齊　濟(jì)，河星武

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116605)

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離心泵轉(zhuǎn)速對工作點參數(shù)的影響

齊濟(jì)，河星武

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116605)

利用離心泵特性曲線測定裝置，在固定閥門開度下，通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速，測出不同閥門開度下系統(tǒng)管路的特性曲線；在固定轉(zhuǎn)速下，通過改變系統(tǒng)管路閥門開度，測出不同轉(zhuǎn)速下離心泵的特性曲線。繪制出所有特性曲線，找出泵的工作點。擬合出所有特性曲線的方程，統(tǒng)計分析出轉(zhuǎn)速對泵工作點的流量、揚(yáng)程和軸功率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)速變化量為20 %時，流量與轉(zhuǎn)速[qv1/qv2=k1(n1/n2)]的比例系數(shù)k1=0.96～1.52；揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速[H1/H2=k2(n1/n2)2]的關(guān)系式中k2=0.81～1.56；軸功率與轉(zhuǎn)速(N1/N2=k3(n1/n2)3)的關(guān)系式中k3=0.66～1.37。根據(jù)離心泵的比例定律，理論上k1≈k2≈k3≈1，但實驗證明，離心泵的比例定律系數(shù)在實際工作中變化范圍較大,應(yīng)予修正。討論了實驗條件下離心泵的適配管路，為離心泵在實際應(yīng)用中節(jié)約能源和高效利用提供依據(jù)。

離心泵；轉(zhuǎn)速；特性曲線；泵工作點；效率

離心泵是液體輸送通用機(jī)械,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，包括工廠、礦山、實驗室等。因為輸送液體是靠離心泵和管路系統(tǒng)相互配合完成的，所以當(dāng)離心泵安裝在一定管路中工作時，離心泵所提供的揚(yáng)程及流量必然與管路要求供給的揚(yáng)程及流量相一致。若將泵特性曲線(H-qv)與管路特性曲線(He-qv)繪在一張圖上，則兩條曲線的交點即為離心泵的工作點。泵的特性曲線由泵的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速決定，當(dāng)泵結(jié)構(gòu)一定的條件下，它只受轉(zhuǎn)速的影響[1]。目前，有關(guān)離心泵的研究包括：泵開始和結(jié)束時的特性曲線[2]，粘度對泵特性曲線的影響[3]，數(shù)學(xué)模型預(yù)測離心泵的特性曲線[4]，多級和單泵的比較[5]，特性曲線的繪制[6-7],離心泵最佳工作點的確定等[8]，尚未有轉(zhuǎn)速對離心泵工作點影響的研究。

本文在實驗的基礎(chǔ)上，研究轉(zhuǎn)速對泵工作點的流量、揚(yáng)程和軸功率的影響，討論泵高效利用時管路的條件，這項工作將對離心泵的有效利用提供參考。

1　實驗裝置與方法

利用化工原理實驗室的離心泵性能測定裝置進(jìn)行實驗。實驗過程中，在固定閥門開度的條件下，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速測定管路特性曲線；在固定離心泵轉(zhuǎn)速的條件下，通過調(diào)整閥門開度測定離心泵的特性曲線。

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1，由天津大學(xué)化工學(xué)院化工基礎(chǔ)實驗中心組裝。裝置中輸水設(shè)備為不銹鋼離心泵，型號為WB70/055，其他參數(shù)：真空表測壓位置管內(nèi)徑d1=0.025 m, 壓強(qiáng)表測壓位置管內(nèi)徑d2=0.025 m, 真空表與壓強(qiáng)表測壓口之間的垂直距離h0=0.18 m, 實驗管路內(nèi)徑d=0.040 m, 電機(jī)效率為60 %。流量測量采用渦輪流量計，其儀表常數(shù)為79.469次·升-1。

1.離心泵(WB70/055)；2.真空表；3.壓力表；4.變頻器；5.功率表；6.流量調(diào)節(jié)閥；7.實驗管路； 8.溫度計；9.渦輪流量計；10.實驗水箱；11.放水閥；12.頻率計

圖1離心泵性能測定實驗裝置流程示意圖

1.2實驗方法

(1)改變閥門的開度。實驗裝置中所配備離心泵的轉(zhuǎn)速可調(diào)，最大轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1,每改變120轉(zhuǎn)測定一組數(shù)據(jù)。例如，在3 000 r·min-1條件下，改變管路上的閥門開度，從閥門完全打開開始至完全關(guān)閉，每次改變開度，使流量間隔0.453 m3·h-1，在每一個開度下，當(dāng)流體達(dá)到穩(wěn)定輸送時，測定泵前真空度、泵后表壓、流量、流體溫度、功率表讀數(shù)。以此類推，繼續(xù)測2 880 r·min-1下的數(shù)據(jù)，直到測至600 r·min-1為止(600 r·min-1以下流量幾乎為零，無法測定)。

(2) 改變泵的轉(zhuǎn)速。實驗裝置中管路的閥門開度可調(diào)，最大是全開，最小是全關(guān)，以流量間隔為0.453 m3·h-1改變開度(閥門開度在離心泵轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1的條件下調(diào)定，共設(shè)20(m=1～20)個開度。例如從最大開度做起(m=1)，即閥門完全打開，改變轉(zhuǎn)速(n=600～3 000 r·min-1)20次，使轉(zhuǎn)速間隔120 r·min-1，在每一個轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流體達(dá)到穩(wěn)定輸送時，測定泵前真空度、泵后表壓、流量、流體溫度、功率表讀數(shù)。以此類推，在3 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下，將閥門從全開狀態(tài)關(guān)小，使流量減少0.453 m3·h-1，此時閥門開度設(shè)為m=2，測定開度2下的數(shù)據(jù)，直至流量小于0.453 m3·h-1(m=20)時為止。

2　結(jié)果與討論

實驗測得809組有效數(shù)據(jù)，根據(jù)流體動力學(xué)柏努利方程式，分別計算出揚(yáng)程，然后繪出離心泵特性曲線和管路特性曲線，用多項式擬合法擬合出每條曲線的方程，計算出泵特性曲線(H-qv)與管路特性曲線(He-qv)的交點，即工作點，從而確定工作點的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率。進(jìn)而定量分析轉(zhuǎn)速變化對工作點的揚(yáng)程(H)、流量(qv)和軸功率(N)的影響，討論泵工作點的高效區(qū)。

2.1數(shù)據(jù)處理

固定型號的離心泵，在一定轉(zhuǎn)速下，離心泵的流量隨管路閥門開度改變而改變，離心泵的揚(yáng)程(H)、軸功率(N)及效率(η)均隨流量(qv)改變而改變。通常通過實驗測出H-qv、N-qv及η-qv關(guān)系，繪制特性曲線。特性曲線是確定泵的適宜操作條件和選用泵的重要依據(jù)。在一定的管路條件(閥門開度不變)下，離心泵的流量隨轉(zhuǎn)速的改變而改變，實驗測出的He-qv之間的曲線為管路特性曲線。

(1)H的測定。在泵的吸入口和壓出口之間列柏努利方程(1)；整理得方程(2)，為揚(yáng)程計算公式；(3)為離心泵效率計算公式。

(1)

(2)

(3)

式中：Z2-Z1=h0=0.18 m；P1通過泵入口真空表測得(轉(zhuǎn)換成絕壓Pa)；P2通過泵出口壓力表測得(轉(zhuǎn)換成絕壓Pa)；u1,u2通過所測定的流量qv除以管路的橫截面積計算得出(m·s-1)；將這些值代入上式即可求得H的值(m)。管路特性方程中的He以同樣的方法求出(m)。η為泵效率(%)；ρ為流體密度(kg·m-3) (流體為水，實驗平均溫度25 ℃，密度取997 kg·m-3)；g為重力加速度9.81 m·s-2；H為揚(yáng)程(m)；N為軸功率(W)。

(2)N的測定。功率表測得的功率為電動機(jī)的輸入功率。由于泵由電機(jī)直接帶動，傳動效率可視為1.0，所以泵的軸功率N=電機(jī)的輸出功率, 而電機(jī)的輸出功率=電機(jī)的輸入功率×電機(jī)的效率，功率表的讀數(shù)為電機(jī)的輸入功率，所以泵的軸功率N=功率表的讀數(shù)×電機(jī)效率。

2.2特性曲線

數(shù)據(jù)處理后，繪出離心泵的軸功率與流量N-qv曲線，如圖2；繪出離心泵的效率流量η-qv曲線，如圖3(其中包含管路開度m=7時，泵工作點的效率標(biāo)注)；將離心泵特性曲線H-qv和管路特性曲線He-qv繪在同一張圖上，如圖4。

圖2　離心泵軸功率與流量關(guān)系曲線

圖3　離心泵效率與流量關(guān)系曲線

圖4　離心泵特性曲線(H-qv，n=600～3 000 r·min-1)和管路特性曲線(He-qv，開度m=1～20個)

2.3擬合方程

采用多項式擬合的方法，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1時，擬合η-qv、N-qv、H-qv之間的關(guān)系式如式(4)-(6)。管路開度m=1時He-qv之間的關(guān)系式如式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

上述擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.993～0.999,表明擬合度很高，可以代替實測結(jié)果在離心泵實際應(yīng)用中使用。其他轉(zhuǎn)速和其他管路開度下，采用同樣方法擬合，均可以達(dá)到高度擬合的結(jié)果，由于方程太多，這里省略。

2.4離心泵工作點

結(jié)合圖4和H-qv及He-qv之間的擬合方程，求出泵在不同開度和不同轉(zhuǎn)速下的工作點，確定工作點下的流量和揚(yáng)程；結(jié)合圖2和N-qv之間的擬合方程，求出工作點下泵的軸功率；結(jié)合圖3和η-qv之間的擬合方程，求出工作點下的效率。統(tǒng)計分析工作點的轉(zhuǎn)速、流量、軸功率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速變化20 %的范圍內(nèi)，各參數(shù)符合方程(8)-(10)。

(8)

(9)

(10)

式中：k1=0.96～1.52；k2=0.81～1.56；k3=0.66～1.37。理論上k1=k2=k3，實際應(yīng)用中，在轉(zhuǎn)速變化小于20 %的條件下，一般取k1≈k2≈k3≈1。通過上述實驗結(jié)果，在相應(yīng)20 %轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)統(tǒng)計分析得出，比例系數(shù)變化較大，實際應(yīng)用中需要進(jìn)行修正。本實驗轉(zhuǎn)速在1 320～3 000 r·min-1范圍內(nèi)變化時，當(dāng)變化量小于20 %，則k1=0.96～1.25；k2=0.94～1.33；k3=0.66～1.26，系數(shù)范圍變小，因此應(yīng)用比例定律時，應(yīng)該在離心泵所使用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行修正。對于管路特性，在轉(zhuǎn)速1 080～3 000 r·min-1，流量在2.27～6.07 m3·h-1范圍內(nèi)，管路處于閥門開度為7時，不同轉(zhuǎn)速下，離心泵的工作點效率均處在較高點(在圖3中已標(biāo)出)。說明使用離心泵時，在主要的流量范圍內(nèi)，需要有一個適配的管路系統(tǒng)，若管路不合適，如實驗中管路處于其他開度條件下(臨近開度6和8屬類似管路除外)，離心泵工作效率均會明顯降低，造成能源浪費(fèi)。

3　結(jié)　語

工程應(yīng)用中，已有管路系統(tǒng)選擇離心泵時，需要選擇合適的型號，通常是以能夠完成流體輸送任務(wù)(流量和揚(yáng)程要求)為主要選型標(biāo)準(zhǔn)；其次考慮實際可以達(dá)到的安裝高度，防止汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生；第三考慮工作點效率大于該轉(zhuǎn)速下最高效率的92 %為好。本文研究結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速對離心泵工作點參數(shù)的影響與理論上的比例定律有偏差，具體應(yīng)用時需要修正；對于已有的泵設(shè)備，它會有一個最適配的管路系統(tǒng)，將已有的泵應(yīng)用于最合適的管路系統(tǒng)中，在主要流量范圍內(nèi)和主要的可控轉(zhuǎn)速下，工作效率均處在最高點，這樣就可以有效地利用能源，節(jié)約流體輸送成本。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

Influence of Rotating Speed of Centrifugal Pump on Its Parameters at Operating Point

QI Ji, HE Xing-wu

(School of Life Science, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

Test device of centrifugal pump performance was appied to this work for determining the following data. With fixed valve opening, tube performance curve was determined by variable pump rotating speed(n). With fixed pump rotating speed, pump performance curve was determined by variable valve opening. All the above performance curves were drawn, and the pump opertating points were found. The fitting equations of both pump and tube performance were worked out. The influence of rotating speed on volume flow(qv), head(H) and power (N) at working point of centrifugal pump were statistically analysed. The results showed that when rotating speed variation was within 20%，qv1/qv2=k1(n1/n2), wherek1was from 0.96 to 1.52;H1/H2=k2(n1/n2)2, wherek2was from 0.81 to 1.56;N1/N2=k3(n1/n2)3, wherek3was from 0.66 to 1.37. According to the law of centrifugal pump. Theoreticallyk1≈k2≈k3≈1, while practically the proportional coefficients changed in a larger range. In this work, we worked out the optimum tube system for the pump in the device for the high efficiency, and offered some basement data for saving energy and high efficient research of centrifugal pump.

centrifugal pump; rotating speed; performance curve; pump operating point; efficiency

2096-1383(2016)05-0478-04

2016-07-13

遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃項目(2012221012)。

齊濟(jì)(1964-)，女，遼寧遼中人，教授，博士，主要從事功能材料科學(xué)研究。

TQ016.8

A