第三章 葉片式水泵的性能 第一講

1、第三章第三章 葉片式水泵的性能葉片式水泵的性能 內容：主要介紹了葉片泵的工作參數、基本方程式、內容：主要介紹了葉片泵的工作參數、基本方程式、 性能曲線及葉輪相似定律性能曲線及葉輪相似定律 目的：重點掌握葉片泵的性能曲線。熟悉葉片泵的工目的：重點掌握葉片泵的性能曲線。熟悉葉片泵的工 作參數、基本方程式及相似定律作參數、基本方程式及相似定律 難點：葉片泵的基本性能參數、葉片泵基本方程式、難點：葉片泵的基本性能參數、葉片泵基本方程式、 葉片泵的特性曲線及相似定律葉片泵的特性曲線及相似定律3.1 工作參數工作參數工作參數：工作參數：流量、揚程、轉速、功率、效率及允許吸上真流量、揚程、轉速、功率、效率及

2、允許吸上真 空高度或汽蝕余量?？崭叨然蚱g余量。1.1.流量流量 Q Q 定義：指水泵在單位時間內所輸送液體的體積或質量。定義：指水泵在單位時間內所輸送液體的體積或質量。 單位：單位：m m3 3/h/h、m m3 3/s/s、L/sL/s、Kg/sKg/s、T/hT/h2.2.揚程揚程 H H 定義：揚程是指水泵對單位重量的液體所做的功（即單位定義：揚程是指水泵對單位重量的液體所做的功（即單位 重量液體通過水泵后其能量的增值）。重量液體通過水泵后其能量的增值）。 單位單位 ： mH2O(簡稱簡稱m)、Pa、kPa、MPa 1mH2O=9800Pa=9.8KPa=0.0098MPa 根據水泵揚

3、程的定義：以吸水井水根據水泵揚程的定義：以吸水井水面面00為基準面為基準面,如圖。則總揚程為：如圖。則總揚程為： H = E2 - E1 = Z2+ + - (Z1+ + ) 泵的吸入口、壓出口分別裝有泵的吸入口、壓出口分別裝有真空表、壓力表，表讀數分別為真空表、壓力表，表讀數分別為相對壓力。即相對壓力。即： g2v21g2V222P1p Pv=Pa- P1 Pd=P2-Pa 式中式中P1、P2 分別為進口、壓出口絕對壓力。分別為進口、壓出口絕對壓力。 則：則： H=Hv + Hd + +Z (mH2O) 運行中由于運行中由于 +Z的值較小，可以的值較小，可以 省略。于省略。于是上式可簡化是上

4、式可簡化 為：為： H=Hv + Hd g2vv2122g2vv2122 對于自灌式水泵而言：水泵進水口與出水口都裝有對于自灌式水泵而言：水泵進水口與出水口都裝有壓力表，揚程公式推倒如下：壓力表，揚程公式推倒如下： H=E2 E1 = Z + + -（ + ）式中式中P1、P2 也可以是相對壓力，則也可以是相對壓力，則 = Hd = Hd （分別為水泵進水口與出水口的壓力表（分別為水泵進水口與出水口的壓力表讀數）讀數） 。 因此因此 ：H = Hd - Hd + + Z 當當Z=0，又可以忽略流速水頭差（，又可以忽略流速水頭差（ =0 ）時，則揚程公）時，則揚程公式簡化為：式簡化為：H = H

5、d - Hd 2PgV2221pg2v211p2pgvv22122gvv22122對于軸流泵：對于軸流泵： H = Hd + + Z gV2223.3.功率功率: :單位時間內水泵所做的功單位時間內水泵所做的功(KW). (KW). (1)(1)有效功率有效功率PePe：單位時間內流過水泵的液：單位時間內流過水泵的液體從水泵那里得到的能量體從水泵那里得到的能量(泵泵輸出功率輸出功率)。 單位：單位：KW Pe = rQH/1000KW Pe = rQH/1000 - -水的重度（水的重度（kN/mkN/m3 3）水通常?。┧ǔＨ?.8kN/m9.8kN/m3 3 Q- Q-水泵流量水泵流量

6、(m(m3 3/s)/s) H- H-泵揚程泵揚程(m)(m) (2) (2)軸功率軸功率P P：原動機傳送給泵軸的功率：原動機傳送給泵軸的功率( (輸入功率輸入功率) )。 單位：單位：KW P = = = （ kgkg m/s） 或 P= （kw） ePQH102QH單位為單位為：kgkg m/s Pe=Q H=Q H式中式中-液體重度（液體重度（kg/mkg/m3 3）；）； Q-Q-水泵流量水泵流量 (m(m3 3/s)/s)； H-H-泵揚程泵揚程(m)(m)。4.4.效率效率 反映了泵內功率損失的大小，是一項技術經濟指標。反映了泵內功率損失的大小，是一項技術經濟指標。 效率是指有效

7、功率與軸功率比值，用效率是指有效功率與軸功率比值，用表示。表示。 水泵效率：水泵效率： = 水泵效率由機械效率、容積效率、水力效率組成水泵效率由機械效率、容積效率、水力效率組成.在泵運行在泵運行過程中過程中,泵內存在三種損失泵內存在三種損失:機械功率損失機械功率損失Pm、容積功率損失、容積功率損失Pv、水、水力功率損失力功率損失Ph?？偣β??？偣β蔖=Pe +（ Pm +Pv +Ph ）%100PPe （1）機械損失與機械效率）機械損失與機械效率 水泵在運行中還存在軸承內的摩擦損失、填料軸封裝水泵在運行中還存在軸承內的摩擦損失、填料軸封裝置內的摩擦損失以及葉輪蓋板旋轉時與水的摩擦損失等，置內的

8、摩擦損失以及葉輪蓋板旋轉時與水的摩擦損失等，這些機械損失同樣消耗了一部分功率，使水泵的總效率下這些機械損失同樣消耗了一部分功率，使水泵的總效率下降?？捎脵C械效率降?？捎脵C械效率M來度量：來度量： M = 式中式中 PT 葉輪傳給水的全部功率，稱為水功率。也即泵葉輪傳給水的全部功率，稱為水功率。也即泵軸上輸入的功率只有在克服了機械摩阻以后，才把剩下的軸上輸入的功率只有在克服了機械摩阻以后，才把剩下的功率傳給了液體。（功率傳給了液體。（PT= QT HT）%100PPT （2）容積損失與容積效率）容積損失與容積效率 泵工作過程存在泄漏和回流，所以水泵的出泵工作過程存在泄漏和回流，所以水泵的出水量總

9、比通過葉輪的流量小。即：水量總比通過葉輪的流量小。即： Q = QT- q 式中式中 q-漏滲損失量漏滲損失量 。 泄漏掉小部分流量就會消耗一部分功率。消泄漏掉小部分流量就會消耗一部分功率。消耗掉這部分功率可用容積效率耗掉這部分功率可用容積效率v來度量：來度量： v = %100TQQ （3）水力損失與水力效率）水力損失與水力效率 水泵內部水力損失是因所抽送的液體不是理想液體，存在著一定能量水泵內部水力損失是因所抽送的液體不是理想液體，存在著一定能量損失，泵內的水頭損失可歸納為兩大類：損失，泵內的水頭損失可歸納為兩大類： 1） 摩阻損失摩阻損失 指液流在吸水室、葉槽和壓水室中產生的摩阻損失，其

10、中還包括轉彎指液流在吸水室、葉槽和壓水室中產生的摩阻損失，其中還包括轉彎處的彎道損失和由流速水頭轉換為壓頭時的轉換損失。處的彎道損失和由流速水頭轉換為壓頭時的轉換損失。 2）沖擊損失）沖擊損失 當流量偏離設計流量時，在葉輪的進口導水器蝸殼壓水室的進口等處當流量偏離設計流量時，在葉輪的進口導水器蝸殼壓水室的進口等處發(fā)生水力沖擊現象而引起的水頭損失。發(fā)生水力沖擊現象而引起的水頭損失。 水泵的這兩部分損失必然消耗一部分功率，使水泵的總效率下降?？伤玫倪@兩部分損失必然消耗一部分功率，使水泵的總效率下降。可用水力效率來度量：用水力效率來度量： h = %100THH = 水泵總的效率水泵總的效率: =

11、 h v M 水泵的總效率是水泵的總效率是3個局部效率的乘積。盡量減少這三個局部效率的乘積。盡量減少這三部分的損失。部分的損失。 5.轉速轉速n 定義：泵葉輪的旋轉速度，以每分鐘轉動次數表示。定義：泵葉輪的旋轉速度，以每分鐘轉動次數表示。(往復泵轉速以活塞往復次數表示往復泵轉速以活塞往復次數表示)單位單位 ：r/min 當當n變化時，該水泵的其它性能參數也發(fā)生化。變化時，該水泵的其它性能參數也發(fā)生化。NHQHQQHQHQHTTTTTT6.允許吸上真空高度允許吸上真空高度Hs及汽蝕余量及汽蝕余量NPSHr （1） Hs -指水泵在標準況下運轉時，水泵吸入口處所允指水泵在標準況下運轉時，水泵吸入口

12、處所允許的最大吸上真空高度。許的最大吸上真空高度。 單位：單位：mH2O （2） NPSHr -指水泵吸入口處，單位重量液體必須具有指水泵吸入口處，單位重量液體必須具有的超過飽和蒸汽壓力的富余能量（壓頭差）的超過飽和蒸汽壓力的富余能量（壓頭差） 。 單位：單位： mH2O (3) Hs 與NPSHr 從不同角度反映泵吸水性能的參數。從不同角度反映泵吸水性能的參數。 Hs 值越大，水泵吸水性能越好。值越大，水泵吸水性能越好。 NPSHr值越小，水泵吸水性能越好。值越小，水泵吸水性能越好。3.2 基本方程式基本方程式3.2.1 水流在葉槽中的運動及速度三角形水流在葉槽中的運動及速度三角形 以離心泵

13、封閉式葉輪為例：以離心泵封閉式葉輪為例： 1. 葉槽中水流的運動葉槽中水流的運動 1）水流以絕對速度）水流以絕對速度 C0 沿泵軸線流入葉輪入口。沿泵軸線流入葉輪入口。 2）水流在葉槽中沿著葉片流動，質點相對于旋轉著的）水流在葉槽中沿著葉片流動，質點相對于旋轉著的葉輪作相對運動，其運動速度葉輪作相對運動，其運動速度w為相對度。為相對度。 3）水流質點同時隨葉輪旋轉做圓周運動，其速度用）水流質點同時隨葉輪旋轉做圓周運動，其速度用表示，表示，方向與圓周切線方向一致，也稱牽連速度。方向與圓周切線方向一致，也稱牽連速度。 （2）速度三角形）速度三角形 則質點的絕對速度則質點的絕對速度 C在切向和徑向的

14、分量分別為在切向和徑向的分量分別為（3）特征角與葉片分類）特征角與葉片分類 速度三角形中的特征角：速度三角形中的特征角： 1、2 分別是分別是C1與與u1 、 C2與與u2間夾角。間夾角。 1、 2 分別為分別為W1與與u1反向延長線反向延長線, W2與與u2 反向延反向延長線間夾角。長線間夾角。 1進水角進水角 2出水角出水角它們反映了葉輪進出口水流的情況，它們反映了葉輪進出口水流的情況， 2 大小反映了大小反映了葉片彎度，是葉片和葉槽形狀的重要參數。葉片彎度，是葉片和葉槽形狀的重要參數。葉片的分類：葉片的分類：按按2的大小，離心泵葉片分為三大類：的大小，離心泵葉片分為三大類： 2 90 為

15、前彎式為前彎式 2 =90 為徑向式為徑向式說明：后彎式說明：后彎式-它流道平緩，槽內水頭損失小。它流道平緩，槽內水頭損失小。 前彎式前彎式-它葉片流道短，彎度大，泵內水頭損失大它葉片流道短，彎度大，泵內水頭損失大 水力效率低，而且它的性能特性將使系統(tǒng)水力效率低，而且它的性能特性將使系統(tǒng) 不能穩(wěn)定工作。不能穩(wěn)定工作。 徑向式徑向式-這種葉片泵內水頭損失較大。這種葉片泵內水頭損失較大。 在離心泵中，一般取在離心泵中，一般取2 =2030 2=6153.2.2、基本方程式、基本方程式 1、假設：、假設： 為了簡化分析推理，對葉輪的構造和液流性質作為了簡化分析推理，對葉輪的構造和液流性質作3點假點假

16、設：設： 水流是水流是恒定流，槽內各點的流速不隨時間變化。恒定流，槽內各點的流速不隨時間變化。 葉槽中，葉槽中，液流均勻一致，葉輪同一半徑處液流的同名液流均勻一致，葉輪同一半徑處液流的同名速度相等。速度相等。 水流為水流為理想流體。理想流體。（2）方程式的推導）方程式的推導 根據流動均勻一致的假定，應用動量矩定理可寫出：根據流動均勻一致的假定，應用動量矩定理可寫出： (C2R2cos2 C1R1cos1)=M 式中式中M作用在葉槽內整股水流上的所有外力矩；作用在葉槽內整股水流上的所有外力矩； R1、R2 分別是葉輪進口和出口至軸中心的半徑。分別是葉輪進口和出口至軸中心的半徑。 組成組成M的外力

17、有：的外力有：1.葉片迎水面和背水面作用于水的壓葉片迎水面和背水面作用于水的壓力力F2和和F1；2.作用在作用在ab與與cd面上的水壓力面上的水壓力F3及及F4 ，它們，它們都沿著徑向，所以對軸沒有力矩；都沿著徑向，所以對軸沒有力矩；3.作用于水流的摩擦作用于水流的摩擦阻力阻力F5及及F6，但由于是理想液體，故不考慮。，但由于是理想液體，故不考慮。 單位時間里控制面內恒定總流的動量矩變化單位時間里控制面內恒定總流的動量矩變化( (流出液體的流出液體的動量矩與流入液體的動量矩之矢量差動量矩與流入液體的動量矩之矢量差) )等于作用于該控制等于作用于該控制面內所有液體質點的外力矩之和。面內所有液體質

18、點的外力矩之和。tmdd對于葉輪的全部葉槽中水流，則有：對于葉輪的全部葉槽中水流，則有： = (C2R2cos2 C1R1cos1)式中式中QT通過葉輪的理論流量。通過葉輪的理論流量。 根據假定（根據假定（3）知道，其水功功率）知道，其水功功率PT可以用外力矩（可以用外力矩（ ）和葉輪旋轉角速度（和葉輪旋轉角速度（ ）的乘積來表示。）的乘積來表示。 即即 PT= （kg m/s） 又知，水功功率又知，水功功率PT= QTHT ，故得：，故得： HT = MgQTMMTQM 根據以上式子可以得到離心泵的基本方程式：根據以上式子可以得到離心泵的基本方程式： HT (C2R2cos2 C1R1cos

19、1) (u2C2u u1C1u) 3.2.3 基本方程式的適應條件基本方程式的適應條件 1、基本方程式是根據三點假設推導出來的，因此方、基本方程式是根據三點假設推導出來的，因此方程式適用于恒定流、水流均勻一致的情況和理想液體。程式適用于恒定流、水流均勻一致的情況和理想液體。 2、基本方程只與葉片進、出口速度三角形有關，與葉片形、基本方程只與葉片進、出口速度三角形有關，與葉片形狀無關。因此，基本方程式適用于一切葉片式水泵。狀無關。因此，基本方程式適用于一切葉片式水泵。 gg1 3.2.4基本方程式的分析和討論基本方程式的分析和討論 1、提高水泵揚程和改善吸水性能的途徑。、提高水泵揚程和改善吸水性

20、能的途徑。 選擇合適的特征角度、葉輪尺寸、轉速，可提高選擇合適的特征角度、葉輪尺寸、轉速，可提高水泵揚水泵揚程和改善吸水性能。程和改善吸水性能。 當當190時時C1u=0 則則HT=(u2C2cos2)/g=(u2 C2rctg 2)/g 由上式可知由上式可知 190 26 15 合適合適 HT與與u2有關，而有關，而u2=nD2/60，當增加轉速（，當增加轉速（n）和增和增大葉輪出口直徑（大葉輪出口直徑（D2），可提高水泵揚程，但，可提高水泵揚程，但D2、n受材料受材料強度等的限制，不能任意取值。強度等的限制，不能任意取值。gCuHuT22 2、HT與被輸送液體的重度無關與被輸送液體的重度無

21、關 葉片泵基本方程式與液體重度無關，對于同一臺水泵來葉片泵基本方程式與液體重度無關，對于同一臺水泵來說，當抽送不同重度的流體時，說，當抽送不同重度的流體時， 所產生的理論揚程是相同的所產生的理論揚程是相同的但在同樣流量和揚程下水泵消耗的功率是不同的但在同樣流量和揚程下水泵消耗的功率是不同的, r越大所消越大所消耗的功率愈大。耗的功率愈大。 3、理論揚程、理論揚程HT是動揚程和勢揚程之和：是動揚程和勢揚程之和： 由葉輪出口速度三角形可得：由葉輪出口速度三角形可得： W1 u1+C1-2u1C1cos1 W2u2+C2-2u2C2cos2 將上式整理后可得：將上式整理后可得： (u2C2cos2-

22、u1C1cos1)/g = (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g+(C2-C1)/2g 即：即：HT= (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g+(C2-C1)/2g (C2-C1)/2g -葉輪所產生的動揚程葉輪所產生的動揚程H1 ，是單位重量液，是單位重量液體動能的增加。體動能的增加。 (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g-單位重量液體勢能的增加單位重量液體勢能的增加即勢揚程即勢揚程H2。 即葉片泵的理論揚程：即葉片泵的理論揚程：HT = H1 + H2 4、由于進出口速度四邊形反映了葉輪內部水流情況，因而葉、由于進出口速度四邊形反映了葉輪內部水流情況，因而葉 輪內部水流情況在量的方面影響著理論揚程輪內部水流情況在量的方面影響著理論揚程HT 。 3.2.5、基本方程式的修正、基本方程式的修正 推導基本方程式時，作過三點假設，與實際推導基本方程式時，作過三點假設，與實際有差距，現修正如下：有差距，現修正如下： (1)關于理想液體是恒定流問題。關于理想液體是恒定流問題。 在水泵啟動一段時間以后，外屆使用的條件不變在水泵啟動一段時間以后，外屆使用的條件不變時，可以認為葉輪外的絕對