離心泵在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中起著至關(guān)重要重要的作用，其廣泛用于電力、化工、礦產(chǎn)、污水排放、物料輸送、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，同時(shí)也是各工況領(lǐng)域內(nèi)耗能最大的機(jī)械設(shè)備，總耗能占到全國(guó)發(fā)電總量的40%左右。而由于流體機(jī)械結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，其設(shè)計(jì)效率普遍不高，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，高比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在65%~85%，中比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在75%~50%，低比轉(zhuǎn)速的離心泵效率一般在50%左右，甚至更低。加上在選型階段的工況偏差，實(shí)際效率往往低于設(shè)計(jì)點(diǎn)的最高效率，使得泵在使用過(guò)程中，能源利用率低，能耗過(guò)大，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。因此找到提高離心泵綜合效率的方法措施，對(duì)節(jié)能減排具有重大意義。
影響離心泵效率主要有三個(gè)方面：1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，泵本身效率低；2）選型不當(dāng)，與原動(dòng)機(jī)及中間調(diào)速機(jī)構(gòu)匹配不合理；3）無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間短，維護(hù)維修不到位，造成整個(gè)生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本高。以上因素導(dǎo)致了離心泵實(shí)際運(yùn)行效率不高，現(xiàn)從其設(shè)計(jì)開發(fā)到使用維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)入手、分析，總結(jié)問(wèn)題的根源，并提出改善效率的主要措施，以供設(shè)計(jì)者和使用者參考。
1.設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施
1.1 影響離心泵的各項(xiàng)損失分析及應(yīng)對(duì)措施
以設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，影響離心泵本身效率的損失包括：機(jī)械損失、容積損失與水力損失。
（1）機(jī)械損失。指軸承、軸封及葉輪圓盤摩擦引起的損失，其中前兩項(xiàng)損失約占總功率的1%~3%，是機(jī)械的一般性損失，在此不進(jìn)行討論，而主要考慮圓盤摩擦損失P d 。計(jì)算圓盤摩擦損失的經(jīng)驗(yàn)公式很多，原石家莊雜質(zhì)泵研究所的何希杰教授對(duì)此做了詳細(xì)的整理、試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果對(duì)比，提出了更為精確的計(jì)算公式：
式中：R e 為雷諾系數(shù)；γ為液體重度；g為重力加速度；μ2為葉輪出口速度；D 2為葉輪外徑。
此公式與其他公式形式一致，區(qū)別在于其在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用回歸分析的數(shù)學(xué)方法優(yōu)化了參數(shù)系數(shù)，表明圓盤摩擦損失與轉(zhuǎn)速的三次方及葉輪直徑的平方成正比關(guān)系。由此可見，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量提高轉(zhuǎn)速、減小葉輪直徑，有助于降低圓盤摩擦損失，同時(shí)也可以降低泵體尺寸，符合離心泵設(shè)計(jì)的基本理念。
?。?）容積損失。主要指介質(zhì)從出口到入口的回流和平衡孔與多級(jí)泵級(jí)間泄漏引起的損
失，比較直觀，如圖1所示。對(duì)此項(xiàng)計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式也很多，但本質(zhì)問(wèn)題仍與結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)榭诃h(huán)間隙、葉輪與泵體件及平衡孔等結(jié)構(gòu)的客觀存在，必然導(dǎo)致泵體內(nèi)的流體從高壓區(qū)流入低壓區(qū)。對(duì)于給定的離心泵，要提高容積效率，必須降低泄漏量，可采取的措施包括：
a.減少密封間隙的環(huán)形面積或增加密封環(huán)間隙阻力，實(shí)現(xiàn)回流節(jié)流，不僅有助于降低容積損失，同時(shí)也有助于降低圓盤摩擦損失。對(duì)此做了深入地研究分析，其中以低比轉(zhuǎn)速離心泵為對(duì)象，證明了口環(huán)的減小能顯著提高泵的整體效率，且與葉輪形式無(wú)關(guān)，并進(jìn)一步給出了總效率的計(jì)算公式（2），可以看出總效率是泄漏量q的二次函數(shù)，并存在極值。
η=(ηh/PQ t)［－(ρgH－ρgH1sp－ρgHc)q2+(ρgQtH－ρgQtH1sp－ρgQtHc－p+Pm′)q+(p－Pm′)Qt］（2）
式中：η為總效率；ηh水力效率；P為軸功率；Qt為理論流量；ρ為流體密度；g為重力加速度；H1sp為流出口環(huán)后泄漏液體具有水頭；Hc為口環(huán)間隙中總壓降水頭；Pm′為未考慮泄漏的圓盤摩擦損失。
b.減小葉輪與泵體的間隙，尤其是開式葉輪與前泵蓋之間的間隙。從多年的實(shí)踐來(lái)看，這種措施，一般都會(huì)使離心泵（低比轉(zhuǎn)速的居多）綜合效率提高1%~3%，甚至更高，且間隙的調(diào)整越小提高的比率越大。除此之外，口環(huán)間隙的減小還可以提高流量揚(yáng)程等指標(biāo)。
c.取消平衡孔結(jié)構(gòu)，代之以增加背葉片結(jié)構(gòu)，或在多級(jí)泵中采用葉輪背靠背設(shè)計(jì)，既能保證葉輪的軸向平衡，又有助于容積效率的改善。結(jié)構(gòu)間隙的減小，一定程度上增加了制造的困難及成本，應(yīng)當(dāng)綜合考慮，但隨著加工制造技術(shù)高精化發(fā)展，許多間隙已可調(diào)整的很小，如部分離心泵口環(huán)間隙已經(jīng)做到0.1 mm，葉輪與泵體間隙能做到0.3 mm ，對(duì)提高離心泵的綜合效率是非常明顯的。
3）水力損失。是液體流過(guò)泵的過(guò)流部件時(shí)產(chǎn)生的水力摩擦損失和沖擊、脫流等局部損失，也稱沿程損失，主要產(chǎn)生于葉輪、壓水室和吸水室之內(nèi)，與過(guò)流部件的幾何形狀、表面粗糙度、液體黏度和流速等因素有關(guān)。盡管許多文獻(xiàn)著眼于此，但由于流體在泵內(nèi)流動(dòng)的
復(fù)雜性，精確計(jì)算每項(xiàng)損失非常困難，通用性也差，許多研究者只能以統(tǒng)計(jì)學(xué)手段進(jìn)行分析估算，其中談高明等對(duì)該項(xiàng)損失進(jìn)行了詳細(xì)研究，值得參考，其思路是:按照管道沿程損失的計(jì)算模式將離心泵水力損失分為摩擦損失、局部損失、擴(kuò)算損失或收縮損失等幾部分，分別對(duì)各結(jié)構(gòu)的過(guò)流部件進(jìn)行水力損失計(jì)算，同時(shí)用回歸分析法對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了更為精確的計(jì)算公式，提高了其通用性和實(shí)用性。
1.2 提高離心泵自身效率的優(yōu)選結(jié)構(gòu)
從各文獻(xiàn)研究結(jié)果以及實(shí)際分析表明:幾何結(jié)構(gòu)與離心泵自身效率有密切聯(lián)系，雖然許多經(jīng)驗(yàn)公式都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)學(xué)方法，參數(shù)修正亦有不同，但從改變幾何結(jié)構(gòu)以提高離心泵效率的手段是行之有效的，由于泵模型的多樣性，現(xiàn)僅以定性的方式，對(duì)主要幾何參數(shù)對(duì)泵的效率影響加以分析論述。
（1）葉片的彎曲形狀。在離心泵發(fā)展過(guò)程中，先后出現(xiàn)三類比較有代表性的葉片形狀，包括直葉片、前彎葉片以及后彎葉片。前彎葉片可以使流體具有較高的初速度，但不能給流體提供較大的靜壓能，造成沿程損失及沖擊損失高，能量轉(zhuǎn)移效率低，這種葉片的離心泵效率一般很難過(guò)50%，利用價(jià)值不高，多見于低比轉(zhuǎn)速泵中，事實(shí)上有逐漸被淘汰的趨勢(shì)。
與其相反，后彎葉片式葉輪，主要將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體的靜壓能，流體依靠靜壓能差從泵體中流出，流體流速低，由此造成的沖擊損失及沿程損失相對(duì)較少，降低了轉(zhuǎn)能量化過(guò)程中的損失，符合離心泵“在滿足揚(yáng)程的情況下，盡量大的輸送物料”這樣一種客觀需求，是比較主流的葉片形式，在中高比轉(zhuǎn)速的離心泵中非常普遍，其效率多分布在65%~85%區(qū)間內(nèi)，部分性能好的能達(dá)到90%以上。直葉片形式的葉輪，效率介于前兩者之間，一般不高于65%，多用于切線泵。
另外從葉片的曲線形式來(lái)看，又分為單曲率圓柱葉片、多曲率圓柱形葉片以及扭曲形葉片。其中扭曲性葉片以三元流設(shè)計(jì)方法入手，改變不同流面處的液流角，使相同流面內(nèi)的流體獲得基本一致的靜壓能及流速，避免內(nèi)部液流的相互“侵?jǐn)_”，降低葉輪進(jìn)口的沖擊損失，改善了流體在葉輪中的流動(dòng)狀態(tài)，是提高離心泵綜合效率的有效方法之一。
?。?）長(zhǎng)短葉片相間。長(zhǎng)短葉片的工作機(jī)理是通過(guò)在主葉片之間增加尺寸較短的分流葉片，能夠?qū)θ~輪內(nèi)部液流起到導(dǎo)向作用，控制內(nèi)部流動(dòng)分離的發(fā)生，降低混流湍流，實(shí)踐研究表明，分流葉片長(zhǎng)度及位置的合理設(shè)計(jì)可降低射流-尾跡結(jié)構(gòu)，有效提高離心泵的綜合效率和其他性能。
?。?）葉片數(shù)量及厚度。從理論上講，葉片數(shù)量越少，厚度越薄，對(duì)流體的排擠效應(yīng)越小，其效率越高，但這兩項(xiàng)參數(shù)又關(guān)乎離心泵的揚(yáng)程及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一味地追求效率指標(biāo)勢(shì)必影響到其綜合性能，為此，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)此兩參數(shù)的處理應(yīng)做到保證基本性能的前提下，盡量減少葉片數(shù)量并減薄葉片厚度。
?。?）葉片進(jìn)出口安放角。通常離心泵設(shè)計(jì)時(shí)葉片進(jìn)口角略大于液流角，相差范圍一般在3°~5° ，采用正沖角能減小葉片彎曲，進(jìn)而增加葉片進(jìn)口過(guò)流面積和減小葉片排擠，有利于提高效率；而選擇較大的出口安放角，可以增大揚(yáng)程，減小葉輪直徑，從而降低圓盤摩擦損失，同樣可以一定程度上提高離心泵效率，但出口安放角增加，相同流量下葉輪出口速度增加，壓水室水力損失增加，相對(duì)流動(dòng)擴(kuò)散嚴(yán)重，反而不利于綜合效率的提高，一般出口安防角在22°~30° 之間。
?。?）葉片包角。離心泵設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其他幾何參數(shù)有比較明確詳細(xì)的解釋論證，但對(duì)葉輪包角的選擇留有相當(dāng)大的空間，其選取仍以滿足性能為前提條件。過(guò)小的葉片包角會(huì)降低葉片對(duì)流體的控制能力和液流的穩(wěn)定性。從此角度講，增大葉片包角有利于改善離心泵性能，而且隨著包角的增大，流道內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散減小，流動(dòng)更貼近葉片形狀，水力損失會(huì)減?。坏沁^(guò)大，葉片的摩擦面積偏大，流道內(nèi)摩擦阻力會(huì)增加，反而不利于效率的提高。依此可以看出，應(yīng)當(dāng)存在使離心泵效率最高的最佳葉片包角，需進(jìn)行進(jìn)一步研究。
?。?）壓水室。壓水室主要作用是從葉輪中收集流出的液體，并輸送到排出口或下一級(jí)葉輪入口，降低液流速度，使速度轉(zhuǎn)換成壓能，消除流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，避免由此造成過(guò)多的水力損失，壓水室的設(shè)計(jì)對(duì)提高離心泵綜合效率有重要的影響，但其結(jié)構(gòu)已基本成熟，主要有三種：螺旋形壓水室、葉片式壓水室、加導(dǎo)葉的壓水室。從效率角度講，螺旋形壓水室中的流動(dòng)理想，半徑向排出口逐漸增加，有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向壓能的轉(zhuǎn)換，能消除流動(dòng)過(guò)程的旋轉(zhuǎn)分量，水力損失小，高效范圍寬，是應(yīng)當(dāng)首先考慮的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
?。?）吸水室。吸水室功能是把液體按要求的條件導(dǎo)入葉輪，流體速度較小，由此造成的水利損失相對(duì)于壓水室而言要小的多，但內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)直接影響葉輪中的流動(dòng)情況，對(duì)泵的效率也有一定影響，尤其在低揚(yáng)程泵中，占揚(yáng)程比例較大，其設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮滿足葉輪進(jìn)口要求的速度場(chǎng)，如速度分布均勻性、大小、方向等因素。此處僅對(duì)部分主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離心泵效率的影響進(jìn)行了論述，許多因素還未被涉及，比如隔舌角度、流道粗糙度選擇等，而且多是單方面的，事實(shí)上離心泵許多參數(shù)是相互干涉相互影響的。例如葉片出口安放角的提高會(huì)減小摩擦損失，卻又增加了沖擊損失等，還會(huì)影響到綜合水力性能，今后仍需要做細(xì)致定量研究分析。此外在設(shè)計(jì)手段上應(yīng)更好地利用CFD計(jì)算流體軟件進(jìn)行驗(yàn)證，既能降低試驗(yàn)的成本，又便于理論上的分析。
2.選型應(yīng)用的改進(jìn)措施
造成離心泵實(shí)際效率低的另一重要原因是不合理的選型應(yīng)用，這主要包括兩方面的因素：一是選型時(shí)片面地追求流量揚(yáng)程參數(shù)或者體積小型化，而造成的偏離泵設(shè)計(jì)高效區(qū)間太多；二是傳遞鏈復(fù)雜，且各個(gè)機(jī)構(gòu)之間不匹配，綜合效率低。解決此類問(wèn)題，宜從以下入手。
2.1 明確離心泵高效點(diǎn)，盡量使泵工作在高效范圍區(qū)
離心泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率最高，如果管路阻力曲線與泵外特性曲線在該點(diǎn)交叉，是最理想的應(yīng)用狀態(tài)，如圖2（a）中的P點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)工藝條件各異，有時(shí)候還存在變工況的應(yīng)用，使得泵很難工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)，如單靠為每個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì)專門的離心泵來(lái)解決，很不現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，許多廠家或標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實(shí)際情況規(guī)定效率波動(dòng)的5%~8%為其高效區(qū)，如圖2（b）中的a、b之間，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行速度變換或切割葉輪實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了其工作應(yīng)用范圍,如圖2（c）中的ABCD之間，在此區(qū)間進(jìn)行性能參數(shù)調(diào)節(jié)，至少是合理的。
2.2 簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，合理匹配各機(jī)構(gòu)高效工作范圍
一般離心泵應(yīng)用時(shí)，大都采用與電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)直連，復(fù)雜一點(diǎn)的兩者中間會(huì)加入齒輪箱或耦合器，更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)在消防車、灑水車等特種車輛上應(yīng)用較多，如圖3所示，除了取力器變速外，泵本身亦帶有齒輪箱，這樣做的目的是為了使泵本身與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配，以便適用于多種車型，但兩級(jí)速比的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，勢(shì)必會(huì)增加功率損耗，影響效率，且可靠性低，可以通過(guò)適合消防的泵型設(shè)計(jì)及合理的取力器速比選取來(lái)簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，以達(dá)到提高效率和可靠性的目的。
在變工況運(yùn)行情況下，基本已經(jīng)摒棄了調(diào)節(jié)出口閥門實(shí)現(xiàn)的做法，但應(yīng)用中也應(yīng)注意：1）離心泵的工作范圍是否超過(guò)了高效區(qū)，宜選用高效范圍寬的離心泵；2）原動(dòng)機(jī)或中間機(jī)構(gòu)是否工作在高效的范圍，如變頻電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)、柴油機(jī)或汽油機(jī)的低耗燃油區(qū)、耦合器的高效區(qū)等。
如果每個(gè)環(huán)節(jié)多損耗5%或更高，對(duì)整體機(jī)組效率的影響是明顯的。例如：假定電動(dòng)機(jī)額定效率是90%，變頻器額定效率是85%，泵額定效率是75%，整個(gè)機(jī)組效率為90%×85%×75%=53.75%。偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)后，假如泵效率70%，其他效率權(quán)且以低5個(gè)百分點(diǎn)來(lái)計(jì)算，綜合效率變?yōu)?5%×80%×70%=47.6%，變頻系統(tǒng)不但起不到節(jié)能作用，反而成了耗能設(shè)備。由此可見，做好離心泵選型及配套設(shè)計(jì)工作非常重要，需具體問(wèn)題具體分析。
3.運(yùn)行維護(hù)維護(hù)階段的措施
以往在追求離心泵效率提高的理念上，往往多關(guān)注泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用選項(xiàng)，而忽略后期的維護(hù)保養(yǎng)，這是片面的。事實(shí)上過(guò)流件及其傳動(dòng)件的磨損對(duì)離心泵的效率影響非常大，特別是雜質(zhì)泵，由于磨損造成效率下降10%~20%的現(xiàn)象非常普遍，有的甚至燒毀電動(dòng)機(jī)而不能正常工作；除此之外，還會(huì)影響到離心泵的可靠性、維修性、保障性、安全性等指標(biāo)，與各離心泵結(jié)構(gòu)及應(yīng)用工況有關(guān)。雖然在策略上，各廠家建議要求的維護(hù)方式及周期略有不同，但應(yīng)注意檢查口環(huán)間隙、葉輪蓋板與泵腔間隙、葉片及其他過(guò)流件的磨損、機(jī)封與軸承的磨損，嚴(yán)格按照要求更換易損件、過(guò)流件及耗材，清理泵腔異物，保證管道清潔，都將有助于保障離心泵長(zhǎng)期運(yùn)行在高效范圍，提高其使用壽命和無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，也是一種間接意義上的效率提高。
4.結(jié)語(yǔ)
離心泵各過(guò)流部件的結(jié)構(gòu)是影響其效率的根源，提高轉(zhuǎn)速，減小葉輪直徑、減小各間隙、優(yōu)選結(jié)構(gòu)組合是提升泵自身效率的有效手段;2）合理地應(yīng)用選型及傳動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)提高整機(jī)效率影響明顯，盡量使各個(gè)機(jī)構(gòu)工作在自身高效范圍內(nèi);3）泵的使用維護(hù)應(yīng)當(dāng)重視，按要求檢查各間隙，更換易損件有助于保障高效運(yùn)行。效率是評(píng)價(jià)一種產(chǎn)品的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，中國(guó)工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成熟期，許多產(chǎn)品，尤其是綜合效率不高的離心泵，仍需要進(jìn)行精細(xì)化、高品質(zhì)研究，不僅對(duì)提升整體產(chǎn)品質(zhì)量、品牌效應(yīng)及綜合競(jìng)爭(zhēng)力有很大幫助，而且符合節(jié)能減排的國(guó)家宏觀政策和綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代理念，是未來(lái)泵產(chǎn)品及應(yīng)用研究的主要方向。
