现代制造技术与装
备
2017第7期总第248期
卧式离心泵配自吸罐的引水装置的设计要点
宋令芹
烟台264100）（烟台恒邦泵业有限公司，
摘要：文章介绍了卧式离心泵配带自吸罐代替液下泵使用的原因，针对自吸罐引水装置在运行中存在的
并着重从离心泵的汽蚀余量，确定问题，从设计选用及装置要点两方面进行阐述，波义耳定律等角度进行计算，自吸罐的尺寸。
关键词：自吸罐
伯努利方程
波义耳定律
汽蚀余量
引言
液下泵采用立式结构，一般安装在介质池的顶盖上，液下泵使用时必须将泵体和叶轮浸在液面以下，才能起现场操作具有一动，且维修时需要将整机泵吊出介质池，定的难度；另外，现场一般坑深都在3m 以上，为满足现场使用，液下泵轴大都较长，如果现场的实际运行点偏离泵的设计点范围较大时，泵轴在承受较大的径向力的情况通常下，会产生较大的振动，影响泵的可靠性与稳定性，表现为断轴或滑动轴承损坏频繁等现象。采用卧式离心泵配带自吸罐，则可避免上述问题。1自吸罐主要构成及工作原理
出水管、放空管、灌水自吸罐主要有罐体、进水管、按照管、排气管等构成，整个罐体在工作过程中呈负压，压力容器进行设计制造。如图1所示。
个稳定的液面，满足泵连续运行。
关闭泵后，用冲洗水管对泵及自吸罐进行反冲洗，防则再止泵及罐内浆液沉积，而罐内液位始终高于泵进口，即可起动。次起动时不需再灌泵，2自吸罐尺寸的确定
（1）水泵正常运行时自吸罐内空气的绝对压力的确定。已知水泵流量Q=250m3/h，扬程H=20m，水泵必须汽蚀余量NPSHr=2.5m，泵轴中心高度3m ，自吸高度要求为5m 。当地大气压为10.3m 水柱，工作温度：40℃，水的饱和蒸汽压力为0.737m 。自吸罐的设计首先涉及到容积及相关尺寸的确定，其容积由三部分组成，如图2所示。
图2水泵启动前后液位变化及罐内压力变化情况
V=V1+V2+V3
式中，V 为自吸罐容积，m 3；V 1为自吸罐初次灌满水时罐内空气的容积，m 3；V 2为自吸罐内空气压强由P a (为本地大气压) 降到P 1，两水面间的容积，m 3；V 3为保护容积，m 3。
如图2所示，水泵启动前先充水至2-2断面，此时灌
图1
自吸罐示意图
内空气压强为当地大气压P a ，然后启动水泵至正常运行状态时，水位降到3-3断面，罐内空气压强降至P 1。
根据伯努利方程[1]：
P a +v a 2+ha+P b +v b 2+h+h
b s
推导出水泵列出3-3断面到水泵入口处的能量方程，正常运行时自吸罐内空气的绝对压力P 1：
P 1+v 12+ha+P 2+v 22+h+h
b s2
式中，ν1为自吸罐内水的流速，m/s；ν2为水泵入口处水的流速，m/s；P 2为水泵入口处的绝对压力，P a ；H a 为水泵正常运行时自吸罐内液位到底座高度，m ；h b 为泵轴到底座的高度，m ；h s2为水从自吸罐到泵入口处的水头损失，m 。
自吸罐的其中，自吸罐的出水管与卧式泵进口连接，进水管接吸入管和吸入池相连接。离心泵起动前，打开灌同时打开排气管阀门。水位水管阀门，向自吸罐内灌水，准备启上升至进水管顶部时，关闭灌水管和排气管阀门，泵。泵起动后会将自吸罐内部分液体排出，自吸罐液位下降，由于罐体为密封容器，下降后罐体内空气容积变大，在温度不变和空根据波义耳定律可知，一定质量的气体，间密闭情况下，气体随着容积的不断变大压力不断降低，大气压便会造成自吸罐内顶部真空，形成一定的真空度，不断把介质池内的介质压进自吸罐内形成循环，始终保持罐内液位高于泵吸入口液位，此时自吸罐的出水管不最终达到平衡，并形成一断在排水，进水管不断在进水，
设计与研究
考虑水泵NPSHr 的安全余量为0.5m ，则p2
/pg =2.5+0.5+0.737=3.737m；
水泵入口法兰直径为DN200mm ，设计时将自吸罐的进水管和出水管的法兰直径d p 取为与水泵入口法兰直径相同，因此自吸罐进水管、出水管流速与水泵入口处的流速ν2一致，ν2=250/3600÷（3.14×0.12）=2.2m/s。根据水泵的安装尺寸图暂定自吸罐的直径为φ1200mm ，自吸罐内水的流速ν1=250/3600÷（3.14×0.62）=0.06m/s。
h （1自吸罐进水管到自吸罐罐顶的距离，m ）和h （3水泵正常工作时自吸罐内液面到罐底的距离，m ）根据自吸罐构造确定，建议h1=0.1～0.15mm ，此次设计取为h 1=0.15mm，h 3=3dp[2]（dp 为自吸罐出水管直径，一般与离心泵吸入口直径相同，在一些手册和文献当中，是高出泵进口管0.2m ，是0.2m 合理还是3倍管直径合理，有待项目实际运行论证）
。则h a ≈0.6+3=3.6m。h s2=沿程水头损失+局部水头损失≈2.22×1/(2×9.8)=0.25m。
则p 1/pg=3.737+2.22/(2×9.8)+3+0.25-0.062/(2×9.8) -3.6=3.64m。
（2）自吸罐内空气压强由P a 降到P 1，两水面间的距离h 2的确定。根据波义耳定律写出断面0-0和1-1能量方程以0-0断面为基准面）：
P （a Vg +V1）=P（1V 1+V2）
V g =3.14×0.12×（5+3）=0.2512m3，V 1=3.14×0.62×0.15=0.17m3，则V 2=10.3×(0.2512+0.17)/3.64-0.17=1.02m 3，h 2=1.02/(3.14×0.62)=0.9m3验证
（1）自吸罐实际运行过程中罐内真空度Pk 。用户提供自吸罐进水管前水平布置管路L 长约3m ，根据Re 及管路的相对粗糙度，查莫迪图得出λ=0.022，可计算出自吸罐进水管的水头损失h s1，h s1=［0.022×（5+3）/0.2+0.3］×2.22/(2×9.8)=0.295m，则Pk=10.3-5-0.295-2.22/(2×9.8) =4.755m。
（2）自吸罐内水泵正常运行时液面到罐底的的高度h 3。根据波义耳定律推算出水泵正常运行时自吸罐内空气体积V 。
V=10.3×(0.2512+0.17)/4.755=0.91m
3
则：h 3=5+0.15-3-0.91/(3.14×0.62)=1.34m。
（3）有效汽蚀余量NPSHa 。对3-3断面和水泵入口进行伯努利计算，
得出：NPSHa=4.755+1.34+0.062/(2×9.8)-0.25-2.22/(2×9.8)=5.67m
NPSHa 大于NPSHr 近3m ，说明离心泵在此情况下完全满足泵的安装要求，保证泵不会发生汽蚀。4注意要点
（1）初定D ，h/D不宜过大，建议h/D=1.2～1.5为宜，以降低Pk 值。
（2）用自吸罐在用于输送循环冷却水或某些水温较高的工业废水时，要特别注意水温这个条件，以免水泵产生气蚀，当依照流量和扬程选好水泵后，要根据实际水温对水泵的允许吸上真空度Hs 进行修正，使修正后的Hs 不得小于Pk ，否则会产生气蚀，破坏水泵正常工作。5结论
用卧式离心泵配自吸罐代替液下泵，
避免了液下泵长度需要受坑深影响而调整长度，且维修时不用将泵从坑内抽出，直接在地面上进行维修，减少了工作量[3]。自吸罐在正常情况下优先适用于小型离心泵，随着泵的流量扬程变化，自吸罐的整体尺寸也在变大，不利于安装位置受限的场所；在实际的设计过程中，自吸罐容积确定方面要正确计算，同时要注意其它条件，如水温、吸水高度等情况。罐体制作过程中，应严格控制罐体的气密性，否则难以保证自吸罐的连续运行，有可能造成泵的汽蚀产生。
参考文献
[1]关醒凡. 现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011. [2]田庆来，刘永新. 自吸罐的设计[J].化工设计通讯，2002,28
（4）：56-58.GM.
[3]路春谦，宋莉花. 卧泵配自吸罐代替液下泵的应用分析[J].城
建/水工业通用机械，2014, （2）：79-80.GM.
The Design Points of Water Diversion Device for Horizontal Centrifugal Pump With self Suction Tank
SONG Lingqin
(YantaiHumon Pump Industry CO.,LTD,Yantai 264100) Abstract ：The
article
introduces
the
reasons
of
horizontal
centrifugal pump with self suction tank instead of submerged pump. It is expounds from two aspects of design, selection and installation in view of the problems existing in the operation of the water diversion device of the self-priming tank. It focuses on the calculation of the centrifugal pump ’s NPSH and Boyle ’s law and determines the dimensions of the self suction tan.
Key words ：self suction tank, Bernoulli equation, Boyle ’s law, NPSH
（
现代制造技术与装
备
2017第7期总第248期
卧式离心泵配自吸罐的引水装置的设计要点
宋令芹
烟台264100）（烟台恒邦泵业有限公司，
摘要：文章介绍了卧式离心泵配带自吸罐代替液下泵使用的原因，针对自吸罐引水装置在运行中存在的
并着重从离心泵的汽蚀余量，确定问题，从设计选用及装置要点两方面进行阐述，波义耳定律等角度进行计算，自吸罐的尺寸。
关键词：自吸罐
伯努利方程
波义耳定律
汽蚀余量
引言
液下泵采用立式结构，一般安装在介质池的顶盖上，液下泵使用时必须将泵体和叶轮浸在液面以下，才能起现场操作具有一动，且维修时需要将整机泵吊出介质池，定的难度；另外，现场一般坑深都在3m 以上，为满足现场使用，液下泵轴大都较长，如果现场的实际运行点偏离泵的设计点范围较大时，泵轴在承受较大的径向力的情况通常下，会产生较大的振动，影响泵的可靠性与稳定性，表现为断轴或滑动轴承损坏频繁等现象。采用卧式离心泵配带自吸罐，则可避免上述问题。1自吸罐主要构成及工作原理
出水管、放空管、灌水自吸罐主要有罐体、进水管、按照管、排气管等构成，整个罐体在工作过程中呈负压，压力容器进行设计制造。如图1所示。
个稳定的液面，满足泵连续运行。
关闭泵后，用冲洗水管对泵及自吸罐进行反冲洗，防则再止泵及罐内浆液沉积，而罐内液位始终高于泵进口，即可起动。次起动时不需再灌泵，2自吸罐尺寸的确定
（1）水泵正常运行时自吸罐内空气的绝对压力的确定。已知水泵流量Q=250m3/h，扬程H=20m，水泵必须汽蚀余量NPSHr=2.5m，泵轴中心高度3m ，自吸高度要求为5m 。当地大气压为10.3m 水柱，工作温度：40℃，水的饱和蒸汽压力为0.737m 。自吸罐的设计首先涉及到容积及相关尺寸的确定，其容积由三部分组成，如图2所示。
图2水泵启动前后液位变化及罐内压力变化情况
V=V1+V2+V3
式中，V 为自吸罐容积，m 3；V 1为自吸罐初次灌满水时罐内空气的容积，m 3；V 2为自吸罐内空气压强由P a (为本地大气压) 降到P 1，两水面间的容积，m 3；V 3为保护容积，m 3。
如图2所示，水泵启动前先充水至2-2断面，此时灌
图1
自吸罐示意图
内空气压强为当地大气压P a ，然后启动水泵至正常运行状态时，水位降到3-3断面，罐内空气压强降至P 1。
根据伯努利方程[1]：
P a +v a 2+ha+P b +v b 2+h+h
b s
推导出水泵列出3-3断面到水泵入口处的能量方程，正常运行时自吸罐内空气的绝对压力P 1：
P 1+v 12+ha+P 2+v 22+h+h
b s2
式中，ν1为自吸罐内水的流速，m/s；ν2为水泵入口处水的流速，m/s；P 2为水泵入口处的绝对压力，P a ；H a 为水泵正常运行时自吸罐内液位到底座高度，m ；h b 为泵轴到底座的高度，m ；h s2为水从自吸罐到泵入口处的水头损失，m 。
自吸罐的其中，自吸罐的出水管与卧式泵进口连接，进水管接吸入管和吸入池相连接。离心泵起动前，打开灌同时打开排气管阀门。水位水管阀门，向自吸罐内灌水，准备启上升至进水管顶部时，关闭灌水管和排气管阀门，泵。泵起动后会将自吸罐内部分液体排出，自吸罐液位下降，由于罐体为密封容器，下降后罐体内空气容积变大，在温度不变和空根据波义耳定律可知，一定质量的气体，间密闭情况下，气体随着容积的不断变大压力不断降低，大气压便会造成自吸罐内顶部真空，形成一定的真空度，不断把介质池内的介质压进自吸罐内形成循环，始终保持罐内液位高于泵吸入口液位，此时自吸罐的出水管不最终达到平衡，并形成一断在排水，进水管不断在进水，
设计与研究
考虑水泵NPSHr 的安全余量为0.5m ，则p2
/pg =2.5+0.5+0.737=3.737m；
水泵入口法兰直径为DN200mm ，设计时将自吸罐的进水管和出水管的法兰直径d p 取为与水泵入口法兰直径相同，因此自吸罐进水管、出水管流速与水泵入口处的流速ν2一致，ν2=250/3600÷（3.14×0.12）=2.2m/s。根据水泵的安装尺寸图暂定自吸罐的直径为φ1200mm ，自吸罐内水的流速ν1=250/3600÷（3.14×0.62）=0.06m/s。
h （1自吸罐进水管到自吸罐罐顶的距离，m ）和h （3水泵正常工作时自吸罐内液面到罐底的距离，m ）根据自吸罐构造确定，建议h1=0.1～0.15mm ，此次设计取为h 1=0.15mm，h 3=3dp[2]（dp 为自吸罐出水管直径，一般与离心泵吸入口直径相同，在一些手册和文献当中，是高出泵进口管0.2m ，是0.2m 合理还是3倍管直径合理，有待项目实际运行论证）
。则h a ≈0.6+3=3.6m。h s2=沿程水头损失+局部水头损失≈2.22×1/(2×9.8)=0.25m。
则p 1/pg=3.737+2.22/(2×9.8)+3+0.25-0.062/(2×9.8) -3.6=3.64m。
（2）自吸罐内空气压强由P a 降到P 1，两水面间的距离h 2的确定。根据波义耳定律写出断面0-0和1-1能量方程以0-0断面为基准面）：
P （a Vg +V1）=P（1V 1+V2）
V g =3.14×0.12×（5+3）=0.2512m3，V 1=3.14×0.62×0.15=0.17m3，则V 2=10.3×(0.2512+0.17)/3.64-0.17=1.02m 3，h 2=1.02/(3.14×0.62)=0.9m3验证
（1）自吸罐实际运行过程中罐内真空度Pk 。用户提供自吸罐进水管前水平布置管路L 长约3m ，根据Re 及管路的相对粗糙度，查莫迪图得出λ=0.022，可计算出自吸罐进水管的水头损失h s1，h s1=［0.022×（5+3）/0.2+0.3］×2.22/(2×9.8)=0.295m，则Pk=10.3-5-0.295-2.22/(2×9.8) =4.755m。
（2）自吸罐内水泵正常运行时液面到罐底的的高度h 3。根据波义耳定律推算出水泵正常运行时自吸罐内空气体积V 。
V=10.3×(0.2512+0.17)/4.755=0.91m
3
则：h 3=5+0.15-3-0.91/(3.14×0.62)=1.34m。
（3）有效汽蚀余量NPSHa 。对3-3断面和水泵入口进行伯努利计算，
得出：NPSHa=4.755+1.34+0.062/(2×9.8)-0.25-2.22/(2×9.8)=5.67m
NPSHa 大于NPSHr 近3m ，说明离心泵在此情况下完全满足泵的安装要求，保证泵不会发生汽蚀。4注意要点
（1）初定D ，h/D不宜过大，建议h/D=1.2～1.5为宜，以降低Pk 值。
（2）用自吸罐在用于输送循环冷却水或某些水温较高的工业废水时，要特别注意水温这个条件，以免水泵产生气蚀，当依照流量和扬程选好水泵后，要根据实际水温对水泵的允许吸上真空度Hs 进行修正，使修正后的Hs 不得小于Pk ，否则会产生气蚀，破坏水泵正常工作。5结论
用卧式离心泵配自吸罐代替液下泵，
避免了液下泵长度需要受坑深影响而调整长度，且维修时不用将泵从坑内抽出，直接在地面上进行维修，减少了工作量[3]。自吸罐在正常情况下优先适用于小型离心泵，随着泵的流量扬程变化，自吸罐的整体尺寸也在变大，不利于安装位置受限的场所；在实际的设计过程中，自吸罐容积确定方面要正确计算，同时要注意其它条件，如水温、吸水高度等情况。罐体制作过程中，应严格控制罐体的气密性，否则难以保证自吸罐的连续运行，有可能造成泵的汽蚀产生。
参考文献
[1]关醒凡. 现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011. [2]田庆来，刘永新. 自吸罐的设计[J].化工设计通讯，2002,28
（4）：56-58.GM.
[3]路春谦，宋莉花. 卧泵配自吸罐代替液下泵的应用分析[J].城
建/水工业通用机械，2014, （2）：79-80.GM.
The Design Points of Water Diversion Device for Horizontal Centrifugal Pump With self Suction Tank
SONG Lingqin
(YantaiHumon Pump Industry CO.,LTD,Yantai 264100) Abstract ：The
article
introduces
the
reasons
of
horizontal
centrifugal pump with self suction tank instead of submerged pump. It is expounds from two aspects of design, selection and installation in view of the problems existing in the operation of the water diversion device of the self-priming tank. It focuses on the calculation of the centrifugal pump ’s NPSH and Boyle ’s law and determines the dimensions of the self suction tan.
Key words ：self suction tank, Bernoulli equation, Boyle ’s law, NPSH
（