水环泵吸排气孔的位置对泵性能的影响
李峰，李娟，陈阳
（山东精工泵业有限公司，山东 淄博 255200）
摘 要：本文通过技改项目，理论上阐述了水环泵临界压缩比的概念及其对泵性能的影响，分析了水环泵进排气孔面积及开口位置与压缩比值的关系。当泵的运行工况超过临界压缩比后，如何通过修改内部结构将泵气流损失降低到最小以及泵的性能达到最优，对今后项目应用和系统改造具有重要参考意义。
关 键 词：水环真空泵及压缩机；临界压缩比；吸排气孔；性能
The Effect of Water Ring Vacuum Pump Vents on the Pumping Performance
Li Feng , Li Juan，Chen Yang
(Shandong Jinggong Pumps Co., Ltd, Shandong Zibo 255200)
Abstract: Through technological upgrading projects, this article theoretically elaborates the concept of critical compression ratio of water ring pump and its effects on pump performance , and analyzes the relation between vents area & vents position and compression ratio. How to minimize the flow loss and optimize the performance of water ring pump through change of internal structure when pump operates over critical compression ratio, this is of important reference significance to project application and system improvement of the future.
Key words: water ring vacuum pump and compressor; critical compression ratio; vents; performance
水环泵作为一种变容式气体输送设备，既能作为真空泵抽除气体使系统获得负压，又能压缩气体从而使系统得到正压，但无论是作为真空泵还是压缩机，其内部水环发生容积变化实现吸排气的原理是一样的，因此对于水环泵不同状态下的做功，基本可以统一划分成几个阶段来做研究。平圆盘式水环泵的工作原理是利用叶轮偏心的安装在泵体内，叶轮旋转将泵腔内的水甩向四周,在泵腔内形成不等厚的水环，由水环、相邻的叶片形成交替变化的空间来完成吸排气作用。气体输送的通道是设计在平圆盘上的大小月牙形空间，但它们的作用不仅仅是“通道”，吸排气孔开口大小及位置对泵性能的影响是非常明显的。
1 概述
内蒙古某化工企业单体回收项目中使用水环压缩机一台，设备刚开始运行时单泵抽送作业为间歇运行，水环压缩机设计参数为进气压力0.25MPa(G)、排气压力0.4Mpa(G)、输送气体量15Nm³/min左右。后因公司扩产，反应釜由原先的1个增加为2个，间歇运行改为连续进料，输送气量明显增加，进排气压力有所升高。由于扩产引起的该工艺段明显变化反应为水环压缩机超负荷运行，超电流现象严重。
经我公司拆检发现，该水环压缩机设计机构为单吸单排、一级叶轮、平圆盘式、双端面集装式密封，是典型的单级液环压缩机。该泵前圆盘进气月牙形空间开口面积很大，而后圆盘排气孔明显偏小，其结构如图1所示，此结构增加了压缩区间、增大了压缩比，因此配套电机功率也有所加大。单级水环压缩机设计排气压力一般在0.3MPa(G)以下且入口是微正压状态，而该泵应用的前后压力值均超过了这一范围。
图1 单级水环压缩机典型结构
Fig.1 Typical structure of single-stage water ring compressor
2 理论分析
2.1 水环泵运动规律分析
图2是水环泵液流剖面图，图中：R泵体半径；r1叶轮轮毂半径；r2叶轮外圆半径；i叶轮半径比，i=r1/r2；ρ泵体断面；Ø1吸气口起始角；Ø2吸气口终止角；Ø3排气口起始角；e叶轮偏心距；ω叶片旋转角速度。
图2 水环真空泵（及压缩机）液流剖面图
Fig.2 Cross-section drawing of pump liquid flow
根据水环泵气液运动规律，我们可参照图2来分析泵运行时各个区间的情况，从而制定解决方案。如图2所示，水环泵运行时气体会经过三个阶段：A-B段为吸气阶段，叶轮把动能传递给液环；B-C段为压缩阶段，液环动能逐渐转换为气体压缩能，此阶段的区间大小决定了气体排出泵腔的压力，也影响泵的压缩比；C-D段为排气阶段，大部分压缩气体顺利通过排气孔排出泵腔，少部分通过D-A区间泄漏回流到吸气端，此阶段直接决定了泵的效率，而C-D区间的起始角度选取也直接影响B-C区间的大小，因此圆盘排气口的设计是非常重要的。
2.2 临界压缩比
当泵的圆盘外径确定后，我们总希望吸排气面积尽可能的做大，这样有利于输送更多的气体，但如果吸排气月牙孔尺寸都做的大了，它们之间的压缩区间就相对小了，这样的结果是气体得不到对应的压缩能量，因此整机得不到理想的效率。压缩比是指水环泵内气体在不同角度下的绝对压力比值，由于水环泵内接近等温压缩，因此气体在不同角度下的压缩比σ可近似看成是压缩气体的体积反比，即
（1）
式中：P1—————通过吸气阶段吸入的气体绝对压力，等同于EF处压力；
P2—————通过Ø3的气体绝对压力；
V1—————通过吸气阶段吸入的气体体积；
V2—————通过Ø3的气体绝对体积；
V2为角度为Ø3时气体体积，可知压缩比是随着排气孔Ø的变化而变化的，即σ=f (Ø)。由伯努利方程可得到：
（2）
假设叶片与水环形成的气体体积是用水来填充，则利用体积流量相等的原则，可得到式(3)中的流量关系
（3）
令
则将上述公式整理得：
(4)
对式(4)左右两部分进行作图求解，如图3所示。图中y1对应为两条曲线，y2对应为一条直线，通过图解法解此方程，得到解a、b、c三个点。显然a点为负值，不可能是正解，剩下b点和c点。c点的情况，当排气孔Ø角度增大时，压缩比σ减小，不符合规律。b点根据曲线坐标来看，恰好符合压缩比随排气角度增大而升高的实际特点，因此b点即为压缩比的值。由于A=f(Ø)随着Ø变化而变化，因此当直线与第一象限的曲线相切时，可求得最大值，即得到的σ值为最大压缩比，又称临界压缩比。
图3 图解法
Fig.3 Graphical method
对每一台泵而言都有一个临界压缩比，它的存在说明在保证泵理论气量不变的情况下，泵压缩气体的能力是有限的。液环不断把能量传递给压缩腔，使气体压缩，当液环转到圆盘排气口某排气角度的时候，压缩比上升达到临界值。若超过此临界值，压缩能必将迫使水环占据一定排气空间，造成压缩比增大，但排气反而不畅，动力损失造成泵气量及效率同时下降，功率损耗增大。当气量等于零时压缩比是最大的，但此时水环压缩机运行没有任何意义。
2.3 吸排气孔影响
前面曾提到，水环泵吸气孔的主要作用是通道，通道过大则气体阻力增加、泄漏率增加、效率下降；通道过小则泵气量得不到提升，影响性能。对于压缩机而言，在进气充足的工况下，排气孔对泵性能的影响要远远高于吸气孔，主要体现在临界压缩比和功率消耗方面。
图4 性能曲线
Fig.4 Performance curve
为了降低水环泵气体动力损失，使压缩气体顺利排出泵腔，而不是通过径向间隙泄漏到进气端，气流通过排气孔的面积大小应合适。本文案例中的水环压缩机，即是大量气体涌入水环泵内而无法及时排除，超过临界压缩比造成背压过高显现的问题。针对案例中出现的现象，在原有圆盘进排气孔不变的基础上，通过在进气孔终止角处覆盖板以改变进气面积、在排气孔周围钻孔来加大排气面积的方法，将每次不同吸排气型线装配后进行性能测试，得到试验数据及分析如表1所示：
表1 试验数据及分析
Table 1 Test data and analysis
由以上分析可得：曲线①使用原始尺寸的进排气孔，其工况已超过设计的临界压缩比值，因此在高排气压力时，气量衰减严重，并且在超过0.3Mpa(G)以后轴功率明显上升，超电流；曲线②通过调整进排气口面积，使得压缩比接近临界压缩比，牺牲部分气量，但可将功率控制在电机配套范围内；曲线③大幅调整进排气口比例，轴功率明显下降了，但由于进气口通道减小了，因此气量大幅下降，气体损失增大，泵效率会有明显下降。
3 解决方案
影响泵输出轴功率的因素很多，但在此案例中，电机功率、转速、泵部件尺寸都已确定。在不做基础管路等大改动的前提下，进行技术改进的最经济办法就是将泵吸排气孔做曲线②的改造，当排气孔面积增大、压缩比降低至临界压缩比以内时，可有效降低泵的气动损失。但155kW的轴功率相对160kW的电机功率安全性偏低，可继续通过车削叶轮外径、泵体内径衬板的方式来进一步降低电机轴功率，以达到安全裕量以内。这种解决方案会降低一部分气量，但相对来说影响不大。经试验验证，本案例中压缩机在外径车削10mm、泵腔内径衬板8mm后，气量衰减不大，排气压力在0.6Mpa时仍可安全工作，满足客户使用要求，达到技术改进的预期效果。
4 结论
由相关试验可知，泵吸气量随着压缩比的增加而降低，当超过临界压缩比后，水环泵的效率会明显下降。通过更改分配盘吸排气孔面积，可有效降低泵的泄漏及水力损耗。针对不同工况选择适宜的进排气孔，对于提高水环泵运行效率具有很高的实用价值。
参考文献
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