泵是可逆式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，泵反向用作透平運(yùn)行稱為泵作透平（pump as turbine，pat），泵作透平是液力透平或水力透平的一種類型。泵正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低壓液體從吸入口進(jìn)入葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)液體做功，泵軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能和動(dòng)能，蝸殼收集高速流體并將液體具有的動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能，高壓流體從蝸殼出口位置排出，如圖1a所示。泵反向運(yùn)轉(zhuǎn)作透平運(yùn)行時(shí)內(nèi)部流動(dòng)方向與泵內(nèi)流動(dòng)方向相反，高壓液體從蝸殼進(jìn)入，流體沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)葉輪做功，液體的壓力能轉(zhuǎn)化為軸系的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，最后從葉輪出口流出，如圖1b所示。

圖1 泵和泵作透平示意圖

a）泵；b）泵作透平

普通離心泵外特性曲線如圖2a所示，泵作透平時(shí)的外特性曲線如圖2b所示，透平的揚(yáng)程和軸功率隨流量的增加而增加，效率在高效點(diǎn)之前隨著流量的增加迅速增加，高效點(diǎn)之后隨流量增加緩慢減小。在流量小于30%~40%額定流量左右時(shí)，透平不產(chǎn)生功率，所消耗的液體壓力能主要用于克服透平內(nèi)部的各種損失。根據(jù)透平的外特性曲線，通常選用小透平在大流量工況下運(yùn)行，這樣當(dāng)系統(tǒng)流量減小時(shí)，透平的軸功率不至于迅速下降甚至成為負(fù)載。泵作透平運(yùn)行時(shí)最高效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程和軸功率通常高于泵工況最高效率點(diǎn)的流量、揚(yáng)程和軸功率。

圖2 泵和泵作透平外特性曲線

（1）價(jià)格較低

由于泵分布廣泛、沒有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于水輪機(jī)而言，泵的設(shè)計(jì)、制造成本較低，這是選用泵作透平的一個(gè)重要因素之一。

（2）體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

微型沖擊式水輪機(jī)一般通過布置噴嘴的數(shù)量和噴嘴的位置等來實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。微型反擊式水輪機(jī)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)的調(diào)節(jié)。泵作透平無調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其流量調(diào)節(jié)主要是通過進(jìn)出口管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，因此具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。

（3）分布廣泛

泵在全球范圍內(nèi)都有分布，分布較為廣泛，相應(yīng)零部件、易損件等分布也較為廣泛。

（4）制造、使用和維修方便

泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易安裝、易操作、易維修的特點(diǎn)。泵作透平也具有與泵相同的優(yōu)點(diǎn)。

（5）流量、揚(yáng)程范圍廣

泵的類型多樣性，相應(yīng)泵作透平時(shí)的流量、揚(yáng)程覆蓋范圍較為寬廣。

泵作透平是液體壓力能利用機(jī)械，在有流體壓力降的地方，可以考慮使用泵作透平開發(fā)利用液體壓力能。常見的泵作透平應(yīng)用場(chǎng)合有以下幾個(gè)方面。

（1）工業(yè)流程

在工業(yè)流程中，有些反應(yīng)必須在高壓條件下才能進(jìn)行，高壓反應(yīng)之后又需要對(duì)輸送介質(zhì)降壓，泵作透平可應(yīng)用于這類系統(tǒng)中，回收利用系統(tǒng)中的壓力能。常見的應(yīng)用場(chǎng)合如下：

a）加氫裂化流程中，進(jìn)料罐壓力為100~140mpa，從反應(yīng)塔流出的流體壓力仍很高，用泵作透平能回收一大部分液體能量。

b）海水反滲透淡化系統(tǒng)中，反滲透膜的工作壓力為5.8~8.0mpa，排放的濃海水的壓力為5.0~6.0mpa，用泵作透平回收利用壓力能，將顯著降低淡水的生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

c）在氣體工藝流程中，為去掉多余的成分，用高壓介質(zhì)洗滌原料氣體，通過安裝泵作透平回收利用含原料氣體介質(zhì)的高壓能，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓介質(zhì)的重新利用。

d）在地下礦場(chǎng)挖掘時(shí)，需要往井下（地面以下1000~3000m深）輸水。當(dāng)水到達(dá)礦井底部時(shí)壓力很高，用泵作透平可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力能的利用。

（2）供水

a）在水資源豐富的地區(qū)，用泵作透平驅(qū)動(dòng)泵開發(fā)利用低水頭、大流量的液體能量，將小流量的水流輸送到較高的田地里用于灌溉。

b）在有壓力水的地方，可以用泵作透平驅(qū)動(dòng)高壓泵，用于消防或城市管網(wǎng)供水等。

（3）離網(wǎng)和并網(wǎng)發(fā)電

在水資源豐富的地區(qū)，可以利用泵作透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī).html'>電機(jī)發(fā)電，為居民提供生活和生產(chǎn)用電，或者并入電網(wǎng)發(fā)電。

（1）透平驅(qū)動(dòng)泵時(shí)常用的機(jī)組配置方案

a）透平+（變速箱）+泵

當(dāng)系統(tǒng)中富余的壓力能較多時(shí)，可以采用透平驅(qū)動(dòng)泵的配置方案。這時(shí)透平的軸功率和泵的軸功率相等。透平和泵之間設(shè)置變速箱，可提高泵的轉(zhuǎn)速。對(duì)于透平直接驅(qū)動(dòng)泵的配置方案，也可以將透平和泵設(shè)計(jì)為一個(gè)整體。

（2）透平+超越離合器+電動(dòng)機(jī)+（變速箱）+泵

透平、電動(dòng)機(jī)和泵的布置方式多樣。如圖3所示，泵作透平通過超越離合器和電動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大功率增壓泵。當(dāng)透平產(chǎn)生的軸功率小于泵的軸功率時(shí)，常采用這種形式的布置方式。當(dāng)透平的轉(zhuǎn)速小于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器分離，透平不工作。透平的轉(zhuǎn)速等于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，超越離合器閉合，透平和電動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)行。設(shè)置超越離合器的原因主要是因?yàn)楫?dāng)透平在小流量運(yùn)行時(shí)，透平將消耗能量成為負(fù)載，這時(shí)電動(dòng)機(jī)需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)泵和透平工作，增加了電動(dòng)機(jī)的能耗。由于透平處于間歇工作狀態(tài)，因此要求電動(dòng)機(jī)的額定功率大于等于泵的最大軸功率，即電動(dòng)機(jī)能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)增壓泵運(yùn)行。

圖3 泵作透平、電動(dòng)機(jī)和泵配置方案

（2）透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電

采用泵作透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電如圖4所示。泵作透平發(fā)電時(shí)，需要配置電負(fù)荷自動(dòng)控制器.html'>控制器，可消耗產(chǎn)生的多余電能和控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。

圖4 泵作透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電

根據(jù)泵內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，可將泵分為離心泵、混流泵和軸流泵三種。通常根據(jù)比轉(zhuǎn)速的不同對(duì)泵的具體形式進(jìn)行劃分。低比轉(zhuǎn)速意味著高揚(yáng)程、小流量；高比轉(zhuǎn)速意味著低揚(yáng)程、大流量。一般認(rèn)為比轉(zhuǎn)速低于50的泵不適用于透平工況運(yùn)行，原因主要是比轉(zhuǎn)速較低時(shí)，效率較低，這時(shí)采用微型沖擊式水輪機(jī)較為合適。圖5所示為不同形式泵作透平的應(yīng)用范圍。

圖5 不同形式泵作透平的應(yīng)用范圍