南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艳芳

南郊抽水站水泵工作效率分析

□ 任艳芳

榆阳区南郊抽水站位于榆林市南郊黄庄村，建于1962年，为五级抽水站，总扬程134.7m，水泵电机16台，总装机1 647 kW。设计灌溉面积1.2万亩，实际灌溉面积0.67万亩。一级站取水形式为有坝引水，取水渠首在榆溪河上建滚水坝，滚水坝长35 m，设计引水流量为1.4 m3/s。引水渠全长352 m，其中沉沙渠长218 m，进水渠长134 m。共安装5套机组及相应的电气设备，安装变压器6台，总容量2265 kV，扬程为33 m，出水量为1.3 m3/s；二级站地形扬程19.7 m，出水量为0.79 m3/s；三级站地形扬程为24 m，出水量为0.75 m3/s；四级站地形扬程33 m，出水量0.66 m3/s；五级站扬程度25 m，出水量0.2 m3/s。

南郊抽水站使用的水泵均为离心泵，由于使用年限较长，设备老化，严重影响受益区的效益发挥。在设备不能更新、改换的情况下，要想继续使用，必须在水泵技术上采取相应的补救措施，从而使抽水站装置处于理想状态。

水泵效率是衡量水泵工作效能高低的一项技术经济指标，是指水泵的有效功率（即水泵输出功率）和水泵轴功率（即水泵输入功率）之比。水泵效率一般在65%～90%，大型泵可达90%以上。水泵效率的高低，在很大程度上取决于水泵的使用情况，如果维修和使用不当，即使制造出高效率的水泵，也达不到高效低耗经济运行的目的。因此，在水泵实际运行中应尽力提高水泵效率。

一、抽水站水泵工作效率低的原因

（一）容积损失

包括通过大小口环的循环水流损失，填料函和平衡盘的泄漏损失。填料函和平衡盘的泄漏损失在规定的范围内，是属于保证工作的正常损失。大小口环的循环水流损失主要与大小口环的密封间隙的大小、长度以及泵的单级扬程有关。一般情况下，密封间隙的长度及泵的单级扬程是基本不变的，因此大小口环的环流损失主要与大小口环的密封间隙的大小有关，大口环的密封间隙每增加0.2 mm，效率降低4%左右；小口环的密封间隙每增加0.5 mm，效率降低5%左右。

离心泵的容积损失有密封环漏泄损失、平衡机构漏泄损失和级间漏泄损失。

1.密封环漏泄损失。在叶轮入口处设有密封环，水泵工作时，由于密封环两侧存在压力差，一侧近似为叶轮出口压力，一侧为叶轮入口压力，始终会有一部分液体从叶轮出口向叶轮入口漏泄。这部分液体在叶轮里获得了能量，但液体并未送出，这样就减少了水泵的供水量。漏泄液体的能量全部用到克服密封环阻力上了。

2.平衡机构漏泄损失。在一些离心泵中，设有平衡轴向推力机构，如平衡孔、平衡管、平衡盘等。由于在平衡机构两侧存在着压力差，因而也有一部分液体从高压区域向低压区域漏泄。平衡孔的漏泄会使水泵的效率降低5%左右。在平衡盘机构中，漏泄量占工作流量的3%，但高压泵有些比此值大。

（二）机械损失

是指叶轮、平衡盘的外侧表面和水的摩擦、大小口环处的摩擦以及轴承和填料等处的损失，其中轮盘摩擦损失取决于比转数，比转数较高时损失较小。

（三）吸水口附近的水被转动的轴扰动，使进水的入口角发生变化而造成能量损失。

（四）水力损失

水力损失直接应影响泵的水力效率和特性，它包括摩擦损失、涡流和冲击损失。一般情况下流量大的泵水力损失较小。摩擦损失指流体在叶轮和其他过流部件中的沿程损失，它的大小约等于流量的平方。涡流和冲击损失指流体在涡轮机全部流动过程中的转弯、扩大和收缩等造成的损失，单就叶轮来讲是指流体对叶片入口处的冲击和流量变化时叶轮内的涡流损失。这种现象已被实验所证实。

水力损失主要是在叶轮和各通流部件中。以ns(比转数)＝90的分段式多级泵中水力损失情况为例：在叶轮和其他通流部件中的损失，大约各占50%。叶轮叶片入口处边缘磨损后，由于入口角改变，将产生不正常的入口冲击，叶片间流道粘污后，减少了有效过流面积，水流速度增加，从而加大了水力损失。水力损失中的摩擦损失是不可避免的。众所周知，水具有粘滞的特性，单位体积的水和物体(过流部件)表面作相对运动时，维持其运动所需的能量和其粘度、接触面积、表面粗糙度、沿途行程的长短有关，并与水流运动速度的三次方成正比。

冲击损失和水流速度也有很大的关系，当水的流速太大时，特别是在叶轮吸水口附近，当水流以较大的轴向速度流向叶轮吸水口，而叶轮又将其带动旋转以径向速度抛向叶轮出水口，可以说其轴向流速具有的动能在叶轮吸水口附近消耗殆尽。这种现象在水泵首级叶轮和中间叶轮均会发生，而且中间级叶轮比首级叶轮还严重。因为一般多级泵首级叶轮吸水口直径比中间级叶轮的吸水口直径大(为了改善吸水性能)，首级叶轮吸水口外水流的轴向流速还能相对降低，而且吸水管内的压力低于大气压，首级叶轮抛出的水经导水圈减速增压，经返水圈回头后以径向速度到达中间级叶轮吸水口，由于吸水口直径较小，水流被迫由径向速度变成较大的轴向速度流向吸水口，这时水流在径向速度所有的动能也被消耗掉，而且返水圈的过流面积朝吸水口方向逐渐收缩，造成径向速度增加，返水圈内的压力还是正压力(大于大气压力)，这些情况均造成无益的水力损失。

二、提高水泵工作效率的方法

（一）减小水泵容积损失的方法

根据南郊抽水站水泵实际情况，在技术上，采取减小密封环漏泄损失、提高水泵转数、加强保养等方法，给予改进。

1.尽量减小密封环漏泄损失。密封环直径Dw愈大，其两侧压力相差愈悬殊，则泄漏量就愈大。对于定型的水泵，为了减少漏泄量提高水泵的效率，应在许可的情况下把密封环间隙缩小。一般总间隙近似取密封环直径的0.002，如Dw=200 mm，则总间隙为0.4 mm。装配时，密封环不可偏心太大，否则，漏泄量也会增加。另外，可用增加密封环阻力的方法减少漏泄量，增加阻力的主要措施是将密封环制成迷宫、锯齿形等，这同时也增加了密封环的密封长度，增大了沿程阻力。密封环的漏泄，在某些情况下会引起叶轮入口的扰动，因此要合理地设计密封环形式。

2.减小平衡机构漏泄损失

为减少漏泄损失，可在不影响平衡力的情况下减小平衡盘的直径。

（二）减小水泵机械损失

尽可能地提高比转数。比转数较全面地反映了水泵的特性，综合了水泵的流量、全压、转速三者之间的关系。比转数大，说明水泵在同流量下，扬程低；比转数小，说明水泵在同流量下，扬程高。

（三）减小水泵水力损失

水力损失主要由水流经泵的过流部分（叶轮、泵壳等)产生的水力摩擦、涡流和水力撞击等项损失所形成。水泵过流部分的壁面越粗糙，水泵运行偏离额定工况越远，此项损失也越大。因此，应尽量保持叶轮、泵壳内壁光滑，避免锈蚀、堵塞，并力求使水泵在额定工况下工作，以减少水流的涡流和撞击损失。

此外，装配或检修水泵时，由于叶轮出口与导水圈吻合不当或轴向窜量太大而造成的水力损失，对泵效率和特性影响较大，即使装配无误，这部分损失也近于11%。除此之外，由导水圈向返水圈翻转的流道中的损失占22%强，清除导翼中的飞边和毛刺等铸造缺陷，可避免无益的水力损失。

新配叶轮时，应尽可能清除流道中的毛刺，保持内壁光滑，以减少额外的水力损失，条件允许时可采用工程塑料叶轮。

（作者单位：榆林市榆阳区南郊抽水站 719000）