1 概論
風(fēng)機(jī)與水泵是用于輸送流體(氣體和液體)的機(jī)械設(shè)備。風(fēng)機(jī)與水泵的作用是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其它能源的能量傳遞給流體，以實(shí)現(xiàn)流體的輸送。即流體獲得機(jī)械能后，除用于克服輸送過程中的通流阻力外，還可以實(shí)現(xiàn)從低壓區(qū)輸送到高壓區(qū)，或從低位區(qū)輸送到高位區(qū)。通常用來輸送氣體的機(jī)械設(shè)備稱為風(fēng)機(jī)(壓縮機(jī))，而輸送液體的機(jī)械設(shè)備則稱為泵。
1.1 水泵的分類
水泵通常按工作原理及結(jié)構(gòu)形式的不同進(jìn)行分類，可以分為葉片式(又稱葉輪式或透平式)、容積式(又稱定排量式)和其他類型三大類。葉片式泵又可以分為離心泵、軸流泵、混流泵和漩渦泵；容積式泵又可以分為往復(fù)泵和回轉(zhuǎn)泵，往復(fù)泵可分為活塞泵、柱塞泵和隔膜泵，而回轉(zhuǎn)泵又可分為齒輪泵、螺桿泵、滑片泵和液環(huán)泵。
1.2 水泵的性能參數(shù)
水泵的基本性能參數(shù)表示水泵的基本性能，水泵的基本性能參數(shù)有流量、揚(yáng)程、軸功率、效率、轉(zhuǎn)速、比轉(zhuǎn)速、必須汽蝕余量或允許吸上真空高度等7個(gè)。
(1)流量：以字母q(qv、qm)表示，單位為(升)l/s、m3/s、m3/h 等。泵的流量是指單位時(shí)間內(nèi)從泵出口排出并進(jìn)入管路系統(tǒng)的液體體積。泵的流量除用上述體積流量qv外，還可用質(zhì)量流量qm表示。qm定義為單位時(shí)間內(nèi)從泵出口排出并進(jìn)入管路的液體質(zhì)量。顯然qv與qm間的關(guān)系為：
qm=ρqv
(2)揚(yáng)程：水泵的揚(yáng)程h表示液體經(jīng)泵后所獲得的機(jī)械能。泵的揚(yáng)程h是指單位重量液體經(jīng)過泵后所獲得的機(jī)械能。水泵揚(yáng)程的計(jì)算式為：

式中：z2、p2、v2與z1、p1、v1分別為泵的出口截面2和進(jìn)口截面1的位置高度、壓力和速度值。泵的揚(yáng)程即為泵所產(chǎn)生的總水頭，其值等于泵的出口總水頭和進(jìn)口總水頭的代數(shù)差。
(3)軸功率：由原動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置傳到水泵軸上的功率，稱為水泵的軸功率，用p表示，單位為kw。

式中：q——水泵流量(m3/s)；
h——水泵揚(yáng)程 (m，p=ρgh)；
ηr——傳動(dòng)裝置效率；
ηf——水泵效率；
ηd——電動(dòng)機(jī)效率。

電動(dòng)機(jī)容量選擇：

式中：“102”——由kg.m/s變換為kw的單位變換系數(shù)。
因?yàn)樗拿芏葹?000kg/m3,所以水泵軸功率的計(jì)算公式可以簡化為：

電動(dòng)機(jī)容量選擇：(若流量的單位用“m3/s”)
(4)效率：水泵的輸出功率(有效功率)pu與輸入功率(軸功率)p之比，稱為水泵的效率或全效率，以η表示：

(5)轉(zhuǎn)速：水泵的轉(zhuǎn)速指水泵軸旋轉(zhuǎn)的速度，即單位時(shí)間內(nèi)水泵軸的轉(zhuǎn)數(shù)，以n表示，單位為rpm(r/min)或s-1(弧度/秒)。
(6)比轉(zhuǎn)速：水泵的比轉(zhuǎn)速以ny表示，用下式定義：

作為性能參數(shù)的比轉(zhuǎn)速是按泵最高效率點(diǎn)對應(yīng)的基本性能參數(shù)計(jì)算得出的。對于幾何相似的泵，不論其尺寸大小、轉(zhuǎn)速高低，其比轉(zhuǎn)速均是一定的。因此，比轉(zhuǎn)速也是泵分類的一種準(zhǔn)則。
(7)泵的必須氣蝕余量或泵的允許吸上真空高度
泵的必須氣蝕余量是指：為了防止泵內(nèi)氣蝕，泵運(yùn)行時(shí)在泵進(jìn)口附近的管路截面上單位重量液體所必須具有的超過汽化壓頭的富裕壓頭值，該值通常有泵制造廠規(guī)定。泵的必須氣蝕余量用(npsh)r表示,單位為米(m)。泵的允許吸上真空高度是指：為了防止泵內(nèi)氣蝕，泵運(yùn)行時(shí)在泵進(jìn)口附近的管路截面上所容許達(dá)到的最大真空高度值，該值也通常由泵制造廠規(guī)定，在不同的大氣壓力下及不同的液體溫度時(shí)需要進(jìn)行換算。泵的允許吸上真空高度用(hs)表示，單位為米(m)。
1.3 水泵的性能曲線
圖2-1所示是典型的鍋爐給水泵性能曲線(h-q)、以及效率和軸功率曲線。它是一條較為平坦的曲線，與風(fēng)機(jī)的一簇梳狀曲線不同，其出口壓力(揚(yáng)程)隨著流量的增加而單調(diào)下降，零流量時(shí)的揚(yáng)程稱為關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程。水泵的靜揚(yáng)程(hst)一般都不為零，圖2-2所示為靜揚(yáng)程占到關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程60%時(shí)的某給水泵的調(diào)速性能曲線和阻力曲線，圖2-3所示為水泵系統(tǒng)在不同靜揚(yáng)程下的軸功率流量性能曲線。

圖2-1 典型的鍋爐給水泵性能曲線

風(fēng)機(jī)的性能曲線呈梳狀，一般通過入口風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)壓，隨著風(fēng)門(葉片)開大，風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量和風(fēng)壓都沿阻力曲線增大，其等效率曲線是一組閉合的橢園。這一點(diǎn)是與水泵的性能曲線不同的：對于水泵，一般通過出口閥門調(diào)節(jié)流量和壓力，當(dāng)出口閥門開大時(shí)，流量增大，而壓力卻減?。划?dāng)閥門關(guān)小時(shí)，流量減小，壓力則增大，如圖2-1、圖2-2所示。對于水泵，閥門開度的變化改變的是阻力曲線(陡度)；而對于風(fēng)機(jī)，風(fēng)門開度(葉片角度)的變化改變的是風(fēng)機(jī)的p-q特性曲線，而與阻力曲線無關(guān)。風(fēng)機(jī)水泵所消耗的軸功率，則都與壓力和流量的乘積成正比，但風(fēng)機(jī)的軸功率隨著風(fēng)門開大而增大，而水泵則當(dāng)其流量增大到一定程度后，其軸功率隨著流量的增大增加不多甚至反而減小。
1.4 水泵拖動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
葉片式風(fēng)機(jī)、水泵的負(fù)載特性屬于平方轉(zhuǎn)矩型，即其軸上需要提供的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。風(fēng)機(jī)水泵在滿足三個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的情況下遵循相似定律；對于同一臺風(fēng)機(jī)(或水泵)，當(dāng)輸送的流體密度ρ不變，僅轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；揚(yáng)程(壓力)與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即：

風(fēng)機(jī)與水泵轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其本身性能曲線的變化可由比例定律作出，如圖2-3所示。因管路阻力曲線不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故當(dāng)轉(zhuǎn)速由n變至n/ 時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)將由m點(diǎn)變至m/點(diǎn)。
應(yīng)該注意的是：風(fēng)機(jī)水泵比例定律三大關(guān)系式的使用是有條件的，在實(shí)際使用中，風(fēng)機(jī)水泵由于受系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行工況的限制，并不能簡單地套用比例定律來計(jì)算調(diào)速范圍和估算節(jié)能效果。
當(dāng)管路阻力曲線的靜揚(yáng)程(或靜壓)等于零時(shí)，即hst=0(或pst=0)時(shí)，管路阻力曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，它與過m點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速時(shí)的相擬拋物線重合，因此，m與m＇又都是相似工況點(diǎn)，故可用比例定律直接由m點(diǎn)的參數(shù)求出m＇點(diǎn)的參數(shù)。對于風(fēng)機(jī)，其管路靜壓一般為零，故可用相似定律直接求出變速后的參數(shù)。
而對于水泵，其管路阻力曲線的靜揚(yáng)程(或靜壓)不等于零時(shí)，即hst≠0(或pst≠0)時(shí)，轉(zhuǎn)速變化前后運(yùn)行工況點(diǎn)m與m＇不是相似工況點(diǎn)，故其流量、揚(yáng)程(或全壓)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。而應(yīng)將實(shí)際工況轉(zhuǎn)化為相似工況后，才能用比例定律進(jìn)行計(jì)算。特別是對于水泵，其靜揚(yáng)程一般都很大，所以變速前后的流量比不等于轉(zhuǎn)速比，而是流量比恒大于轉(zhuǎn)速比。管路性能曲線的靜揚(yáng)程越高，水泵性能曲線和管路性能曲線的夾角就越小，則變速調(diào)節(jié)流量時(shí)，改變相同流量時(shí)的轉(zhuǎn)速變化就越小，其軸功率的減小值也越小，還有可能引起管路的水擊，因此水泵的調(diào)速節(jié)能效果要比風(fēng)機(jī)差一些。

圖2-2　某給水泵的調(diào)速性能曲線和阻力曲線

1.5 水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造能效審計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)查表
單位名稱 負(fù)載類型
聯(lián)系人 聯(lián)系電話
地 址 郵政編碼
郵 箱
設(shè)備基本參數(shù)
電動(dòng)機(jī)參數(shù) 水泵參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號/ 水 泵 型 號
額定功率(kw) 水 泵 類 型
額定電壓(kv) 額定流量 (m3/s)
額定電流(a) 額定揚(yáng)程 (m)
額定轉(zhuǎn)速(r/min) 額定轉(zhuǎn)速 (r/min)
額定效率 額定效率
額定功率因數(shù) 額定軸功率(kw)
轉(zhuǎn)子開路電壓 關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程(m)
轉(zhuǎn)子短路電流 系統(tǒng)靜揚(yáng)程(m)
電機(jī)動(dòng)類別：□同步式 □鼠籠式 □繞線式
起動(dòng)方式： □直接起動(dòng) □轉(zhuǎn)子串水電阻起動(dòng) □定子串水電阻起動(dòng) □其 它
設(shè)備運(yùn)行參數(shù)
電 動(dòng) 機(jī) 參 數(shù) 水 泵 參 數(shù)
運(yùn)行電壓 (kv) 閥門開度(參考)
運(yùn)行電流 (a) 出口流量(m3/s)
有功功率(kw.h) 出口壓力(mpa)
無功功率 (kvar) 回流流量(m3/s)
實(shí)際轉(zhuǎn)速 (rpm) 水泵轉(zhuǎn)速(rpm)
工藝流程參數(shù)
工藝數(shù)據(jù) 鍋爐負(fù)荷(t/h) 投料量(t/h)
發(fā)電量(mw) 日產(chǎn)量(t/h)
實(shí)際工況、工藝流程描述
電動(dòng)機(jī)的其它有關(guān)描述
對變頻系統(tǒng)的要求及欲實(shí)現(xiàn)的功能與效果
注：1、如果工藝上沒有此項(xiàng)，可以不填；
2、工藝數(shù)據(jù)是指此工況下能滿足工藝要求的最小數(shù)值；
3、實(shí)際工況、工藝流程描述盡量詳細(xì)清楚；
4、電動(dòng)機(jī)的其它有關(guān)描述一般是指何種類型的電機(jī)、起動(dòng)方式，有無液力耦合器等。

(a) 風(fēng)機(jī)(當(dāng)管路靜壓pst=0時(shí))

(b) 水泵(當(dāng)管路靜揚(yáng)程hst≠0時(shí))

圖2-3 轉(zhuǎn)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)(水泵)裝置運(yùn)行工況點(diǎn)的變化

作者簡介
徐甫榮(1946-) 男 1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，后在西安電子科技大學(xué)攻讀碩士研究生。畢業(yè)后國家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所工作，任總工程師，教授級高工，現(xiàn)為深圳市科陸變頻器公司工程技術(shù)總監(jiān)，享受國家特殊津貼的專家。主要從事火電廠熱工自動(dòng)化和交直流電機(jī)調(diào)速拖動(dòng)及節(jié)能技術(shù)的研究工作，在國內(nèi)外各類學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文五十余篇，專著“高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐”等兩本。

設(shè)備基本參數(shù)

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

工藝流程參數(shù)

參考文獻(xiàn)(略)

(未完待續(xù))

作 者：國家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所 徐甫榮