柏诚工程技术 北京 有限公司上海分公司 上海2 0 0 0 5 2 摘要从水泵效率 水泵引起的噪声 振动以及水泵造价等方面 分析了采用不同转速水泵实现 相同流量扬程时的差异 建议在选择确定水泵转速时 结合水泵的使用场所 节能要求 造价等因素 综合考虑 以选择合适的水泵转速和型号 关键词水泵转速效率比转数噪声 振动 在设计叶片式水泵时 除了确定流量和扬程 有 时还需选择转速 由于现有规范及设计手册对水泵 转速较少涉及 在缺少依据的情况下 如何选择合理 的水泵转速是设计人员经常面临的问题 本文从 水泵效率 水泵引起的噪声振动的产生和传播以 及水泵造价等不同角度 比较了不同转速的水泵 在实现相同流量和扬程时存在的差异 希望能有 助于工程人员了解不同转速水泵的固有特性 在选 择水泵转速时做到心中有数 合理选型 1 转速与水泵效率 许多水泵型号都能够实现相同的流量及扬程 但效率并不相同 是否有办法预测各类泵型的效率 呢 事实上 每台水泵都有一个特征数值 比转数 工程人员可以根据水泵流量结合比转数值预测水泵 能达到的最高效率 1 图1 是根据大量泵型系列 经长期实测积累得出的水泵效率一比转数关系曲线 在水泵的研究应用领域被广泛参考 图1 显示 流量大的水泵效率高 此外 相同流 量的泵型在1 0 0 2 0 0 比转数区间具有较高效率 当 比转数超出此范围时 效率急剧下降 因此 从节能 角度看 应当选择比转数值在这一范围内的水泵叶 轮 比转数的计算公式如下 N 一等磐 式中N 比转数 n 转速 r m i n Q 一流量 m 3 s 上海市科委 世博科技专项 资助项目 0 8 d z 0 5 8 0 3 0 1 二幺写订L s孓 o 6 3L 8 3 15L s 嬲 1 2 5L 5 t 6 3L s 7 6 3 1L s 6 3 lL s 3 55 07 01 0 0 1 4 02 0 03 0 0 5 0 0 1 0 0 0 医医睦睦睦匿篓蓁 3 57 51 3 02 5 03 5 0 流量 图1 不同水泵比转数的效率值 1 H 扬程 r n 当流量和扬程确定时 应考虑选择的水泵转速 是否能使比转数在高效率区间 水泵转速对效率的 影响借助比转数这一特征数值得以体现 在计算比 转数时 需注意 对于大流量双吸泵 流量按1 2 代 入计算 对于多级泵 扬程应按每级扬程代人计算 2 转速与噪声源 泵组运行时产生噪声和振动 其中振动须通过 固体传播 也被称为 固体声 2 I 当频率 2 0H z 时 属于可听阈 2 0H z 则只能被人体感知 为便于 进一步分析 下文将振动和噪声统称为 噪声 对 于确定的流量和扬程 采用低转速电动机水泵产生 的噪声较低 总体上 泵组产生的噪声大小与水泵 功率及水泵转速呈现正相关关系 给水排水V 0 1 3 5 N o 72 0 0 9 9 9 舳 加 加 述瓣籁聪 万方数据 噪声主要由电动机 水泵以及泵内流体所产生 正常情况下以电动机噪声为最大 此外 当水泵转 速处于临界转速时 转动部件会发生共振 产生强烈 振动和噪声L 3 2 1 电动机噪声 电动机噪声来自轴承 转子 定子以及冷却风 扇 内部磁力不平衡或其他电气系统的失调也会引 起噪声 电动机噪声可分为电磁噪声 机械性噪声 和空气动力性噪声 其中以空气动力性噪声最大 机 械性噪声次之 电磁噪声最小 4 与人们使用电风扇的体验相同 电动机噪声随功 率及转速的增大而增大 噪声限值标准可查阅 旋转 电机噪声测定方法及限值 G B T1 0 0 6 9 2 0 0 6 以 1 1 2 2k W 的电机为例 转速为14 5 0r m i n 其限值 为9 4d B 转速为29 0 0r m i n 其限值1 0 0d B 该标 准也反映了相同功率下 高转速比低转速电动机噪 声高这一规律 2 2 水泵机械噪声 水泵机械噪声主要由机械元件的不平衡 叶轮 底座 或不对齐 联轴器 等原因引起 与零部件强 度 刚度 制造工艺 安装质量 轴承和密封部件磨损 破坏都有关系 高转速引起的水泵机械噪声比低转 速略高 水泵机械噪声的频率分布是离散的 为1 3 倍水泵转速 若噪声频谱分析揭示噪声频率并非与 转速成倍数关系 那么这种噪声通常属于流体噪声 2 3 水泵流体噪声 流体噪声经常被忽视 它是由涡流 紊流 气穴 水锤 冲击等流体运动所产生 是一种宽频噪声 从 流体噪声产生的原因分析 其噪声大小与水泵转速 无关 其主要产生原因有 1 机组及吸水管流道设计不合理 导致进口 流速和压力分布不均匀 使进出口流体发生压力脉 动 绕流 偏流和脱流 2 水泵汽蚀余量不足或进水含空气量较高 叶轮处形成气穴及噪声 3 水泵启动和停机 阀门启闭 工况改变以及 事故紧急停机等过程造成管内压力急剧变化 甚至 引起水锤作用 在较大范围内传播噪声 2 4 转子振动噪声 水泵机组的转动部件在运转中会发生振动 当 1 0 0 给水排水V 0 1 3 5N o 72 0 0 9 转速与转动部件固有频率相等时振幅达到最大 共 振 此时的转速称为临界转速 当转速继续增加 接近2 倍固有频率时振幅又会达到最大 此时的转 速称为二阶临界转速 依此类推有三阶 四阶 通常水泵的设计转速为一阶临界转速的0 7 5 0 8 倍 只要不超速运转就不会引起共振 但有些水 泵 如多级泵 设计转速高于一阶临界转速 此时的转 速设计应远离各阶临界转速 并应避免频繁启停导致 转速与各阶临界转速经常重合 3 3 转速与噪声传播 噪声不仅可在空气中传播 在液体 固体等媒介 中也都可以传播 根据媒介的不同 可分为固体声 水声 空气声 显然 仅凭水泵和电机的金属外壳无 法阻隔这些噪声的传播 3 1 固体声的传递 减弱固体声传递的技术称为隔振 隔振并不涉 及对振动源的抑制 而是在振动固体传声过程中利 用弹性元件实现隔振和阻尼 水泵的隔振体系包括 机组隔振 管道隔振和支架隔振 隔振体系的效果可 用隔振效率刁来衡量 叩一 1 一丁 1 0 0 2 式中丁 振动传递率 T 与厂 f o 扰动频率 固定频率 的关系见图2 1 0 0 7 S o 5 褂0 3 翌0 2 幅 鞲O 1 Ir 一 00 5 l 忙 一U 1 02 纱吨 1 0 2 A 遇隔振区 R 1奎 I 弋 添 转 轳 港 W 0 1 万方数据 图2 显示 厂 厂 越大 隔振效率越高 可见 对于确 定的隔振体系 转速越大 扰动频率越高 隔振效率 越高 举例说明 常用水泵隔振体系的固定频率为 1 0H z 分别选用29 0 0r m i n 4 8 3H z 和14 5 0r m i n 2 4 2H z 转速的水泵 它们的频率比分别为4 8 3 和2 4 2 所对应的效率分别为9 4 7 和7 5 3 按 水泵隔振技术规程 C E C S5 9 9 4 表4 1 8 计 算 所以 选用高转速水泵的隔振效率更高 3 2 水声的传播 与固体声不同 水流在连续输送过程中是无法 阻隔的 因此抑制水声的重点是降低噪声源 水泵 转速与水声阻隔效果无关 应在设计中避免输配水 过程中产生新噪声 须控制水压 流速 选择低噪声 管材 弹性支架 管道穿越楼板或墙体时应采用软 填料 在对噪声敏感的场所 可在管材外壁包裹消 音材料 如玻璃棉 加以改善 3 3 空气声的传播 经阻挡体如墙体 门 窗 隔声罩等之后 可使大 部分空气声被反射而不通过 只有少量声音透射到 阻挡体的另一侧空间 这一过程为 隔声 空气声 还可以利用 吸声 将声能转化为热能来降低 2 吸 声体包括多孔性吸声材料 以吸收中高频噪声声能 为主 和共振吸声结构 对低频噪声有吸声峰值 显然 水泵转速与空气声隔声和吸声效果无关 4 转速与造价 低转速水泵价格较高 这是由于当流量扬程确 定时 采用低转速水泵须相应采用低比转数的叶轮 型式 而低比转数叶轮流槽狭长 直径较大 见图 1 相应的水泵和电动机尺寸也较大 导致造价较 高 与水泵转速有关的机械易磨损材料包括轴承 填料 减漏环等 水泵转速越高 材料磨损强度越大 维护和更换也越频繁 有时可能会选择高转速的水泵以获得更高的效 率 此时应注意 高转速水泵往往要比低转速水泵的 有效寿命短 从投资角度 应综合考虑水泵转速对 设备造价 运行效率 维护费用和寿命等多种因素的 影响 5 结论 为便于了解和比较不同转速水泵实现相同流量 扬程时所具有的各种差异 将上文的分析结果汇总 表1不同转速水泵实现相同流量扬程的差异 比较项目高转速低转速 对应比转数对应比转数 1 0 0 2 0 0 的转1 0 0 2 0 0 的转 水泵效率 速 可达到较高速 可达到较高 水泵效率水泵效率 电动机噪声噪声较大噪声较小 水泵机械噪声噪声较大噪声较小 噪声源 流体噪声与转速无关与转速无关 丁作转速与临工作转速与临 转子振动界转速接近时 界转速接近时 振动及噪声较大振动及噪声较大 固体声阻隔效率高阻隔效率低 噪声 传播 水声 与转速无关与转速无关 空气声与转速无关与转速无关 设备价格较低较高 投资 维护费用耗材费用较高耗材费用较低 见表1 可见 选择水泵转速时并没有一成不变的法则 应根据具体情况进行具体分析 如对于功率大且长 时间运行的水泵 应优先考虑节能因素 以水泵效率 作为选择水泵转速的主要依据 对于安装位置距住 宅 酒店客房等噪声敏感区域较近的水泵 则应特别 重视噪声和振动因素 当发展商投资预算偏紧时 投资则成为制约水泵选型的主要因素 因此 在选择水泵转速时 建议参照表1 并结合 水泵的使用场所 节能要求 造价等多因素综合考 虑 以确定合适的水泵转速和型号 参考文献 1E rL a k s h m a n a p i l l a i E n e r g ys a v i n gt h r o u g hp r o p e rd e s i g no f p u m p s e t s T W A DT e c h n i c a lN e w s l e t t e r 2 0 0 4 1 2 3 2 7 2 郑长聚 洪宗辉 王提贤 等 环境工程手册一环境噪声控制卷 北 京 高等教育出版社 1 9 8 8 3 姜乃昌 泵与泵站 第5 版 北京 中国建筑工业出版社 2 0 0 7 4 赵荣义 钱以明 范存养 等 简明空调设计手册 北京 中国建筑 工业出版社 2 0 0 0 焱通讯处 2 0 0 0 5 2 上海市新华路6 6 8 号A 1 楼 电话 0 2 1 6 1 1 3 3 0 9 0 1 5 9 0 1 7 8 9 6 6 8 E m a i l t i a n j e f f r e y p b w o r l d c o r n 收稿日期 2 0 0 9 0 1 0 5 给水排水V 0 1 3 5N o 72 0 0 91 0 1 万方数据 不同转速水泵实现相同流量扬程的差异分析不同转速水泵实现相同流量扬程的差异分析 作者 田扬捷 鲍中林 作者单位 柏诚工程技术 北京 有限公司上海分公司 上海 200052 刊名 给水排水 英文刊名 WATER 若采用水泵的变转速技术同样可以实现对系统的变流量调节 发展水泵 的变转速技术是实现循环水泵的变流量调节和节能的有效途径 其中最理想的方法就是变频调速 2 期刊论文 郭少华 水泵调节转速节能方法的探讨 黑龙江水利科技2002 30 3 阐述了泵的调速节能方法的分类 适用条件 调节原理和最佳转速等 3 期刊论文 朱红耕 张仁田 刘军 朱泉荣 姚林碧 Zhu Honggeng Zhang Rentian Liu Jun Zhu Quanrong Yao Linbi 水泵转速变化对进出水流道水力损失的影响 农业机械学报2009 40 6 在比较各种进出水流道水力损失研究方法的基础上 运用计算流体动力学方法数值模拟了4种水泵装置内部流动 研究水泵转速变化对进出水流道水力 损失的影响 数值计算结果表明 由于水泵装置中进水流道内部流动受水泵叶轮旋转引起的水流预旋的影响 因而小于无泵单独运行时的水力损失 水泵转 速变化后 在相同流量下 进水流道的水力损失基本不变 水泵导叶出口水流条件和剩余环量影响出水流道的水力特性 水力损失随流量变化的关系非常复 杂 水泵转速变化后 出水流道内部流动不相似 相同流量下的水力损失不相等 装置模型试验结果验证了数值计算结果的有效性和可靠性 4 期刊论文 彭荣礼 暴建国 用调节转速方法实现水泵节能 黑龙江科技信息2009 14 阐述了泵的调速节能方法的分类 调节原理和最佳转速等 5 期刊论文 马希青 于治福 崔坚 李石妍 矿用风动水泵风动叶轮转速的理论分析 煤炭学报2005 30 1 在简要阐述矿用风动水泵工作原理的基础上 利用空气动力学和材料力学的基本理论 对该泵的叶轮转速进行了理论分析与计算 得到了在限速器开始 发挥作用时的叶轮转速以及叶轮的实际最高转速 临界转速等 6 期刊论文 田莉 杨晓珍 裴毅 石三铭 刘可佳 TIAN Li YANG Xiao zhen PEI Yi SHI San ming LIU Ke jia 水泵 变转速汽蚀性能的实验研究 中南林业科技大学学报2008 28 1 以XN150 20 Bx50 31 IQ1000 22A IQ65 160不同比转数离心泵为试验研究对象 采用变频变速 在不同转速下对各试验泵进行了汽蚀试验 运用 SPSS12 0软件进行回归分析 对汽蚀余量换算关系进行修正 得出了不同比转速离心泵汽蚀余量换算的经验公式 揭示了叶轮汽蚀机理 能更准确解决水泵 在设计 实验及制造中的换算问题 7 期刊论文 杜高民 Du Gaomin 水泵出水压力不足故障分析与排除 给水排水2007 33 5 水泵在更换同一厂家的叶轮后 出现压力不足 根本