抽送黏性液體對離心泵性能的影響

馬銀珍

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，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程和流量都會減小，同時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的性能曲線修正換算而得。這是由于泵制造廠的試驗臺通常只用水作介質(zhì)進行試驗，而且所積累的大部分數(shù)據(jù)和實驗只對水適用。

即使已知泵抽水時的性能曲線，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可知，固定轉(zhuǎn)數(shù)時的揚程和流量間的關(guān)系是由實驗得出的，而且每一黏度值具有不同的流量—揚程（Q—H）曲線。但這一分析卻能確定由實驗驗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驗數(shù)據(jù)間的關(guān)系，如果抽送水時的性能數(shù)據(jù)是已知的，則可以預(yù)先確定抽送黏性液體時泵的性能曲線。

實驗證明下列結(jié)論成立：

第一，抽送任意黏度的液體時相似定律仍適用，但精確度較抽送水時低；改變轉(zhuǎn)數(shù)時，流量和轉(zhuǎn)數(shù)成正比，揚程和轉(zhuǎn)數(shù)的平方成正比；通常提高轉(zhuǎn)數(shù)時效率升高，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，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，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，計算抽送黏性液體的最高效率工況時，無論是流量還是揚程，只需其中一個實驗修正系數(shù)即可，另一個修正系數(shù)可借助以上方程求出。

第三，在固定轉(zhuǎn)數(shù)及變黏度時Q—H曲線隨黏度的增加而下降，但是零流量時的揚程幾乎保持不變。因此隨著黏度增大，Q—H曲線陡降。由此可歸結(jié)為：關(guān)死點揚程與葉片出口角及液體黏度無關(guān)。但泵體對關(guān)死點揚程影響較大，在抽送黏性液體時泵體對關(guān)死點揚程的影響比抽送水時大。例如，若給定泵體的工作輪直徑很?。ㄜ囆」ぷ鬏喭鈴剑?，則使工作輪外徑和泵隔舌間的間隙加大，關(guān)死點揚程小于高黏度時的揚程，在最高效率工況下，揚程的降低值比用正常泵體內(nèi)工作的相同工作輪時還大。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，因為大部分射流剪切現(xiàn)象發(fā)生在工作輪外圓周處，所以產(chǎn)生的揚程比較??；另一方面，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)生過大的揚程，在流量較小時工作輪所產(chǎn)生的揚程比抽送水時的揚程更大。

在低比轉(zhuǎn)數(shù)的閉式工作輪泵內(nèi)，黏度增加不多時的揚程（甚至在最高效率工況下的揚程）比抽水時高。黏度進一步增加時，揚程開始下降。這是由于在黏度增加不多時，促使工作輪流道內(nèi)的相對環(huán)流減少，以至應(yīng)增加的揚程超過了補償工作輪內(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較小，而工作輪寬，因而蓋板對揚程的影響可以忽略不計。

第四，在黏度為常數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)變化的情況下，當轉(zhuǎn)數(shù)增加時，最高效率也增加（圖1）。其原因是：轉(zhuǎn)數(shù)變化時，對層流運動而言，圓盤摩擦損失與轉(zhuǎn)數(shù)的2.5次方成正比；就紊流運動而言，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，當轉(zhuǎn)數(shù)n=3460r/min時，對整個流量來說，軸功率減小值為常數(shù)。當轉(zhuǎn)速增加時以總揚程的百分比表示的水力損失也減少，因此，揚程要比由相似定律所求得的揚程高。轉(zhuǎn)數(shù)提高時也促使效率提高。

第五，由圖1可見，抽送黏性液體時，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，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動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，揚程和流量均減小，但效率的降低比揚程和流量乘積減小得更快。

2 預(yù)測抽送黏性液體時的離心泵性能曲線

對離心泵抽送黏性液體時的性能，通常只預(yù)測最高效率點的工況，所用的修正系數(shù)是以實驗資料為基礎(chǔ)求得的。兩個修正系數(shù)為揚程修正系數(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程和流量確定后，用目測法經(jīng)過關(guān)死工況揚程點繪出流量—揚程曲線。關(guān)死點揚程為原來的值，與黏度無關(guān)。為了作出效率曲線，首先計算出最高效率工況下的軸功率，再用目測法繪出功率曲線，功率曲線總的斜度與輸水時的斜度一致。效率曲線由功率曲線和流量—揚程曲線計算得出。

3 抽送黏性液體的特殊泵

抽送黏性液體的實驗數(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)計的泵抽送黏性液體時比普通泵具有更好的性能，但在水中運行時也可能比普通結(jié)構(gòu)的泵差。對于在黏性液體中運行的泵，建議采取以下設(shè)計措施：

第一，為了產(chǎn)生同樣的揚程，采用較大的工作輪出口角β2，可以取β2=60°，以減小為產(chǎn)生必要的揚程所需的工作輪外徑，因此，減小了圓盤摩擦損失，這時由于葉片間流道長度的減小，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。當抽送黏性液體時，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）也是一個重要措施。否則，在小流量時，工作輪蓋板將由于黏性阻力的作用產(chǎn)生揚程，這是不經(jīng)濟的。

第五，對黏性液體而言，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—揚程值。

4 理論探討

在給定流量時，對各種黏度的液體來說，輸入揚程和歐拉揚程是相同的，因為輸入揚程和歐拉揚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，這僅僅是因為旋轉(zhuǎn)零件的外部摩擦力增大。如果在抽送黏性液體時能計算出旋轉(zhuǎn)零件的摩擦損失，就可能計算出所需的軸功率及效率。這種情況下，確定泵的性能曲線，只需要一個揚程修正系數(shù)。但是，要精確地計算圓盤摩擦損失和密封環(huán)內(nèi)的摩擦損失是相當困難的，因為密封環(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，實際上常常是在黏性液體的揚程和效率修正系數(shù)的基礎(chǔ)上來預(yù)測泵的效率的。

應(yīng)當注意的是，在給定流量下抽送黏性液體時，輸入速度三角形和歐拉速度三角形與抽送水時是相同的。盡管比轉(zhuǎn)數(shù)相同，但對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力相似，這是由于比轉(zhuǎn)數(shù)和雷諾數(shù)不可能同時為常數(shù)。在抽送水時，雷諾數(shù)的影響可以忽略不計，相似定律是適用的。但在抽送黏性液體時，雷諾數(shù)是決定性因素，黏度增加時，動力相似條件被破壞。