HZ700臥式軸流泵性能分析及擴能改造探討

劉興科

摘要：軸流泵是常用的一種泵型，其工作原理是以空氣動力學中機翼的升力理論為基礎的，其葉片與機翼的截面形狀相似。文章對軸流泵的特點及國內外發展現狀進行了綜述，通過對HZ700臥式軸流泵的擴能空間及運行性能進行分析，實施了軸流泵的擴能技改，達到了預期效果。

關鍵詞：臥式軸流泵；擴能空間；運行性能；擴能技改；升力理論 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH312 文章編號：1009-2374（2015）10-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0875

1 概述

一般來說，泵的參數決定了泵的結構形式。在中國，通常情況下比轉速在300以下為離心泵，比轉速在300～500之間為混流泵（介于離心泵與軸流泵之間的結構），比轉速高于500為軸流泵。

軸流泵的工作原理是以空氣動力學中機翼的升力理論為基礎的，其葉片與機翼的截面形狀相似。當葉片在液體中高速旋轉時，液流相對于葉片就產生了急速的繞流，在葉片對液體的作用力下，液體就被壓升到一定的高度，從而達到輸送液體的目的。

軸流泵分為立式、臥式和斜式三種，其比轉數一般介于500～1500之間，近年來，泵的比轉數有提高的趨勢，已研制出達2000左右的軸流泵。軸流泵的特點是流量大、揚程低，葉輪直徑可達150～6000mm，流量Q=0.02～100m3/s，揚程H=1～30m。因此，軸流泵被廣泛應用于農業灌溉、城市給排水、船舶、電力、化工、航天等行業。立式軸流泵占地面積小，但維護和檢修不便；相對而言，臥式軸流泵占地面積大，但安裝高度降低，利于降低廠房高度，便于檢修和維護；斜式軸流泵兼有立式和臥式的特點，使用得不多。

根據軸流泵特性曲線的特點，關死點揚程很高，若關閉閘閥啟動，往往會使軸流泵難以啟動，且有燒壞電動機的危險。所以，在啟動軸流泵時，出水管路閘閥必須全開，以減小啟動功率。軸流泵在啟動前，泵殼和吸入喇叭口必須先充滿液體。同樣，在有空氣存在的情況下，泵內和吸入管就無法形成真空，因此，一般都另設真空泵，利用它們將泵殼和吸入喇叭口內的空氣抽出形成真空，以達到充水的目的。

2 HZ700臥式軸流泵性能分析

我公司有一臺HZ700臥式軸流泵，驅動方式為電機通過皮帶驅動，結構形式如圖1所示：

圖1 HZ700臥式軸流泵結構簡圖

表1

泵參數 電機參數

流量：3500m3/h

揚程：6m

轉速：480rpm 額定功率：200kW

滿載電流：16A

額定轉速：980rpm

以下是該泵性能測試參數及性能試驗曲線：

額定值為：流量Q=3500m3/h，揚程H=6.0m，軸功率P=95.3kW，轉速n=495rpm，效率η=60%，配套功率Pe=200kW。

實測值：流量Q=3631.64m3/h，揚程H=6.23m，軸功率P=103.64kW，轉速n=495rpm，效率η=59.41%。

性能試驗曲線如圖2所示：

圖2 HZ700性能試驗曲線

圖2是軸流泵的典型特性曲線，圖中曲線分別為揚程-流量曲線（H-Q）、效率-流量曲線（ηp-Q）、功率-流量曲線（p2p-Q）。軸流泵的特性曲線與其他泵型的特性曲線有所不同，為什么軸流泵的特性曲線呈這樣的形狀呢？其原因主要是：當流量減少時，液流相對速度與圓周速度的夾角減小，而葉片安放角未變，結果沖角增大。流量越小，沖角越大，當沖角大到一定程度，翼型表面產生脫流。由于葉片各截面上的揚程各不相等，引起液體的二次回流，葉片進出口的回流漩渦使主流道變為斜流式，導致揚程增高。由于脫流與二次回流均造成很大的能量損失，在揚程增加的同時也大大消耗了泵的功率，致使效率急劇降低，故在小流量區效率曲線隨流量減小而快速下降，因而高效率工作區域狹窄。

在我公司實際生產過程中，該HZ700臥式軸流泵的生產能力與工藝環節需要的生產能力相比，略顯不夠，希望提高該HZ700軸流泵的能力來滿足生產的需要。從日常操作數據看，該泵電機電流穩定在12A左右，距滿載電流16A還有一定的富余空間。經過工藝、機械、電氣等專業人員討論，為最大程度提高負荷，擬將將電機負荷提升到超負荷值——滿載電流的105%，即16A×105%=16.8A。

3 擴能改造理論計算

泵的流量取決于泵的結構尺寸（主要為葉輪的直徑與葉片的寬度）和轉速、葉片安放角等。操作時，泵實際所能輸送的液體量還與管路阻力及所需壓力有關。

由于該泵已經定型，改葉輪直徑、寬度及葉片安放角不現實，因此，在運行工況不變的情況下，我們從改變泵的轉速著手進行論證。

第一，根據泵的第一相似定律：

（1）

上式表明，流量之比與葉輪外徑的3次方成正比，與其轉速的一次方成正比，與其容積效率成正比。

第二，根據泵的第二相似定律：

（2）

第三，軸流泵設計工況時的輸入功率：

（3）

式中：

Q ——泵的流量m3/s

ρ——輸送液體密度kg/m3

H ——泵的揚程m

η——泵的效率，根據泵的大小以及目前軸流泵的效率水平決定

第四，根據式（1）、式（2）、式（3）可得出：軸功率與轉速的立方成正比。由于軸功率提高到原來的倍，所以泵轉速由原來的N2提高到改造后的N1，轉速提高率為：

根據相似定律確定以上參數的值比較容易，但要精確確定各種效率十分困難，在實際應用中，由于泵的尺寸未變，轉速相差不大，可以近似認為各種效率相等。

4 改造實施

由于該HZ700臥式軸流泵的電機轉速（980rpm）比泵的轉速（495rpm）高，電機的皮帶輪相對較小，為了節省加工時間，節約改造成本，減輕維護檢修的工作量，我們選擇改造電機端的皮帶輪，即加大電機端的皮帶輪直徑。

原電機端皮帶輪原直徑為355mm，8根皮帶，皮帶型號為SPC5150，相應地將電機端皮帶輪直徑改大到：355mm×1.12=397.6mm（取近似值400mm），形狀、材質、皮帶槽等不變。由于改造后的皮帶輪加大，勢必會造成原來的皮帶長度不夠，通過適當調整電機位置進行補償。

5 結語

我公司的HZ700臥式軸流泵經過改造后，流量最大值由原來的性能測試值3631.64m3/h增大到4100m3/h左右，其揚程、抗汽蝕性能等滿足了我公司在軸流泵環節的工藝要求，達到了預期效果。當然，由于該泵的實際流量還受到后續石墨換熱器管程結垢的影響，流量的測試值不是很精確。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）