泵的知識(shí)

水泵的變速調(diào)節(jié)原理
     改變水泵轉(zhuǎn)速可以改變泵的性能曲線，在管路曲線保持不變的情況下，使工作點(diǎn)改變，這種調(diào)節(jié)方式稱(chēng)為變速調(diào)節(jié)。

圖1 調(diào)速泵節(jié)能原理圖

     以城市用水為例。用戶所需水量是不均勻的，而且泵站在規(guī)劃時(shí)，水泵的選型是按照不利條件選定的，也就是按大設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程選定的。實(shí)際上在絕大部分時(shí)間里，水量都小于大設(shè)計(jì)流量，水泵處在小流量下工作。我們從離心泵的特性分析中知道，離心泵的葉片都是后彎式的，即β2＜90°，其特性曲線是向下傾斜的，揚(yáng)程隨流量的增加而減少時(shí)，如圖1所示。反之，當(dāng)水泵出水量減少時(shí)，水泵工作揚(yáng)程將隨之增大，由管路特性曲線知，流量減少時(shí)，水頭損失減少，所以定速泵在絕大部分時(shí)間里處于揚(yáng)程過(guò)剩狀況，這部分剩余的揚(yáng)程就造成了很大的能量浪費(fèi)。如果采用調(diào)速技術(shù)，就可以使得水泵的流量與揚(yáng)程適應(yīng)所需水量和揚(yáng)程的變化，下面分析調(diào)速泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，其實(shí)，以上對(duì)定速泵的分析完全用于調(diào)速泵，只是轉(zhuǎn)速不同而已。
     在圖1中A1-A2為調(diào)速前水泵（定速泵）的特性曲線，管路的特性CB是一條二次方曲線。如前所述，離心泵有一定的自平衡能力，它總能穩(wěn)定在泵的特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)B1點(diǎn)工作。其流量為Qmax，揚(yáng)程為H。A2B2為調(diào)速后水泵（n2）的特性曲線，同理，水泵以n2的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，也有同樣的自平衡能力，調(diào)速后（n2）水泵特性A2B2與管路特性CB的交點(diǎn)B2是水泵轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的工作點(diǎn)，這時(shí)的流量為Qmin，揚(yáng)程為H2.當(dāng)需水量在Qmax和Qmin之間變化時(shí)，只要使轉(zhuǎn)速作相應(yīng)的變化，就可以得到一系列的水泵特性曲線，這些特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)就是水泵在不同轉(zhuǎn)速下的工況點(diǎn)，這些工作點(diǎn)全部落在管路特性曲線CB上，也就是說(shuō)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的水泵特性即可加以求得。
     下面我們用相似定律來(lái)進(jìn)行分析。
      由相似定理可知，水泵的流量，揚(yáng)程，軸功率都隨著水泵轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此

      各式中：n1、n2分別為定速泵和調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速；
      Q1、Q2分別為定速泵和調(diào)速泵的流量；
      H1、H2分別為定速泵和調(diào)速泵的揚(yáng)程；
      P1、P2分別為定速泵和調(diào)速泵的軸功率。
    這三個(gè)公式表示同一臺(tái)葉片泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速n變更時(shí)，其他性能參數(shù)將按上述比例關(guān)系而變，上面這三個(gè)例子為相似定律得一個(gè)特殊形式，稱(chēng)為比例律。對(duì)于水泵的使用者而言，比例律是很有用處的。它反映出轉(zhuǎn)速改變時(shí)，水泵主要性能變化的規(guī)律。在后述的關(guān)于離心泵裝置的變速調(diào)節(jié)工況內(nèi)容就是應(yīng)用此比例律來(lái)?yè)Q算的。比例律在泵站設(shè)計(jì)與運(yùn)行中的應(yīng)用有兩種情況：
     ㈠已知水泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的(Q-H)1的曲線（見(jiàn)圖2），但所需的工況點(diǎn)并不在該特性曲線上，而在坐標(biāo)點(diǎn)A2（Q2,H2)處，現(xiàn)問(wèn)：如果需要水泵在A2點(diǎn)工作，其轉(zhuǎn)速n2應(yīng)該是多少？

圖2 比例律的應(yīng)用

     ㈡已知水泵n1時(shí)的（Q-H)1曲線，試用比例律畫(huà)轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的(Q-H)2曲線。
     采用圖解法求轉(zhuǎn)速n2值時(shí)，必須在轉(zhuǎn)速n1的（Q-H)1曲線上找出與A2（Q2,H2）點(diǎn)工況相似的A1點(diǎn)，其坐標(biāo)為（Q1,H1）。下面采用“相似工況拋物線”方法來(lái)求A1點(diǎn)。由式圖1、圖2，消去其轉(zhuǎn)速后可得

     由式(6-17)可以看出，凡是符合比例律關(guān)系的工況點(diǎn)，均分布在一條以坐標(biāo)原點(diǎn)為頂點(diǎn)的二次拋物線上。此拋物線稱(chēng)為相似工況拋物線（也稱(chēng)效率曲線）。
     將A2點(diǎn)的坐標(biāo)值（Q2,H2）代入式(6-16)，可求得k值，再按式(6-17)，寫(xiě)出與A2點(diǎn)工況相似的普遍式H=kQ2.此方程代表一條與A2點(diǎn)工況相似的拋物線（k為常數(shù)）。它和轉(zhuǎn)速為n1的（Q-H）1曲線相交于A1點(diǎn)，此A1點(diǎn)就是所要求的與A2點(diǎn)工況相似的點(diǎn)。把A1和A2點(diǎn)的坐標(biāo)值(Q1,H1)和(Q2,H2)代入式(6-13)，可得

     求出轉(zhuǎn)速n2后，再利用比例律，可畫(huà)出n2時(shí)（Q-H)2曲線。此時(shí)，式(6-13)，(6-14)中n1和n2均為已知值。利用迭代法，在n1的（Q-H）1曲線上任取（Qa,Ha)＇點(diǎn)、（Qb,Hb)＇點(diǎn)及（QC,HC)＇點(diǎn).....代入式(6-13)、(6-14)，得出相應(yīng)的（Qa,Ha)＇點(diǎn)、(Qb,Hb)＇點(diǎn)及（QC,HC)＇點(diǎn)....（一般6～7個(gè)點(diǎn)為好），用光滑曲線連接可得出（Q-H)2曲線，如圖3虛線所示。此曲線即為圖解法求得的轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的（Q-H）2曲線。
         同理，也可按來(lái)求得各相應(yīng)于P1的P2值。這樣，也可以畫(huà)出在轉(zhuǎn)速n2情況下的（Q-H）2曲線。此外，我們?cè)诶�用比例律時(shí)，認(rèn)為工況點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的效率是相等的，因此只要已知圖3中a、b、c、d等點(diǎn)的效率，即可按等效原理求出轉(zhuǎn)出速為n2時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)a＇、b＇、c＇、d＇、等點(diǎn)的效率，連成的（Q-η )2曲線如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速改變時(shí)特性曲線變化

     上述討論可知，凡是效率相等各點(diǎn)的比值，均勻常數(shù)k值可畫(huà)出一條效率相等、工況相似的拋物線。也就是說(shuō)，相似工況拋物線上，各點(diǎn)的效率都是相等的，但是，實(shí)際上根據(jù)試驗(yàn)指出，當(dāng)水泵調(diào)速的范圍，超過(guò)一定值時(shí)，其相應(yīng)點(diǎn)的效率就會(huì)發(fā)生變化。實(shí)測(cè)的等效率曲線與理論上的等效率曲線是有差異的，只在高效段范圍內(nèi)兩者才吻合，盡管如此，在工程實(shí)踐中采用的調(diào)速方法，還是大大擴(kuò)展了葉片泵的高效率工作范圍。