泵与风机的运行与调节

第六章 泵与风机的运行与调节

主要内容

（一）管网特性及泵与风机运行 （二）泵与风机的联合运行 （三）泵与风机运行工况的控制调节 （四）泵与风机的叶片切割和加长 （五）泵与风机运行中的几个问题

（一）管网特性及泵与风机运行 1、管网特性曲线及其影响因素 2、泵与风机的稳定运行

1、管网特性及其影响因素

所谓管网特性，就是管网中的流量Q 与所需要消耗的压头H C 之间的关系。 管网特性主要与哪些因素相关？

首先，根据水泵的管网特性方程讨论其影响因素，如P111,图5-1示，列伯努利方程：

A-1：

2-B ：

式中H w g 与H w j 为进、出管阻损。

两式相减，并整理后可以得到该水泵管网所需要消耗压头的表达式：

式中，管网阻力特性系数：

管路的静扬程：H s t 为抛物线的截距，H s t 与流量Q 无关，

第二项φ与流量Q 呈平方关系，说明管网特性曲线为二次抛物线，则其管网特性曲线如P112,图5-2中上方的二次曲线。

同理可得风机管网特性曲线。类似前述E q 的形式（推导略）：

H H V

P V

P g w g A

A

g

g

g

g .21

1

222+++=+ρρ

H H V

P V

P j

w j B

B

g

g g

g .222

2

22+++=

+ρρQ

F

H V H V H H P P H V

V V V H H H H P P P

P H

g d l

g d l g g g

g g g g g g g t s t s w t A

B C A B j w g w j g A B C

2

2.2.22

22212..1

2

2)(2)()2()()

2222()(ζλζλρρρρρ∑+∑+=∑+∑+=+∑++-=--++++++-=-=

显然，对于风机管网来说，由于空气密度较小，管网特性曲线方程的第一项中，p t 的值很小，可近似忽略不计，说明风机管网特性曲线的截距比水泵小得多，而对于那些从大气吸入和排至大气等情况来说，式中第一项（p B —p A ）也近似为零，

∴

图5-2中下方过原点的二次曲线。

显然，泵与风机的管网特性曲线（二次抛物线）形状的陡降程度将取决于管网特性系数φ值的大小，管网特性系数φ值越大，抛物线越陡。φ值与管道长度ｌ、沿程损失系数λ、局部损失系数ζ成正比，而与过流截面成反比。

2、泵与风机的稳定运行工况分析

如P113，图5-3所示，泵与风机特性曲线与管网特性曲线的交点为泵与风机的运行工况点M ，当泵与风机在这个交点上达到稳定运行时，称为稳定运行工况点。相对应的流量为 Q VM 、扬程为 H M 。泵与风机特性曲线的最高点K 处对应的扬程为最大扬程，其右侧区域为稳定运行区域。

（二）泵与风机的联合运行 1、泵与风机的串联运行 2、泵与风机的并联运行

3、泵与风机的串联与并联运行的比较

1、泵与风机的串联运行

采用两台（或以上）设备，分别安装在同一条管路上，就称为串联运行。 在什么情况下，系统要采用串联运行？ 1）系统所要求的扬程（压力）较大。

2）由于大扬程（高压力）泵与风机叶轮直径过大、宽度过小、设备的功率大，工艺难度大、成本较高等。 3）满足系统技术改造时设备增加，而使管网阻力增大。

4）为了适应一些阻力变化范围较大、变化频率较快的系统的可靠与高效运行。

串联运行有以下两种形式： （1）相同型号泵与风机的串联运行 （2）不同型号泵与风机的串联运行

（1）相同型号泵与风机的串联运行 ①串联运行曲线

如P117，图5-8所示：H M =2H B ；H Mi =2H Bi ；------- ②串联运行前后工况比较

如P116，图5-8所示：扬程：H c ＜H M ；H M ＜2H c ；流量：同理----

（2）不同型号泵与风机的串联运行：参见P117，图5-9所示。

2、泵与风机的并联运行

采用两台（或以上）设备，分别安装在各自的管路上向同一个系统供水或排水，就称为并联运行。

)(≈-

=+p p p p

t

A

B

st

在什么情况下，系统要采用并联运行？

1）系统所要求的流量较大。

2）由于流量泵与风机叶轮过流宽度、设备功率过大、成本较高等。

3）满足系统技术改造时设备增加，而使流量增大。

4）为了适应一些流量变化范围较大、变化频率较快的系统的可靠与高效运行。

并联运行运行有以下两种形式：

（1）相同型号泵与风机的并联运行

（2）不同型号泵与风机的并联运行

（1）相同型号泵与风机的并联运行

①并联运行曲线：如P114，图5-6所示：Q M=2Q B；Q Mi=2Q Bi；-------

②并联运行前后工况比较：如P114，图5-6所示：Q c＜Q M ；Q M＜2Q c；扬程：同理

（2）不同型号泵与风机的串联运行：参见P115，图5-7所示。

3、泵与风机的串联与并联运行的比较，参见P117，图5-10所示，讨论一下问题：

1）串联运行的特点？

2）并联运行的特点？

3）两者各自适用于那种场合？

（三）泵与风机运行工况的调节

1、旁路分流调节方式

2、节流调节方式

3、入口导流调节方式

4、变速调节方式

5、动叶调节方式

6、泵的进口水位调节方式

1、旁路分流调节方式

1）旁路分流调节的管路布置实例

2）旁路分流调节的水力特性分析

3）旁路分流调节的特点及其应用

1）旁路分流调节的管路布置与应用实例

如图所示，在氧化转炉煤气冷却给水系统中，氧化转炉产生的蒸汽量随炼钢工艺过程变化而周期性波动，汽包补水须随之周期性变化，当转炉停止吹炼、汽包无需补水、系统给水量为零时，为避免电机频繁启动或水泵的闷车，并保证高压泵的安全运行，可在水泵出口管路设置这种供回水分流旁路来维持一个小流流量旁路回流。

1．水箱 2. 给水泵 3. 锅炉

4. 电动阀

5.供回水分流阀

2）旁路分流调节的水力特性分析

如图示旁路阀门关闭，分流流量Q F=0时，主管阻力特性曲线为φZ，主管用户的流量为Q Z。当旁路阀门开启（见红色阻力曲线φF），则分流流量为Q F，这时的并联管网阻力特性曲线为φZF，主管用户流量为：Q Zˊ=Q ZF—Q F

显然，

Q ZF＞Q Z＞Q Zˊ

当旁路阀逐步关闭，Zˊ与ZF同时趋近Z，旁路阻力曲线φF逐步变陡。

3）旁路分流调节的特点与应用范围

对于用户来说，最大的好处是，采用这种旁路分流的简单调节方法，就实现了在流量减小的同时，系统压力（扬程）也能够同时随之降低。尤其是当系统频繁地需要维持零流量工况时，可避免使电机频繁启动或出现水泵闷车的现象，从而有效地保护了电机和水泵设备。

但这种调节方法的缺点是旁路分流的这部分流量的耗功成为了无用功。

2、节流调节方式

1）出口节流调节方式

2）入口节流调节方式

3）出口节流与入口节流两种方式的比较

4）入口节流调节方式的应用

1）出口节流调节方式

当关小出口调节阀的开度时，管网阻力曲线由φM调节为φA，运行工作点由M→A，流量由Q M→Q A，扬程由H M→H A。如P118，图5-11中可以看到，如果不增加管网阻力而相对于流量Q B=Q A，所需要的扬程仅为H B，可见采用这种出口节流调节方式减小流量后产生的附加节流损失为：

Δh=H A -H B

相应的功率损耗为： ΔN=ρgQ V A Δh/ηA

2）入口节流调节方式

当关小入口调节阀（或挡板）的开度时，管网阻力曲线由φM 调节为φB ，同时由于流体进入叶轮前流动状态发生了变化，泵或风机特性曲线也由Q —H → Q 1—H 1,因此使运行工作点由M →B ，流量由Q M →Q B ，扬程由H M →H B 。如P119，图5-12中可以看到，如果不增加管网阻力而相对于流量Q B =Q A ，所需扬程仅为H A ，可见采用这种入口节流调节方式减小流量后产生的附加节流损失为： Δh BA =H B —H A

相应的功率损耗为： ΔN BA =ρgQ V A Δh BA /ηB

3）出口节流与入口节流两种调节方式的比较 当关小出口调节阀开度时，管网阻力曲线由φ

M 调节为φC ，运行工作点由

M →C ，流量由Q M →Q C ，

扬程由H M →H C 。如P119，图5-12中中可看到，如不增加管网阻力而相对于流量Q C =Q A ，所需要的扬程仅为H A ，可见如采用出口节流调节方式减小流量所产生附加节流损失为： Δh CA = H C —H A

相应的功率损耗为： ΔN CA =ρg Q VA Δh CA /ηc

显然，ΔN CA ＞ΔN BA

即入口节流比出口节流方式节能。

4）入口节流调节方式的应用

由于入口节流方式比出口节流方式节能，所以说应该是一种比较好的调节方式，但这种方式的局限性在于入口调节过程中，可能会使进口速度过大、进口压力过低。对水泵来说会增加其发生汽蚀的可能性，因此水泵系统很少使用入口调节方式。

3、入口导流调节方式 1）入口导流调节及其应用

2）入口导流调节方式的节能特性分析

1）入口导流调节及其应用

虽然入口调节方式比出口调节方式节能，但这种方式的局限性是对水泵来说会增加发生汽蚀可能性，因此大多用于风机系统的工况调节，最常见是应用各种进风口导流器。 参见P119图5-13： （a ）轴向导流器： （b ）简易导流器： （c ）径向导流器：

2）入口导流调节的节能特性分析

风机进风口导流器是通过叶轮入口处产生预旋，改变了进口速度V 1的方向和大小，成为非轴向入流，即V 1u ≠0，使理论全压p 发生变化，其能量方程式为：

)

(1122V u V u P

u u T

-=ρ

由于风机进口导流器调节过程中，管阻特性并不受影响，所以其节能效果比入口节流调节方式更好。

4、主轴转速调节方式

1）主轴转速的调节方法

2）转速调节方式的节能特性分析

1）主轴转速的调节方法

①皮带轮调节

②变速箱调节

③汽轮机调节

④直流电机调节

⑤多速电机调节

⑥变频调节

2）转速调节方式节能特性比较分析

（1）与旁路分流调节方式的比较分析

（2）与出口节流调节方式的比较分析

（3）与入口节流调节方式的比较分析

（4）与入口导流调节方式的比较分析

（1）与旁路分流调节方式的比较分析

如左图所示，采用转速调节将水泵的工况从Z点调节至Zˊ点，相应流量下降为Q Zˊ、扬程下降为H Zˊ，而如右图所示采用旁路分流实现同样的工况调节，却带来了分流流量Q F所附加无用功率损失。

主轴转速调节方式旁路分流调节方式

（2）与出口节流调节方式的比较分析

如图所示，采用转速调节将水泵工况从B点调节至C点，相应流量下降为Q C、扬程下降为H C，而采用出口节流实现同样的工况调节，却带来了出口节流阻损ΔH AC=H A—H C所产生的附加扬程，这部分功率损失是采用转速调节方式所没有的。

（3）与入口节流调节方式的比较分析

如图所示，采用转速调节将水泵工况从M点调节至A点，相应流量下降为Q A、扬程下降为H A，而采用入口节流来实现同样的工况调节，却带来了由于入口节流的阻力损失：ΔH BA=H B—H A所产生的附加扬程，这部分功率损失是采用转速调节方式所没有的。

主轴转速调节方式入口节流调节方式

（4）与入口导流调节方式的比较分析

如左图所示，采用转速调节将水泵工况从M点调节至B点，相应流量下降为Q B、扬程下降为H B，而若采用右图所示的入口导流实现同样的工况调节，并不会产生像前述旁路调节的分流流量或在进出口管路上节流调节的附加扬程。

那么，入口导流调节与主轴转速调节方式的运行经济性，哪一种更加好一些呢？

主轴转速调节方式入口导流调节方式

入口导流调节与主轴转速调节方式比较

①流动损失的比较：

∵n z＜n r，∴Δh fz＜Δh fr

②进口冲击损失的比较：

主轴转速调节不影响进口流动，入口导流调节改变入口流动速度，会使进口的流体运动方向与叶片进口安装角不一致，产生较大的冲击损失。

③相似性的比较：

主轴转速调节不影响相似性，入口导流调节改变了运动相似条件。

④运行效果的比较：

入口导流调节方式在噪声、振动、气蚀（对泵）和效率等性能方面均比变速调节方法差。

5、特殊条件下常用的调节方式

（1）改变叶片安装角调节方式

（2）改变进口水位调节方式

(1)改变叶片安装角调节方式（也称动叶调节方式）

①问题的提出和调节方案的确定

②动叶调节方式的运行特性分析

①问题的提出和调节方案的确定

随着工业技术的不断发展，大容量锅炉的应用越来越广泛。锅炉配套泵与风机的特点是流量大，流量调节范围很宽，而其扬程（或压力）并不高。同时却要求在调节流量的过程中，其扬程（压力）得变化不宜过大，需要能够维持在一个比较稳定的范围之内。

显然，使用轴流式叶轮的泵与风机能够满足流量大，扬程（压力）低的要求。

但是，要在扬程（或压力）基本保持不变的条件下，能够进行大范围的流量调节，而由于容量较大，又必须比较节能的方法，应该是怎样的呢？

②轴流泵动叶调节特性

通过对P123，图5-22“改变轴流泵的叶片安装角方式”的实际调节特性分析，可以看到其运行效率基本保持在，不同安装角条件下的高效（额定）工况点：70％～90％左右。

尤其是它能够满足锅炉配套泵与风机流量大，流量调节范围宽（1700/600=2.8倍），扬程不高（3m左右），却要求流量调节过程中，其扬程变化不宜过大（3.5/2.5 = 1.4倍）的特殊调节要求。

(2)改变进口水位调节方式（也称汽蚀调节方式）

①问题的提出和调节方案的选用

②汽蚀调节方式的基本原理

③汽蚀调节方式的运行特性分析

④汽蚀调节方式所需注意的问题

①问题的提出和调节方案的确定

电站运行过程中，因汽轮机负荷变化，凝结热水井水位频繁升降，水位高时要求凝结泵流量调大，反之要求流量调小，否则水井一旦被排空，机组将无法正常运行。采用哪种调节方式最好？在这种工况条件下，虽然我们也可以采用前面已介绍过的一些调节方法，实现流量的自动调节，但其自动调节与控制系统的设备投资较大、操作管理与运行经济性等均不够理想。实践证明，只要我们能够合理设计凝结水泵的水力与汽蚀特性，尽量降低管网阻力，则无须增加其它过多的自动调节与控制设备，就完全可以利用水井中

的水位变化，来实现系统的全自动流量调节。

②汽蚀调节方式的基本原理

如P120，图5-16所示，水泵吸入口与水面之间的倒灌高度Hg越大，水泵入口压力越高，发生汽蚀的可能性越小。反之，发生汽蚀的可能性则越大，也就是说当水井中水位下降到一定程度时，水泵发生汽蚀，流量下降，水位越低则汽蚀越严重，流量则越小，这就达到了根据水位变化自样动调节流量的目的。

③汽蚀调节方式的运行特性分析

如P120，图5-17所示，设水位高度H g=H A时，为水泵在额定工况下，不发生汽蚀的最小高度，此时水泵的运行工作点为A。当汽轮机负荷减小……，水位下降，水泵开始发生汽蚀，水泵扬程降低ΔH，流量相应减小至Q A1，如果汽轮机负荷不再减小，则此时水泵维持在A1点上运行。如汽轮机负荷继续减小，则工况点A1→A2→A3……。反之，水泵的工况点逐步恢复至A点。

④汽蚀调节方式所需注意问题

利用水井中的水位变化，来实现系统全自动流量调节，固然能够在减少投资的前提下达到比较好的节能效果，但是必须注意水泵经常在汽蚀状态下运行所存在的风险。

采用汽蚀调节方式时，须注意处理好那些问题才能正确合理使用好这种调节方式呢？

（Ⅰ）凝结泵特性曲线与管网特性曲线要配合得当

泵出口压力不宜过分大于管路所需克服的阻力，同时要求水泵与管网特性曲线应尽量平坦，从而在调节同样的流量值时，使水泵的汽蚀程度尽可能低。

（Ⅱ）必须采用抗汽蚀性能好的材料

由于凝结泵的流量调节过程中，水泵往往需要处于汽蚀状态下运行，为了尽可能地提高泵的使用寿命，必须采用抗汽蚀性能好的材料制作水泵叶轮。

（Ⅲ）必要时设置一个部分凝结水的再循环管路

为防止热水井排空或水位过低使汽蚀太严重，可在水泵出口管路设置一个再循环管路，将一部份凝结水送回热水井。

（四）泵与风机叶轮叶片的切割或加长

1、叶轮叶片切割或加长的目的

2、泵与风机叶轮的近似相似

3、泵与风机叶轮的切割（或加长）定律

4、泵与风机叶轮叶片切割量的控制

5、切割或加长后的性能与效率变化

6、叶轮叶片切割或加长的应用条件

1、叶轮叶片切割或加长的目的

由于泵与风机对流体的做功能力，主要时取决于泵与风机叶轮尺寸的大小（叶片长短），因此当我们所设计或所能购置到的泵或风机的额定（设计）流量已能够基本满足系统使用工况的要求，而其扬程（压力）却偏高或偏低时，为了减小重新研制或购置成本，加快工程进度，往往可采用将叶轮叶片的外径在适当小的尺寸范围内进行切割或加长的方法，使其接近或达到实际使用工况的扬程（压力），同时满足节能运行的要求。

2、泵与风机叶轮的近似相似

几何相似是两个叶轮之间相似的条件之一，所以叶轮经过切割或加长后，与原来的叶轮之间应该已经

不再相似。但是，由于这里所定义的泵与风机的切割与加长是要求控制在一个适当小的尺寸范围内的，经大量工程实践证明，只要将叶轮外径切割或加长的尺寸控制在所规定的范围之内，就能够使切割或加长后的叶片出口角β2a 的变化误差，小于所允许的工程误差之内，从而使叶轮内部流动满足近似的相似状态。

3、叶轮的切割（或加长）定律 （1）低比转速泵与风机的切割与加长 （2）中、高比转速泵与风机的切割与加长 （3）切割抛物线与切割定律的关系

（4）切割抛物线、等效抛物线及阻力曲线的区别

（1）低比转速泵与风机的切割与加长

对于如P127，图5-27所示的低比转速泵与风机的叶轮来说，外径适当变化，其出口宽度变化很小，甚至可认为没有变化，即：b 2=b 2ˊ（参见图中切割后的红线所示）。 设转速不变，叶轮外径D 2→D 2ˊ，则

切割前后流量比：

切割前后扬程比：

切割前后功率比： 以上各式称为低比转速泵与风机的切割定律。

（1）中、高比转速泵与风机的切割与加长

对于如P127，图5-27所示，中、高比转速泵与风机的叶轮来说，外径适当变化时，其出口宽度随之相应变化，由于b 2与D 2成反比，即：b 2ˊ/ b 2 =D 2/D 2ˊ （参见图中切割后的红线所示）。设转速不变，叶轮外径D2→D2ˊ，则

切割前后流量比：

同理，切割前后扬程比：

同理，切割前后功率比： 同理，以上各式称为中、低比转速泵与风机切割定律。

（3）切割定律与切割抛物线的关系

现将中高比转速叶轮切割定律的流量计算式与扬程计算公式联立，并消去 ，

得到： → → 2

22222222???? ??'='''='D D V b D V b D Q Q m m V V

ππ2

222222

???

? ??'=''='D D V u V u H H m m 2

22))((???

? ??'=''='D D H H Q Q g g N N V V

ρρ2

2222222D D V b D V b D Q Q m m V V

'='''='ππ?

?

? ??''=D D H H 222

?

?

? ??''=D D N N 223

H

H Q Q V V '='2

2

K Q H Q H V V '=''=222

V

Q K H '=??

? ??'D D 22

上式称为“切割抛物线”，Kˊ称为比例常数，表示了泵与风机的叶轮叶片切割或加长前后流量与扬程之间的关系。

（4）切割抛物线、等效抛物线（或称相似抛物线）与管网阻力特性曲线（抛物线）的区别特别需要强调的是，虽然“切割抛物线”与相似原理中介绍的“等效抛物线”（或称相似抛物线）的方程形式相同，但两者之间的物理意义是有根本性区别的。

切割抛物线——反映切割（或加长）前后，对应工况点的流量和扬程之间的关系。只有“切割抛物线”上的对应工况点才满足切割定律。

等效抛物线——反映减速（或加速）前后，相似工况点的流量和扬程之间的关系。只有“等效抛物线”（或称相似抛物线）上的相似工况点才满足相似定律。参见相似理论一章中有关“泵与风机的通用特性”。

管网阻力曲线（抛物线）——反映管网在不同流量下所需要消耗的能量头。参见本章有关“管网特性”

4、泵与风机叶轮叶片切割量的控制

前面曾经说过，泵与风机的切割与加长要控制在一个适当小的尺寸范围内的，才能近似相似并满足切割定律，从而保证泵与风机的性能和效率。但是，这个适当小的范围如何确定呢？工程技术人员经过大量工程实践，根据比转速的不同总结出了一个适当的范围（见P127，表5-1），在这个范围内能够基本保证泵与风机经过切割后的性能和效率。

5、切割（或加长）后的性能与效率变化

叶轮切割（或加长）量的确定，是以保证切割后的泵或风机性能和效率为原则的，可以工程实例来讨论叶轮切割前后水泵性能和效率的变化情况，如P127，图5-26所示：Ⅰ是未切割前水泵的特性曲线，Ⅱ是切割后水。水泵的特性曲线, η0为该水泵所允许的最低效率，曲线Ⅰ上对应的大于η0的运行范围：Ａ～Ｂ，曲线Ⅱ上对应的大于η0的运行范围：Ｃ～Ｄ。

可见，叶轮所允许的切割量是有一定限制的，随着切割量的增大，对应的效率曲线不断下降，直至达到某个临界切割量，使对应的效率曲线的最大值低于η0。

6、叶轮切割或加长的应用

（1）理论计算与实际性能存在误差

（2）分次切割、逐步逼近

（3）叶片加长时应注意超载问题

（4）切割法比加长法的应用更广泛

（五）泵与风机运行中的主要问题

1、泵或风机的启动

2、泵或风机流量控制

3、振动噪声的产生与消除

4、不平衡力的产生与消除

1、泵或风机的启动

（1）避免过载启动；

（2）保证满液启动；

（3）注意暖态启动；

（1）避免过载启动；

①离心式：小流量启动

②轴流式：大流量启动

③变速调节系统：低速启动

④多台联合运行：逐级启动

（2）保证满液启动

①吸入水池：液位

②泵内流道：充液

③各接口处：密封

④管网系统：排空

（3）注意暖态启动

①暖泵的目的

②暖泵的方法、过程与步骤

2、泵或风机的流量控制（1）零流量

（2）小流量

（3）大流量

3、振动噪声的产生与消除（1）机械性振动与噪声（2）流体流动性振动与噪声（1）机械性振动与噪声

①安装：

②摩擦：

③转子偏心：

④转子不平衡：

⑤转子达到或接近临界转速

⑥力平衡装置

⑦原动机

（2）流体流动性振动与噪声

①汽蚀

②喘振

③冲击

④失速

4、不平衡力的产生与消除（1）轴向不平衡力的产生（2）轴向不平衡力的消除（3）径向不平衡力的产生

（4）径向不平衡力的消除