(青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810007)

離心泵一般具有大流量、低揚(yáng)程、高效率、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在石油、化工裝置中離心泵的使用量占泵總量的70%～80%[2]。但離心泵在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，尤其是在高海拔地區(qū)，會(huì)出現(xiàn)危害嚴(yán)重的汽蝕現(xiàn)象，造成泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)影響泵的效率、壽命，甚至造成離心泵內(nèi)部部件損壞[3]。為了探究汽蝕對(duì)離心泵效率的影響程度及規(guī)律，本文在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)改變進(jìn)口壓力的方法，研究泵發(fā)生汽蝕時(shí)，泵效率的改變情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)離心泵發(fā)生汽蝕時(shí)，其效率會(huì)發(fā)生不明顯的下降；發(fā)生嚴(yán)重汽蝕時(shí)，其效率會(huì)發(fā)生顯著下降。泵發(fā)生汽蝕時(shí)，提高進(jìn)口壓力可以適當(dāng)減小泵汽蝕所引起的危害。

1 汽蝕現(xiàn)象

汽蝕現(xiàn)象是19世紀(jì)末期人們?cè)谔岣叽奥菪龢霓D(zhuǎn)速時(shí)首次發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象，從此，開始了對(duì)此現(xiàn)象的研究。20世紀(jì)20年代，就提出了有明確物理意義的無(wú)因次系數(shù)[4]。第二次世界大戰(zhàn)以后，由于大力發(fā)展魚雷、潛艇等水下武器，對(duì)汽蝕現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究就更為重視[5]。而到了40年代末至50年代，汽蝕核子、汽泡動(dòng)力學(xué)以及汽泡的不穩(wěn)定性質(zhì)等思想逐漸興起，在此期間，還提出了非水液體問(wèn)題，出現(xiàn)了誘導(dǎo)輪離心泵和超汽蝕泵[6]。直到今日，汽蝕問(wèn)題仍是一個(gè)十分棘手的問(wèn)題，人們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽送液體的絕對(duì)壓力降低到當(dāng)時(shí)溫度下的液體汽化壓力時(shí)，液體便在該處開始汽化[7]，產(chǎn)生大量氣泡，當(dāng)氣泡經(jīng)過(guò)葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡會(huì)瞬間被壓破。與此同時(shí)，液體以很高的速度填充空穴[8]，對(duì)葉輪或其他裝置造成破壞。當(dāng)汽蝕現(xiàn)象較輕微時(shí)，泵體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲[9]；當(dāng)汽蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成泵的性能下降，影響泵的效率。

2 實(shí)驗(yàn)條件與過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)型號(hào)均為ZP4-2-3D的離心泵進(jìn)行，其參數(shù)見表1，剖面圖見圖1，實(shí)驗(yàn)總裝置見圖3。在該次實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)單泵、雙泵并聯(lián)、雙泵串聯(lián)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先通過(guò)進(jìn)口流量閥門使流量達(dá)到最大值，作為第一組數(shù)據(jù)；不斷調(diào)小進(jìn)口流量閥門(間接地改變進(jìn)口壓力)，當(dāng)壓力表示數(shù)為1.94kPa(17℃下水的飽和蒸氣壓)時(shí)，記錄數(shù)據(jù)并作為泵是否發(fā)生汽蝕的判斷依據(jù)，當(dāng)進(jìn)口壓力大于1.94kPa時(shí)，泵不發(fā)生汽蝕，當(dāng)進(jìn)口壓力小于1.94kPa時(shí)，泵開始發(fā)生汽蝕，通過(guò)觀察進(jìn)口段氣泡的多少及大小(見圖2)或裝置上真空表的數(shù)值來(lái)觀察汽蝕的程度；繼續(xù)調(diào)節(jié)進(jìn)口流量閥門，當(dāng)壓力表示數(shù)為零時(shí)，記錄此時(shí)的數(shù)據(jù)，作為最后一組數(shù)據(jù)。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力，在從汽蝕區(qū)和非汽蝕區(qū)中各自選出兩組數(shù)據(jù)。最終通過(guò)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，模擬出單泵、雙泵并聯(lián)、雙泵串聯(lián)三種情況下的進(jìn)口流量—效率曲線。在泵發(fā)生汽蝕的條件下，調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速開關(guān)，提高進(jìn)口壓力值，觀察流量—效率的變化情況。

表1 離心泵參數(shù)情況

圖1 離心泵剖面

圖2 進(jìn)口段管道的氣泡情況

圖3 實(shí)驗(yàn)總裝置(左邊為1號(hào)泵、右邊為2號(hào)泵)

3 實(shí)驗(yàn)成果分析

效率是衡量離心泵性能的重要指標(biāo)之一，其計(jì)算公式為

(1)

式中N——泵的功率；

Q1——進(jìn)口流量；

102——功率換算系數(shù)；

η——泵的效率；

H——揚(yáng)程。

通過(guò)式(1)計(jì)算得出進(jìn)口流量與效率的關(guān)系曲線。

正常情況下時(shí)，進(jìn)口流量與泵效率呈拋物線關(guān)系(見圖4～圖6)，即：隨著進(jìn)口流量的不斷增大，泵的效率先增大，達(dá)到最大值后，隨著流量的增大而減小。從圖5中可以看出，在雙泵并聯(lián)的條件下，正常情況時(shí)進(jìn)口流量—效率關(guān)系曲線在1號(hào)、2號(hào)泵上表現(xiàn)相似。從圖6中可以看出，在雙泵串聯(lián)的條件下，正常情況時(shí)進(jìn)口流量—效率關(guān)系曲線在1號(hào)、2號(hào)泵上表現(xiàn)相差較大，從圖中可以看出，1號(hào)泵的最大效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2號(hào)泵的最大效率。當(dāng)離心泵發(fā)生汽蝕時(shí)，三種情況下，泵的進(jìn)口流量—效率曲線變化趨勢(shì)相似，都是隨著汽蝕的發(fā)生泵的效率開始下降，但隨著汽蝕的不斷增大，當(dāng)達(dá)到嚴(yán)重汽蝕區(qū)時(shí)，泵的效率發(fā)生急劇下降，此時(shí)的進(jìn)口流量—效率曲線出現(xiàn)陡坡。從圖5、圖6中可以看出，當(dāng)泵發(fā)生汽蝕時(shí)，不管是雙泵并聯(lián)還是雙泵串聯(lián)，此時(shí)的1號(hào)、2號(hào)泵進(jìn)口流量—效率曲線近似重合，從而可以得出：在雙泵并聯(lián)或雙泵串聯(lián)時(shí)，由進(jìn)口流量的變化而引起的汽蝕對(duì)泵效率的影響在1號(hào)、2號(hào)泵上表現(xiàn)相似。

圖4 單泵進(jìn)口流量與效率的關(guān)系

圖5 雙泵并聯(lián)進(jìn)口流量與效率的關(guān)系

圖6 雙泵串聯(lián)進(jìn)口流量與效率的關(guān)系

圖7 進(jìn)口流量與效率關(guān)系對(duì)比圖(單泵、1號(hào))

圖8 進(jìn)口流量與效率關(guān)系對(duì)比圖(單泵、2號(hào))

不管泵的使用方式如何，其效率都會(huì)隨著進(jìn)口流量的增大先增大，達(dá)到峰值后再降低(見圖7～圖8)。分析圖7可知，隨著進(jìn)口流量的增加，紅線首先達(dá)到峰值，隨后是綠線達(dá)到峰值，藍(lán)線最后達(dá)到峰值。針對(duì)單泵與雙泵、串聯(lián)時(shí)的1號(hào)泵而言，其效率達(dá)到峰值時(shí)，進(jìn)口流量的排序?yàn)镼并>Q串>Q單。從圖8中可以觀察出，隨著進(jìn)口流量的不斷增加，紅線首先達(dá)到峰值，繼而是綠線，最后達(dá)到峰值的是藍(lán)線，針對(duì)單泵與雙泵并聯(lián)、串聯(lián)時(shí)的2號(hào)泵而言，其效率達(dá)到峰值時(shí)，進(jìn)口流量的關(guān)系為Q并>Q串>Q單。從圖中還可以看出，在汽蝕區(qū)時(shí)，雙泵并聯(lián)和雙泵串聯(lián)的1號(hào)和2號(hào)泵的進(jìn)口流量—效率曲線的變化程度與單泵的近似，其效率值都低于單泵的效率值。

綜上所述得出以下結(jié)論：

a.在不同情況下，泵發(fā)生汽蝕時(shí)，泵的效率開始下降，隨著泵汽蝕的不斷增大，達(dá)到嚴(yán)重汽蝕區(qū)時(shí)，泵的效率明顯下降，流量—效率曲線中出現(xiàn)陡坡。

b.汽蝕條件下，不管是雙泵并聯(lián)還是雙泵串聯(lián)，其1號(hào)、2號(hào)泵的流量—效率曲線相似。

c.在泵發(fā)生汽蝕的情況下，采用單泵時(shí)泵所達(dá)到的效率要高于采用雙泵并聯(lián)或雙泵串聯(lián)時(shí)泵所達(dá)到的效率。

4 采取的措施和效果

從上面分析可知，隨著進(jìn)口壓力的不斷減小，泵的汽蝕程度越來(lái)越大，泵的效率也不斷降低。為了進(jìn)一步探究汽蝕對(duì)泵效率的影響關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)在1號(hào)、2號(hào)泵上分別安裝了一個(gè)無(wú)級(jí)變速開關(guān)，在離心泵處于汽蝕的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速開關(guān)，運(yùn)用改變轉(zhuǎn)速的方法來(lái)提高離心泵的進(jìn)口壓力，研究此時(shí)離心泵的流量—效率關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析繪制相關(guān)曲線(見圖9～圖11)。

圖10 雙泵并聯(lián)汽蝕效率與調(diào)整效率的關(guān)系

圖11 雙泵串聯(lián)汽蝕效率與調(diào)整效率的關(guān)系

從圖中可以看出，不管泵的使用方式如何，泵調(diào)整后的效率都高于泵發(fā)生汽蝕時(shí)的效率，由此可以得出：當(dāng)泵發(fā)生汽蝕時(shí)，適當(dāng)提高離心泵的進(jìn)口壓力，可以有力地提升泵的效率，但在不同的汽蝕區(qū)，提高的程度也有所不同。當(dāng)泵處于汽蝕區(qū)時(shí)，適當(dāng)增大離心泵的進(jìn)口壓力，效率有所提高，但提高得不明顯，可以近似地等于汽蝕效率；當(dāng)泵處于嚴(yán)重汽蝕區(qū)時(shí)，

適當(dāng)提高泵的進(jìn)口壓力，泵的效率有明顯的提高?？梢?，提高泵的進(jìn)口壓力，可以適當(dāng)減小泵汽蝕對(duì)泵效率所帶來(lái)的危害，在嚴(yán)重汽蝕區(qū)時(shí)表現(xiàn)更為突出。

5 結(jié) 論

此次實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變進(jìn)口壓力，間接改變進(jìn)口流量，模擬出不同情況下泵效率的變化情況。通過(guò)流量—效率曲線，最終得出：當(dāng)泵進(jìn)口壓力小于當(dāng)?shù)販囟认螺斔鸵后w的飽和蒸汽壓時(shí)，泵開始發(fā)生汽蝕，且泵效率也開始降低，但表現(xiàn)不明顯；隨著汽蝕的不斷增大，當(dāng)達(dá)到嚴(yán)重汽蝕區(qū)時(shí)，泵的效率發(fā)生明顯下降，機(jī)器發(fā)出嗡嗡噪聲；當(dāng)泵發(fā)生汽蝕時(shí)，提高泵的進(jìn)口壓力，可適當(dāng)減小由泵汽蝕對(duì)泵性能所帶來(lái)的危害。