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摘要：轴流泵是常用的一种泵型，其工作原理是以空气动力学中机翼的升力理论为基础的，其叶片与机翼的截面形状相似。文章对轴流泵的特点及国内外发展现状进行了综述，通过对HZ700卧式轴流泵的扩能空间及运行性能进行分析，实施了轴流泵的扩能技改，达到了预期效果。
关键词：卧式轴流泵；扩能空间；运行性能；扩能技改；升力理论 文献标识码：A
中图分类号：TH312 文章编号：1009-2374（2015）10-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0875
1 概述
一般来说，泵的参数决定了泵的结构形式。在中国，通常情况下比转速在300以下为离心泵，比转速在300～500之间为混流泵（介于离心泵与轴流泵之间的结构），比转速高于500为轴流泵。
轴流泵的工作原理是以空气动力学中机翼的升力理论为基础的，其叶片与机翼的截面形状相似。当叶片在液体中高速旋转时，液流相对于叶片就产生了急速的绕流，在叶片对液体的作用力下，液体就被压升到一定的高度，从而达到输送液体的目的。
轴流泵分为立式、卧式和斜式三种，其比转数一般介于500～1500之间，近年来，泵的比转数有提高的趋势，已研制出达2000左右的轴流泵。轴流泵的特点是流量大、扬程低，叶轮直径可达150～6000mm，流量Q=0.02～100m3/s，扬程H=1～30m。因此，轴流泵被广泛应用于农业灌溉、城市给排水、船舶、电力、化工、航天等行业。立式轴流泵占地面积小，但维护和检修不便；相对而言，卧式轴流泵占地面积大，但安装高度降低，利于降低厂房高度，便于检修和维护；斜式轴流泵兼有立式和卧式的特点，使用得不多。
根据轴流泵特性曲线的特点，关死点扬程很高，若关闭闸阀启动，往往会使轴流泵难以启动，且有烧坏电动机的危险。所以，在启动轴流泵时，出水管路闸阀必须全开，以减小启动功率。轴流泵在启动前，泵壳和吸入喇叭口必须先充满液体。同样，在有空气存在的情况下，泵内和吸入管就无法形成真空，因此，一般都另设真空泵，利用它们将泵壳和吸入喇叭口内的空气抽出形成真空，以达到充水的目的。
2 HZ700卧式轴流泵性能分析
我公司有一台HZ700卧式轴流泵，驱动方式为电机通过皮带驱动，结构形式如图1所示：
图1 HZ700卧式轴流泵结构简图
表1
泵参数 电机参数
流量：3500m3/h
扬程：6m
转速：480rpm 额定功率：200kW
满载电流：16A
额定转速：980rpm
以下是该泵性能测试参数及性能试验曲线：
额定值为：流量Q=3500m3/h，扬程H=6.0m，轴功率P=95.3kW，转速n=495rpm，效率η=60%，配套功率Pe=200kW。
实测值：流量Q=3631.64m3/h，扬程H=6.23m，轴功率P=103.64kW，转速n=495rpm，效率η=59.41%。
性能试验曲线如图2所示：
图2 HZ700性能试验曲线
图2是轴流泵的典型特性曲线，图中曲线分别为扬程-流量曲线（H-Q）、效率-流量曲线（ηp-Q）、功率-流量曲线（p2p-Q）。轴流泵的特性曲线与其他泵型的特性曲线有所不同，为什么轴流泵的特性曲线呈这样的形状呢？其原因主要是：当流量减少时，液流相对速度与圆周速度的夹角减小，而叶片安放角未变，结果冲角增大。流量越小，冲角越大，当冲角大到一定程度，翼型表面产生脱流。由于叶片各截面上的扬程各不相等，引起液体的二次回流，叶片进出口的回流漩涡使主流道变为斜流式，导致扬程增高。由于脱流与二次回流均造成很大的能量损失，在扬程增加的同时也大大消耗了泵的功率，致使效率急剧降低，故在小流量区效率曲线随流量减小而快速下降，因而高效率工作区域狭窄。
在我公司实际生产过程中，该HZ700卧式轴流泵的生产能力与工艺环节需要的生产能力相比，略显不够，希望提高该HZ700轴流泵的能力来满足生产的需要。从日常操作数据看，该泵电机电流稳定在12A左右，距满载电流16A还有一定的富余空间。经过工艺、机械、电气等专业人员讨论，为最大程度提高负荷，拟将将电机负荷提升到超负荷值——满载电流的105%，即16A×105%=16.8A。
3 扩能改造理论计算
泵的流量取决于泵的结构尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速、叶片安放角等。操作时，泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需压力有关。
由于该泵已经定型，改叶轮直径、宽度及叶片安放角不现实，因此，在运行工况不变的情况下，我们从改变泵的转速着手进行论证。
第一，根据泵的第一相似定律：
（1）
上式表明，流量之比与叶轮外径的3次方成正比，与其转速的一次方成正比，与其容积效率成正比。
第二，根据泵的第二相似定律：
（2）
第三，轴流泵设计工况时的输入功率：
（3）
式中：
Q ——泵的流量m3/s
ρ——输送液体密度kg/m3
H ——泵的扬程m
η——泵的效率，根据泵的大小以及目前轴流泵的效率水平决定
第四，根据式（1）、式（2）、式（3）可得出：轴功率与转速的立方成正比。由于轴功率提高到原来的倍，所以泵转速由原来的N2提高到改造后的N1，转速提高率为：
根据相似定律确定以上参数的值比较容易，但要精确确定各种效率十分困难，在实际应用中，由于泵的尺寸未变，转速相差不大，可以近似认为各种效率相等。
4 改造实施
由于该HZ700卧式轴流泵的电机转速（980rpm）比泵的转速（495rpm）高，电机的皮带轮相对较小，为了节省加工时间，节约改造成本，减轻维护检修的工作量，我们选择改造电机端的皮带轮，即加大电机端的皮带轮直径。
原电机端皮带轮原直径为355mm，8根皮带，皮带型号为SPC5150，相应地将电机端皮带轮直径改大到：355mm×1.12=397.6mm（取近似值400mm），形状、材质、皮带槽等不变。由于改造后的皮带轮加大，势必会造成原来的皮带长度不够，通过适当调整电机位置进行补偿。
5 结语
我公司的HZ700卧式轴流泵经过改造后，流量最大值由原来的性能测试值3631.64m3/h增大到4100m3/h左右，其扬程、抗汽蚀性能等满足了我公司在轴流泵环节的工艺要求，达到了预期效果。当然，由于该泵的实际流量还受到后续石墨换热器管程结垢的影响，流量的测试值不是很精确。
参考文献
[1] 何希杰，张勇.轴流泵的现状及发展[J].水泵技术，1998，（6）.
[2] 王海松.轴流泵CAD-CFD综合特性研究[D].中国农业大学，2005.
[3] [美]A.J.斯捷潘洛夫.离心泵和轴流泵理论、设计和应用[M].北京：机械工业出版社，1972.
[4] 丁成伟.离心泵与轴流泵[M].北京：机械工业出版社，1991.
[5] 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册[M].北京：机械工业出版社，1983.
（责任编辑：秦逊玉）
关键词：卧式轴流泵；扩能空间；运行性能；扩能技改；升力理论 文献标识码：A
中图分类号：TH312 文章编号：1009-2374（2015）10-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0875
1 概述
一般来说，泵的参数决定了泵的结构形式。在中国，通常情况下比转速在300以下为离心泵，比转速在300～500之间为混流泵（介于离心泵与轴流泵之间的结构），比转速高于500为轴流泵。
轴流泵的工作原理是以空气动力学中机翼的升力理论为基础的，其叶片与机翼的截面形状相似。当叶片在液体中高速旋转时，液流相对于叶片就产生了急速的绕流，在叶片对液体的作用力下，液体就被压升到一定的高度，从而达到输送液体的目的。
轴流泵分为立式、卧式和斜式三种，其比转数一般介于500～1500之间，近年来，泵的比转数有提高的趋势，已研制出达2000左右的轴流泵。轴流泵的特点是流量大、扬程低，叶轮直径可达150～6000mm，流量Q=0.02～100m3/s，扬程H=1～30m。因此，轴流泵被广泛应用于农业灌溉、城市给排水、船舶、电力、化工、航天等行业。立式轴流泵占地面积小，但维护和检修不便；相对而言，卧式轴流泵占地面积大，但安装高度降低，利于降低厂房高度，便于检修和维护；斜式轴流泵兼有立式和卧式的特点，使用得不多。
根据轴流泵特性曲线的特点，关死点扬程很高，若关闭闸阀启动，往往会使轴流泵难以启动，且有烧坏电动机的危险。所以，在启动轴流泵时，出水管路闸阀必须全开，以减小启动功率。轴流泵在启动前，泵壳和吸入喇叭口必须先充满液体。同样，在有空气存在的情况下，泵内和吸入管就无法形成真空，因此，一般都另设真空泵，利用它们将泵壳和吸入喇叭口内的空气抽出形成真空，以达到充水的目的。
2 HZ700卧式轴流泵性能分析
我公司有一台HZ700卧式轴流泵，驱动方式为电机通过皮带驱动，结构形式如图1所示：
图1 HZ700卧式轴流泵结构简图
表1
泵参数 电机参数
流量：3500m3/h
扬程：6m
转速：480rpm 额定功率：200kW
满载电流：16A
额定转速：980rpm
以下是该泵性能测试参数及性能试验曲线：
额定值为：流量Q=3500m3/h，扬程H=6.0m，轴功率P=95.3kW，转速n=495rpm，效率η=60%，配套功率Pe=200kW。
实测值：流量Q=3631.64m3/h，扬程H=6.23m，轴功率P=103.64kW，转速n=495rpm，效率η=59.41%。
性能试验曲线如图2所示：
图2 HZ700性能试验曲线
图2是轴流泵的典型特性曲线，图中曲线分别为扬程-流量曲线（H-Q）、效率-流量曲线（ηp-Q）、功率-流量曲线（p2p-Q）。轴流泵的特性曲线与其他泵型的特性曲线有所不同，为什么轴流泵的特性曲线呈这样的形状呢？其原因主要是：当流量减少时，液流相对速度与圆周速度的夹角减小，而叶片安放角未变，结果冲角增大。流量越小，冲角越大，当冲角大到一定程度，翼型表面产生脱流。由于叶片各截面上的扬程各不相等，引起液体的二次回流，叶片进出口的回流漩涡使主流道变为斜流式，导致扬程增高。由于脱流与二次回流均造成很大的能量损失，在扬程增加的同时也大大消耗了泵的功率，致使效率急剧降低，故在小流量区效率曲线随流量减小而快速下降，因而高效率工作区域狭窄。
在我公司实际生产过程中，该HZ700卧式轴流泵的生产能力与工艺环节需要的生产能力相比，略显不够，希望提高该HZ700轴流泵的能力来满足生产的需要。从日常操作数据看，该泵电机电流稳定在12A左右，距满载电流16A还有一定的富余空间。经过工艺、机械、电气等专业人员讨论，为最大程度提高负荷，拟将将电机负荷提升到超负荷值——满载电流的105%，即16A×105%=16.8A。
3 扩能改造理论计算
泵的流量取决于泵的结构尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速、叶片安放角等。操作时，泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需压力有关。
由于该泵已经定型，改叶轮直径、宽度及叶片安放角不现实，因此，在运行工况不变的情况下，我们从改变泵的转速着手进行论证。
第一，根据泵的第一相似定律：
（1）
上式表明，流量之比与叶轮外径的3次方成正比，与其转速的一次方成正比，与其容积效率成正比。
第二，根据泵的第二相似定律：
（2）
第三，轴流泵设计工况时的输入功率：
（3）
式中：
Q ——泵的流量m3/s
ρ——输送液体密度kg/m3
H ——泵的扬程m
η——泵的效率，根据泵的大小以及目前轴流泵的效率水平决定
第四，根据式（1）、式（2）、式（3）可得出：轴功率与转速的立方成正比。由于轴功率提高到原来的倍，所以泵转速由原来的N2提高到改造后的N1，转速提高率为：
根据相似定律确定以上参数的值比较容易，但要精确确定各种效率十分困难，在实际应用中，由于泵的尺寸未变，转速相差不大，可以近似认为各种效率相等。
4 改造实施
由于该HZ700卧式轴流泵的电机转速（980rpm）比泵的转速（495rpm）高，电机的皮带轮相对较小，为了节省加工时间，节约改造成本，减轻维护检修的工作量，我们选择改造电机端的皮带轮，即加大电机端的皮带轮直径。
原电机端皮带轮原直径为355mm，8根皮带，皮带型号为SPC5150，相应地将电机端皮带轮直径改大到：355mm×1.12=397.6mm（取近似值400mm），形状、材质、皮带槽等不变。由于改造后的皮带轮加大，势必会造成原来的皮带长度不够，通过适当调整电机位置进行补偿。
5 结语
我公司的HZ700卧式轴流泵经过改造后，流量最大值由原来的性能测试值3631.64m3/h增大到4100m3/h左右，其扬程、抗汽蚀性能等满足了我公司在轴流泵环节的工艺要求，达到了预期效果。当然，由于该泵的实际流量还受到后续石墨换热器管程结垢的影响，流量的测试值不是很精确。
参考文献
[1] 何希杰，张勇.轴流泵的现状及发展[J].水泵技术，1998，（6）.
[2] 王海松.轴流泵CAD-CFD综合特性研究[D].中国农业大学，2005.
[3] [美]A.J.斯捷潘洛夫.离心泵和轴流泵理论、设计和应用[M].北京：机械工业出版社，1972.
[4] 丁成伟.离心泵与轴流泵[M].北京：机械工业出版社，1991.
[5] 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册[M].北京：机械工业出版社，1983.
（责任编辑：秦逊玉）