多级中开泵流量越大效率越高——是基本正确的,但需要加上一个重要的前提:在低于更佳效率点流量的范围内,更准确的表述是:多级中开泵的效率会随着流量增加而上升,达到一个高点,然后当流量继续增大超过这个点时,效率则会开始下降。下面我们来详细解释为什么在达到效率点之前,流量增大会导致效率升高。
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一、效率的构成
泵的效率是泵的有效功率(用于输送液体的功率)与轴功率(电机输入给泵的功率)的比值。即:η = (有效功率 / 轴功率) × 100%。
能量损失主要来自三个方面:
水力损失:液体在泵内流动时与流道壁面的摩擦损失、以及因流速和方向改变产生的涡流和冲击损失。
容积损失:泵内的高压区与低压区之间存在间隙(如叶轮口环间隙、级间间隙),一部分已获得能量的液体会从高压区泄漏回低压区,这部分液体做了无用功。
机械损失:轴承、轴封等机械部件之间的摩擦损失。
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二、流量增大如何影响这三种损失(在效率点之前)
1、水力损失的相对降低(关键原因)
这是效率随流量增加而提高的最主要原因。水力损失又可分为两部分:
摩擦损失:与流量的平方大致成正比。流量越大,摩擦损失绝对值的确越大。
冲击损失:在设计流量下,液体进入叶轮和导叶的角度与叶片的角度完美匹配,冲击损失小。当流量偏离设计流量时(无论偏大还是偏小),液体流入角度与叶片角度不匹配,会产生严重的涡流和冲击,导致冲击损失急剧增大。
核心逻辑在于:
在小流量工况下,冲击损失非常巨大。虽然摩擦损失小了,但巨大的冲击损失占据了地位。
当流量向设计流量靠近时,冲击损失会迅速减小。虽然摩擦损失在绝对值上有所增加,但冲击损失减小的幅度远远超过摩擦损失增加的幅度。
因此,总的水力损失在达到效率点之前是逐渐减小的。由于总水力损失占总功率的比例下降,所以泵效率就提高。
2、容积损失的相对影响减小
泵的泄漏量(容积损失)在一定的转速和压力下是相对固定的。假设泄漏流量是固定的5立方米/小时。
当泵在小流量(例如50立方米/小时)下运行时,有效输出流量是50,但叶轮实际输送了50+5=55。效率为 50 / 55 ≈ 90.9%。
当泵在大流量(例如200立方米/小时)下运行时,有效输出流量是200,叶轮实际输送了200+5=205。效率为 200 / 205 ≈ 97.6%。
可以看到,固定的泄漏量占总流量的比例变小了,因此容积效率提高了。
3、机械损失的影响
机械损失(轴承、密封摩擦)主要与转速有关,在转速不变的情况下,它基本是一个固定值。当流量增加,泵的有效功率增大时,这个固定的机械损失所占的比例就会变小,从而有助于整体效率的提升。
三、为什么效率曲线呈“驼峰形”?
将上述因素结合起来,就得到了典型的离心泵效率-流量曲线(驼峰形曲线):
低流量区:冲击损失和固定的机械、容积损失占比很大,效率很低。
效率上升区:随着流量增加,冲击损失显著降低,固定损失占比减小,效率快速升高。
佳效率点(BEP):总损失最小,效率达到最高。此时水力设计、容积效率和机械效率达到平衡。
高流量区:流量超过BEP后,摩擦损失开始以平方关系急剧增大,并且液体流速过快可能产生二次涡流等新的水力损失,这些损失的增大开始超过其他损失的减小,导致总损失增加,效率下降。
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