第二章 流体输送机械 一、离心泵的构造和工作原理 二．离心泵主要构件的结构及功能 三、离心泵的主要性能参数 四、离心泵的工作点与流量调节 五、离心泵的安装高度 六、离心泵的选用、安装与操作 第一节 离心泵 3．离心泵主要构件的结构及功能 理想情况： 1）泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任何环流现象。 2）输送的是理想液体，流动中无流动阻力。 三．离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数 (一)．压头与流量 1 离心泵的流量指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用Q表示，单位为m3/s或m3/h。又称为泵的送液能力 。 2 离心泵的压头泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。 例2-1 用水对一离心泵的性能进行测定，在某一次实验中测得：流量10m3/h，泵出口压力表读数0.17MPa，泵入口的真空表读数，轴功率1.07kW。真空表与压力表两测压截面的垂直距离为0.5m。试计算泵的压头及效率。 2、液体性质对离心泵特性的影响 1）液体密度的影响 四、离心泵的工作点与流量调节 1、管路特性曲线与泵的工作点 1）管路特性曲线 例2-3 用离心泵将池中常温水送至一敞口高位槽中。

泵的特性方程可近似用H=25.7-7.36×10-4Q2表示；管出口距池中水面高度为13m，直管长90m，采用 114×4mm的钢管。管路上有2个=0.75的900弯头，1个=6.0的全开标准阀，1个=8的底阀，估计摩擦系数为0.03.试求 （1）标准阀全开时，管路中实际流量为多少m3·h-1？ （2）为使流量达到60m3·h-1，现采用调节阀门开度的方法，应如何调节？求此时的管路特性方程； (3) 设泵的原转速为2900r.min-1,若采用调节转速的方法使流量变为60m3.h-1,则新的转速应为什么？ 六、离心泵的安装高度 例2-4 用油泵从密闭容器中送出300C的丁烷，容器内丁烷液面上方的绝压ps=。输送到最后，液面将降到泵入口以下2.8m。液体丁烷在300C时的密度为580kg·m-3，饱和蒸汽压pv=，吸入管路的压头损失估计为1.5m，所选用油泵的汽蚀余量为3m。问这个泵能否正常操作？ 七、离心泵的选用、安装与操作 1、离心泵的选择 离心泵组合方式的选择 对于低阻输送管路，并联组合泵流量的增大幅度大于串联组合泵； 对于高阻输送管路，串联组合泵的流量增大幅度大于并联组合泵。

低阻输送管路----并联优于串联； 高阻输送管路----串联优于并联。 【例】某离心泵工作转速为n=2900r.p.m.（转/min），其特性曲线方程为H=30－0.01V2 。当泵的出口阀全开时，管路特性曲线方程为he=10＋0.04V2，式中V的单位为m3/h，H及he的单位均为m。求： （1）阀全开时，泵的输水量为多少？ （2）要求所需供水量为上述供水量的75%时：a．若采用出口阀调节，则多损失的压头为多少m水柱？b．若采用变速调节，则泵的转速应为多少r.p.m.？ 【解】 （1） 20 15 H? he? (2)多损失的压头为多少m水柱？ a. 采用调节出口阀门的方法 多损失的 泵特性曲线方程 管路特性曲线方程 泵特性曲线方程 管路特性曲线方程 b. 采用调节转速的方法，则泵的转速应为多少r.p.m.？ 20 15 注意：以下解法错误!!! 新转速下泵的特性曲线方程为：因为比例定律只适用于泵，而不能用于由泵和管路特性曲线共同决定的工作点（管路特性曲线过坐标原点时除外）。 he? 1、什么是离心泵的安装高度？泵轴与被吸入液体液面间的垂直高度，称为安装高度，用ZS表示。

可正可负。 思考：安装高度为什么受限制？ 思考：安装高度为什么受限制？ 汽蚀现象： 当pk?pv， 叶轮中心汽化?汽泡 被抛向外围? ?凝结?局部真空 压力升高 ?周围液体高速冲向汽泡中心 ? 撞击叶片(水锤) ? 大量水波为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大安装高度ZS,max。 叶片表面产生蜂窝状腐蚀 ； 泵体震动，并发出噪音； 流量、压头、效率都明显下降； 严重时甚至吸不上液体。 汽蚀产生的后果： 2、最大安装高度ZS,max和允许汽蚀余量?h允许刚好发生汽蚀时， pk＝pv， pe达到最小值pe,min。 在s-s面、e-e面间列机械能衡算： 最小汽蚀余量 又称最小净正吸上高度 （NPSH，Net Head） 一般规定，允许汽蚀余量 ?h允许是泵的特性参数之一，由厂家测定。 ?hmin的实验测定： 用20℃清水测定。以泵的扬程较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志，测定泵刚好发生汽蚀时的pe即可。 ----最小汽蚀余量 实际的安装高度还应比允许值低0.5～1m。 注意： 1）实际安装高度还应比允许安装高度低0.5~1.0m； 2）离心泵性能表中列出的值是在液面压力为1atm，用200C水测得的，使用其它液体时应根据具体情况加以校正；求校正系数的曲线载于泵的说明书中。

校正系数常小于1，故为简便计，也可不校正，而将其视为外加的安全因数。 3）离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量有关的，必须注意使用最大额定流量值进行计算。 4）离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，以减少吸入管路的阻力。 5）当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值的情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内。 分析： 泵能否正常工作 泵的安装高 度是否合适 泵的允 许高度 叶片后弯，?290?，ctg?20，即H?随流量增大而减小； 叶片径向，?2=90?，ctg?2=0，即H?不随流量而变化； 叶片前弯，?290?，ctg?20，即H?随流量增大而增大。 思考：前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？NO！ 由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。 一般都采用后弯叶片。 3、实际压头 离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括： 1）叶片间的环流 2）流体的阻力损失 3）冲击损失主要取决于叶片数目、装置角?2、叶轮大小等因素，而几乎与流量大小无关。

（1）叶片间的环流运动 具体原因如下： 考虑这一因素后，图中理论压头线a变为直线b 。 （2）阻力损失 考虑到这项损失后，压头线变为曲线c 。 此损失可近似视为与流速的平方呈正比。 b c （3）冲击损失在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，则冲击损失越大。 设计流量 b c d 考虑到这项损失后，压头线应为曲线d。 q-H H 实际压头 设计流量 理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为： 铭牌 离心泵的压头取决于： 泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等） 转速 n 流量 Q， 思考：转速一定时，出厂前如何确定泵的压头呢？ 实验测定 在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式： （二）轴功率、有效功率及效率 电机输入离心泵的功率,用N表示，单位为W或kW 有效功率： 排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Ne表示 轴功率： 反映泵对外加能量的利用程度，无量纲，用?表示。 效率： 三者关系（如图）： N Ne 机械损失 容积损失 水力损失 小型水泵：?一般为50?70% 大型泵：?可达90%以上 （1）容积损失： （2）水力损失 （3）机械损失 内漏 环流损失、阻力损失和冲击损失 泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦 与效率?有关的各种能量损失： 思路： 机械能衡算 具体解题步骤见P60，例2-1 四．离心泵的特性曲线及应用 1、离心泵特性曲线 离心泵的H、η 、 N都与离心泵的Q有关，它们之间的关系由确定离心泵性能的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：H～Q 、η～Q 、 N～Q——离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变。

各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点 。 1）H～Q曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外） 2）N～Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系，离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。 3）η～Q曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。 设计点 与最高效率相比，效率下降5％～8％ Q?，H ? ，N?，?有最大值。 离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。 与最高效率点所对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。 注意： 离心泵的流量 与液体密度无关。 离心泵的压头 与液体的密度无关 H～Q曲线不因输送的液体的密度不同而变 。 泵的效率η不随输送液体的密度而变。 离心泵的轴功率与输送液体密度有关 。

2）粘度的影响 当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时， 泵的压头减小 泵的流量减小 泵的效率下降 泵的轴功率增大 泵特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正 当液体的运动粘度小于2×10-5m2/s时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。 3、转速对离心泵特性的影响 若?不变，则 比例定律 思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为H=A+BQ2，则新转速n?下泵的特性曲线方程表达式？当转速?变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知： 泵在原转速n下的特性曲线方程 转速增大 4、叶轮尺寸对离心泵特性的影响 2）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等, 此时有： 1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，泵的效率不变。 当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于20%，则 若?不变，则 思考：若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为H=A+BQ2，则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式？ 注意：教材式（2-15）、（2-16c）有误 P62，例2-2 管路特性曲线 流体通过某特定管路时所需的压头与液体流量的关系曲线。

在截面1-1′与 2-2′ 间列柏努利方程式，并以1-1′截面为基准水平面，则液体流过管路所需的压头为： 而： 令： 则： ——管路的特性方程 在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流量Q的平方而变。 2）离心泵的工作点离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点M，就是离心泵在管路中的工作点。 M点所对应的流量Q和压头H表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头。 H 泵的特性曲线Q M 泵------供方 管路------需方 2、离心泵的流量调节 阀门关小时：管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由原来的M点移到M1点，流量由QM降到QM1； 1）改变出口阀开度——改变管路特性曲线 ——调节阀门 ——改变n、切割叶轮 当阀门开大时： 管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点由M移到M2流量加大到QM2。 优点：调节迅速方便，流量可连续变化； 缺点：流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。 2）改变泵的转速或切割叶轮——改变泵的特性曲线 若把泵的转速提高到n1：则H~Q线上移，工作点由M移至M1 ，流量由QM 加大到QM1； 若把泵的转速降至n2：则H~Q线下移，工作点移至M2,流量减小到QM2 优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低； 缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用。

串联组合泵的特性曲线两台相同型号的离心泵串联组合，在同样的流量下，其提供的压头是单台泵的两倍。 3）离心泵的并联和串联 两台相同型号的离心泵并联，若其各自有相同的吸入管路，则在相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍。 并联组合泵的特性曲线 * 授课人：张栋强联系方式： 兰州理工大学 石油化工学院 流体输送机械 流体输送机械：就是向流体做功以提高其机械能的装置。 - - - 真空泵 压缩机 鼓风机 通风机 气体输送机械 泵 液体输送机械 按照输送流体的性质分类： 泵按照其工作原理和结构可分为: 特点：依靠旋转的叶片向液体传送机械能 特点：机械内部的工作容积不断发生变化 、回转式等 往复式 容积式：如 轴流式、喷射式等 、 离心式 速度式：如 泵 复习： 1. 流量测量（变压头流量计；变截面流量计）。 2.变压头流量计（测速管、孔板流量计和文丘里流量计 ） 3.变截面流量计（转子流量计） 4. 流体输送机械（液体输送机械；气体输送机械） 5. 泵的分类（速度式；容积式） 一、离心泵的构造和工作原理 1、离心泵的构造： 1）开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。

2）开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高的速度（15-25 m/s）流入泵壳。 2. 离心泵的操作原理： 3）在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。 4）泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。 离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。 气缚现象： 离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。 为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。 思考：泵启动前为什么要灌满液体 根据结构 闭式叶轮 开式叶轮 半闭式叶轮 叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。

没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒 的液体悬浮物。 只有后盖板，可用于输送浆料或含固体 悬浮物的液体，效率较低。 1）叶轮 ——叶片（+盖板） a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。 b)叶轮的分类 闭式叶轮的内漏最小，故效率最高，敞式叶轮的内漏最大。 敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象 思考：三种叶轮中哪一种效率高？ 平衡孔：在后盖板上钻有小孔，以把后盖前后空间连通起来。 按吸液方式 双吸式叶轮 液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。 相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。 单吸式叶轮 2）泵壳 a) 泵壳的作用 汇集液体，作导出液体的通道； 使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。 b)导叶轮 为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘，称为导叶轮。 导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能的转换更为有效。

3）轴封装置 a) 轴封的作用为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。 B 轴封的分类 轴封装置 填料密封： 机械密封： 主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。 主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。 端面密封 4、离心泵的分类 1）按照轴上叶轮数目的多少 单级泵 多级泵 轴上只有一个叶轮的离心泵，适用于出口压力不太大的情况； 轴上不止一个叶轮的离心泵 ，可以达到较高的压头。离心泵的级数就是指轴上的叶轮数，我国生产的多级离心泵一般为2~9级。 2）按叶轮上吸入口的数目 单吸泵 双吸泵 叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。 叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。 3）按离心泵的不同用途 水泵 输送清水和物性与水相近、无腐蚀性且杂质很少的液体的泵, （B型） 耐腐蚀泵 接触液体的部件（叶轮、泵体）用耐腐蚀材料制成。要求：结构简单、零件容易更换、维修方便、密封可靠、用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等。

（F型） 油泵 输送石油产品的泵 ，要求密封完善。（Y 型） 杂质泵 输送含有固体颗粒的悬浮液、稠厚的浆液等的泵 ，又细分为污水泵、砂泵、泥浆泵等 。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在构造上是叶轮流道宽、叶片数目少。 二、离心泵的理论压头和实际压头 1、压头的意义 泵的压头：泵向单位重量流体提供的机械能。用H表示，单位是m。 管道输送流体系统正常工作时：H=he 泵产生的压头主要用于是液位高度增加，静压头增大以及克服流动过程中的压头损失。 2、离心泵的理论压头 1）离心泵基本方程式的导出 理论压头 离心泵在上述理想情况下产生的压头，就做理论压头，用H∞表示。 ——离心泵基本方程 r—叶轮半径；?—叶轮旋转角速度；Q—泵的体积流量；b—叶片宽度； ? —叶片装置角。 意义：表示离心泵的理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状间的关系。 离心泵的基本方程 2）离心泵基本方程式的讨论（1）理论压头与流量Q、叶轮转速?、叶轮的尺寸和构造r2、b2、?2）有关； （2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大； （4) 在叶轮转速、直径一定时，流量 Q 与理论压头 H  的关系受装置角 b 2 的影响如下： （3）理论压头H?与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。 * *