离心泵的效率（第3部分） – 单泵及泵组效率

前言

这是关于离心泵效率的6篇系列文章中的第3部分。

文章以端吸悬臂式离心泵为例，来探讨单泵效率及泵组效率计算方法。仅供参考。

泵沙龙注：文中涉及的比转速为美制单位下的数值，括号内为公制单位下的中国比转速的数值。

水力效率

叶轮叶片的形状和间距对泵的整体效率有影响。虽然理想的叶轮会有无限多的叶片，但现实世界将清水泵的叶片数限制在5至7片，而处理较大固体颗粒的泵的叶片数则更少。

此外，人们期望液体流动将始终与叶片表面完全平行，但这也不会发生。奇怪的是，如果设计者遵循一些有据可查的规则，比转速在500（中国35）到7,000（中国495）的范围内，叶轮叶片效率损失保持相对平稳（约2.5 %）。由于流体与叶轮盖板和轮毂表面之间的接触而产生的圆盘摩擦，在比转速低于2,000（中国141）时，将使叶轮效率再降低4 %到15 %，但在比转速为3,000（中国212）或更高时，可降低至2 %或更低。根据其设计，叶轮将使泵的整体效率降低4.5 %或多达17.5 %。

蜗壳对泵的效率也起着重要的作用。在比转速低于2,000（中国141）时，摩擦损失大约为1 %到2.5 %。但在比转速为5,000（中国353）或更高时，损失可能接近10 %。通常，蜗壳设计从喉部开始（见图1）。

它的横截面积将决定流体从蜗壳流出的流速。流经喉部和壳体其它部分的流体遵循角动量守恒定律。因此，设计师（对蜗壳流道的设计）将在逐渐增大体积的同时，尽量避免其近似圆形的几何结构发生突变。

图1：泵蜗壳

蜗壳的另一个关键区域是叶轮外圆周与蜗舌或分水角（cutwater）圆周之间的间隙。随着该距离变大，越来越多的液体从进入蜗壳喉部的入口逸出并回流到蜗壳。在叶片通过期间，不引起压力脉动的最小距离将产生最佳的效率。一般来说，叶轮半径的5 %到10 %往往是一个安全值。

泵沙龙注：对于高能泵，API 610标准对此间隙有详细的规定，即导叶与叶轮叶片外圆周之间的径向间隙至少为最大叶轮叶尖半径的3 %（对于导叶式泵）和最大叶轮叶片尖半径的6 %（对于蜗壳式泵）。

容积效率

关于离心泵的容积效率是蜗壳的函数还是叶轮的函数存在争议（可能两者都是）。容积效率表示由于通过耐磨环、半开式叶轮的叶片前间隙和后盖板中的平衡孔泄漏而造成的功率损失。

泄漏通常随着比转速、流量或者两者的组合的降低而增加。例如，在500（中国35）的比转速、100 gpm的流量下，泄漏可能占总功耗的7 %。在2,000 gpm下，它会降低到2 %左右。在较高的比转速和流量下，容积损失可低至1 %。

机械效率

泵效率之谜的最后一部分是机械损失，尽管其中一些损失并不总是包含在已发布的效率曲线中。这些损失是由轴承和机械密封或填料造成的。对于直联泵，轴承损耗被计入电机的效率。同样，遵循容积效率的经验法则，损失随着流量和/或比转速的降低而增加。

如果使用与上述容积示例相同的比转速和流量值，可以预计机械效率损失约为5 %和1 %。在更高的比转速和流量下，机械损失可降至1 %以下。

图2：简化的总效率

组合效率

当查看运行中泵（组）的总效率时，必须包括驱动机的效率，在许多情况下，驱动机都为电动机。如今，在环保要求越来越高及能源短缺的时代，全球所有新电机几乎都必须满足高效率标准。

显然，效率更高的电机会提高泵送系统的总效率，但能提高多少呢？如何计算泵和电机的组合效率？

当我在水力学课上问这个问题时，常识的回答是这两种效率的平均值。毕竟，两台或两台以上并联运行的泵的效率等于它们在运行点上的单个效率的平均值。

然而，当设备串联运行时，它们的组合效率是不同的。正如离心泵的总效率是几种不同内部效率的乘积一样，泵及其驱动机的总效率也是如此。

电动机和离心泵（组成的机组）的总效率是各个设备效率的乘积。有时，由于用于计算两种设备效率的度量单位不同，使得很难形象化。图2通过使用可用于描述任何机器运行的单一度量单位来简化这一过程，这个单位是能量“袋”。

在本例中，电机消耗10袋能量，产生9袋能量，因此其效率为90 %。该泵消耗电机提供的9袋能量，产生7袋能量，因此其效率为77.8 %。也就是说，电机每消耗10袋能量，泵产生7袋能量，则系统总效率为70 %（7袋/10袋）。

这证实了两种设备单独效率的乘积就是系统的总效率（90 % × 77.8 % = 70 %）。如果该系统由效率为97 %的VFD控制，则总效率将降至（70 % × 97 % =）68 %（全速，60 Hz）。这种较低的效率是三种设备单独效率的产物（乘积）。

-  节日快乐  -