離心泵與滑片泵流量脈動特性及串聯實驗研究**

李 濤 張偉明 蔣 明

(后勤工程學院軍事供油工程系)

大多數輸油管線的泵機組采用離心泵，加油設備采用滑片泵。但在一些特殊場合，需要將兩種不同類型的泵串聯使用，以達到應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]，前者屬于動態泵，后者屬于容積式泵；離心泵的串聯、并聯和串并聯方式應用廣泛[3,4]，但滑片泵串聯運行的報道極少。

筆者通過以滑片泵為前級泵進行串聯實驗。為了探討離心泵作為前級泵串聯時系統的運行特性并指導其應用，首先對兩泵的流量脈動特性進行了分析，探討了兩泵串聯運行的可行性，然后建立了實驗平臺，在兩泵單獨工作特性實驗的基礎上，進行了兩種泵的串聯運行實驗，研究、分析其串聯運行的特點與規律。

1 離心泵與滑片泵流量脈動特性分析

離心泵在結構上區別于滑片泵的一個基本特點是其排出口與吸入口之間通過葉輪流道相互貫通，連續運轉時能源源不斷地從吸入口到排出口輸轉液體，流體連續性較好，脈動性很小。而滑片泵的吸入口與排出口之間是嚴格密封的，其內轉子旋轉不同角度時，排出的液體流量發生變化，使流量具有一定的脈動性[5～8]?？赏ㄟ^建立數學模型求解排出口的幾何容積變化率來研究滑片泵的瞬時流量(圖1)。

a. 葉片數為偶數

b. 葉片數為奇數

如圖1a所示，dt時間內轉子轉過dφ角度，葉片1、2之間的整個排出口將由acfd變為a1c1f1d1，容積縮小量為acc1a1與dfd1f1的容積之差。因此dt時間內排出液體的體積dV為：

(1)

式中B——葉片寬度；

ρ(φ)——定子圓上某點的矢徑，是轉角φ的函數。

瞬時流量Qtr為：

(2)

式中ω——旋轉角速度。

當葉片數為偶數時，φ2=π+φ，簡化可得：

(3)

式中Z——葉片數；

β——兩葉片之間的夾角。

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

(4)

(5)

(6)

瞬時流量的不均勻系數ζ為：

(7)

以某一滑片泵為例，經MATLAB計算得到不同葉片數時的流量脈動如圖2所示。

a. 滑片數為偶數時

b. 滑片數為奇數時

從圖2a可以看出：Z=6時，脈動周期β=π/3，流量脈動較大，瞬時流量的不均勻系數ζ為11%；Z=10時，脈動周期為β=π/5，瞬時流量的不均勻系數ζ為5%。圖2b中滑片數為奇數時的流量脈動較小，Z=11時，流量輸出比較均勻平穩，瞬時流量的不均勻系數ζ僅為1%。因此葉片數為偶數或奇數時，數目越大，流量脈動越小；相鄰葉片數目時，奇數時的流量脈動幅度較偶數時小。從流量脈動的角度來講，滑片泵與其他容積泵不同，它獨特的多葉片式結構使輸出流量較為均勻，能夠與離心泵匹配串聯運行。

2 離心泵、滑片泵性能實驗

為了更好地對兩泵在串聯工作時表現出的特性進行研究，首先對兩泵單獨工作時的特性進行研究。實驗中兩泵的出口管路較短，但能實現壓差從0到最大值(出口閥門關閉)的特性實驗，因此可將得到的性能曲線作為泵正常工作的標準，實驗設備見表1。以離心泵轉速2 900r/min，滑片泵轉速1 440r/min為例，通過實驗記錄和計算得出的參數繪制兩泵性能曲線，此處用離心泵的壓差代替揚程(圖3)。從圖3b可以看出：流量為18.54m3/h時，滑片泵壓差僅為75.7kPa，流量泄漏量比較小，接近此轉速下的理論流量。

表1 實驗用泵參數

3 離心泵與滑片泵串聯運行實驗

3.1實驗流程

離心泵與滑片泵串聯實驗流程如圖4所示。

a. 離心泵

b. 滑片泵

壓力變送器采集離心泵進/出口、兩泵串聯管路中間位置和滑片泵進/出口的壓力數值；流量變送器采集離心泵出口和滑片泵出口的流量數值。采集的數據統一集成到數據采集板卡由PC機記錄。

圖4 離心泵與滑片泵串聯實驗流程

實驗一的實驗步驟為：管路閘閥全開，開啟滑片泵(1 440r/min)，待有液體抽出、流量較穩定時開啟離心泵(2 900r/min)，兩泵串聯運行，0s時開啟數據采集；串聯運行一段時間后，調節離心泵出口閘閥16的開度使系統流量發生變化，直至此閥接近完全關閉狀態；同時停運離心泵和滑片泵，停止數據采集。

實驗二的實驗步驟與實驗一的步驟相同。串聯運行一段時間之后，調節滑片泵出口閘閥的開度使得系統流量發生變化，直至此滑片泵出口閘閥接近完全關閉狀態；同時停運離心泵和滑片泵，停止數據采集。

3.2實驗結果及分析

3.2.1實驗一結果及分析

圖5為實驗一的離心泵和滑片泵的流量和壓差隨系統流量的變化趨勢，從圖5可以看出：兩個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的數值和變化趨勢是一致的。閘閥全開時兩泵串聯運行(0～145s)，系統的流量為22.2m3/h，大于滑片泵在該轉速下的理論流量(非額定流量)，滑片泵壓差ph為負值，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子的葉片槽之間、轉子端面與兩側板之間、葉片端面與兩側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過閉死區升壓后，對高壓回流有所緩沖[11]，但此時的負壓差使吸入口的高壓液體在經過閉死區繼續升壓，一旦接通排出口，將會瞬間沖出兩葉片間的容腔進入排出口，造成很大的壓力沖擊，導致輸出流量和壓力的脈動，進而產生噪聲和振動。故此階段滑片泵的運行狀況違背了其結構設計原則，沒有發揮作用，成為系統阻力，失去串聯運行的意義，且不良運行狀態會對其造成損壞。繼續關小閥門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同時增大，運行平穩，滑片泵提供正壓頭。繼續增加中間串聯管路的阻力損失(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，使滑片泵進口壓力降低，吸入條件惡化，液體發生汽化填補流量下降導致的容積空缺，且流量越小，汽化現象越嚴重，同時滑片泵進、出口壓力和壓差發生波動，伴隨著泵體的噪聲和振動。

圖5 實驗一兩泵流量、壓差在不同管路阻力條件下的變化趨勢

圖6為從實驗一離心泵、滑片泵串聯工作特性與單獨工作特性對比，從圖6a可以看出：離心泵串聯時流量為2.5～22.2m3/h，且在此范圍內離心泵表現出的工作特性與單獨工作特性基本吻合，表明作為前級泵的離心泵工作正常。從圖6b可以看出：滑片泵串聯時的流量在離心泵的影響下超過了其單獨工作時的流量范圍，表現出的特性與單獨工作時偏差很大，只有在接近理論流量狀態下較為吻合。流量過大會產生負壓差，在接受離心泵提供的流量的同時成為系統阻力阻止流量進一步增大；流量過小，其提供的正壓差遠沒有達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生大幅度變化，表明流量是串聯中間管路阻力的增加導致離心泵提供流量不足，進而影響滑片泵吸入條件，使滑片泵偏離正常工作狀態。因此在兩泵之間調節閥門開度，滑片泵不能對管路特性變化做出響應，流量過大或過小都會導致滑片泵偏離正常工作狀態。

a. 離心泵

b. 滑片泵

3.2.2實驗二結果及分析

實驗二中，采用調節后級滑片泵出口閘閥17的方式進一步對二者的串聯進行研究。從圖7中以看出：閘閥全開狀態下(0～200s)，兩者的串聯與實驗一相同；繼續關小閥門開度(200～550s)，系統流量從19.5m3/h緩慢下降到17.4m3/h，ph持續上升，在550s時達到安全閥的額定壓差0.4MPa，p1從0.41MPa緩慢上升到0.43MPa，系統流量下降是p1上升的原因，因此滑片泵安全閥未開啟時，管路特性的變化主要對滑片泵的工作產生影響，進而使系統流量發生小幅度變化，離心泵在系統流量下平穩工作；繼續增大管路阻力(550～740s)，ph繼續上升，滑片泵安全閥開啟，一部分流量通過安全閥回流到入口，系統流量下降趨勢變陡，pl因為流量的下降有所上升，上升趨勢明顯。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、系統流量發生大幅度變化，且兩泵都處于正常工作狀態。

圖7 實驗二兩泵流量、壓差在不同管路阻力條件下的變化趨勢

圖8為實驗二兩泵串聯工作特性與單獨工作特性對比，從圖8可以看出：調節滑片泵的出口閥門，離心泵在3.0～22.2m3/h流量范圍內表現出的工作特性與單獨工作特性一致；滑片泵在未調整出口閥門開度之前，與實驗一相同，接受流量過大，產生負壓差；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出來的工作特性與單獨工作時的吻合較好。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，并發揮其水力調節作用。

a. 離心泵

b. 滑片泵

4 結論

4.1離心泵與管路所構成的系統流量如果超過滑片泵理論流量太多，滑片泵提供負壓差，流量不匹配和高壓液體對排出口的沖擊會造成整個系統流量和壓力脈動，進而產生噪聲和振動。

4.2改變兩泵中間串聯管路的阻力，僅當離心泵提供的流量與滑片泵的理論流量數值相近時，系統才能穩定工作。若提供的流量小于理論流量太多，滑片泵吸入條件惡化，產生汽化現象，對其造成損壞。這種調節方式不可取。

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，作為系統主要的水力工況變化的調節器，離心泵工作平穩；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管路的特性變化，兩泵均處于正常工作狀態。

4.4與滑片泵作為前級泵的串聯情況不同，離心泵作為前級泵時工作正常、穩定，泵內沒有產生回流、漩渦和氣液兩相流動。

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