提高离心泵综合效率的主要措施

离心泵在工农业发展中起着至关重要重要的作用，其广泛用于电力、化工、矿产、污水排放、物料输送、农业灌溉等领域，同时也是各工况领域内耗能最大的机械设备，总耗能占到全国发电总量的40%左右。而由于流体机械结构的独特性，其设计效率普遍不高，据有关文献统计，高比转速的离心泵效率一般在65%~85%，中比转速的离心泵效率一般在75%~50%，低比转速的离心泵效率一般在50%左右，甚至更低。加上在选型阶段的工况偏差，实际效率往往低于设计点的较高效率，使得泵在使用过程中，能源利用率低，能耗过大，造成严重的浪费。因此找到提高离心泵综合效率的方法措施，对节能减排具有重大意义。

影响离心泵效率主要有三个方面：1） 设计结构不合理，泵本身效率低；2）选型不当，与原动机及中间调速机构匹配不合理；3）无故障运行时间短，维护维修不到位，造成整个生命周期内经济运行成本高。以上因素导致了离心泵实际运行效率不高，现从其设计开发到使用维护各个环节入手、分析，总结问题的根源，并提出改善效率的主要措施，以供设计者和使用者参考。

1 设计阶段的结构改进措施

1.1 影响离心泵的各项损失分析及应对措施

以设计的角度来看，影响离心泵本身效率的损失包括：机械损失、容积损失与水力损失。

1）机械损失。指轴承、轴封及叶轮圆盘摩擦引起的损失，其中前两项损失约占总功率的1%~3%，是机械的一般性损失，在此不进行讨论，而主要考虑圆盘摩擦损失P d 。计算圆盘摩擦损失的经验公式很多，原石家庄杂质泵研究所的何希杰教授对此做了详细的整理、试验验证和结果对比，提出了更为精确的计算公式：

式中：R e 为雷诺系数；γ为液体重度；g为重力加速度；μ ₂ 为叶轮出口速度；D ₂ 为叶轮外径。

此公式与其他公式形式一致，区别在于其在试验的基础上利用回归分析的数学方法优化了参数系数，表明圆盘摩擦损失与转速的三次方及叶轮直径的平方成正比关系。由此可见，如果在设计过程中尽量提高转速、减小叶轮直径，有助于降低圆盘摩擦损失，同时也可以降低泵体尺寸，符合离心泵设计的基本理念。

2）容积损失。主要指介质从出口到入口的回流和平衡孔与多级泵级间泄漏引起的损

失，比较直观，如图1所示。对此项计算，经验公式也很多，但本质问题仍与结构有关，因为口环间隙、叶轮与泵体件及平衡孔等结构的客观存在，必然导致泵体内的流体从高压区流入低压区。对于给定的离心泵，要提高容积效率，必须降低泄漏量，可采取的措施包括：

a.减少密封间隙的环形面积或增加密封环间隙阻力，实现回流节流，不仅有助于降低容积损失，同时也有助于降低圆盘摩擦损失。对此做了深入地研究分析，其中以低比转速离心泵为对象，证明了口环的减小能显著提高泵的整体效率，且与叶轮形式无关，并进一步给出了总效率的计算公式（2），可以看出总效率是泄漏量q的二次函数，并存在极值。

η=(η_h/PQ t)［－(ρgH－ρgH_1sp －ρgH_c )q² +(ρgQ_tH－ρgQ_tH_1sp －ρgQ_t H_c －p+P_m′)q+(p－P_m ′)Q_t ］  （2）

式中：η为总效率；η_h 水力效率；P为轴功率；Q_t 为理论流量；ρ为流体密度；g为重力加速度；H_1sp 为流出口环后泄漏液体具有水头；H_c 为口环间隙中总压降水头；P_m ′为未考虑泄漏的圆盘摩擦损失。

b.减小叶轮与泵体的间隙，尤其是开式叶轮与前泵盖之间的间隙。从多年的实践来看，这种措施，一般都会使离心泵（低比转速的居多）综合效率提高1%~3%，甚至更高，且间隙的调整越小提高的比率越大。除此之外，口环间隙的减小还可以提高流量扬程等指标。

c.取消平衡孔结构，代之以增加背叶片结构，或在多级泵中采用叶轮背靠背设计，既能保证叶轮的轴向平衡，又有助于容积效率的改善。结构间隙的减小，一定程度上增加了制造的困难及成本，应当综合考虑，但随着加工制造技术高精化发展，许多间隙已可调整的很小，如部分离心泵口环间隙已经做到0.1 mm，叶轮与泵体间隙能做到0.3 mm ，对提高离心泵的综合效率是非常明显的。

3）水力损失。是液体流过泵的过流部件时产生的水力摩擦损失和冲击、脱流等局部损失，也称沿程损失，主要产生于叶轮、压水室和吸水室之内，与过流部件的几何形状、表面粗糙度、液体黏度和流速等因素有关。尽管许多文献着眼于此，但由于流体在泵内流动的

复杂性，精确计算每项损失非常困难，通用性也差，许多研究者只能以统计学手段进行分析估算，其中谈高明等对该项损失进行了详细研究，值得参考，其思路是:按照管道沿程损失的计算模式将离心泵水力损失分为摩擦损失、局部损失、扩算损失或收缩损失等几部分，分别对各结构的过流部件进行水力损失计算，同时用回归分析法对以往经验系数进行修正并进行试验验证，得到了更为精确的计算公式，提高了其通用性和实用性。

1.2 提高离心泵自身效率的优选结构

从各文献研究结果以及实际分析表明:几何结构与离心泵自身效率有密切联系，虽然许多经验公式都是基于统计学的数学方法，参数修正亦有不同，但从改变几何结构以提高离心泵效率的手段是行之有效的，由于泵模型的多样性，现仅以定性的方式，对主要几何参数对泵的效率影响加以分析论述。

1）叶片的弯曲形状。在离心泵发展过程中，先后出现三类比较有代表性的叶片形状，包括直叶片、前弯叶片以及后弯叶片。前弯叶片可以使流体具有较高的初速度，但不能给流体提供较大的静压能，造成沿程损失及冲击损失高，能量转移效率低，这种叶片的离心泵效率一般很难过50%，利用价值不高，多见于低比转速泵中，事实上有逐渐被淘汰的趋势。

与其相反，后弯叶片式叶轮，主要将动能转化为流体的静压能，流体依靠静压能差从泵体中流出，流体流速低，由此造成的冲击损失及沿程损失相对较少，降低了转能量化过程中的损失，符合离心泵“在满足扬程的情况下，尽量大的输送物料”这样一种客观需求，是比较主流的叶片形式，在中高比转速的离心泵中非常普遍，其效率多分布在65%~85%区间内，部分性能好的能达到90%以上。直叶片形式的叶轮，效率介于前两者之间，一般不高于65%，多用于切线泵。

另外从叶片的曲线形式来看，又分为单曲率圆柱叶片、多曲率圆柱形叶片以及扭曲形叶片。其中扭曲性叶片以三元流设计方法入手，改变不同流面处的液流角，使相同流面内的流体获得基本一致的静压能及流速，避免内部液流的相互“侵扰”，降低叶轮进口的冲击损失，改善了流体在叶轮中的流动状态，是提高离心泵综合效率的有效方法之一。

2）长短叶片相间。长短叶片的工作机理是通过在主叶片之间增加尺寸较短的分流叶片，能够对叶轮内部液流起到导向作用，控制内部流动分离的发生，降低混流湍流，实践研究表明，分流叶片长度及位置的合理设计可降低射流-尾迹结构，有效提高离心泵的综合效率和其他性能。

3）叶片数量及厚度。从理论上讲，叶片数量越少，厚度越薄，对流体的排挤效应越小，其效率越高，但这两项参数又关乎离心泵的扬程及结构强度，一味地追求效率指标势必影响到其综合性能，为此，设计过程中对此两参数的处理应做到保证基本性能的前提下，尽量减少叶片数量并减薄叶片厚度。

4）叶片进出口安放角。通常离心泵设计时叶片进口角略大于液流角，相差范围一般在3°~5° ，采用正冲角能减小叶片弯曲，进而增加叶片进口过流面积和减小叶片排挤，有利于提高效率；而选择较大的出口安放角，可以增大扬程，减小叶轮直径，从而降低圆盘摩擦损失，同样可以一定程度上提高离心泵效率，但出口安放角增加，相同流量下叶轮出口速度增加，压水室水力损失增加，相对流动扩散严重，反而不利于综合效率的提高，一般出口安防角在22°~30° 之间。

5）叶片包角。离心泵设计过程中，对其他几何参数有比较明确详细的解释论证，但对叶轮包角的选择留有相当大的空间，其选取仍以满足性能为前提条件。过小的叶片包角会降低叶片对流体的控制能力和液流的稳定性。从此角度讲，增大叶片包角有利于改善离心泵性能，而且随着包角的增大，流道内的流动扩散减小，流动更贴近叶片形状，水力损失会减小；但包角过大，叶片的摩擦面积偏大，流道内摩擦阻力会增加，反而不利于效率的提高。依此可以看出，应当存在使离心泵效率高的叶片包角，需进行进一步研究。

6）压水室。压水室主要作用是从叶轮中收集流出的液体，并输送到排出口或下一级叶轮入口，降低液流速度，使速度转换成压能，消除流体的旋转运动，避免由此造成过多的水力损失，压水室的设计对提高离心泵综合效率有重要的影响，但其结构已基本成熟，主要有三种：螺旋形压水室、叶片式压水室、加导叶的压水室。从效率角度讲，螺旋形压水室中的流动理想，半径向排出口逐渐增加，有利于实现动能向压能的转换，能消除流动过程的旋转分量，水力损失小，高效范围宽，是应当首先考虑的设计结构。

7）吸水室。吸水室功能是把液体按要求的条件导入叶轮，流体速度较小，由此造成的水利损失相对于压水室而言要小的多，但内部的流动状态会直接影响叶轮中的流动情况，对泵的效率也有一定影响，尤其在低扬程泵中，占扬程比例较大，其设计应首先考虑满足叶轮进口要求的速度场，如速度分布均匀性、大小、方向等因素。此处仅对部分主要的结构参数对离心泵效率的影响进行了论述，许多因素还未被涉及，比如隔舌角度、流道粗糙度选择等，而且多是单方面的，事实上离心泵许多参数是相互干涉相互影响的。例如叶片出口安放角的提高会减小摩擦损失，却又增加了冲击损失等，还会影响到综合水力性能，今后仍需要做细致定量研究分析。此外在设计手段上应更好地利用CFD计算流体软件进行验证，既能降低试验的成本，又便于理论上的分析。

2 选型应用的改进措施

造成离心泵实际效率低的另一重要原因是不合理的选型应用，这主要包括两方面的因素：一是选型时片面地追求流量扬程参数或者体积小型化，而造成的偏离泵设计高效区间太多；二是传递链复杂，且各个机构之间不匹配，综合效率低。解决此类问题，宜从以下入手。

2.1 明确离心泵高效点，尽量使泵工作在高效范围区

离心泵在设计工况点效率较高，如果管路阻力曲线与泵外特性曲线在该点交叉，是理想的应用状态，如图2（a）中的P点，但现场工艺条件各异，有时候还存在变工况的应用，使得泵很难工作在设计点，如单靠为每个工况点设计专门的离心泵来解决，很不现实。事实上，许多厂家或标准根据实际情况规定效率波动的5%~8%为其高效区，如图2（b）中的a、b之间，再在此基础上进行速度变换或切割叶轮实现性能参数的调节，扩大了其工作应用范围,如图2（c）中的ABCD之间，在此区间进行性能参数调节，至少是合理的。

2.2 简化传动链，合理匹配各机构高效工作范围

一般离心泵应用时，大都采用与电动机或发动机直连，复杂一点的两者中间会加入齿轮箱或耦合器，更复杂的机构在消防车、洒水车等特种车辆上应用较多，如图3所示，除了取力器变速外，泵本身亦带有齿轮箱，这样做的目的是为了使泵本身与发动机转速匹配，以便适用于多种车型，但两级速比的传动结构，势必会增加功率损耗，影响效率，且可靠性低，可以通过适合消防的泵型设计及合理的取力器速比选取来简化传动链，以达到提高效率和可靠性的目的。

在变工况运行情况下，基本已经摒弃了调节出口阀门实现的做法，但应用中也应注意：1）离心泵的工作范围是否超过了高效区，宜选用高效范围宽的离心泵；2）原动机或中间机构是否工作在高效的范围，如变频电动机的高效区、柴油机或汽油机的低耗燃油区、耦合器的高效区等。

如果每个环节多损耗5%或更高，对整体机组效率的影响是明显的。例如：假定电动机额定效率是90%，变频器额定效率是85%，泵额定效率是75%，整个机组效率为90%×85%×75%=53.75%。偏离设计工况点后，假如泵效率70%，其他效率权且以低5个百分点来计算，综合效率变为85%×80%×70%=47.6%，变频系统不但起不到节能作用，反而成了耗能设备。由此可见，做好离心泵选型及配套设计工作非常重要，需具体问题具体分析。

3 运行维护维护阶段的措施

以往在追求离心泵效率提高的理念上，往往多关注泵的设计与应用选项，而忽略后期的维护保养，这是片面的。事实上过流件及其传动件的磨损对离心泵的效率影响非常大，特别是杂质泵，由于磨损造成效率下降10%~20%的现象非常普遍，有的甚至烧毁电动机而不能正常工作；除此之外，还会影响到离心泵的可靠性、维修性、保障性、安全性等指标，与各离心泵结构及应用工况有关。虽然在策略上，各厂家建议要求的维护方式及周期略有不同，但应注意检查口环间隙、叶轮盖板与泵腔间隙、叶片及其他过流件的磨损、机封与轴承的磨损，严格按照要求更换易损件、过流件及耗材，清理泵腔异物，保证管道清洁，都将有助于保障离心泵长期运行在高效范围，提高其使用寿命和无故障运行时间，也是一种间接意义上的效率提高。

4 结语

1）离心泵各过流部件的结构是影响其效率的根源，提高转速，减小叶轮直径、减小各间隙、优选结构组合是提升泵自身效率的有效手段;2）合理地应用选型及传动设计对提高整机效率影响明显，尽量使各个机构工作在自身高效范围内;3）泵的使用维护应当重视，按要求检查各间隙，更换易损件有助于保障高效运行。效率是评价一种产品的重要经济技术指标，中国工业已经进入成熟期，许多产品，尤其是综合效率不高的离心泵，仍需要进行精细化、高品质研究，不仅对提升整体产品质量、品牌效应及综合竞争力有很大帮助，而且符合节能减排的国家宏观政策和绿色经济发展的时代理念，是未来泵产品及应用研究的主要方向。