离心式水泵的实际特征.doc

一、离心式水泵的实际特征 它是在一定转速下，对泵的性能进行实测或通过模型泵实验而换算出来的单级性能特性。在水泵样本上提供的标准性能曲线包括扬程曲线（H－Q）;轴功率曲线（N－Q）；效率曲线（η－Q）；允许吸上真空度曲线（Hs－Q）；也有的提供必须汽蚀余量曲线（（NPSH）r－Q）。 目前矿用水泵大多数是多级泵，在实际应用中，需要把单级的标准性能曲线换算成多级泵的标准性能曲线，这只要在相应的坐标上乘以水泵的级数就获得了多级泵的标准性能曲线，而效率和必需的汽蚀余量曲线不变。 水泵最高效率点对应的一组参数，称为额定工况参数，一般写在水泵的铭牌上。 二、 工况及工业利用区 工况是水泵运转时的工作点。前面已经分析了管路特性曲线，并知其上每一点均表示在不同流量时所需水泵提供的实际扬程，而水泵的扬程特性曲线上的每一点，则表示在不同流量下水泵所能产生的扬程。那么，这两条曲线的交点即为工况点。工况点对应的一组参数，称为工况参数。 工业利用区，是水泵标准性能曲线上允许使用的区段。一般由厂家在性能曲线上给出一定的标志（如）。如果没有给出标志，一般可按水泵标准性能表中给出该泵的最小流量与最大流量之间的区段来选择、但工况点的效率不低于70。如D155-30型水泵的工业利用区是125m3/h≤QM≤185m3/h，且效率不低于70。 三、 合理工况的条件 为确保排水设备安全、经济、合理的运行，必需满足下列工作条件 1． 稳定工作条件 稳定工作，是指水泵在运转工程中工况点是单值的，且位于坐标图的第一项限内。 若忽略吸水井水位的变化，而管路特性曲线C不变，则由于异步电机拖动和电网压降等原因，使泵的转速下降的程度，转速变化后的扬程特性曲线按比例定律变化。根据转速下降的程度，可能会出现两个工况点，扬程上、下波动，水量忽大忽小，水泵产生振动，属于不稳定工作。 当转速下降到n2时，无工况，说明水泵所产生的扬程已经满足不了管路中水所需要的势能，水泵不能向外排水，也属于不稳定工作。 产生不稳定工作时，泵零流量时的扬程均小于管路的测量高度（）。因此为确保水泵稳定工作，必须使。同时，考虑电网压降的因素，一般可认为泵转速下降25，其扬程降低510，所以水泵稳定工作是的条件是 （0.90.95）i≥HC m 式中 i－ 水泵的级数； H0－泵零流量时对应的单级扬程（m），可由泵特性曲线上查得。 2． 经济工作条件 矿山排水设备的耗电量占全矿用电相当大的比例，为提高排水设备运转的经济性，在确保不汽蚀的前提下，新投入运转泵的工况点应位于工业利用区内稍偏大流量的区段。 总之，合理的工况是保证水泵正常工作的条件，它应满足稳定工作的条件；工况点位于工业利用区内；吸水高度合理。 例 10-1 某矿为竖井开采，地面标高为195m，第一水平为生产水平，标高为0，测量高度为200m，矿水对管壁易形成污垢，水温为15℃，pH7,主排水泵采用D280-435水泵三台（其中工作、备用、检修各一台）。管路布置共敷设二趟，其中一趟工作，一趟备用。吸、排水管径分别为dx273mm壁厚δx7mm,dp245mm壁厚δx7mm，吸排水管路长度分别为lx8m,lp250m。正常和最大涌水期均采用单泵单管工作。试求水泵的工况参数，并分析工况是否合理。 解 （一）求工况及其工况参数 因工作水泵型号已知，为求出工况，必须计算管路特性。 1． 计算管路特性 （1） 计算管路阻力系数R，若沿程阻力系数采用舍维列夫公式计算 （λ）代入公式，则管路阻力系数R为 R 已知 lx8m,dx273-27 10-30.259m,lp250m,dp245-27 10-30.231m. 局部阻力系数可由阻力损失表中查出，并列于表中。 吸水管件名称 代号 数量 系数值 备注 底阀 1 1 3.7 带底阀的滤水器 0.5 90o弯头 2 1 0.294 渐缩管 3 1 0.1 排水管件名称 代号 数量 系数值 备注 扩大管 4 1 0.5 70o 闸阀 5.8 2 0.2620.52 逆止阀 6 1 1.7 转弯三通 7 1 1.5 序号10是放水管三通序号16是90o管道支座 直三通 10、11、12 3 30.72.1 90o弯头 9、13、16、17 4 0.29441.176 30o弯头 14、15 2 0.2940.196 将上述数值代入R式中得 R1.37103 S2/m5 或 R1.0510-3 h2/ m5 因矿水对管壁易形成污垢，应乘以系数KK1.7,则 R1.810-3 h2/ m5 （2）计算管路特性，将Hc200m代入（3-7）式，则 H2001.810-3Q2 3绘制管路特性曲线，根据D280-435型水泵流量范围，可在0－335m3/h范围内取七个点，代入管路特性方程式中，求出相应的5级泵扬程值，并列于表中 Q, m3/h 0 100 150 200 250 300 350 H,m 200 201.8 204 207.2 211.25 216.2 222 2.确定工况 将管路特性曲线按相同的比例绘制在泵的标准性能曲线上，则泵的扬程特性曲线与管路特性曲线的交点M即为工况点，其工况参数为 QM290 m3/h, HM 215m,ηM 0.76,NPSHrM 5.0m,NM 210KW。 （二）分析工况是否合理 1．稳定性 依公式，当Q0时，iHo240m,将其值代入得 0.90iHo0.90240216 m 此值大于Ho200m,水泵稳定工作。 2.经济性 工况点位于工业利用区偏大流量区段，且工况点效率ηM0.76,管道效率ηg，满足经济性要求。 3.确定实际的吸水高度 已知泵安装地点标高为0，地面标高为195m，考虑到矿井为负压通风，所以取当水温为15℃时，得出。吸水管流速；则吸水管阻力损失。△hr 5.0m。将上述数值代入公式，则实际吸水高度为 取Hx4m。综上计算结果表明工况是合理的。 第七节 离心水泵的调节 矿用离心水泵在一般情况下，不需要调节，但因某种原因必须改变其工况参数时，还需要进行调节。调节的途径是改变泵本身的特性曲线或管路特性曲线。现将常用的调节方法介绍如下 一、 节流调节 节流调节，是在测量高度不变的情况下，靠调节排水管路上闸阀的开度，达到改变管路特性，从而达到调节工况的目的。 设原工况点为MⅠ，与它对应的管路曲线是CⅠ，现减少闸阀开度，对应的管路曲线为CⅡ，工况点为MⅡ。变化前后的工况参数是流量由600m3/h减少到450m3/h；扬程由420m增加到500m；功率由970KW降低到840KW；效率由0.71增加到0.73。从调节情况看，调节后功率减少了，效率提高了。为了对比调节前后的经济性，我们采用排1m3水的单位能耗来比较。原工况单位能耗；调节后工况点单位能耗。显然，调节后的单位能耗大于调节前的能耗，其原因是关小闸阀后，排水管路的阻力增加了，自然克服该阻力多消耗了无益的功率。 对于工况点MⅡ，因阻力增加而多耗的无益的功率为 式中 △H由于关小闸阀管路阻力的增加量，m； QMⅡ工况流量，m3/h; ηMⅡ工况效率，; γ矿水重度，N/m3。 上述的例子不是个别现象，而是普遍的规律。这种调节方法虽然简单，但不经济，不能作为长期调节使用，只能作为短期运转的临时（或应急）措施。 二、 减少叶轮数目的调节 多级泵的叶轮在泵内串联工作，其扬程几乎与叶轮的数量成正比。因此，对于具体条件下，可以根据排水所需的实际扬程，决定水泵的级数。一般适用于原水泵扬程富裕量较大的场合。 确定水泵级数后，可拆除多余的叶轮。对于多级泵如有条件更换泵轴及拉紧螺栓，并在调整底板时可将泵的某一中段去掉，这样，可根据扬程与级数几乎成正比的关系来估算水泵的扬程和绘制出泵的特性曲线，对效率的影响很小。 如不具备上述条件，可拆除最后一级叶轮，而换上与其轮长度相等的隔套，这样出水段可不动，但对水泵效率有一定的影响。 吸水侧一级的叶轮不能拆除，因水泵入水口形状改变，再加上阻力增加会导致泵的必需汽蚀量△hr增加，而使水泵过早发生汽蚀。从性能上看，拆除最后一级叶轮影响最小，而拆除吸水侧一级叶轮对性能影响最大。 三、 削短叶轮叶片的调节 由涡轮机工作理论可知，在转速不变的情况下，改变叶轮直径D2可以达到其调节扬程的目的。若叶轮直径为D2，按允许的切削后叶轮直径为D2（前、后轮盘不能切削），则切削后水泵的性能参数，可按切割定律换算，其参数之间关系为 第八节 离心水泵的联合工作 由于各矿井的涌水量、开拓系统和井深不同，所需水泵的台数和管路趟数也不同。当一台水泵在单独管路上工作满足不了矿井排水需要时，采用泵在管路上联合工作方式，联合工作主要是指泵的并联和串联两种，有时还采用泵在并联管路上的工作方式。 一、 并联工作 并联是指两台或多台（一般小于3台）水泵，通过一趟管路排水的工作方式。煤矿常用同型号水泵并联，由于性能相同，并联后的效果较好。 若忽略两台泵吸水管路及泵出口至共同段管路的差异，则并联后两台泵所产生的扬程必相等，而并联后的流量为两泵流量之和，所以泵并联的目的是为了增大流量。 为了求出泵并联工作的工况，假想用一台等效泵代替两台泵工作，而不影响其对管路的作用，这样等效泵产生的扬程就应等于并联后每一台泵的扬程，产生的流量应等于并联后两台泵流量之和。 1.联合特性曲线的绘制 根据泵并联工作的特点，作一条等扬程线A,它分别与号泵的扬程曲线相交于A1、A2两点，则联合特性曲线上的点A12就应等于A1和A2两点所对应的流量之和。同理可以作出B12等等。将这些合成的点用光滑曲线连接起来，即为联合特性曲线。 2.求联合工况点 根据工况定义，曲线ⅠⅡ与管路特性曲线c的交点m即为联合的工况点，其参数为Qm、Hm。 3.求并联后每台泵的工况 因为联合工况点的扬程应与并联后每台泵的扬程相等，所以，从m点反向作等扬程线与Ⅰ、Ⅱ号泵的扬程特性曲线相交与m1和m2两点，这两点即为并联后每台泵的工况点。其工况参数之间的关系是HmHm1Hm2,QmQm1Qm2。其余工况参数如N、η、△hr可分别由各自工况点m1和m2所对应的相应曲线上查得。 4.临界工况点的确定 如果管路的阻力增加，联合工况点由m移至k点，此时只有号泵工作，而号泵的排量为零，此时泵并联工作已失去意义，该点称为临界工况点。水泵并联后的联合工况点应位于k点以右，所以并联工作是适合管路阻力较小，曲线较缓的情况下。 水泵并联工作后的效果如何，可用并联效益q来表示。若两台水泵均单独对管路C工作，Ⅰ、Ⅱ号泵的工况点分别为1和2，则由图可见QmQ1Q2,而且Qm1Q1,Qm2Q2，这是因为并联后管路中的流量增加，水头损失增大的结果。故并联效益为 式中 Qm 联合工况流量， Q2 扬程较高的泵，单独对管路工作时的工况流量， Q1 扬程较低的泵，单独对管路工作时的工况流量， 二、 串联工作 当一台水泵单独工作而达不到排水所需的扬程时，需要两台或多台（一般为两台泵）泵串联工作。串联可分为直接串联和间接串联两种，直接串联是指多台泵的吸、排水口彼此首尾相接于一趟管路排水；而间接串联是指两泵之间通过一段管路连接起来。煤矿经常采用同型号水泵直接串联排水方式。如水采矿井，需要较高的压力水落煤时，就采用同型号的水泵直接串联工作以满足高扬程供水的需要。 水泵串联工作的特点是流量不变，而扬程相加。水泵串联后的工况可用图解法求得，具体步骤如下 1． 联合特性曲线的绘制 若Ⅰ、Ⅱ分别代表两台同型号水泵的扬程特性曲线，则根据泵串联工作的特点，取一系列的等流量线A、B、D等，它与泵的扬程特性曲线的交点1、2、3等的扬程扩大一倍，得到点1′、2′、3′等，将这些点用光滑的曲线连接起来，即得到联合特性曲线ⅠⅡ。 2． 求联合工况点 联合特性曲线ⅠⅡ与管路特性曲线c的交点为m，即为联合工况点，其参数为Qm,Hm。 3． 求串联后每台泵的工况 根据水泵串联的特点，流量不变，由联合工况点m作等流量线与Ⅰ、Ⅱ号泵的扬程特性曲线相交与mⅠ（或mⅡ），即为串联后每台泵的工况点。其参数之间的关系是QmQmⅠQmⅡ,HmHmⅠHmⅡ 水泵串联工作，适应于管路阻力较大，曲线较陡的情况下排水。 间接串联，需要可靠的接续排水条件，若因某种原因，某中某一台泵发生故障，整个排水系统将停止排水，矿井就有被淹没的危险，为确保矿井安全生产，煤矿一般不采用间接串联排水。 三、 泵在并联管路上工作 由四台泵两趟排水管路的布置，正常涌水期时一台泵工作，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；最大涌水期采用三泵两管工作，这样的排水方式称为泵在并联管路上工作。 泵在并联管路上工作，其工况可按下述方法确定 1） 按泵并联的方法，作出联合特性曲线ⅠⅡⅢ。 2） 按泵并联的相似方法，作出两趟相同管路C并联的管路联合特性曲线CⅠCⅡ,上述两条曲线的交点M即为泵在并联管路上工作的联合工况点，其参数为HM,QM。 3） 按泵并联的方法，确定每台泵的工况、工况点为K，其工况参数为QK、HKHKHM。 4） 确定每一趟管路的流量，可由M点作等扬程线交管路特性曲线C上一点为J，则QJ即为每一趟管路的流量。 第九节 水泵的性能测试 水泵的实际特性是有厂家提供的，当水泵投入正常运转以后，由于部件的磨损和使用条件的改变，使其性能发生了变化。为确保水泵在矿井服务年限内经济、合理的运行，对于生产矿井，应定期测试水泵的运转特性，以便采取有利措施进行调节、检修和更换零部件。即使新投产的矿井，水泵在投入正常运行以前，也应测试水泵的性能，作为原始数据以便备查。 一、 测试原理 水泵性能测试的目的是要获得运转特性，即在实际转速下测得流量与其它工作参数（扬程、轴功率、效率）之间的关系。在同一坐标中绘出它们的关系曲线，即为运转特性曲线。 为了获得水泵的运转特性，在测试中，可调节排水管上闸阀的开度，改变管路阻力的大小，从而改变水泵运转的工况。各工况下的参数可由仪表及参数之间换算得到、经整理可得出运转特性。 1． 扬程的测定 设泵轴线至压力表表盘中心的垂直距离为hB，而至真空表表盘中心距为hz，两表盘中心距为△z。以00断面为准线，列11和22断面的伯诺里方程式，则 式中 H 水泵的扬程，m; V1 泵入口处平均流速，其值为 P1 泵入口处水的压强， Pa； Z2 2断面位能，m； P2 泵出口处水的压强，Pa； V2 泵出口处的平均流速，其值为 Hw1-2 泵入口至出口段之间的水头损失，取hw1-20; 矿水重度，N/m3。 将有关数值代入式中，并按H整理得 m 式中的p1和p2可分别用真空表和压力表测出。若压力表读数为PB，则； 若真空表读数为PZ,则，将上述关系代入式中得 m 式中 PB 压力表读数， Pa； Pz 真空表读数，Pa； △z 两表盘中心高差，m； Q 泵流量，m3/s； dx、dp 泵入口和出口法兰内径，m。 依上式，当流量测定后，水泵的扬程可通过计算得到。由于水泵出口压力较高，通常采用金属压力表。选表时应满足最大刻度的量程范围不小于工作水压强的1.3倍，精度不低于0.51.5级。 2． 流量的测定 测量流量常用的装置有堰和喷嘴。此外，还有文德里流量计、孔板流量计，涡轮流量计、超声波流量计等。 （1） 堰 用堰测定流量法 （2） 喷嘴 喷嘴是测流量一种比较简单而又实用的装置，它的原理与文德里流量计相同，测试时将喷嘴临时安装在水管的出口处，但为了获得较稳定的压差，喷嘴前应设置一段长度等于8-10倍管径的直管段。若用差压计测出喷嘴前后的水压差为h，而喷嘴断面积为A，则其流量为 m3/s 式中 μ 流量系数，一般可选取0.950.98； A 喷嘴面积，m2； h 喷嘴前后水压差，m; g 重力加速度，m/s2。 3．轴功率的测定 水泵的轴功率，一般是用功率表测电机的输入功率Nd,而后乘以电机效率，即 KW 式中 ηd 电机效率，一般可选取0.900.94。 4． 泵效率的计算 求泵效率，一般采用计算法。在某一工况下，若测出流量Qim3/s后，依式中计算出水泵的扬程Him,再由式计算出水泵的轴功率NiKW，则水泵效率为 式中 γ 矿水重度，N/m3。 5． 转速的测定 测转速，可采用机械式转速表或感应式转速仪测得。 二、 测试方法及注意事项 测试时，通常先由关闭闸阀开始，然后逐渐开大闸阀开度，一直到全开为止。测点应按排水所需扬程范围均匀的分成8-10个点（每次开启闸阀的圈数基本相同），每调节一次工况，应停留2-3分钟，待水流稳定后，再同时测定和记录各参数。 若实测转速与额定转速相差较小（一般在5范围内），可利用测得的数据和计算值，绘制出水泵的运转特性曲线。若转速相差较大，应根据比例定律换算成额定转速下的工况参数，在绘制出运转特性曲线。