第一節(jié)離心泵

第二章流體輸送設備李裕化工與環(huán)境學院2023/2/4

流體流動從低處→高處

低壓處→高壓處

所在地→較遠處需要對流體做功，增加流體的機械能。流體輸送設備（通用機械）液體輸送設備——泵；氣體輸送設備——通風機、鼓風機、壓縮機或真空泵；作用：用于流體的輸送或加壓，向系統(tǒng)輸入能量，補充所需機械能。2023/2/4根據(jù)泵的工作原理和結構分類離心泵漩渦泵

混流泵軸流泵往復泵

轉子泵齒輪泵、螺桿泵、羅茨泵、滑片泵

噴射泵、空氣升液泵、電磁泵單吸泵、雙吸泵單級泵、多級崩蝸殼式泵、分段式泵立式泵、臥式泵屏蔽泵、磁力驅動泵高速泵單級泵、多級泵離心漩渦泵電動泵蒸汽泵柱塞泵隔膜泵計量泵葉片式泵容積式泵其他類型泵泵2023/2/4離心泵流體進口流體出口2023/2/4

離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉葉輪所產(chǎn)生的離心力，因此稱為離心泵。

2023/2/4離心泵的工作原理：充液、排液、吸液（1）充液：離心泵使用前先將液體灌滿泵殼和吸入管路。若泵殼與吸入管路內沒有充滿液體，則泵殼內存有空氣，由于空氣的密度遠小于液體的密度，產(chǎn)生的離心力小，因而葉輪中心處所產(chǎn)生的低壓不足以將貯槽內的液體吸入泵內，此時雖啟動離心泵，也不能輸送液體，這種現(xiàn)象稱為“氣縛”現(xiàn)象。2023/2/42、排液：開泵后，泵軸帶動葉輪一起高速旋轉產(chǎn)生離心力。液體在此作用下，從葉輪中心被拋向葉輪外周，壓力增高，并以很高的速度（15~25m/s）流入泵殼。在蝸形泵殼中由于流道的不斷擴大，液體的流速減慢，使大部分動能轉化為壓力能。最后液體以較高的靜壓強從排出口流入排出管道。3、吸液：泵內的液體被拋出后，葉輪的中心形成了真空，在液面壓強（大氣壓）與泵內壓力（負壓）的壓差作用下，液體便經(jīng)吸入管路進入泵內，填補了被排除液體的位置。2023/2/42、基本部件和構造1）葉輪a)葉輪的作用

將電動機的機械能傳給液體。

b)葉輪的分類

根據(jù)結構閉式葉輪開式葉輪

半閉式葉輪

葉片的內側帶有前后蓋板，適于輸送干凈流體，效率較高。沒有前后蓋板，適合輸送含有固體顆粒的液體懸浮物。只有后蓋板，可用于輸送漿料或含固體懸浮物的液體，效率較低。2023/2/42）軸封裝置A軸封的作用

為了防止高壓液體從泵殼內沿軸的四周而漏出，或者外界空氣漏入泵殼內。B

軸封的分類

軸封裝置

填料密封：

機械密封：

主要由填料函殼、軟填料和填料壓蓋組成，普通離心泵采用這種密封。

主要由裝在泵軸上隨之轉動的動環(huán)和固定于泵殼上的靜環(huán)組成，兩個環(huán)形端面由彈簧的彈力互相貼緊而作相對運動，起到密封作用。

2023/2/43）按離心泵的不同用途

水泵

輸送清水和物性與水相近、無腐蝕性且雜質很少的液體的泵,（B型）

耐腐蝕泵

接觸液體的部件（葉輪、泵體）用耐腐蝕材料制成。要求：結構簡單、零件容易更換、維修方便、密封可靠、用于耐腐蝕泵的材料有：鑄鐵、高硅鐵、各種合金鋼、塑料、玻璃等。（F型）油泵

輸送石油產(chǎn)品的泵，要求密封完善。（Y型）雜質泵

輸送含有固體顆粒的懸浮液、稠厚的漿液等的泵，又細分為污水泵、砂泵、泥漿泵等。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在構造上是葉輪流道寬、葉片數(shù)目少。2023/2/4二、離心泵的基本方程式

假設如下理想情況：1）泵葉輪的葉片數(shù)目為無限多個，也就是說葉片的厚度為無限薄，液體質點沿葉片彎曲表面流動，不發(fā)生任何環(huán)流現(xiàn)象。2）輸送的是理想液體，流動中無流動阻力。離心泵的揚程基本公式推導2023/2/4圓周運動：液體與葉輪一起旋轉的速度u1或u2方向與所處圓周的切線方向一致，大小為：

②液體質點的運動圓周運動——液體隨葉輪一起旋轉，圓周速度為u；切向運動——相對于葉輪的運動，切向速度ω；合成運動——流體相對于殼體的運動，絕對速度c。n:

轉/分鐘，rpm2023/2/4切向運動：液體沿葉片表面運動的速度ω1、ω2，方向為液體質點所處葉片的切線方向，大小與液體的流量、流道的形狀等有關單位重量液體由點1到點2獲得的機械能為:單位重量理想液體，通過無數(shù)葉片的旋轉，獲得的能量稱作理論壓頭，用H∞表示。合成運動：兩個速度的合成速度，就是液體質點在點1或點2處相對于靜止的殼體的速度，稱為絕對速度，用c1、c2表示。HC:液體經(jīng)葉輪后動能的增加

HP:

液體經(jīng)葉輪后靜壓能的增加；2023/2/4靜壓能增加項HP主要由于兩方面的因素促成：1）液體在葉輪內接受離心力所作的外功，單位質量液體所接受的外功可以表示為：

2）葉輪中相鄰的兩葉片構成自中心向外沿逐漸擴大的液體流道，液體通過時部分動能轉化為靜壓能，這部分靜壓能的增加可表示為：

2023/2/4單位重量流體經(jīng)葉輪后的靜壓能增加為:（a）根據(jù)余弦定理，上述速度之間的關系可表示為：

2023/2/4代入（a）式，并整理可得到：(b)一般離心泵的設計中，為提高理論壓頭，使α1=90°，即cosα1=0——離心泵理論壓頭的表達式

2點圓周速度為u2，流體相對于殼體的運動，絕對速度c2。2023/2/4理論壓頭與理論流量QT關系

流量可表示為葉輪出口處的徑向速度與出口截面積的乘積從點2處的速度三角形可以得出代入

H=u2c2cosα2/g

——離心泵基本方程式

表示離心泵的理論壓頭與理論流量，葉輪的轉速和直徑、葉輪的幾何形狀間的關系。2023/2/4對于某個離心泵（即其β2、γ2、b2固定），當轉速ω一定時，理論壓頭與理論流量之間呈線形關系，可表示為：

2、離心泵基本方程式的討論1）離心泵的理論壓頭與葉輪的轉速和直徑的關系

當葉片幾何尺寸（b2，β2）與理論流量一定時，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉速或直徑的增加而加大。2）離心泵的理論壓頭與葉片幾何形狀的關系

根據(jù)葉片出口端傾角β2的大小,葉片形狀可分為三種:

2023/2/4a）后彎葉片(β2<90，b)，ctgβ2>0。泵的理論壓頭隨流量Q的增大而減小

2023/2/4b）徑向葉片（β2=90。，圖a），ctgβ2=0。泵的理論壓頭不隨流量QT而變化。c）前彎葉片(β2>90。，圖c)，ctgβ2<0。泵的理論壓頭隨理論流量QT的增大而增大。前彎葉片產(chǎn)生的理論壓頭最高，這類葉片是最佳形式的葉片嗎？2023/2/4靜壓頭的增加：動壓頭的增加：

前彎葉片，動能的提高大于靜壓能的提高。由于液體的流速過大，在動能轉化為靜壓能的實際過程中，會有大量機械能損失，使泵的效率降低。一般都采用后彎葉片

2023/2/4

3、實際壓頭

離心泵的實際壓頭與理論壓頭有較大的差異，原因在于流體在通過泵的過程中存在著壓頭損失，它主要包括：1）葉片間的環(huán)流

2）流體的阻力損失

3）沖擊損失

理論壓頭、實際壓頭及各種壓頭損失與流量的關系為2023/2/42023/2/4三．離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線

1、離心泵的性能參數(shù)

1）離心泵的流量

指離心泵在單位時間里排到管路系統(tǒng)的液體體積，一般用Q表示，單位為m3/h。又稱為泵的送液能力。2）離心泵的壓頭泵對單位重量的液體所提供的有效能量，以H表示，單位為m。又稱為泵的揚程。2023/2/4離心泵的壓頭取決于：

泵的結構（葉輪的直徑、葉片的彎曲情況等）

轉速n

流量Q，

如何確定轉速一定時，泵的壓頭與流量之間的關系呢？實驗測定2023/2/4H的計算可根據(jù)b、c兩截面間的柏努利方程：離心泵的壓頭又稱揚程。必須注意，揚程并不等于升舉高度△Z，升舉高度只是揚程的一部分。

2023/2/43）離心泵的效率

離心泵輸送液體時，通過電機的葉輪將電機的能量傳給液體。在這個過程中，不可避免的會有能量損失，也就是說泵軸轉動所做的功不能全部都為液體所獲得，通常用效率η來反映能量損失。這些能量損失包括：容積損失水力損失機械損失泵的效率反應了這三項能量損失的總和，又稱為總效率。與泵的大小、類型、制造精密程度和所輸送液體的性質有關

2023/2/44）軸功率及有效功率軸功率：

電機輸入離心泵的功率,用N表示，單位為J/S,W或kW有效功率：排送到管道的液體從葉輪獲得的功率，用Ne表示

軸功率和有效功率之間的關系為：有效功率可表達為

軸功率可直接利用效率計算2023/2/42、離心泵的特性曲線

離心泵的H、η、N都與離心泵的Q有關，它們之間的關系由確定離心泵壓頭的實驗來測定，實驗測出的一組關系曲線：

H～Q、η～Q、N～Q

——離心泵的特性曲線

注意：特性曲線隨轉速而變。各種型號的離心泵都有本身獨自的特性曲線，但形狀基本相似，具有共同的特點2023/2/42023/2/41）H～Q曲線：表示泵的壓頭與流量的關系，離心泵的壓頭普遍是隨流量的增大而下降（流量很小時可能有例外）2）N～Q曲線：表示泵的軸功率與流量的關系，離心泵的軸功率隨流量的增加而上升，流量為零時軸功率最小。

離心泵啟動時，應關閉出口閥，使啟動電流最小，以保護電機。3）η～Q曲線：表示泵的效率與流量的關系，隨著流量的增大，泵的效率將上升并達到一個最大值，以后流量再增大，效率便下降。2023/2/4離心泵在一定轉速下有一最高效率點。離心泵在與最高效率點相對應的流量及壓頭下工作最為經(jīng)濟。

與最高效率點所對應的Q、H、N值稱為最佳工況參數(shù)。離心泵的銘牌上標明的就是指該泵在運行時最高效率點的狀態(tài)參數(shù)。

注意：在選用離心泵時，應使離心泵在該點附近工作。一般要求操作時的效率應不低于最高效率的92%。2023/2/4四、離心泵性能的改變

1、液體性質的影響

1）液體密度的影響

離心泵的流量

與液體密度無關。

離心泵的壓頭

與液體的密度無關

H～Q曲線不因輸送的液體的密度不同而變。泵的效率η不隨輸送液體的密度而變。

離心泵的軸功率與輸送液體密度有關。2023/2/42）粘度的影響

當輸送的液體粘度大于常溫清水的粘度時，泵的壓頭減小泵的流量減小泵的效率下降泵的軸功率增大

泵的特性曲線發(fā)生改變，選泵時應根據(jù)原特性曲線進行修正當液體的運動粘度較小時，如汽油、柴油、煤油等粘度的影響可不進行修正。2023/2/42、轉速對離心泵特性的影響

當液體的粘度不大且泵的效率不變時，泵的流量、壓頭、軸功率與轉速的近似關系可表示為：——比例定律

3、葉輪直徑的影響1）屬于同一系列而尺寸不同的泵，葉輪幾何形狀完全相似，b2/D2保持不變，當泵的效率不變時，

2023/2/42）某一尺寸的葉輪外周經(jīng)過切削而使D2變小，b2/D2變大

若切削使直徑D2減小的幅度在20%以內，效率可視為不變，并且切削前、后葉輪出口的截面積也可認為大致相等,此時有：

---------切割定律

2023/2/4五、離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上高度

1、氣蝕現(xiàn)象

氣蝕產(chǎn)生的條件葉片入口附近K處的壓強PK等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓

2023/2/4氣蝕產(chǎn)生的后果：

氣蝕發(fā)生時產(chǎn)生噪音和震動，葉輪局部在巨大沖擊的反復作用下，表面出現(xiàn)斑痕及裂紋，甚至呈海棉狀逐漸脫落液體流量明顯下降，同時壓頭、效率也大幅度降低，嚴重時會輸不出液體。2、離心泵的允許吸上高度

離心泵的允許吸上高度又稱為允許安裝高度，指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達到的最大垂直距離，以Hg表示。2023/2/4貯槽液面0-0’與入口處1-1’兩截面間列柏努利方程若貯槽上方與大氣相通，則P0即為大氣壓強Pa

2023/2/42、離心泵的允許吸上真空度

注意：HS’單位是壓強的單位，通常以m液柱來表示。在水泵的性能表里一般把它的單位寫成m（實際上應為mH2O）?！x心泵的允許吸上真空度定義式將

代入得——允許吸上高度的計算式2023/2/4HS’值越大，表示該泵在一定操作條件下抗氣蝕性能好，安裝高度Hg越高。

HS’與泵的結構、流量、被輸送液體的物理性質及當?shù)卮髿鈮旱纫蛩赜嘘P。通常由泵的制造工廠試驗測定，實驗在大氣壓為10mH2O（9.81Pa）下,以20℃清水為介質進行的。2023/2/4HS’隨Q增大而減小確定離心泵安裝高度時應使用泵最大流量下的HS’進行計算若輸送其它液體，且操作條件與上述實驗條件不符時，需對HS’進行校正。3、氣蝕余量

為防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在離心泵入口處液柱的靜壓頭

與動壓頭

之和必需大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭

的一個最小值。

2023/2/4——氣蝕余量定義式△h與Hg

的關系當葉輪入口附近(k-k’)最小壓強等于液體的飽和蒸汽壓pv

時，泵入口處壓強(1-1’)必等于某確定的最小值p1。在1-1’和k-k’間列柏努利方程：

2023/2/4當流量一定且流體流動為阻力平方區(qū)時，氣蝕余量僅與泵的結構和尺寸有關，是泵抗氣蝕性能參數(shù)。將

代入

——允許吸上高度的計算式離心泵的氣蝕余量

值也是由生產(chǎn)泵的工廠通過實驗測定的△h隨Q增大而增大計算允許安裝高度時應取高流量下的△h值。圖2023/2/4泵性能表上所列的△h值也是按輸送20℃的清水測定的，當輸送其它液體時應乘以校正系數(shù)予以校正，但因一般校正系數(shù)小于1，故把它作為外加的安全系數(shù)，不再校正。4、離心泵的實際安裝高度離心泵的實際安裝高度應小于允許安裝高度，一般比允許值小0.5～1m。

2023/2/4注意：1）離心泵的允許吸上真空度和允許氣蝕余量值是與其流量有關的，大流量下△h較大而HS’較小，因此，必須注意使用最大額定流量值進行計算。2）離心泵安裝時，應注意選用較大的吸入管路，減少吸入管路的彎頭、閥門等管件，以減少吸入管路的阻力。3）當液體輸送溫度較高或液體沸點較低時，可能出現(xiàn)允許安裝高度為負值的情況，此時，應將離心泵安裝于貯槽液面以下，使液體利用位差自流入泵內。2023/2/4六、離心泵的工作點與流量調節(jié)

1、管路特性曲線與泵的工作點

1）管路特性曲線

管路特性曲線

流體通過某特定管路時所需的壓頭與液體流量的關系曲線。

在截面1-1′與2-2′

間列柏努利方程式，并以1-1′截面為基準水平面，則液體流過管路所需的壓頭為：2023/2/4式中：上式簡化為

而令2023/2/4——管路的特性方程2）離心泵的工作點離心泵的特性曲線與管路的特性曲線的交點M，就是離心泵在管路中的工作點。

在特定管路中輸送液體時，管路所需的壓頭隨所輸送液體流量Q的平方而變

2023/2/4M點所對應的流量Qe和壓頭He表示離心泵在該特定管路中實際輸送的流量和提供的壓頭。2、離心泵的流量調節(jié)1）改變出口閥開度——改變管路特性曲線

閥門關小時：管路局部阻力加大，管路特性曲線變陡，工作點由原來的M點移到M1點，流量由QM降到QM1；

2023/2/4當閥門開大時：管路局部阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，工作點由M移到M2流量加大到QM2。

優(yōu)點：調節(jié)迅速方便，流量可連續(xù)變化；缺點：流量阻力加大，要多消耗動力，不經(jīng)濟。

2）改變泵的轉速——改變泵的特性曲線若把泵的轉速提高到n1：則H~Q線上移，工作點由M移至M1，流量由QM

加大到QM1；2023/2/4若把泵的轉速降至n2：則H~Q線下移，工作點移至M2,流量減小到QM2優(yōu)點：流量隨轉速下降而減小，動力消耗也相應降低；缺點：需要變速裝置或價格昂貴的變速電動機，難以做到流量連續(xù)調節(jié)，化工生產(chǎn)中很少采用。2023/2/43、離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)1）串聯(lián)組合泵的特性曲線

兩臺相同型號的離心泵串聯(lián)組合，在同樣的流量下，其提供的壓頭是單臺泵的兩倍。2023/2/42）并聯(lián)組合泵的特性曲線

兩臺相同型號的離心泵并聯(lián)，若其各自有相同的吸入管路，則在相同的壓頭下，并聯(lián)泵的流量為單泵的兩倍。

2023/2/43）離心泵組合方式的選擇

對于低阻輸送管路a，并聯(lián)組合泵流量的增大幅度大于串聯(lián)組合泵；對于高阻輸送管路b，串聯(lián)組合泵的流量增大幅度大于并聯(lián)組合泵。低阻輸送管路----并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)；高阻輸送管路----串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)。2023/2/4七、離心泵的選用、安裝與操作

1、離心泵的選擇

1）確定輸送系統(tǒng)的流量和壓頭：一般情況下液體的輸送量是生產(chǎn)任務所規(guī)定的，如果流量在一定范圍內波動，選泵時按最大流量考慮，然后，根據(jù)輸送系統(tǒng)管路的安排，用柏努利方程計算出在最大流量下管路所需壓頭。

2）選擇泵的類型與型號：首先根據(jù)被輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型，按已確定的流量和壓頭從泵樣本或產(chǎn)品目錄中選出適合的型號。2023/2/4若是沒有一個型號的H、Q與所要求的剛好相符，則在鄰近型號中選用H和Q都稍大的一個；若有幾個型號的H和Q都能滿足要求，那么除了考慮那一個型號的H和Q外，還應考慮效率η在此條件下是否比較大。

3)核算軸功率:若輸送液體的密度大于水的密度時，按

來計算泵的軸功率。

2、離心泵的安裝和使用

1）泵的安裝高度

為了保證不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象或泵吸不上液體，泵的實際安裝2023/2/4高度必須低于理論上計算的最大安裝高度，同時，應盡量降低吸入管路的阻力。2）啟動前先“灌泵”

這主要是為了防止“氣傅”現(xiàn)象的發(fā)生，在泵啟動前，向泵內灌注液體直至泵殼頂部排氣嘴處在打開狀態(tài)下有液體冒出時為止。3）離心泵應在出口閥門關閉時啟動為了不致啟動時電流過大而燒壞電機，泵啟動時要將出口閥完全關閉，等電機運轉正常后，再逐漸打開出口閥，并調節(jié)到所需的流量。2023/2/44）關泵的步驟

關泵時，一定要先關閉泵的出口閥，再停電機。否則，壓出管中的高壓液體可能反沖入泵內，造成葉輪高速反轉，使葉輪被損壞。5）運轉時應定時檢查泵的響聲、振動、滴露等情況，觀察泵出口壓力表的讀數(shù)，以及軸承是否過熱等。

2023/2/42-1-2其他類型泵

一、往復泵1、往復泵的結構及工作原理

往復泵是一種容積式泵，它依靠作往復運動的活塞依次開啟吸入閥和排出閥從而吸入和排出液體。

2023/2/4泵的主要部件有泵缸、活塞、活塞桿、吸入單向閥和排出單向閥。活塞經(jīng)傳動和機械在外力作用下在泵缸內作往復運動。活塞與單向閥之間的空隙稱為工作室。工作原理：當活塞自左向右移動時，工作室的容積增大，形成低壓，貯池內的液體經(jīng)吸入閥被吸入泵缸內，排出閥受排出管內液體壓力作用而關閉。當活塞移到右端時，工作室的容積最大?；钊捎蚁蜃笠苿訒r，泵缸內液體受擠壓，壓強增大，使吸入閥關閉而推開排出閥將液體排出，活塞移到左端時，排液完畢，完成了一個工作循環(huán)，此后開始另一個循環(huán)。2023/2/42023/2/4活塞從左端點到右端點的距離叫行程或沖程。

活塞在往復一次中，只吸入和排出液體各一次的泵，稱為單動泵。由于單動泵的吸入閥和排出閥均裝在活塞的一側，吸液時不能排液，因此排液不是連續(xù)的。為了改善單動泵流量的不均勻性，多采用雙動泵或三聯(lián)泵往復泵的工作原理與離心泵不同，具有以下特點：1）往復泵的流量只與泵本身的幾何形狀和活塞的往復次數(shù)有關，而與泵的壓頭無關。無論在什么壓頭下工作，只要往復一次，泵就排出一定的液體。

2023/2/42023/2/42023/2/4其理論流量：對單動泵

對雙動泵

2）往復泵的壓頭與泵的幾何尺寸無關，只要泵的機械強度及原動機的功率允許，輸送系統(tǒng)要求多高的壓頭，往復泵