本文通過技改項(xiàng)目，理論上闡述了水環(huán)泵臨界壓縮比的概念及其對泵性能的影響，分析了水環(huán)泵吸排氣孔面積及開口位置與壓縮比值的關(guān)系。當(dāng)泵的運(yùn)行工況超過臨界壓縮比后，如何通過修改內(nèi)部結(jié)構(gòu)將泵氣流損失降低到最小以及泵的性能達(dá)到最優(yōu)，對今后項(xiàng)目應(yīng)用和系統(tǒng)改造具有重要參考意義。

　　水環(huán)泵作為一種變?nèi)菔綒怏w輸送設(shè)備，既能作為真空泵抽除氣體使系統(tǒng)獲得負(fù)壓，又能作為壓縮機(jī)壓縮氣體從而使系統(tǒng)得到正壓，但無論是作為真空泵還是壓縮機(jī)，其內(nèi)部水環(huán)發(fā)生容積變化實(shí)現(xiàn)吸排氣的原理是一樣的，因此對于水環(huán)泵不同狀態(tài)下的做功，基本可以統(tǒng)一劃分成幾個(gè)階段來做研究。平圓盤式水環(huán)泵的工作原理是利用葉輪偏心的安裝在泵體內(nèi)，葉輪旋轉(zhuǎn)將泵腔內(nèi)的水甩向四周，在泵腔內(nèi)形成不等厚的水環(huán)，由水環(huán)、相鄰的葉片形成交替變化的空間來完成吸排氣作用。氣體輸送的通道是設(shè)計(jì)在平圓盤上的大小月牙形空間，但它們的作用不僅僅是“通道”，吸排氣孔開口大小及位置對泵性能的影響是非常明顯的。

1、概述

　　內(nèi)蒙古某化工企業(yè)單體回收項(xiàng)目中使用水環(huán)壓縮機(jī)一臺，設(shè)備剛開始運(yùn)行時(shí)單泵抽送作業(yè)為間歇運(yùn)行，水環(huán)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為進(jìn)氣壓力0.25MPa (G)、排氣壓力0.4MPa (G)、輸送氣體量15Nm³/min 左右。后因公司擴(kuò)產(chǎn)，反應(yīng)釜由原先的1 個(gè)增加為2 個(gè)，間歇運(yùn)行改為連續(xù)進(jìn)料，輸送氣量明顯增加，進(jìn)排氣壓力有所升高。由于擴(kuò)產(chǎn)引起的該工藝段明顯變化反應(yīng)為水環(huán)壓縮機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，超電流現(xiàn)象嚴(yán)重。

　　經(jīng)我公司拆檢發(fā)現(xiàn)，該水環(huán)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為單吸單排、一級葉輪、平圓盤式、雙端面集裝式密封，是典型的單級水環(huán)壓縮機(jī)。該泵前圓盤吸氣月牙形空間開口面積很大，而后圓盤排氣孔明顯偏小，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，此結(jié)構(gòu)增加了壓縮區(qū)間、增大了壓縮比，因此配套電機(jī)功率也有所加大。單級水環(huán)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)排氣壓力一般在0.3MPa(G)以下且入口是微正壓狀態(tài)，而真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為該泵應(yīng)用的前后壓力值均超過了這一范圍。

圖1 單級水環(huán)壓縮機(jī)典型結(jié)構(gòu)

2、理論分析

　　2.1、水環(huán)泵運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

　　圖2 是水環(huán)泵液流剖面圖，圖中：R 泵體半徑；r1 葉輪輪轂半徑；r2 葉輪外圓半徑；i 葉輪半徑比，i=r1/r2；ρ 泵體斷面；φ1 吸氣口起始角；φ2 吸氣口終止角；φ3 排氣口起始角；e 葉輪偏心距；ω葉片旋轉(zhuǎn)角速度。

圖2 水環(huán)真空泵(及壓縮機(jī))液流剖面圖

　　根據(jù)水環(huán)泵氣液運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可參照圖2來分析泵運(yùn)行時(shí)各個(gè)區(qū)間的情況，從而制定解決方案。如圖2 所示，水環(huán)泵運(yùn)行時(shí)氣體會經(jīng)過三個(gè)階段：A-B 段為吸氣階段，葉輪把動(dòng)能傳遞給水環(huán)；B-C 段為壓縮階段，水環(huán)動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換為氣體壓縮能，此階段的區(qū)間大小決定了氣體出泵腔的壓力，也影響泵的壓縮比；C-D 段為排氣階段，大部分壓縮氣體順利通過排氣孔排出泵腔，少部分通過D-A 區(qū)間泄漏回流到吸氣端，此階段直接決定了泵的效率，而C-D 區(qū)間的起始角度選取也直接影響B(tài)-C 區(qū)間的大小，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為圓盤排氣口的設(shè)計(jì)是非常重要的。

3、解決方案

　　影響泵輸出軸功率的因素很多，但在此案例中，電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、泵部件尺寸都已確定。在不做基礎(chǔ)管路等大改動(dòng)的前提下，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的最經(jīng)濟(jì)辦法就是將泵吸排氣孔做曲線②的改造，當(dāng)排氣孔面積增大、壓縮比降低至臨界壓縮比以內(nèi)時(shí)，可有效降低泵的氣體損失。但155 kW 的軸功率相對160 kW 的電機(jī)功率安全性偏低，可繼續(xù)通過車削葉輪外徑、泵體內(nèi)徑襯板的方式來進(jìn)一步降低電機(jī)軸功率，以達(dá)到安全裕量以內(nèi)。這種解決方案會降低一部分氣量，但相對來說影響不大。

　　經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本案例中壓縮機(jī)在外徑車削10 mm、泵腔內(nèi)徑襯板8 mm 后，氣量衰減不大，排氣壓力在0.6 MPa 時(shí)仍可安全工作，滿足客戶使用要求，達(dá)到技術(shù)改進(jìn)的預(yù)期效果。

4、結(jié)論

　　由相關(guān)試驗(yàn)可知，泵吸氣量隨著壓縮比的增加而降低，當(dāng)超過臨界壓縮比后，水環(huán)泵的效率會明顯下降。通過更改圓盤吸排氣孔面積，可有效降低泵的泄漏及氣體損耗。針對不同工況選擇適宜的吸排氣孔，對于提高水環(huán)泵運(yùn)行效率具有很高的實(shí)用價(jià)值。