泵的知識(shí)

    離心泵裝置工況點(diǎn)的求解有數(shù)解法和圖解法兩種。
    一、圖解法
    圖解法簡(jiǎn)明、直觀，在工程中應(yīng)用較廣。
    圖1為離心泵裝置的工況，畫出水泵樣本中提供的Q-H曲線。再按公式H=Hst+∑h，在沿Hst的高度上，畫出管道損失特性曲線Q-∑h,兩條曲線相交于M點(diǎn)。此M點(diǎn)表示將水輸送至高度為Hst時(shí)，水泵供給水的總比能，與管道所要求的總比能相等的那個(gè)點(diǎn)，稱它為該水泵裝置的平衡工況點(diǎn)（也稱工作點(diǎn)）。只要外界條件不發(fā)生變化，水泵裝置將穩(wěn)定地在這點(diǎn)工作，其出水量為Qm,揚(yáng)程為Hm。

圖1 離心泵裝置的工況

    假設(shè)工況點(diǎn)不在M點(diǎn)，而在K點(diǎn)，有圖1可見，當(dāng)流量為Qk時(shí)，水泵能夠供給水的總比能Hk1將大于所要求的總比能Hk2，也即［供給］＞［需要］，能量富裕了△h值，此富裕的能量將以動(dòng)能的形式，使管道中水流加速，流量加大，由此，使水泵的工況點(diǎn)將自動(dòng)向流量增大的一側(cè)移動(dòng)，直到移至M點(diǎn)為止。反之，假設(shè)水泵裝置的工況點(diǎn)不在M點(diǎn)，在D點(diǎn)，那么結(jié)果水泵供給的總比能Hd1將小于管道所要求的總比能Hd2,也即［供給］＞［需要］，管道中水流能量不足，管流減緩，水泵裝置的工況點(diǎn)將向流量減小的一側(cè)移動(dòng)，直到退回M點(diǎn)才達(dá)到平衡。所以，M點(diǎn)就是該水泵裝置的工況點(diǎn)。如果水泵裝置在M點(diǎn)工作時(shí)，管道上的所有閘閥是全開的，那么，M點(diǎn)就稱為該裝置的極限工況點(diǎn)。也就是說，在這個(gè)裝置中，要保證水泵的靜揚(yáng)程為Hst時(shí)，管道中通過的大流量為Qm。在工程中，我們總是希望水泵裝置的工況點(diǎn)能夠經(jīng)常落在該水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)值上，這樣，水泵的工作效率高，泵張工作也經(jīng)濟(jì)。
    也可以利用折引的方法（也稱“折引特性曲線法”）來求該水泵裝置的工況點(diǎn)。如圖2所示，先沿Q坐標(biāo)軸的下面畫出該管道損失特性曲線Q-∑h，再在水泵的Q-H特性曲線上減去相應(yīng)流量下的水頭損失，得到（Q-H）´曲線。此（Q-H）´曲線稱為折引特性曲線。此曲線上各點(diǎn)的縱坐標(biāo)值表示水泵在扣除了管道中相應(yīng)流量時(shí)的水頭損失以后尚剩的能量。這能量?jī)H用來改變被抽升水的位能，即它把水提升到Hst的高度上去。因此，沿水塔水位作一水平線，與（Q-H）´曲線相交于M1點(diǎn)，此M1點(diǎn)縱坐標(biāo)代表了該裝置的靜揚(yáng)程，由M1點(diǎn)向上作垂線引申于Q-H曲線相交于M點(diǎn)，則M點(diǎn)的縱坐標(biāo)值Hm，即為該水泵的工作揚(yáng)程Hm=Hst+∑h。它就是管道需要的總比能與水泵供給的總比能正好相等的一點(diǎn)，M點(diǎn)稱為該離心泵裝置的工況點(diǎn)，其相應(yīng)的流量為Qm。

圖2 折引特性曲線法求工況點(diǎn)

    若水泵的性能曲線上有駝峰形狀，則它與管路性能曲線的交點(diǎn)可能出現(xiàn)兩個(gè)，如圖3所示，其中在水泵性能曲線下降段的交點(diǎn)為穩(wěn)定工作點(diǎn)，其上升段的交點(diǎn)則是不穩(wěn)定工作點(diǎn)。假若水泵在K點(diǎn)工作，由于某種原因使工作點(diǎn)離開K向右移動(dòng)，則能量供大于求，流量增加，直到越過頂峰，在下降段某一點(diǎn)（如M點(diǎn)）才穩(wěn)定下來；反之工作點(diǎn)向左移動(dòng)，則能量供不應(yīng)求，使流量減小，直到流量等于零為止。由上述可知，一旦有外界干擾，工作點(diǎn)離開K之后再也不會(huì)回到K點(diǎn)。不僅K點(diǎn)，而且整個(gè)上升曲線段都是這種情況。因此，水泵性能曲線的上升段是不穩(wěn)定工作區(qū)，泵運(yùn)行時(shí)應(yīng)避開此區(qū)，只有下降段才是穩(wěn)定工作區(qū)。

圖3 水泵不穩(wěn)定工作區(qū)

    二、數(shù)解法
    離心泵裝置工況點(diǎn)的數(shù)解，其數(shù)學(xué)依據(jù)是如何從水泵及管道系統(tǒng)特性曲線方程中解出Q和H值，即有下列兩個(gè)方程求解Q、H值：H=f(Q)      （4）  H=Hst+∑KQ²     （5）
    由式（4），式（5）可見，兩個(gè)方程求兩個(gè)未知數(shù)是完全可能的，關(guān)鍵在于如何來確定水泵的H=f(Q)函數(shù)關(guān)系。
    現(xiàn)假設(shè)水泵廠樣本中所提供的Q-H曲線上的高效段，可利用下列方程的形式來表示：H=Hx-hx    (6)
式中：H為水泵的實(shí)際揚(yáng)程（m）：
      Hx為水泵在Q=0時(shí)所產(chǎn)生的虛總揚(yáng)程（m），；
      hx為相應(yīng)于流量為Q時(shí)，泵內(nèi)的虛水頭損失之和；
      Sx為泵體內(nèi)虛阻耗系數(shù)；
      m為指數(shù)。對(duì)給水管道一般m=2或m=1.84。
      現(xiàn)采用m=2，則得H=Hx-SxQ²     （7）
    圖4為式（7）的圖示形式，它將水泵的高效段視為SxQ²曲線的一個(gè)組成部分，并延長(zhǎng)與縱軸相交得Hx值。然后，在高效段內(nèi)任意選擇兩點(diǎn)的坐標(biāo)，代入式（7），此兩點(diǎn)一定能滿足此方程式，即
對(duì)于一臺(tái)水泵而言         （8）
    因H1、H2，Q1、Q2均已知值，故可以求出Sx值。將式（8）代入式（7）可得：Hx=H1+SxQ²     (9)
    由式（9）可以求出Hx值。表1列出了SA型號(hào)離心泵的Hx、Sx值。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，就可以寫出水泵的Q-H特性曲線方程式：H=Hx-SxQ²       （10）
表1 SA型號(hào)離心泵的Hx及Sx值

    當(dāng)離心泵工作時(shí)，由式（5）及式（10）可得：Hx-SxQ²=Hst+∑KQ²
也即
式中Hx、Sx及∑K均為已知值，當(dāng)Hst一定時(shí)，即可求出水泵相應(yīng)工況點(diǎn)的流量和揚(yáng)程。
    上述方程式（10）的建立，是把水泵的高效段視為二次拋物線上的一段。采用這種方式來建立Q-H特性曲線方程，稱為拋物法。但是，實(shí)際上并不是每臺(tái)水泵的高效段均能滿足假設(shè)條件的。這樣，在實(shí)際采用中就會(huì)存在一定的誤差。
    擬合離心泵Q-H曲線方程的另一途徑是采用小二乘法來進(jìn)行。我們將高等數(shù)學(xué)中的小二乘法引用與離心泵Q、H的雙變量關(guān)系中，其正方程組可寫成：                       （12a）
擬合離心泵的Q-H特性曲線方程可按下式求得：H=H0+S1Q+S2Q²    （12b）或H=H0+S1Q+S2Q²+S3Q³   （12c）
    方程式（12b）一般用于手算，式（12c）精度較高，可用于電算。
    例1  現(xiàn)有14SA-10型離心泵一臺(tái)，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，葉輪直徑D=466mm，其Q-H特性曲線如圖5所示。試擬合Q-H特性曲線方程。

圖4 14SA型離心泵的特性曲線

    解  在14SA-10型的Q-H特性曲線上，取包括（Qo、Ho）在內(nèi)的任意四點(diǎn)，其值如表2所示。上表中H值單位為m；Q值單位為L(zhǎng)/s。

表2  四個(gè)工況點(diǎn)的（Q、H） 值

    將已知的各坐標(biāo)值代入式（12a），可得：
將上式簡(jiǎn)化后，解得：S1=0.0168;  S2=-0.000117
將結(jié)果S1、S2值代入式（12b），得該水泵的Q-H特性曲線方程為
H=72+0.0168Q-0.000117Q²
將上式與該水泵裝置的管道特性曲線方程式（5）聯(lián)立，即可求得其工況點(diǎn)的Q、H）值。