CN103075352A

CN103075352A - 一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法

Info

Publication number: CN103075352A
Application number: CN2013100432119A
Authority: CN
Inventors: 王耀洲; 王文超; 江淘莎; 王考; 王文芳; 王�忠
Original assignee: 王耀洲
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明属于流体机械工程，特别是一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，能把现有的泵H=f(Q)（扬程H与流量Q）曲线、η=f(Q)（效率η与流Q）曲线、P=f(Q)（功率P与流量Q）曲线、△h=f(Q)（汽蚀余量△h与流量Q）曲线、拓宽为不同的域，能调节泵在不同的流量下，获取最优的扬程Ｈ、效率η、功率Ｐ及汽蚀余量△h，扩大泵的使用范围，使泵在各个领域发挥更大的作用。

Description

一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法

技术领域

本发明属于流体机械工程，特别是一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法。

背景技术

泵的应用范围非常广泛，从天上的飞机、火箭，到地下的钻井、采矿；从陆地上的火车、坦克，到海上的舰船等，以及不论是重工业还是轻工业，不论工业泵是尖端的科学技术还是日常的生活，到处都需要用泵，到处都可以看到有泵在运行。泵在国民经济各部门都会需要。泵一旦出现故障将直接影响生产，严重时造成停产。

如在化工和石油部门生产中，原料、半成品和成品大多是液体，泵就起了输送液体和提供化学反应的压力及流量的作用，在很多装置中还用来调节温度。如果泵一旦出现故障，往往会使整个系统停止工作。因此，有人把泵的作用比喻为化工生产工艺流程中的“心脏”时，泵的好坏也直接影响到生产的正常进行，所以泵是化工、石油部门的关键设备之一。另外在化工、石油部门生产中的液体比较特殊，有的液体易挥发、易燃、易爆或有毒；有的为强腐蚀或高粘性的；有的要求在高温、高压或低温、低压下进行输送等。因此，这些液体就相应地需要一些特殊泵来满足要求，而且要求的数量也很大。

在矿业和冶金工业中，泵是不可缺少的设备之一。在矿井排水时，如果泵发生故障，矿井就有被淹没的危险。另外，在矿井生产过程中，泵消耗电量很大，它是整个矿山中耗电量最多的设备，一般占到全矿耗电量的20％-40％，个别矿井高达50％。特别是我国近年煤矿事故多，泵的工作强度更大。在选矿、冶炼和轧制过程中，泵也是不可缺少的设备。如钢铁厂中用泵供水，且不能问断，否则会损坏生产设备和造成重大事故。

在电力生产部门中，泵也起着很重要的作用。在热电厂就需要大量的泵像锅炉给水泵、冷凝水泵，热水循环泵和灰渣泵等，其中锅炉给水泵是电厂中耗电最多的设备。在水电厂机组检修排水都离不开泵。

在农业生产中，泵的作用更为显著。它可用来进行农业排灌，且遇旱能灌，遇涝能排。

在船舶工业中，每艘远洋轮船上所用的泵一般有上百台左右，其型式也是各式各样。如船用离心泵，旋涡泵，船用电动齿轮泵、高压齿轮泵，船用螺杆泵、电动单螺杆泵、电动双螺杆泵、电动三螺杆泵、船舶喷水推进混流泵、轴流泵等。

在国防建设中也离不开泵，军舰和坦克炮塔的转动，潜艇的沉浮等都需要用泵。而在原子能发电站、核反应堆和火箭导弹基地，不但需要泵，而且对泵有很多的特殊要求(如能输送高温、高压和有放射性的液体，有的还要求不允许有一点泄漏等)。

在城市的给排水工程中，纺织工业中的输送漂液和染料，造纸工业中输送纸浆，以及食品工业中输送牛奶和糖类食品等，都需要大量的泵。

由此可见，泵在国民经济各部门中不仅被广泛地应用，而且有其重要的地位和作用。泵是发展各行各业必不可少的机械设备之一。

但是，我们在各行各业中使用的泵，特性如图1所示，一个流量对应不同性能曲线H=f(Q)（扬程H与流量Q）；η=f(Q)（效率η与流量Q）；P=f(Q) （功率P与流量Q）；△h=f(Q) （汽蚀余量△h与流量Q）上一个值，在实际工作中，为了改善泵的使用范围，经常采用改变泵的转速来实现，一般采用变频设备，改变泵的电动机的输入频率，而变频设备体积大，造价高，能耗大，在许多环境下无法实现。本发明就是在不改变现有泵的性能和参数情况下，提供一种造价低廉，操作简便，结构简单的装置，将泵性能特性曲线H=f(Q)；η=f(Q)；P=f(Q)；△h=f(Q)拓宽为平面域，能使泵在不同的流量Q下，获取最优的扬程Ｈ、效率η、功率Ｐ及汽蚀余量△h，扩大泵的使用范围，使泵在各个领域发挥更大的作用。

发明内容

本发明是提供一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法。

本发明的目的是这样实现的，一种拓宽泵使用范围的调节装及方法，其特征是：如图2所示,在泵的吸入口2弯管和泵的出口3管道上安装一个调节装置，该装置由调节管4和针阀5（如同冲击式水轮机常用的针阀，在本专利中不作详述）两部分组成，调节管4一端与泵的出口3管道连接，另一端与针阀入口6连接，针阀出口7与泵的吸入口2弯管连接，当泵1的流量为Ｑ时，通过针阀调节机构8调节调节管４中调节流量q，满足泵的扬程H、流量Q、效率η、功率P、汽蚀余量△h的使用要求，其方法是用泵的出口3的液体能量增加泵的吸入口2的液体能量，拓宽泵的使用范围。

拓宽泵的扬程H

如图3所示，H=f(Q)是图2所示泵1的原有的扬程H与流量Q关系曲线，设泵（输入、输出）流量为Q1（体积流量），没有调节装置泵的扬程为H1，现在安上调节装置，如图2、4所示，通过针阀调节机构8调节调节管4中的调节流量q（体积流量），通过泵的流量为Q1+q，为了便于分析，设泵的吸入口2吸入泵内的单位重量的液体具有的能量为0，不考虑调节装置的损失，由泵的扬程定义可知，单位重量液体通过泵所增加的能量为泵的扬程，用夜柱高度表示，泵的出口3单位重量的液体具有的（能量）扬程Ｈ１就应该为：

Ｈ１＝H2;

这时调节流量q第一次通过调节装置，调节流量q单位时间带给泵的吸入口3的能量Ｐ为：

Ｐ＝γqH2

式中：γ——为液体的重度;

单位时间泵的吸入口3总的重量流量为γ（Q1+q），泵的吸入口3单位重量液体的平均能量Ｈ₀为：

Ｈ₀＝Ｐ／γ（Q1+q）

＝γqH2/γ（Q1+q）

=qH2/(Q1+q)

泵的出口3单位重量液体的(能量)扬程Ｈ１为：

Ｈ１＝Ｈ₀＋Ｈ2

＝qH1/(Q1+q)+H2

=(q/(Q1+q)+1)H2

调节流量q第二次通过调节装置，调节流量q,单位时间带给泵的吸入口3的能量Ｐ为：

Ｐ＝γq(q/(Q1+q)+1)H2

Ｈ₀＝Ｐ／γ（Q1+q）

＝γq(q/(Q1+q)+1)H2/γ（Q1+q）

=(q²/(Q1+q)²+q/(Q1+q))H2

泵的出口3单位重量液体的(能量)扬程Ｈ１为：

Ｈ１＝Ｈ₀＋Ｈ2

＝(q²/(Q1+q)²+q/(Q1+q))H2+H2

＝( q²/(Q1+q)²+q/(Q1+q)+1)H2;

同理，调节流量q 通过n次调节装置，泵的出口3单位重量液体的(能量)扬程H１为：

Ｈ１＝( qⁿ/(Q1+q)ⁿ+ q^n-1/(Q1+q)^n-1+…+q/(Q1+q)+1)H2　　（１）

由（１）式可以看出，qⁿ/(Q1+q)ⁿ+ q^n-1/(Q1+q)^n-1+…+q/(Q1+q)+1是一个几何级数，使用几何级数求和，调节流量q通过n次调节装置，泵的出口3单位重量液体的（能量）扬程Ｈ１为：

Ｈ１＝（（1-（q/(Q1+q)）ⁿ）/(1- q/(Q1+q))）H2

＝(1+q/Q1)(1-（q/(Q1+q)）ⁿ)H2　　　　　（２）

上式（２）中当：q/(Q1+q)≧1时发散,这也符合实际q/(Q1+q)﹥1是不从在的，极限情况q/(Q1+q)=1，也就是泵的流量Q1=0，只有调节流量q在泵内作无穷升压，泵的扬程理论上H１→∞，实际上泵是机械部件，升压总会停止在某一个值;

上式（２）中当：q/(Q1+q)﹤1时收敛，这完全符合实际情况，调节流量q只是通过泵流量（Q1+q）的一部分，这时n→∞，泵的扬程H1为：

Ｈ１＝ｆ（Ｑ１，ｑ）＝(1+q/Q1)H2 （３）

从（３）式可知，泵的（输入、输出）流量为Ｑ１时，ｑ＝０（相当无调节装置），Ｈ１＝Ｈ１（Ｈ２＝Ｈ１），通过流量调节装置８调节ｑ总可以找到泵的扬程Ｈ１的最大值Ｈ１_max也就是Ｃ１（Ｑ１，Ｈ１_min）和最小值Ｈ１_min也就是Ｃ２（Ｑ１，Ｈ１_min），泵的扬程Ｈ１_min≤Ｈ１≤Ｈ１_max。同理，泵的（输入、输出）流量为Ｑｎ时，通过流量调节装置８调节ｑ总可以找到泵的扬程Ｈ的最大值Ｈｎ_max也就是Ｃｎ１（Ｑｎ，Ｈｎ_max），和最小值Ｈｎ_min也就是Ｃｎ２（Ｑ１，Ｈ１ｎ_min），泵的扬程Ｈｎ_min≤Ｈｎ≤Ｈｎ_max；Ｄ（Ｑ_max，Ｈ３）流量Ｑ达到泵的最大过流量Ｑ_max，调节流量ｑ必然为０，故此点最大值Ｈ_max和最小值Ｈ_min就是Ｈ３在原曲线Ｈ＝ｆ（Ｑ）上；由此将所有的点（Ｑｎ，Ｈｎ_max）连接起来到Ｄ（Ｑ_max，Ｈ３），得到Ｈ_max＝ｆ（Ｑ，ｑ）曲线，所有的点（Ｑｎ，Ｈｎ_min）连接起来到Ｄ（Ｑ_max，Ｈ３），得到Ｈ_min＝ｆ（Ｑ，ｑ）曲线，这样就由这两条曲线Ｈ_min＝ｆ（Ｑ，ｑ）和曲线Ｈ_max＝ｆ（Ｑ，ｑ）及竖轴Ｈ围成的区域，如图5所示的阴影区域就成为扬程H使用范围。

将（３）式表达为具有调节装置的泵扬程公式为：

Ｈ＝ｆ（Ｑ，ｑ）＝(1+q/Q)ｈ （４）

式中：

Ｈ——为调节装置泵的扬程；

Ｑ——为泵的（输入、输出）流量；

ｑ——为调节装置的调节流量；

ｈ——为原泵Ｈ＝ｆ（Ｑ）（扬程Ｈ与流量Ｑ）关系曲线上流量为（Ｑ＋ｑ）的扬程。

拓宽泵的效率η

如图6是原泵η=f(Q)（效率η与流量Q）关系曲线，如图7所示，η=f(Q)曲线，最大效率η_max对应的流量为Q0，效率的末端对应的流量为Q_max，末端的效率η=η1与η=f(Q)左边相交对应的流量为Q2，将效率η=f(Q)曲线分成不同的三个区域，泵安装调节装置，（输入、输出）流量0﹤Q≦Q2，（输入、输出）流量与调节流量之合（泵的通过流量）Q≦Q+q≦Q_max，由图7中不难看出泵的最小效率η在η=f(Q)曲线上Ｑ＋q=Ｑ（ｑ＝０），当Q+q＝Ｑ0为最大效率η=η_max，泵的效率η范围为G阴影区。Q2≦Q≦Q0， Q≦Q+q≦Q_max，当Q+q＝Ｑ2＝Q_max为最小效率η=η１，当Q+q＝Ｑ0为最大效率η=η_max，泵的效率η范围为J阴影区。Q0≦Q≦Q_max， Q≦Q+q≦Q_max，当Q+q＝Q_max为最小效率η=η１，最大效率η在η=f(Q)曲线上Ｑ＋q=Ｑ（ｑ＝０），泵的效率η范围为K阴影区。将这三个区合并就得到图8由η=η_max，η=f(Q)， η=η1 及坐标竖轴η围城影阴范围就是拓宽效率η的范围。

拓宽泵的功率P

如图9是原泵P=f(Q)（效率η与流量Q）关系曲线，如图10所示，P=f(Q)曲线，最小功率P_min对应的流量为Q3，末端的功率P=P1与P=f(Q)左边相交对应的流量为Q4，泵最大功率P_amx对应的流量为Q5，功率的末端对应的流量为Q_max，将功率P=f(Q)曲线分成不同的四个区域，泵安装调节装置，（输入、输出）流量0﹤Q≦Q3，（输入、输出）流量与调节流量之合（泵的通过流量）Q≦Q+q≦Q_max，当Q+q＝Q3为最小功率Ｐ=P_min，当Q+q＝Q5为最大功率Ｐ=P_max，所以，泵功率P范围为L阴影区。Q3≦Q≦Q4， Q≦Q+q≦Q_max，当Ｑ＋q=Ｑ（ｑ＝０）为泵的最小功率Ｐ在Ｐ=f(Q)曲线上，当Ｑ＋ｑ＝Ｑ５为最大功率Ｐ=P_max，功率Ｐ的范围为M阴影区。Q4≦Q≦Q5，Q≦Q+q≦Q_max，当Ｑ＝Ｑ４，ｑ＝０为最小功率Ｐ=Ｐ１，Ｑ＋ｑ＝Ｑ５为最大功率Ｐ=P_max，，功率Ｐ的范围为N阴影区。Q5≦Q≦Q_max，Q≦Q+q≦Q_max，Ｑ＋ｑ＝Q_max为最小功率Ｐ=P１、最大功率Ｐ在Ｐ=f(Q)曲线上Ｑ＋q=Ｑ（ｑ＝０），功率Ｐ范围为R阴影区。将这四个区合并就得到图11由P=P_amx，P=f(Q)， P=P1 ，P=P_min及坐标竖轴Ｐ围城影阴范围就是拓宽功率P的范围。

拓宽泵的汽蚀余量△h

如图12是原泵，△h =f(Q)（汽蚀余量△h与流量Q）关系曲线，如图13所示，汽蚀余量△h =f(Q)的末端汽蚀余量△h =△h_max对应的流量为Q_max，左端汽蚀余量△h =△h_min对应的流量为Qh，将汽蚀余量△h =f(Q)分成不同的两个区域，泵安装调节装置，泵（输入、输出）流量0﹤Q﹤Qh，（输入、输出）流量与调节流量之合（泵的通过流量）Q≦Q+q﹤Qh，汽蚀余量△h =0（原泵△h =f(Q)曲线没有），Qh≦Q+q≦Q_max，当Q+q＝Ｑｈ为最小汽蚀余量△h=△h_min，当Q+q＝Q_max为最大汽蚀余量△h=△h_max，所以，汽蚀余量△h范围为S的影阴区。Qh≦Q≦Q_max， Q≦Q+q≦Q_max，当Ｑ＋q=Ｑ（ｑ＝０）为最小汽蚀余量△h在△h =f(Q)曲线上，当Q+q＝Q_max为最大汽蚀余量△h=△h_max，所以，汽蚀余量△h范围为T的影阴区。将这两个区合并就得到图14由△h =△h_max ，△h =f(Q)， △h =△h_min及坐标竖轴围城影阴范围就是拓宽汽蚀余量△h的范围。

结论：一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，可以把原泵图1中的H=f(Q)（扬程H与流量Q）曲线拓宽为图5所示的一个区域；图1中的η=f(Q)（效率η与流量Q）曲线拓宽为图8所示的一个区域；图1中的P=f(Q) （功率P与流量Q）曲线拓宽为图11所示的一个区域；图1中的△h=f(Q) （汽蚀余量△h与流量Q）曲线拓宽为图14所示的一个区域。

附图说明

图1:本发明原泵的性能曲线图；

图2:本发明拓宽泵使用范围调节装置结构示意图；

图3: 本发明原泵的H=f(Q)（扬程H与流量Q）关系曲线图；

图4：扬程H与流量Q解析图；

图5：泵的扬程H拓宽图；

图6：本发明原泵的η=f(Q)（效率η与流量Q）关系曲线图；

图7：效率η与流量Q解析图；

图8：泵的效率η拓宽图；

图:9：本发明原泵的P=f(Q)（功率P与流量Q）关系曲线图；

图10：功率P与流量Q解析图；

图11：泵的功率P拓宽图；

图12：本发明原泵的△h =f(Q)（汽蚀余量△h与流量Q）关系曲线图；

图13：汽蚀余量△h与流量Q解析图；

图14：泵的汽蚀余量△h拓宽图；

图15：泵的性能与原泵性能关系图。

附图标记如下：

1．泵、2. 泵的吸入口、3. 泵的出口、4. 调节管、5. 针阀、6. 针阀入口、7. 针阀出口、8. 针阀调节机构。

具体实施方式

如图2所示,在泵的吸入口2弯管和泵的出口3管道上安装一个调节装置，该装置由调节管4和针阀5两部分组成，调节管4一端与泵的出口3管道连接，另一端与针阀入口6连接，针阀出口7与泵的吸入口2弯管连接，当泵1的流量为Ｑ时，通过针阀调节机构8调节调节管４中调节流量q，如图15所示，在没有考虑调节装置损失的情况下，泵的参数为：

扬程H

Ｈ＝ｆ（Ｑ，ｑ）＝(1+q/Q)ｈ1

式中：

Ｑ——为泵的（输入、输出）流量；

ｑ——为调节装置的调节流量；

ｈ1——为原泵的H=f（Q）(扬程Ｈ与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的扬程;

效率η

η=η1

η1——为原泵的η=f（Q）(效率η与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的效率;

功率P

P=P1

P1——为原泵的功P=f（Q）(率P与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的功率;

汽蚀余量△h

△h=△h1

△h1——为原泵的△h=f（Q）(汽蚀余量△h与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的汽蚀余量。

在不同流量Ｑ情况下，通过针阀调节机构8调节调节管４中调节流量q，获取需要的扬程Ｈ、效率η、功率Ｐ及汽蚀余量△h。

Claims

1.一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，其特征是：如图2在泵的吸入口2弯管和泵的出口3管道上安装一个调节装置，该装置由调节管4和针阀5两部分组成，调节管4一端与泵的出口3管道连接，另一端与针阀入口6连接，针阀出口7与泵的吸入口2弯管连接。

2.根据权利要求1所述的一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，其特征是：把原泵图1中的H=f(Q)（扬程H与流量Q）曲线拓宽为图5所示的一个区域；图1中的η=f(Q)（效率η与流量Q）曲线拓宽为图8所示的一个区域；图1中的P=f(Q) （功率P与流量Q）曲线拓宽为图11所示的一个区域；图1中的△h=f(Q) （汽蚀余量△h与流量Q）曲线拓宽为图14所示的一个区域。

3. 根据权利要求1所述的一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，其特征是：泵1的流量为Ｑ时，通过针阀调节机构8调节调节管４中调节流量q，如图15在没有考虑调节装置损失的情况下，泵的参数为：

扬程H

Ｈ＝ｆ（Ｑ，ｑ）＝(1+q/Q)ｈ1

式中：

Ｑ——为泵的（输入、输出）流量；

ｑ——为调节装置的调节流量；

ｈ1——为原泵的H=f（Q）(扬程Ｈ与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的扬程；

η=η1

η1——为原泵的η=f（Q）(效率η与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的效率；

功率P

P=P1

P1——为原泵的功P=f（Q）(率P与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的功率；

汽蚀余量△h

△h=△h1

△h1——为原泵的△h=f（Q）(汽蚀余量△h与流量Ｑ)关系曲线流量Q为（Ｑ+q）的汽蚀余量；

4.根据权利要求1所述的一种拓宽泵使用范围的调节装置及方法，其特征是：用泵的出口3液体的能量增加泵的吸入口2的液体能量的方法，拓宽泵的使用范围，为此，凡是采用这种方法从事泵业设计、生产、改造均受本专利保护。