张瑞
深圳市水务技术服务有限公司 广东深圳 518000
摘要：为了研究水泵不同工况调节方法及其特性，本文根据轴流泵的工作特性，以某工程第19号水泵(简称19#水泵)试验台实测数据为基础，并结合某泵站，分析了不同扬程工况下采用定速变角、定角变速、变角变速等不同工况调节方法后水泵的工作特性，可为泵站设计选型、生产运行提供一定的参考。
关键词：水泵；工况；调节方法；特性
引言
轴流泵属于动力式泵中比转数最高的一种，具有管理方便，运行费用小、便于实现远程控制和无人值守等特点，主要适用于低扬程、大流量的场合，如灌溉、排涝、运河船闸的水位调节，或用作电厂大型循环水泵。但在实际工程中，由于泵站的扬程、流量等参数往往是变化的，使得实际工况点与已选定水泵的最优工况点相偏离。因此，如何选用水泵工况调节方法，充分发挥水泵的高效率，保证泵站工程高效的运行，是具有重要的现实意义的。基于此，本文主要就轴流泵在不同扬程工况下采用不同工况调节方法后水泵的工作特性进行分析。
1.定速定角特性分析
19#水泵叶片放置角为+4°时在某公司试验台所测水泵的流量(Q)、扬程(H)、效率(η)的部分数据及Q～H和Q～η的特性曲线分别如表1、图1所示。
某泵站装置的管道阻力系数为S，水力损失值Δh=SQ2，泵站扬程为Hsta，则水泵工作扬程Hpump=Hsta+Δh。当泵站扬程为设计、最高和最低时，则水泵的工况点分别如图1中A、B和C点所示。
从根据实验测试数据绘制的图1可以看出，Q～η特性曲线呈开口向下的抛物线形，高效率区间小且效率在最高效率点两侧下降较快，水泵工况点A的效率较B、C点高;水泵的Q～H特性曲线为单调曲线，即泵站扬程一定时，其工况点流量和效率也确定，水泵的运行工况随泵扬程变化而变化，不能根据运行要求进行工况调节[1]。
在工程实际中，定角度运行的水泵，其有结构、动力配套设备简单、工程投资少、管理维护方便等优点，故在扬程变化幅度不大、流量要求不高或年运行时间较短、效率要求不高的中小型泵站(叶轮直径小于1600mm)中有着广泛应用。
2.水泵工况调节方法与特性
大型泵站，特别是年运行时间较多的供水泵站，定角度运行不经济或不能满足泵站调度等要求，需要根据实际情况调节水泵的运行工况，充分发挥水泵的工作性能，使泵站取得较高的经济效益[2]。
调节轴流泵运行工况主要有定速变角调节、定角变速调节和变速变角综合调节三种方法。
2.1定速变角特性分析
由于叶片形状和轮毂结构的特点，轴流泵可以通过改变叶片安放角的方法改变水泵运行特性[3]。图2为根据实验数据绘制的19#水泵在相同转速下，不同叶片安放角的综合特性曲线和泵站扬程为设计、最高和最低时的管路损失水力特性曲线，不同工况点如图2所示。
图2水泵定速变角特性曲线
对比图1和图2可以看出，采用改变叶片安放角度的方法，水泵工作特性的高效率区由“线”变成了“面”，大大扩展了水泵高效率运行区间的范围。
从图2可以看出，在泵站设计(最高)扬程工况时，叶片角度由+4°调节到－4°的过程中，水泵的工况点由点A移向点A1(点B移向点B1)，水泵的流量减小、效率降低;而在泵站最低扬程工况点时，水泵工况点由点C移向点C1时，水泵的流量减少，但效率变化却不明显。由此可以看出，改变叶片角度时，水泵效率可能变高也可能变低，调节后的运行效率不仅与管道阻力系数S、水泵的综合性能相关，而且与泵站扬程及叶片角度改变的方向等相关。通过以上变化规律可以看出，当泵站扬程不变时，通过改变叶片角度的方法能较方便地调节水泵的流量，由于轴流泵站的管道阻力系数S较小，水力损失曲线一般较平缓，因此通过改变叶片角度调节水泵的运行流量时，水泵的效率可能提高也可能下降，但效率变化影响较小，因此对有流量调节要求的泵站较合适。
工程实际应用中，调节叶片角度不仅能满足泵站流量调节的要求，而且可以使机组在小角度时起动。这种叶片调节方式的设计、制造技术成熟，目前得到了广泛的应用。
2.2定角变速特性分析
通过改变水泵转速调节水泵工况点的方法在扬程和流量变化较大的离心泵站中应用较多，近年来逐渐开始应用于一些大型轴流泵站也。变速工况调节是以水泵相似抛物线理论为基础，根据额定转速下的试验特性曲线，换算成各种不同转速下的特性曲线。
2.2.1水泵相似抛物线
水泵比例律是反映同一台水泵转速改变时，水泵的主要性能流量(Q)、扬程(H)和轴功率(N)的变化规律。水泵的变速调节工况就是根据此定律换算来的，比例律公式如下:
由式(1)、(2)，消去转速后得:
式(6)为水泵的理想的相似抛物线，同一抛物线上的各点效率是相同的。
2.2.2变速调节的范围
为了保证机组设备运行的安全可靠，一般采用降速调节水泵运行工况。由理论换算和实验数据对比可知，当水泵转速过低时，换算的水泵等效率线及水力性能曲线偏离实际较大，且电机的负载较低也会使电动机的工作效率低，影响机组的综合效率，因此水泵工作转速在(0.8～1.0)倍的额定转速值内较适宜。
2.2.3转速调节的特性曲线图
根据式(6)将19号水泵的+4°角额定转速的特性曲线，分别换算成额定转速的95%、90%、85%和80%时的特性曲线并摘录两工况点换算数据，相似换算后数据如表2，特性曲线如图3所示，
从图3性能曲线可以看出，水泵降速运行后，水泵流量、扬程及其高效率区等参数均变小。在泵站设计(最高)扬程工况时，水泵降速运行，水泵的工况点由点A移向点A1(点B移向点B1)过程中，水泵的流量、扬程和效率均相应减小;而在泵站最低扬程工况点时，水泵工况点由点C移向点C1时，水泵的流量和扬程减少，水泵的运行效率在增加。当继续降速，水泵工况点由点C1移向C2时，流量、扬程和效率均同时在减小。通过以上分析可知，水泵降速后的运行特性与管道阻力系数S、水泵的性能特性曲线及泵站扬程等因素相关，与定速变角的调节特性有些相似。
根据式(1)、式(2)和式(3)可知，水泵变速后的轴功率的变化最大、扬程其次、流量最小，分别与转速比成三次方、二次方和一次方。因此，降速后水泵实际工作点流量、扬程均较额定最优工况点低，在满足水泵高效率运行时(如由工况点C移向点C1)，水泵的流量减少，不一定能满足泵站流量的要求，因此对有流量要求的泵站，需设备用机组(如市政供水泵站)。再者，当水泵的工作扬程大于额定转速特性的最优工况点的扬程时(如图3中工况点A的扬程)，采用降速减小水泵流量，水泵的工作效率下降，会浪费能量。
工程实际应用中，水泵的变速常采用变频设备来改变水泵转速。变频调节与叶片角度调节相比有省去叶片调节机构使得机组结构简单、运行维护少和有利实现了机组的软起动和软停机等优点。
2.3变角变速综合特性分析
水泵变角变速工况调节的综合其变角和变速的特性。通过以上分析可知，当采用叶片全调节并可变速运行时，则水泵具有任意角度相似的变速特性曲线。由于有相当一部变速特性和变角特性曲线相重合，为了清楚表达变角变速调节的综合特性，本文在定速变角特性的基础上仅绘出最小叶片角度进行降速运行的综合特性曲线，如图4。
从图4可以看出，通过变速变角综合调节，水泵具有叶片变角和变速两种调节方法的共有特性，使水泵更能适应泵站流量和扬程的调节的要求，为泵站的经济运行提供了有效措施。但泵站选择采用变角变速进行工况调节，需要同时具有叶片调角机构和变频等设备，不仅会增加设备的制造难度，也增加工程建设投资和管理的难度，因此这种工况调节方法在实际工程应用中并不多见。
图4变角变速综合特性
3.结束语
综上所述，水泵的工况调节需要根据工程建设的实际需要进行综合考虑，要求装置效率最高，且也需要保证工程可以高效、安全的运行。水泵工况调节方法的选用应根据工程设计目的、水泵机组特性，节能要求等方面进行综合分析后才可确定。对于轴流泵工况调节方法来说，通过改变叶片角度和水泵转速的方法，不仅可以扩大了水泵运行的区间，也满足了泵站不同的运行要求，有利于泵站的经济运行。
参考文献：
[1] 王晓龙. 改善水泵运行工况的方法及水泵特性曲线调节法的应用[J]. 山东工业技术, 2014(20):166-167.
[2] 秦钟建, 方国材, 胡大明. 大型灯泡贯流泵工况调节与水力性能研究[C]// 中国水利学会青年科技论坛. 2012.
[3] 石丽建, 汤方平, 刘超,等. 轴流泵多工况优化设计及效果分析[J]. 农业工程学报, 2016, 32(8).
论文作者:张瑞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/8
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