水环泵吸排气孔的位置对泵性能的影响
本文通过技改项目，理论上阐述了水环泵临界压缩比的概念及其对泵性能的影响，分析了水环泵吸排气孔面积及开口位置与压缩比值的关系。当泵的运行工况超过临界压缩比后，如何通过修改内部结构将泵气流损失降低到最小以及泵的性能达到最优，对今后项目应用和系统改造具有重要参考意义。
水环泵作为一种变容式气体输送设备，既能作为真空泵抽除气体使系统获得负压，又能作为压缩机压缩气体从而使系统得到正压，但无论是作为真空泵还是压缩机，其内部水环发生容积变化实现吸排气的原理是一样的，因此对于水环泵不同状态下的做功，基本可以统一划分成几个阶段来做研究。平圆盘式水环泵的工作原理是利用叶轮偏心的安装在泵体内，叶轮旋转将泵腔内的水甩向四周，在泵腔内形成不等厚的水环，由水环、相邻的叶片形成交替变化的空间来完成吸排气作用。气体输送的通道是设计在平圆盘上的大小月牙形空间，但它们的作用不仅仅是“通道”，吸排气孔开口大小及位置对泵性能的影响是非常明显的。
1、概述
内蒙古某化工企业单体回收项目中使用水环压缩机一台，设备刚开始运行时单泵抽送作业为间歇运行，水环压缩机设计参数为进气压力0.25MPa (G)、排气压力0.4MPa (G)、输送气体量15Nm3/min 左右。后因公司扩产，反应釜由原先的1 个增加为2 个，间歇运行改为连续进料，输送气量明显增加，进排气压力有所升高。由于扩产引起的该工艺段明显变化反应为水环压缩机超负荷运行，超电流现象严重。
经我公司拆检发现，该水环压缩机设计结构为单吸单排、一级叶轮、平圆盘式、双端面集装式密封，是典型的单级水环压缩机。该泵前圆盘吸气月牙形空间开口面积很大，而后圆盘排气孔明显偏小，其结构如图1 所示，此结构增加了压缩区间、增大了压缩比，因此配套电机功率也有所加大。单级水环压缩机设计排气压力一般在0.3MPa(G)以下且入口是微正压状态，而真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该泵应用的前后压力值均超过了这一范围。
图1 单级水环压缩机典型结构
2、理论分析
2.1、水环泵运动规律分析
图2 是水环泵液流剖面图，图中：R 泵体半径；r1 叶轮轮毂半径；r2 叶轮外圆半径；i 叶轮半径比，i=r1/r2；ρ 泵体断面；φ1 吸气口起始角；φ2 吸气口终止角；φ3 排气口起始角；e 叶轮偏心距；ω叶片旋转角速度。
图2 水环真空泵(及压缩机)液流剖面图
根据水环泵气液运动规律，可参照图2来分析泵运行时各个区间的情况，从而制定解决方案。如图2 所示，水环泵运行时气体会经过三个阶段：A-B 段为吸气阶段，叶轮把动能传递给水环；B-C 段为压缩阶段，水环动能逐渐转换为气体压缩能，此阶段的区间大小决定了气体出泵腔的压力，也影响泵的压缩比；C-D 段为排气阶段，大部分压缩气体顺利通过排气孔排出泵腔，少部分通过D-A 区间泄漏回流到吸气端，此阶段直接决定了泵的效率，而C-D 区间的起始角度选取也直接影响B-C 区间的大小，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为圆盘排气口的设计是非常重要的。
3、解决方案
影响泵输出轴功率的因素很多，但在此案例中，电机功率、转速、泵部件尺寸都已确定。在不做基础管路等大改动的前提下，进行技术改进的最经济办法就是将泵吸排气孔做曲线②的改造，当排气孔面积增大、压缩比降低至临界压缩比以内时，可有效降低泵的气体损失。但155 kW 的轴功率相对160 kW 的电机功率安全性偏低，可继续通过车削叶轮外径、泵体内径衬板的方式来进一步降低电机轴功率，以达到安全裕量以内。这种解决方案会降低一部分气量，但相对来说影响不大。
经试验验证，本案例中压缩机在外径车削10 mm、泵腔内径衬板8 mm 后，气量衰减不大，排气压力在0.6 MPa 时仍可安全工作，满足客户使用要求，达到技术改进的预期效果。
4、结论
由相关试验可知，泵吸气量随着压缩比的增加而降低，当超过临界压缩比后，水环泵的效率会明显下降。通过更改圆盘吸排气孔面积，可有效降低泵的泄漏及气体损耗。针对不同工况选择适宜的吸排气孔，对于提高水环泵运行效率具有很高的实用价值。
