浅析离心泵叶轮切割定律及应用 摘要：阐述离心泵叶轮切割定律通过对某炼油装置常一线离心泵的实际运行情况分析，发现常一线泵出口阀门开度极小，节流严重，导致机泵效率偏低为扩大该离心泵的使用范围，运用叶轮切割定律，对叶轮进行切割改造，将叶轮外径由368mm切割为330mm改造后，在满足工艺系统要求的使用性能的条件下，达到了节能降耗的目的，具有一定的推广意义关键词：离心泵 叶轮切割 应用前言某炼油厂常压装置常一线离心泵，近年来由于装置产品调整，常一线已无产品出装置，单纯作为回流泵使用此泵现有性能参数已经高于工艺所需要性能参数，为了减少不必要的能源浪费，调整该机泵性能参数，扩大使用范围，一般采用叶轮切割或者改变转速来满足使用要求对于已有的固定转速机泵，因电机转速恒定，改变转速需要增加变频调速装置，实施起来成本较高，而且增加变频器改变转速，影响电机风扇散热对于要求降低机泵的流量及扬程的，但工况稳定，无需频繁进行流量调节，采用叶轮切割就更加简单易行因此对常一线泵采用叶轮切割来调整流量和和扬程1.离心泵叶轮直径对特性曲线的影响转速固定的离心泵，有且仅有一条扬程-流量特性曲线。
离心泵特性曲线上的每一点都对应着一个工况，离心泵在最高效率点工况运行是最理想的但是考虑到用户需要的离心泵使用性能参数千差万别，不一定都在效率最高工况运行通常以效率下降5%~8%为界，离心泵在此范围内运行，效率下降不多，此段称为离心泵的工作范围[1]当离心泵转速固定时，离心泵的流量主要跟流体介质在叶轮进口处的几何参数有关，叶轮的进口直径、叶片进口安装角不变，离心泵的流量就基本确定但是由于叶轮切割前后，叶轮与蜗壳之间的间隙增大，这个间隙的大小直接影响到离心泵的效率其主要原因是间隙增大，导致滞留在蜗壳中的流体介质增加了，导致流量减小，效率降低图1:离心泵叶轮切割前后叶轮与蜗壳之间间隙为了扩大离心泵的工作范围，可以采用切割离心泵叶轮外径的方法，将工作范围由一条线变为一个面，如图2中的ABCD其中的1、2曲线是改变转速或离心泵叶轮切割前后的扬程-流量（H~Q）曲线，3、4曲线是改变转速的相似抛物线或者是切割离心泵叶轮直径的切割线离心泵可以在方块ABCD范围内任意一点工作，而且效率下降最多不会超过5%~8%图2:离心泵的工作范围调节2.离心泵的叶轮切割定律表达式2.1比转速泵的相似定律建立了几何相似的泵在相似工况下，性能参数之间的关系，即如果离心泵性能参数之间存在某种关系，离心泵是几何相似和运动相似的。
在相似定律的基础上，可以推出对几何相似的离心泵，性能参数之间的综合数据如果离心泵的这个综合数据相等，则离心泵是几何相似和运动相似，可以用相似定律换算性能参数之间的关系这个综合数据就是比转速（1）式中 Q表示流量，m³/sH表示扬程，mn 表示转速，r/min比转速是根据相似理论推导出来的，可以用来判别几何相似泵是否为相似工况即如果泵几何相似的情况下，比转速相等工况则为相似工况2.2叶轮切割定律原理2.2.1低比转速离心泵的叶轮切割定律对于低比转速离心泵（ns≤80），当叶轮切割量在允许范围内时，可以认为离心泵叶轮切割前后的速度三角形相似，则有如下关系：（2）（3）（4）由式（2）（3）可以推出：即 （5）式（5）可表示为一条直线（切割线），表示离心泵叶轮切割前后相应工况点的连线，线上每一点的K值都相等并且与一个叶轮外径相对应[2]2.2.2中高比转速离心泵的叶轮切割定律对于中高比转速离心泵（80＜ns≤300），当叶轮切割量在允许范围内时，可以认为切割前后的速度三角形相似，而且切割前后叶轮出口面积相等，则有如下关系：（6）（7）（8）由式（6）（7）可以推出：即 （9）式（9）可表示为一条抛物线，即离心泵叶轮切割抛物线。
[3]其中， 为离心泵叶轮切割前后的叶轮直径；Q Q’ 为离心泵叶轮切割前后的流量；H H’ 为离心泵叶轮切割前后的扬程；P P’ 为离心泵叶轮切割前后的轴功率使用切割定律的切割量不能太大，叶轮切割后机泵效率有所下降，一般说来，切割量不大时可认为效率相等，随着切割量增加效率下降，离心泵叶轮外径的切割量一般不允许超过表1规定的数值，以免离心泵效率下降过多比转速ns≤6060~120120~200200~300允许切割量2015119效率下降/%每车小10下降1每车小10下降1每车小4下降1每车小4下降1表1:比转速与允许切割量的关系[4]3.叶轮切割改造的过程某装置常一线离心泵P105，型号为PC40-3400-50，原参数数据如表2近年来，由于装置产品结构的调整，常一线已不再产出产品外送，单纯作为回流泵使用由于无产品外送，工艺流程大大缩小，所需的扬程及流量都减小，导致机泵所需的性能参数小于原设计性能参数工艺上采用关小出口闸阀以及开大回流阀来调节出口流量，阀门长期卡量会使阀板冲刷而导致阀门失效，离心泵出口大量的回流会造成电动机做无效功，导致大量的能源浪费综合分析常一线离心泵P105的运行工况后，运行参数与原设计参数偏差不大（见表2），并且整体调整幅度不大，流量比较平缓。
决定对常一线泵P105采用变径调节来改变离心泵性能参数，即对叶轮进行切割流量m3/h扬程 m工作效率% 泵轴功率 KW转速 rpm叶轮直径㎜原参数18.618530312950368现参数10~13约1502950表2：常一线泵P105设计参数及改造参数3.1根据叶轮切割定律计算叶轮切割直径根据原始设计参数，求得比转速：由于ns＜80可知，P105属于低比转速离心泵根据低比转速离心泵切割定律：（1）（2）（3）根据工艺所需改造参数，由于常一线介质需要直接注入常三线流程，所以应该首先满足扬程使用条件，其次考虑流量参数所以可知：=331.4㎜考虑实际流程中，常一线泵入口压力为0.2MPa左右，实际出口压力会大于理论出口压力，所以将常一线离心泵叶轮外径圆整为330毫米根据所需扬程参数求出切割后直径为330㎜，推导出切割后的理论流量为：=14.9m³/h＞12 m³/h切割后所需流量能够满足工艺使用条件参考表一，由ns＜60可知，P105叶轮最大允许切割量为原始叶轮直径的20% 叶轮切割量为：10.32%＜20%，叶轮切割量符合要求3.2离心泵的叶轮切割方式叶轮切割时，对不同的叶轮采用不同的切割方式，如图3所示。
低比转速离心泵叶轮的切割量在前、后盖板和叶片上都相等；高比转速离心泵叶轮后盖的车削量大于前盖板，并使前、后盖板的切割量的平均值为 低比转速离心泵叶轮车削后应将叶轮背面出口部分锉尖，如图4，使得叶片间距增加，叶轮出口面积增加，可使离心泵的性能得到改善[5]常一线离心泵P105叶轮切割后，需要对叶轮重新做低速动平衡，以消除叶轮切割造成的叶轮不平衡问题图3 叶轮的切割方式图4离心泵切割前、后的叶片由实际工艺生产所需使用参数，根据叶轮切割定律，计算出切割后常一线离心泵叶轮直径为330毫米4.叶轮切割后运行效果及效益计算4.1改造后运行效果叶轮切割后，常一线泵P105现场运行平稳，能够满足工艺生产需求，改造效果明显，离心泵P105出口压力由1.9MPa下降到1.5MPa左右，离心泵出口手阀开度变大，现场机泵运行噪声下降4.2经济效益计算叶轮切割后的理论功率计算：根据式叶轮切割定律式（3）可知 =22.34KW叶轮切割后，P105理论节省轴功率为电机理论节省输出功率为P电= =9.27KW，可知电机理论节省电流为24.4A改造后，现场电机实际电流指示表下降约21A，考虑到离心泵叶轮切割定律为近似定律，现场电流下降基本符合叶轮切割定律，也进一步证明叶轮切割定律的正确性。
改造后，常一线离心泵P105电动机能耗下降27.89% 实际节省功率P实=UV=380V×21A=7.98KW工业用电价格为１元／度，节约费用为：365×24×P实×1=69905元电机节约电能年利润约7万元改造费用低，充分利用原有设备配件的基础上，仅仅只有叶轮改造费用（切割机加费用及低速动平衡费用）5结论1.常一线离心泵P105通过叶轮切割改后，在满足现有工艺需求条件下，减小了流量，降低了扬程，节约了电能2.离心泵是炼化工厂中应用最常见的流体机械，输送流体介质种类繁多，大范围的应用于工业生产在实际工程应用中，由于设计选型考虑不充分，或者由于生产需要改变使用性能参数时离心泵不能达到最佳工况使用条件，造成能源的浪费，甚至出现很多问题对于一些使用性能参数的小幅度改变，应用离心泵叶轮切割定律改造离心泵，能够解决一些实际问题参考文献[1],[2],[3]关醒凡.现代泵技术手册[M].第2版.北京：宇航出版社，1995：47-50.[4l李云，姜培正.过程流体机械[M].第2版.北京：化学工业出版社，2008：169.[5]袁寿其，施卫东，刘厚林等.泵理论与技术[M].第1版.北京：机械工业出版社，2014：626. -全文完-。