蜗壳泵喉部面积变化对性能影响的试验验证

　　以蜗壳泵的理论设计和工程应用相结合的方式，阐述了改变蜗壳泵喉部面积，在大流量点获得一条陡降的特性曲线，以确保泵在节能和稳定的条件下运行，并通过试验给予验证。

一、前言

　　在各种工程实际中， 由于自动控制程度的不断提高，对离心泵性能曲线的要求也越来越多。现以石化装置为例，为了对阀门进行自动控制，通常会以扬程作为开关阀的切换数据，也就是通过泵出口压力表的灵敏读数，来确定阀门的开启程度。在这种情况下就要求在离心泵允许的流量范围内，扬程必须要有相对明显的差值，以满足开关阀切换的要求。而过于平坦的离心泵性能曲线，往往不能满足装置的自动控制要求，到关死点有个连续上升的平滑曲线是工程中的理想特性曲线。通过调节出口阀来限制流量，闸阀也要耗去一部分能量，但是不通过调节出口阀控制流量很可能烧毁配套电动机，不能确保泵安全可靠地运行，此问题的最好解决办法是在设计过程中减小蜗壳泵喉部面积，通过试验给予验证。

　　实际上泵通常是在某一确定的流量点运行的，最好是闸阀全开运行，这样能量损失最小，出口管路安装闸阀的主要目的是泵起动时关闭闸阀抽真空或是停车关阀防止水锤对泵的冲击，防止泵被损坏。

二、泵特性曲线及其影响因素

　　1. 泵特性典线

　　特性曲线定义：泵内运动参数之间存在着一定的联系，运动参数的外部表现形式之间也必然存在着联系，用曲线表示泵性能参数之间的关系，成为泵的性能曲线(也叫特性曲线)通常用横坐标表示流量Q，纵坐标表示扬程H、效率η 等。

　　特性曲线的形式 ，实际上泵的特性曲线的形状是多种多样的，大致可以分为三种形式，如图1所示。

图1 泵特性曲线(Q—H)形式

　　(1)单调下降的特性曲线 在这种曲线中Q=0时扬程最大，随流量增加，扬程逐渐下降，每一个扬程对应一个流量，这是一种稳定的特性曲线。

　　(2)平坦的特性曲线 这种曲线流量变化很大，而扬程变化很小，这种情况下泵运行很不稳定，极易超功率。

　　(3)驼峰(中高)特性曲线 在这种曲线中Q=0时扬程为H0，在扬程高于H0的部分，每一个扬程对应两个流量，这是一种不稳定的特性曲线。工程中绝对不允许这种曲线的存在。

　　2.影响因素

　　(1)蜗壳截面形状对特性曲线的影响 常见蜗壳截面形状有矩形、梨形、梯形和圆形。在保持所有其他设计参数不变的情况下，蜗壳截面形状对泵的特性影响不大。

　　(2)叶轮几何参数对特性曲线的影响 改变叶轮出口安放角β 2，改变叶轮外径D2，改变叶轮出口宽度b2、排挤系数ψ 2以及修削叶片进出口部分都可调整特性曲线。由于在工程现场无法通过改变叶轮几何参数来调整特性曲线，该方法多用在泵制造厂。

　　(3)蜗壳喉部面积对泵特性曲线的影响 同一个叶轮在蜗壳喉部截面积不同的两个泵体中运行，所获得的流量扬程特性曲线形状仅取决于叶轮，而与泵体无关。但最佳流量范围内的实际扬程主要取决于蜗壳中的水力损失，改变蜗壳喉部面积，可以改变水力损失大小，使最佳效率点发生偏移，同时特性曲线形状发生变化，因此通过改变喉部面积可以改变扬程曲线的形状和最高效率点的位置，而且用改变喉部面积来改变泵的性能，要比用改变叶轮的几何参数来改变泵的性能更敏感些。

三、喉部面积影响特性曲线的应用原理

　　流体通过孔口形成局部收缩，导致流速增大，静压降低，造成孔口前后的压差，流量越大，压差越大。通过缩小蜗壳泵喉部面积，实际上是增加了离心泵喉部的局部损失，进而使离心泵的总扬程降低，而根据局部损失公式，流量越大，总扬程降低的幅度越大，离心泵的性能曲线则越陡降。

　　喉部面积变化应用原理同薄壁圆形小孔口淹没出流原理，如图2所示。小孔口所形成的局部损失Hξ计算如下:

　　式中 v——流速;

　　ξ ——局部损失系数，具体取值范围见表1。

四、应用与分析

　　1. 应用实例

　　深蓝泵业13Z111号合同，对ESH 40—400一台卧式、单级、单吸离心泵特性曲线异常进行处理，泵出口直径40mm，叶轮A字轮直径425mm，合同直径33mm，工况点(额定点)流量30m3/h，扬程150m。装置要求：关死点扬程高于额定点10%实现阀门自动控制。第一次试验泵性能曲线如图3所示，不能满足用户需求，拆泵检测泵喉部面积551mm2，通过计算，初步获得新的喉部面积485mm2(该面积留有安全余量)，依据图4、图5将喉部进行点焊处理。通过试验数据可知该面积不能满足扬程变化需要，再次计算获得第二次修复试验的喉部面积436mm2并重新进行试验，所得对比性能试验曲线如图3所示。由试验所得曲线可知，该面积下的扬程变化满足曲线升量要求。

图3 面积缩小前后的试验曲线、效率对比

　　分析数据可知，理论值与实际值基本相符，数据分析表明本次试验结论与理论计算基本吻合。

五、结语

　　由试验曲线可以看出当流量相同时，蜗壳泵喉部面积越小，压差越大;同时也可看出蜗壳泵喉部面积相同时，流量越大，压差越大;对于泵制造厂对泵性能范围控制可以采用改变蜗壳泵喉部面积的方式，比较简单易行，但从试验曲线同样可以看出，所取泵喉部面积较小时，对泵的外特性曲线影响很大，如流量范围、效率参数等。因此在实际应用中要给予充分的考虑。