馬銀珍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 泵的性能曲線

抽送黏性液體（如石油產(chǎn)品）的重要性僅次于抽送水。通常情況下，離心泵抽送黏性液體和抽送清水相比，泵的附加摩擦損失增大，所以最高效率工況下的揚(yáng)程和流量都會(huì)減小，同時(shí)由于圓盤摩擦損失增加，從而使功率增加。

抽送黏性液體的泵性能曲線通常是由抽水時(shí)的性能曲線修正換算而得。這是由于泵制造廠的試驗(yàn)臺(tái)通常只用水作介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，而且所積累的大部分?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)只對(duì)水適用。

即使已知泵抽水時(shí)的性能曲線，在純理論的基礎(chǔ)上也不可能確定出抽送黏性液體的泵性能曲線。借助因次分析法研究這一問題時(shí)可知，固定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)的揚(yáng)程和流量間的關(guān)系是由實(shí)驗(yàn)得出的，而且每一黏度值具有不同的流量—揚(yáng)程（Q—H）曲線。但這一分析卻能確定由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的代表離心泵工作的某些參數(shù)之間的關(guān)系，由這些關(guān)系可以找出黏度不同的液體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，如果抽送水時(shí)的性能數(shù)據(jù)是已知的，則可以預(yù)先確定抽送黏性液體時(shí)泵的性能曲線。

實(shí)驗(yàn)證明下列結(jié)論成立：

第一，抽送任意黏度的液體時(shí)相似定律仍適用，但精確度較抽送水時(shí)低；改變轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，流量和轉(zhuǎn)數(shù)成正比，揚(yáng)程和轉(zhuǎn)數(shù)的平方成正比；通常提高轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)效率升高，但提高轉(zhuǎn)速所需功率要比按轉(zhuǎn)數(shù)立方關(guān)系增加得小一些，而揚(yáng)程比按轉(zhuǎn)數(shù)平方增加得大一些，具體見圖1。在抽送黏性液體過程中，轉(zhuǎn)數(shù)發(fā)生改變時(shí)，最高效率工況下的比轉(zhuǎn)數(shù)不變，并且和上述相似定律的偏差無關(guān)。

第二，在轉(zhuǎn)數(shù)固定及黏度增加時(shí)，Q—H曲線下降，具體見圖2，最高效率工況下的比轉(zhuǎn)數(shù)保持不變，則有：

由公式（1）可見，計(jì)算抽送黏性液體的最高效率工況時(shí)，無論是流量還是揚(yáng)程，只需其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)修正系數(shù)即可，另一個(gè)修正系數(shù)可借助以上方程求出。

第三，在固定轉(zhuǎn)數(shù)及變黏度時(shí)Q—H曲線隨黏度的增加而下降，但是零流量時(shí)的揚(yáng)程幾乎保持不變。因此隨著黏度增大，Q—H曲線陡降。由此可歸結(jié)為：關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程與葉片出口角及液體黏度無關(guān)。但泵體對(duì)關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程影響較大，在抽送黏性液體時(shí)泵體對(duì)關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程的影響比抽送水時(shí)大。例如，若給定泵體的工作輪直徑很小（車小工作輪外徑），則使工作輪外徑和泵隔舌間的間隙加大，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程小于高黏度時(shí)的揚(yáng)程，在最高效率工況下，揚(yáng)程的降低值比用正常泵體內(nèi)工作的相同工作輪時(shí)還大。這是由于在黏性液體中，工作輪不能保證泵體內(nèi)正常的速度分布，因?yàn)榇蟛糠稚淞骷羟鞋F(xiàn)象發(fā)生在工作輪外圓周處，所以產(chǎn)生的揚(yáng)程比較?。涣硪环矫?，若抽送黏性液體的工作輪與泵體隔舌間的間隙太小，則由于黏性阻力的影響產(chǎn)生過大的揚(yáng)程，在流量較小時(shí)工作輪所產(chǎn)生的揚(yáng)程比抽送水時(shí)的揚(yáng)程更大。

在低比轉(zhuǎn)數(shù)的閉式工作輪泵內(nèi)，黏度增加不多時(shí)的揚(yáng)程（甚至在最高效率工況下的揚(yáng)程）比抽水時(shí)高。黏度進(jìn)一步增加時(shí)，揚(yáng)程開始下降。這是由于在黏度增加不多時(shí)，促使工作輪流道內(nèi)的相對(duì)環(huán)流減少，以至應(yīng)增加的揚(yáng)程超過了補(bǔ)償工作輪內(nèi)增加的水力損失的需要。

開式工作輪內(nèi)由于缺少一個(gè)蓋板，觀察不到類似現(xiàn)象。同樣，在高比轉(zhuǎn)數(shù)工作輪內(nèi)，由于工作輪蓋板相對(duì)較小，而工作輪寬，因而蓋板對(duì)揚(yáng)程的影響可以忽略不計(jì)。

第四，在黏度為常數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)變化的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)增加時(shí)，最高效率也增加（圖1）。其原因是：轉(zhuǎn)數(shù)變化時(shí)，對(duì)層流運(yùn)動(dòng)而言，圓盤摩擦損失與轉(zhuǎn)數(shù)的2.5次方成正比；就紊流運(yùn)動(dòng)而言，與轉(zhuǎn)數(shù)的2.8次方成正比。但泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。

由圖1可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)n=3460r/min時(shí)，對(duì)整個(gè)流量來說，軸功率減小值為常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)以總揚(yáng)程的百分比表示的水力損失也減少，因此，揚(yáng)程要比由相似定律所求得的揚(yáng)程高。轉(zhuǎn)數(shù)提高時(shí)也促使效率提高。

第五，由圖1可見，抽送黏性液體時(shí)，在很大的流量范圍內(nèi)，泵所需的軸功率增加值是相同的，這是由圓盤摩擦損失的增加所引起的，即功率增加值就是圓盤摩擦損失增加的值。在零流量工況附近和流量大于正常流量的情況下，圓盤摩擦損失的功率略有減小，這是由于在小流量工況下液體溫度升高使黏度降低引起的。在大于正常流量時(shí)，功率下降表示在較大的流量下接近于產(chǎn)生汽蝕。隨著黏度的增加，轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件間的縫隙減小，間隙內(nèi)的摩擦具有更加重要的意義。

由于黏度高，徑向間隙的漏失不大，所以工作輪蓋板和泵體側(cè)壁之間的液體和靠近運(yùn)動(dòng)間隙處的液體的溫度比被抽送液體的溫度高得多。同樣，黏度的提高增加了最高效率工況下的功率。這表明，隨著黏度的增加，揚(yáng)程和流量均減小，但效率的降低比揚(yáng)程和流量乘積減小得更快。

2 預(yù)測(cè)抽送黏性液體時(shí)的離心泵性能曲線

對(duì)離心泵抽送黏性液體時(shí)的性能，通常只預(yù)測(cè)最高效率點(diǎn)的工況，所用的修正系數(shù)是以實(shí)驗(yàn)資料為基礎(chǔ)求得的。兩個(gè)修正系數(shù)為揚(yáng)程修正系數(shù)和效率修正系數(shù)。前者由式（1）求出。最高效率工況下的揚(yáng)程和流量確定后，用目測(cè)法經(jīng)過關(guān)死工況揚(yáng)程點(diǎn)繪出流量—揚(yáng)程曲線。關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程為原來的值，與黏度無關(guān)。為了作出效率曲線，首先計(jì)算出最高效率工況下的軸功率，再用目測(cè)法繪出功率曲線，功率曲線總的斜度與輸水時(shí)的斜度一致。效率曲線由功率曲線和流量—揚(yáng)程曲線計(jì)算得出。

3 抽送黏性液體的特殊泵

抽送黏性液體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在普通抽送水的泵上得到的，其中有些泵結(jié)構(gòu)陳舊。專門為抽送黏性液體而設(shè)計(jì)的泵抽送黏性液體時(shí)比普通泵具有更好的性能，但在水中運(yùn)行時(shí)也可能比普通結(jié)構(gòu)的泵差。對(duì)于在黏性液體中運(yùn)行的泵，建議采取以下設(shè)計(jì)措施：

第一，為了產(chǎn)生同樣的揚(yáng)程，采用較大的工作輪出口角β2，可以取β2=60°，以減小為產(chǎn)生必要的揚(yáng)程所需的工作輪外徑，因此，減小了圓盤摩擦損失，這時(shí)由于葉片間流道長(zhǎng)度的減小，降低了工作輪的水力摩擦損失。

第二，取消工作輪出口處間隙小、寬度大的密封環(huán)，改用刀形（一端或兩端）窄密封環(huán)。抽送黏性液體時(shí)的泄露損失一般不重要。

第三，在工作輪外徑處采用類似的軸向密封，以封閉工作輪與泵體側(cè)壁間的液體，此處的液體溫度比流過工作輪的液體溫度高得多，這是由于圓盤摩擦所產(chǎn)生的熱量不斷積累，從而使圓盤摩擦損失降低。當(dāng)抽送黏性液體時(shí)，在工作輪蓋板與側(cè)壁之間的空腔內(nèi)注入輕的（或熱的）黏性液體是進(jìn)一步降低圓盤摩擦損失功率的有效方法。

第四，增大工作輪外徑與泵體隔舌間的距離（比正常值大一倍）也是一個(gè)重要措施。否則，在小流量時(shí)，工作輪蓋板將由于黏性阻力的作用產(chǎn)生揚(yáng)程，這是不經(jīng)濟(jì)的。

第五，對(duì)黏性液體而言，高轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵與低比轉(zhuǎn)數(shù)的泵相比，具有較高的效率和較高的流量—揚(yáng)程值。

4 理論探討

在給定流量時(shí)，對(duì)各種黏度的液體來說，輸入揚(yáng)程和歐拉揚(yáng)程是相同的，因?yàn)檩斎霌P(yáng)程和歐拉揚(yáng)程僅與工作輪葉片出口角有關(guān)。這說明，在給定流量下（如給定黏度時(shí)的最高效率工況）工作輪的輸入功率與黏度無關(guān)。抽送黏性液體的功率比抽送相同流量的水所用的功率高，這僅僅是因?yàn)樾D(zhuǎn)零件的外部摩擦力增大。如果在抽送黏性液體時(shí)能計(jì)算出旋轉(zhuǎn)零件的摩擦損失，就可能計(jì)算出所需的軸功率及效率。這種情況下，確定泵的性能曲線，只需要一個(gè)揚(yáng)程修正系數(shù)。但是，要精確地計(jì)算圓盤摩擦損失和密封環(huán)內(nèi)的摩擦損失是相當(dāng)困難的，因?yàn)槊芊猸h(huán)內(nèi)的液體溫度及葉輪蓋板與泵體側(cè)壁間的空腔內(nèi)的液體溫度與被抽送的液體溫度有很大差別。因此，在抽送黏性液體時(shí)，實(shí)際上常常是在黏性液體的揚(yáng)程和效率修正系數(shù)的基礎(chǔ)上來預(yù)測(cè)泵的效率的。

應(yīng)當(dāng)注意的是，在給定流量下抽送黏性液體時(shí)，輸入速度三角形和歐拉速度三角形與抽送水時(shí)是相同的。盡管比轉(zhuǎn)數(shù)相同，但對(duì)不同黏度的液體來說，最高效率工況下的輸入速度三角形和歐拉速度三角形是不同的。因此在黏度不同的情況下，不可能保持完全的動(dòng)力相似，這是由于比轉(zhuǎn)數(shù)和雷諾數(shù)不可能同時(shí)為常數(shù)。在抽送水時(shí)，雷諾數(shù)的影響可以忽略不計(jì)，相似定律是適用的。但在抽送黏性液體時(shí)，雷諾數(shù)是決定性因素，黏度增加時(shí)，動(dòng)力相似條件被破壞。