李 濤 張偉明 蔣 明

(后勤工程學(xué)院軍事供油工程系)

大多數(shù)輸油管線的泵機(jī)組采用離心泵，加油設(shè)備采用滑片泵。但在一些特殊場(chǎng)合，需要將兩種不同類型的泵串聯(lián)使用，以達(dá)到應(yīng)急輸送油料或清水的目的。離心泵和滑片泵的工作原理完全不同[1,2]，前者屬于動(dòng)態(tài)泵，后者屬于容積式泵；離心泵的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)方式應(yīng)用廣泛[3,4]，但滑片泵串聯(lián)運(yùn)行的報(bào)道極少。

筆者通過以滑片泵為前級(jí)泵進(jìn)行串聯(lián)實(shí)驗(yàn)。為了探討離心泵作為前級(jí)泵串聯(lián)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行特性并指導(dǎo)其應(yīng)用，首先對(duì)兩泵的流量脈動(dòng)特性進(jìn)行了分析，探討了兩泵串聯(lián)運(yùn)行的可行性，然后建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在兩泵單獨(dú)工作特性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩種泵的串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，研究、分析其串聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)與規(guī)律。

1 離心泵與滑片泵流量脈動(dòng)特性分析

離心泵在結(jié)構(gòu)上區(qū)別于滑片泵的一個(gè)基本特點(diǎn)是其排出口與吸入口之間通過葉輪流道相互貫通，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能源源不斷地從吸入口到排出口輸轉(zhuǎn)液體，流體連續(xù)性較好，脈動(dòng)性很小。而滑片泵的吸入口與排出口之間是嚴(yán)格密封的，其內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)，排出的液體流量發(fā)生變化，使流量具有一定的脈動(dòng)性[5～8]?？赏ㄟ^建立數(shù)學(xué)模型求解排出口的幾何容積變化率來研究滑片泵的瞬時(shí)流量(圖1)。

a. 葉片數(shù)為偶數(shù)

b. 葉片數(shù)為奇數(shù)

如圖1a所示，dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過dφ角度，葉片1、2之間的整個(gè)排出口將由acfd變?yōu)閍1c1f1d1，容積縮小量為acc1a1與dfd1f1的容積之差。因此dt時(shí)間內(nèi)排出液體的體積dV為：

(1)

式中B——葉片寬度；

ρ(φ)——定子圓上某點(diǎn)的矢徑，是轉(zhuǎn)角φ的函數(shù)。

瞬時(shí)流量Qtr為：

(2)

式中ω——旋轉(zhuǎn)角速度。

當(dāng)葉片數(shù)為偶數(shù)時(shí)，φ2=π+φ，簡(jiǎn)化可得：

(3)

式中Z——葉片數(shù)；

β——兩葉片之間的夾角。

則瞬時(shí)流量的不均勻系數(shù)是最大瞬時(shí)流量與最小瞬時(shí)流量之差和平均流量的比值，即：

(4)

(5)

(6)

瞬時(shí)流量的不均勻系數(shù)ζ為：

(7)

以某一滑片泵為例，經(jīng)MATLAB計(jì)算得到不同葉片數(shù)時(shí)的流量脈動(dòng)如圖2所示。

a. 滑片數(shù)為偶數(shù)時(shí)

b. 滑片數(shù)為奇數(shù)時(shí)

從圖2a可以看出：Z=6時(shí)，脈動(dòng)周期β=π/3，流量脈動(dòng)較大，瞬時(shí)流量的不均勻系數(shù)ζ為11%；Z=10時(shí)，脈動(dòng)周期為β=π/5，瞬時(shí)流量的不均勻系數(shù)ζ為5%。圖2b中滑片數(shù)為奇數(shù)時(shí)的流量脈動(dòng)較小，Z=11時(shí)，流量輸出比較均勻平穩(wěn)，瞬時(shí)流量的不均勻系數(shù)ζ僅為1%。因此葉片數(shù)為偶數(shù)或奇數(shù)時(shí)，數(shù)目越大，流量脈動(dòng)越?。幌噜徣~片數(shù)目時(shí)，奇數(shù)時(shí)的流量脈動(dòng)幅度較偶數(shù)時(shí)小。從流量脈動(dòng)的角度來講，滑片泵與其他容積泵不同，它獨(dú)特的多葉片式結(jié)構(gòu)使輸出流量較為均勻，能夠與離心泵匹配串聯(lián)運(yùn)行。

2 離心泵、滑片泵性能實(shí)驗(yàn)

為了更好地對(duì)兩泵在串聯(lián)工作時(shí)表現(xiàn)出的特性進(jìn)行研究，首先對(duì)兩泵單獨(dú)工作時(shí)的特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中兩泵的出口管路較短，但能實(shí)現(xiàn)壓差從0到最大值(出口閥門關(guān)閉)的特性實(shí)驗(yàn)，因此可將得到的性能曲線作為泵正常工作的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表1。以離心泵轉(zhuǎn)速2 900r/min，滑片泵轉(zhuǎn)速1 440r/min為例，通過實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算得出的參數(shù)繪制兩泵性能曲線，此處用離心泵的壓差代替揚(yáng)程(圖3)。從圖3b可以看出：流量為18.54m3/h時(shí)，滑片泵壓差僅為75.7kPa，流量泄漏量比較小，接近此轉(zhuǎn)速下的理論流量。

表1 實(shí)驗(yàn)用泵參數(shù)

3 離心泵與滑片泵串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)流程

離心泵與滑片泵串聯(lián)實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

a. 離心泵

b. 滑片泵

壓力變送器采集離心泵進(jìn)/出口、兩泵串聯(lián)管路中間位置和滑片泵進(jìn)/出口的壓力數(shù)值；流量變送器采集離心泵出口和滑片泵出口的流量數(shù)值。采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到數(shù)據(jù)采集板卡由PC機(jī)記錄。

圖4 離心泵與滑片泵串聯(lián)實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟為：管路閘閥全開，開啟滑片泵(1 440r/min)，待有液體抽出、流量較穩(wěn)定時(shí)開啟離心泵(2 900r/min)，兩泵串聯(lián)運(yùn)行，0s時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集；串聯(lián)運(yùn)行一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)離心泵出口閘閥16的開度使系統(tǒng)流量發(fā)生變化，直至此閥接近完全關(guān)閉狀態(tài)；同時(shí)停運(yùn)離心泵和滑片泵，停止數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)二的實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)一的步驟相同。串聯(lián)運(yùn)行一段時(shí)間之后，調(diào)節(jié)滑片泵出口閘閥的開度使得系統(tǒng)流量發(fā)生變化，直至此滑片泵出口閘閥接近完全關(guān)閉狀態(tài)；同時(shí)停運(yùn)離心泵和滑片泵，停止數(shù)據(jù)采集。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1實(shí)驗(yàn)一結(jié)果及分析

圖5為實(shí)驗(yàn)一的離心泵和滑片泵的流量和壓差隨系統(tǒng)流量的變化趨勢(shì)，從圖5可以看出：兩個(gè)速度式流量變送器顯示的離心泵出口流量Ql與滑片泵出口流量Qh的數(shù)值和變化趨勢(shì)是一致的。閘閥全開時(shí)兩泵串聯(lián)運(yùn)行(0～145s)，系統(tǒng)的流量為22.2m3/h，大于滑片泵在該轉(zhuǎn)速下的理論流量(非額定流量)，滑片泵壓差ph為負(fù)值，吸入口壓力大于排出口壓力，除了理論流量，另有一部分流量在壓差作用下通過葉片與轉(zhuǎn)子的葉片槽之間、轉(zhuǎn)子端面與兩側(cè)板之間、葉片端面與兩側(cè)板之間的間隙泄漏到滑片泵出口。且滑片泵在正常的正壓差條件下，出口壓力大于入口壓力，吸入口的低壓液體經(jīng)過閉死區(qū)升壓后，對(duì)高壓回流有所緩沖[11]，但此時(shí)的負(fù)壓差使吸入口的高壓液體在經(jīng)過閉死區(qū)繼續(xù)升壓，一旦接通排出口，將會(huì)瞬間沖出兩葉片間的容腔進(jìn)入排出口，造成很大的壓力沖擊，導(dǎo)致輸出流量和壓力的脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。故此階段滑片泵的運(yùn)行狀況違背了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，沒有發(fā)揮作用，成為系統(tǒng)阻力，失去串聯(lián)運(yùn)行的意義，且不良運(yùn)行狀態(tài)會(huì)對(duì)其造成損壞。繼續(xù)關(guān)小閥門16(145～330s)，管路阻力增加，Qh與Ql減小，與理論流量比較接近，pl和ph同時(shí)增大，運(yùn)行平穩(wěn)，滑片泵提供正壓頭。繼續(xù)增加中間串聯(lián)管路的阻力損失(330～580s)，輸出流量顯著減小，離心泵無法為滑片泵提供所需的流量，使滑片泵進(jìn)口壓力降低，吸入條件惡化，液體發(fā)生汽化填補(bǔ)流量下降導(dǎo)致的容積空缺，且流量越小，汽化現(xiàn)象越嚴(yán)重，同時(shí)滑片泵進(jìn)、出口壓力和壓差發(fā)生波動(dòng)，伴隨著泵體的噪聲和振動(dòng)。

圖5 實(shí)驗(yàn)一兩泵流量、壓差在不同管路阻力條件下的變化趨勢(shì)

圖6為從實(shí)驗(yàn)一離心泵、滑片泵串聯(lián)工作特性與單獨(dú)工作特性對(duì)比，從圖6a可以看出：離心泵串聯(lián)時(shí)流量為2.5～22.2m3/h，且在此范圍內(nèi)離心泵表現(xiàn)出的工作特性與單獨(dú)工作特性基本吻合，表明作為前級(jí)泵的離心泵工作正常。從圖6b可以看出：滑片泵串聯(lián)時(shí)的流量在離心泵的影響下超過了其單獨(dú)工作時(shí)的流量范圍，表現(xiàn)出的特性與單獨(dú)工作時(shí)偏差很大，只有在接近理論流量狀態(tài)下較為吻合。流量過大會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓差，在接受離心泵提供的流量的同時(shí)成為系統(tǒng)阻力阻止流量進(jìn)一步增大；流量過小，其提供的正壓差遠(yuǎn)沒有達(dá)到安全閥開啟的額定壓力值，流量卻在壓差變化不大的情況下發(fā)生大幅度變化，表明流量是串聯(lián)中間管路阻力的增加導(dǎo)致離心泵提供流量不足，進(jìn)而影響滑片泵吸入條件，使滑片泵偏離正常工作狀態(tài)。因此在兩泵之間調(diào)節(jié)閥門開度，滑片泵不能對(duì)管路特性變化做出響應(yīng)，流量過大或過小都會(huì)導(dǎo)致滑片泵偏離正常工作狀態(tài)。

a. 離心泵

b. 滑片泵

3.2.2實(shí)驗(yàn)二結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)二中，采用調(diào)節(jié)后級(jí)滑片泵出口閘閥17的方式進(jìn)一步對(duì)二者的串聯(lián)進(jìn)行研究。從圖7中以看出：閘閥全開狀態(tài)下(0～200s)，兩者的串聯(lián)與實(shí)驗(yàn)一相同；繼續(xù)關(guān)小閥門開度(200～550s)，系統(tǒng)流量從19.5m3/h緩慢下降到17.4m3/h，ph持續(xù)上升，在550s時(shí)達(dá)到安全閥的額定壓差0.4MPa，p1從0.41MPa緩慢上升到0.43MPa，系統(tǒng)流量下降是p1上升的原因，因此滑片泵安全閥未開啟時(shí)，管路特性的變化主要對(duì)滑片泵的工作產(chǎn)生影響，進(jìn)而使系統(tǒng)流量發(fā)生小幅度變化，離心泵在系統(tǒng)流量下平穩(wěn)工作；繼續(xù)增大管路阻力(550～740s)，ph繼續(xù)上升，滑片泵安全閥開啟，一部分流量通過安全閥回流到入口，系統(tǒng)流量下降趨勢(shì)變陡，pl因?yàn)榱髁康南陆涤兴仙?，上升趨?shì)明顯。因此滑片泵安全閥開啟后，管路特性的變化使兩泵的工作參數(shù)、系統(tǒng)流量發(fā)生大幅度變化，且兩泵都處于正常工作狀態(tài)。

圖7 實(shí)驗(yàn)二兩泵流量、壓差在不同管路阻力條件下的變化趨勢(shì)

圖8為實(shí)驗(yàn)二兩泵串聯(lián)工作特性與單獨(dú)工作特性對(duì)比，從圖8可以看出：調(diào)節(jié)滑片泵的出口閥門，離心泵在3.0～22.2m3/h流量范圍內(nèi)表現(xiàn)出的工作特性與單獨(dú)工作特性一致；滑片泵在未調(diào)整出口閥門開度之前，與實(shí)驗(yàn)一相同，接受流量過大，產(chǎn)生負(fù)壓差；緩慢增加出口管路阻力后，流量下降，安全閥開啟前和開啟后滑片泵表現(xiàn)出來的工作特性與單獨(dú)工作時(shí)的吻合較好。因此，改變滑片泵的出口管路阻力能使滑片泵處于正常工作狀態(tài)，并發(fā)揮其水力調(diào)節(jié)作用。

a. 離心泵

b. 滑片泵

4 結(jié)論

4.1離心泵與管路所構(gòu)成的系統(tǒng)流量如果超過滑片泵理論流量太多，滑片泵提供負(fù)壓差，流量不匹配和高壓液體對(duì)排出口的沖擊會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)流量和壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。

4.2改變兩泵中間串聯(lián)管路的阻力，僅當(dāng)離心泵提供的流量與滑片泵的理論流量數(shù)值相近時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。若提供的流量小于理論流量太多，滑片泵吸入條件惡化，產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，對(duì)其造成損壞。這種調(diào)節(jié)方式不可取。

4.3改變兩泵后面管路的阻力損失，滑片泵在安全閥開啟之前，作為系統(tǒng)主要的水力工況變化的調(diào)節(jié)器，離心泵工作平穩(wěn)；安全閥開啟后，改變兩泵后面管路的阻力損失，需兩泵共同作用來適應(yīng)管路的特性變化，兩泵均處于正常工作狀態(tài)。

4.4與滑片泵作為前級(jí)泵的串聯(lián)情況不同，離心泵作為前級(jí)泵時(shí)工作正常、穩(wěn)定，泵內(nèi)沒有產(chǎn)生回流、漩渦和氣液兩相流動(dòng)。

[1] Karassik I J, Messina J P, Cooper P, et al．Centrifugal Pump Handbook[M]. New York: Elsevier, 2010.

[2] 張克危．流體機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 袁建平，袁壽其，何志霞，等．不同特性泵串并聯(lián)系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)[J]．排灌機(jī)械，2004，22(6)：1～4.

[4] Edson da Costa Bortoni, Roberto Alves de Almeida. Augusto Nelson Carvalho Viana.Optimization of Parallel Variable-speed-driven Centrifugal Pumps Operation[J]. Energy Efficiency,2008,1(3):167～173.

[5] Hawaj O A. Theoretical Modeling of Sliding Vane Compressor with Leakage[J]. International Journal of Refrigeration, 2009,32 (7): 1555～1562.

[6] 邵飛，孔繁余，王文廷，等.基于動(dòng)網(wǎng)格的單作用滑片泵流量特性分析[J]．流體機(jī)械，2011,39(8)：14～18.

[7] 冀宏，王崢嶸，李少年，等．油液彈性模量對(duì)高壓葉片泵性能的影響[J]．蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32(6)：65～67.

[8] 王崢嶸，那焱青，李少年，等．高壓葉片泵瞬時(shí)流量分析[J]．西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，25(3)：46～47，64.

[9] 黎克英，陸祥生.葉片式液壓泵和馬達(dá)[M]. 北京：中國(guó)文史出版社，1993.