立式柱塞計量泵的自吸能力研究

降宇波 賈新亮 彭學龍 王成飛 寇維鵬

1. 中國核電工程有限公司 北京 100000

2. 上海阿波羅機械股份有限公司 上海 200000

1 概況

立式柱塞計量泵是往復泵的一種。往復泵是泵類產品中出現最早的一種，在旋轉式原動機出現之后，才逐步地產生了離心泵和轉子泵等其他類型的泵。由于離心泵和轉子泵的結構比較簡單、操作比較方便，而且還有體積小、重量輕、流量均勻等一系列優點，致使原來使用往復泵的地方逐步地為這些泵類所取代[1]。在離心式和容積式兩大類泵中，往復泵屬于容積式泵，即它是借助工作腔里的容積周期性變化來達到輸送流體的目的，原動機的機械能經泵直接轉化為物送液體的壓力能，泵的流量只取決于工作腔容積變化位及其在單位時間內的變化次數（頻率），而（理論上）與排出壓力無關。

目前，往復泵的產量只占整個泵類總產量很少的一部分。但是，往復泵所具有的特點并沒有被其他類型泵所代替，有些特點仍為其他類型泵所不及[2]。因此，它非但不會被淘汰，而且仍將作為一種不可缺少的泵類，在核工業等行業中被廣泛采用。

其主要特點有：

1.1 瞬時流量是脈動的

液體介質的吸入和排出過程（即容積變化過程）是交替進行的，而且柱塞由電機帶動曲柄驅動，在位移過程中，其速度又在不斷地變化之中。在單缸泵中，泵的瞬時流量不僅隨時何而交化，而且是不連續的。

1.2 平均流量（即泵的流量）是恒定的

當泵的設計合理、制造質量又好時，泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率。往復泵這一特點也正是作為計量泵選型的基礎。

1.3 對輸送的介質（液體）有較強的適應性

原則上可以輸送任何介質，幾乎不受介質的物理性能或化學性能的限制[3]。

1.4 有良好的自吸性能

不僅有良好的吸入性能，而且還有良好的自吸性能。因此，對多數往復泵來說，在啟動前通常不需灌泵。

由上述往復泵的主要特點可以看出往復泵的主要適用范圍。即往復泵主要適用于高壓（或超離壓）、小流量，要求泵的流量恒或定量（計量）或成比例地抽送各種不同的介質（液體），或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的場合。

2 立式柱塞計量泵樣機的自吸問題及理論分析

在某核化工項目中，研制了立式柱塞計量泵，這是一種單缸可調式柱塞泵[4]，具有多種規格，主要用于輸送溫度不高于50℃的含有放射性的液體，設計要求吸程為5m水柱，最小流量規格為250L/h。

其水力學結構示意圖如圖1所示，由泵體、柱塞、填料函、管道余隙、進口閥組、出口閥組等組成。

圖1 立式柱塞計量泵水力學結構示意圖

在進行試驗驗證時[5]，發現在管道滿流時其吸程可以滿足設計要求，但是管道無液體時，小流量規格的泵自吸高度僅為2.8m，與滿流時吸程差距較大。為了研究此問題，本文對其吸入能力尤其是自吸能力進行了理論探討。

泵的吸入能力包括兩個含義；保證泵水力部分正常工作所要求的吸入條件和泵的自吸能力。前者用以確定泵的安裝高度和吸入系統的設計，后者用以確定泵有無自吸能力（工作腔內無液體時能否起動并使泵進入正常運轉）及極限自吸能力。

2.1 泵正常工作的條件

水力部分正常工作的條件是：工作腔內液體的壓力應始終大于輸送液體的飽和蒸氣壓力，否則，將會引起工作腔內液體汽化，造成柱塞（或活塞）與液體脫流，從面引起工作腔內的撞擊、噪聲、振動以及流量的減少。因此，必須滿足下列不等式：

其中：pv—液體在該溫度下的飽和蒸氣壓力；

pcmin—工作腔內液體的最小壓力。

這也是在立式柱塞計量泵常規的設計思路，而往往忽略了在泵啟動過程中的自吸特性。

2.2 泵的自吸能力

自吸能力是指當工作腔內未充有液體時，泵能在多少時間內，把液體吸上多高的能力，其評價指標為極限自吸高度和自吸時間。在本設備中，著重考慮自吸高度。

為使泵具有自吸能力，必須具備下列兩個條件：①必須把工作腔內的空氣排出，排出行程終了時，工作腔內的空氣壓力必須大于泵出口處的壓力；②必須把吸入管內的空氣抽盡，吸入行程終了時，工作膠內的空氣壓力必須小于凈吸入壓頭。設空氣按等溫過程變化，則應滿足下列條件：

其中：p2—排出壓力（在計算時應注意，此時輸送的是空氣，不是液體）；

pcmin—工作腔內最小壓力；

Vc—余隙容積；s

V—行程容積；

ρ—液體密度；

hs—泵的安裝高度。

可得：

因此，極限自吸高度為：

當p2=ps=pa（ps為吸入容器液面上的絕對壓力，pa為大氣壓）時：

由此可以看出，ps越大，Vc越小，極限自吸高度越大。ρ、p2越大，sp越小，極限自吸高度越小。

實際上，外界空氣會通過填料函或其他不嚴密處進入工作腔，因此上述計算是近似的，泵常會因漏入空氣而使工作膠內空氣排不凈，不能形成低壓而不能自吸，所以產品的實際自吸高度還是應該靠試驗來確定[6]。

3 自吸問題的改進方向及試驗驗證

從前述的分析可以看出，當柱塞泵的結構一定時，要想改善泵的自吸情況，將余隙容積Vc改小是較為明顯且便捷的手段，因此，在樣機的改進中，采取了在保證流量的條件下減小余隙的思路，通過在樣機上設置異形填充件，填充工作腔內所有非必要的空間，將工作腔內的余隙容積減小了35%，如圖2所示[7]。

圖2 立式柱塞計量泵余隙容積減小結構示意圖

為了驗證修改后樣機的自吸性能，在相同的試驗條件下進行了自吸試驗，試驗結果顯示，自吸高度從2.8m提高到了3.5m。

4 結束語

在進行立式柱塞計量泵為代表的往復泵設計時，需結合實際使用工況考慮其自吸性能，并且在進行結構設計時，行程容積sV和均對自吸性能有較大影響；在泵的結構一定情況下，減小余隙容積Vc可顯著改善自吸性能，且極限自吸高度應該由試驗測定。