南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艷芳

南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艷芳

榆陽區南郊抽水站位于榆林市南郊黃莊村，建于1962年，為五級抽水站，總揚程134.7m，水泵電機16臺，總裝機1 647 kW。設計灌溉面積1.2萬畝，實際灌溉面積0.67萬畝。一級站取水形式為有壩引水，取水渠首在榆溪河上建滾水壩，滾水壩長35 m，設計引水流量為1.4 m3/s。引水渠全長352 m，其中沉沙渠長218 m，進水渠長134 m。共安裝5套機組及相應的電氣設備，安裝變壓器6臺，總容量2265 kV，揚程為33 m，出水量為1.3 m3/s；二級站地形揚程19.7 m，出水量為0.79 m3/s；三級站地形揚程為24 m，出水量為0.75 m3/s；四級站地形揚程33 m，出水量0.66 m3/s；五級站揚程度25 m，出水量0.2 m3/s。

南郊抽水站使用的水泵均為離心泵，由于使用年限較長，設備老化，嚴重影響受益區的效益發揮。在設備不能更新、改換的情況下，要想繼續使用，必須在水泵技術上采取相應的補救措施，從而使抽水站裝置處于理想狀態。

水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一項技術經濟指標，是指水泵的有效功率（即水泵輸出功率）和水泵軸功率（即水泵輸入功率）之比。水泵效率一般在65%～90%，大型泵可達90%以上。水泵效率的高低，在很大程度上取決于水泵的使用情況，如果維修和使用不當，即使制造出高效率的水泵，也達不到高效低耗經濟運行的目的。因此，在水泵實際運行中應盡力提高水泵效率。

一、抽水站水泵工作效率低的原因

（一）容積損失

包括通過大小口環的循環水流損失，填料函和平衡盤的泄漏損失。填料函和平衡盤的泄漏損失在規定的范圍內，是屬于保證工作的正常損失。大小口環的循環水流損失主要與大小口環的密封間隙的大小、長度以及泵的單級揚程有關。一般情況下，密封間隙的長度及泵的單級揚程是基本不變的，因此大小口環的環流損失主要與大小口環的密封間隙的大小有關，大口環的密封間隙每增加0.2 mm，效率降低4%左右；小口環的密封間隙每增加0.5 mm，效率降低5%左右。

離心泵的容積損失有密封環漏泄損失、平衡機構漏泄損失和級間漏泄損失。

1.密封環漏泄損失。在葉輪入口處設有密封環，水泵工作時，由于密封環兩側存在壓力差，一側近似為葉輪出口壓力，一側為葉輪入口壓力，始終會有一部分液體從葉輪出口向葉輪入口漏泄。這部分液體在葉輪里獲得了能量，但液體并未送出，這樣就減少了水泵的供水量。漏泄液體的能量全部用到克服密封環阻力上了。

2.平衡機構漏泄損失。在一些離心泵中，設有平衡軸向推力機構，如平衡孔、平衡管、平衡盤等。由于在平衡機構兩側存在著壓力差，因而也有一部分液體從高壓區域向低壓區域漏泄。平衡孔的漏泄會使水泵的效率降低5%左右。在平衡盤機構中，漏泄量占工作流量的3%，但高壓泵有些比此值大。

（二）機械損失

是指葉輪、平衡盤的外側表面和水的摩擦、大小口環處的摩擦以及軸承和填料等處的損失，其中輪盤摩擦損失取決于比轉數，比轉數較高時損失較小。

（三）吸水口附近的水被轉動的軸擾動，使進水的入口角發生變化而造成能量損失。

（四）水力損失

水力損失直接應影響泵的水力效率和特性，它包括摩擦損失、渦流和沖擊損失。一般情況下流量大的泵水力損失較小。摩擦損失指流體在葉輪和其他過流部件中的沿程損失，它的大小約等于流量的平方。渦流和沖擊損失指流體在渦輪機全部流動過程中的轉彎、擴大和收縮等造成的損失，單就葉輪來講是指流體對葉片入口處的沖擊和流量變化時葉輪內的渦流損失。這種現象已被實驗所證實。

水力損失主要是在葉輪和各通流部件中。以ns(比轉數)＝90的分段式多級泵中水力損失情況為例：在葉輪和其他通流部件中的損失，大約各占50%。葉輪葉片入口處邊緣磨損后，由于入口角改變，將產生不正常的入口沖擊，葉片間流道粘污后，減少了有效過流面積，水流速度增加，從而加大了水力損失。水力損失中的摩擦損失是不可避免的。眾所周知，水具有粘滯的特性，單位體積的水和物體(過流部件)表面作相對運動時，維持其運動所需的能量和其粘度、接觸面積、表面粗糙度、沿途行程的長短有關，并與水流運動速度的三次方成正比。

沖擊損失和水流速度也有很大的關系，當水的流速太大時，特別是在葉輪吸水口附近，當水流以較大的軸向速度流向葉輪吸水口，而葉輪又將其帶動旋轉以徑向速度拋向葉輪出水口，可以說其軸向流速具有的動能在葉輪吸水口附近消耗殆盡。這種現象在水泵首級葉輪和中間葉輪均會發生，而且中間級葉輪比首級葉輪還嚴重。因為一般多級泵首級葉輪吸水口直徑比中間級葉輪的吸水口直徑大(為了改善吸水性能)，首級葉輪吸水口外水流的軸向流速還能相對降低，而且吸水管內的壓力低于大氣壓，首級葉輪拋出的水經導水圈減速增壓，經返水圈回頭后以徑向速度到達中間級葉輪吸水口，由于吸水口直徑較小，水流被迫由徑向速度變成較大的軸向速度流向吸水口，這時水流在徑向速度所有的動能也被消耗掉，而且返水圈的過流面積朝吸水口方向逐漸收縮，造成徑向速度增加，返水圈內的壓力還是正壓力(大于大氣壓力)，這些情況均造成無益的水力損失。

二、提高水泵工作效率的方法

（一）減小水泵容積損失的方法

根據南郊抽水站水泵實際情況，在技術上，采取減小密封環漏泄損失、提高水泵轉數、加強保養等方法，給予改進。

1.盡量減小密封環漏泄損失。密封環直徑Dw愈大，其兩側壓力相差愈懸殊，則泄漏量就愈大。對于定型的水泵，為了減少漏泄量提高水泵的效率，應在許可的情況下把密封環間隙縮小。一般總間隙近似取密封環直徑的0.002，如Dw=200 mm，則總間隙為0.4 mm。裝配時，密封環不可偏心太大，否則，漏泄量也會增加。另外，可用增加密封環阻力的方法減少漏泄量，增加阻力的主要措施是將密封環制成迷宮、鋸齒形等，這同時也增加了密封環的密封長度，增大了沿程阻力。密封環的漏泄，在某些情況下會引起葉輪入口的擾動，因此要合理地設計密封環形式。

2.減小平衡機構漏泄損失

為減少漏泄損失，可在不影響平衡力的情況下減小平衡盤的直徑。

（二）減小水泵機械損失

盡可能地提高比轉數。比轉數較全面地反映了水泵的特性，綜合了水泵的流量、全壓、轉速三者之間的關系。比轉數大，說明水泵在同流量下，揚程低；比轉數小，說明水泵在同流量下，揚程高。

（三）減小水泵水力損失

水力損失主要由水流經泵的過流部分（葉輪、泵殼等)產生的水力摩擦、渦流和水力撞擊等項損失所形成。水泵過流部分的壁面越粗糙，水泵運行偏離額定工況越遠，此項損失也越大。因此，應盡量保持葉輪、泵殼內壁光滑，避免銹蝕、堵塞，并力求使水泵在額定工況下工作，以減少水流的渦流和撞擊損失。

此外，裝配或檢修水泵時，由于葉輪出口與導水圈吻合不當或軸向竄量太大而造成的水力損失，對泵效率和特性影響較大，即使裝配無誤，這部分損失也近于11%。除此之外，由導水圈向返水圈翻轉的流道中的損失占22%強，清除導翼中的飛邊和毛刺等鑄造缺陷，可避免無益的水力損失。

新配葉輪時，應盡可能清除流道中的毛刺，保持內壁光滑，以減少額外的水力損失，條件允許時可采用工程塑料葉輪。

（作者單位：榆林市榆陽區南郊抽水站 719000）