第四章 离心泵与轴流泵

1、北京化工大学机电学院 王奎升王奎升 叶片式流体机械在国民经济的各个部门以及人民生活中都有广泛的应用。在石油工程上，叶片式流体机械主要用在油田注水、油井采油、油品输送以及作为钻井泵的灌注用泵等；而轴流泵用作热电站中的循环水泵、油田供水用泵等。本章主要介绍叶片式流体机械（离心泵）的结构、工作原理、特性曲线、水力设计和选择使用等问题。 图4-1 离心泵工作原理示意图 l-叶轮；2-叶片；3-螺壳；4-吸入管；5-排出管 离心泵开始工作后，充满叶轮的液体由许多弯曲的叶片带动旋转。在离心力的作用下，液体沿叶片间流道，由叶轮中心甩向边缘，再通过螺形泵壳(简称螺壳)流向排出管。随着液体的不断排出，在泵的叶轮

2、中心形成真空，吸入池中液体在大气压力作用下，通过吸入管源源不断地流入叶轮中心，再由叶轮甩出。叶轮的作用是把泵轴的机械能传给液体，变成液体的压能和动能；螺壳的作用则是收集从叶轮甩出的液体，并导向排出口的扩散管。由于扩散管的断面是逐渐增大的，使得液体的流速平缓下降，把部分动能转化为压能。在有些泵上，叶轮外缘装有导叶，其作用也是导流及转换能量。在吸入管上及排出口的扩散管后分别装有真空表和压力表，用以测量泵进口处的真空度及出口压力，从而了解泵的工作状况。 （1）工作件(叶轮)等速旋转，液流均匀、平稳。 （2）液体被叶轮甩出后其压能与动能均增加，再经转能装置，把动能转化为压能，液体所能增加的压能有限。

3、（3）吸入和排出在时间上是同时进行的，从而取消了泵阀 （4）泵的流量随压力的增加而减少，调节方便。 离心泵通常按叶轮数目、叶轮结构、泵壳结构特点及其用途等进行分类。 叶轮数目叶轮吸入方式 泵壳结构 单级泵和多级泵单吸泵和多吸泵 螺壳泵和透平泵（1）流量。是指泵在单位时间内所输送的液体体积,用Q来表示,其单位为Ls或m3 /h。（2）压头(或扬程)。是指每一单位重量(N)的液体通过泵后,其能量的增加值,用H示,其单位为JN或m；由于一般离心泵的工作压力不高，所以通常不采用MPa，而只用“m液柱”来表示压头的大小。（3）功率 。离心泵的功率通常是指泵的轴功率，也就是动力机输入到泵轴的功率，以N轴表

4、示，其单位为kW。单位时间内流过离心泵的液体从泵那里得到的能量叫做有效功率，用N表示。 （4）效率。任何泵不可能把动力机输入的轴功率完全传递给液体，成为有效功率，因为在泵内有各种能量损失。泵的效率为有效功率与轴功率之比。（5）转速。指泵轴每分钟的转数，其单位为r/min。 在石油工程上使用着各种类型的离心泵。在压头不大的场合，往往使用单级离心泵；在注水站和长距离输油干线上，需要很大的压头，使用多级离心泵；在一些特殊的场合，送热油产品或从深井中采油，要用不同类型的热油泵或多级电动潜油泵。图4-2 单级悬臂式B型泵1-带吸入短管的泵盖；2-密封环；3-叶轮的环状突起；4-泵壳；5-叶轮；6-锁紧螺

5、母；7-泵轴；8-填料套筒；9-填料；10-压紧套筒；11-支承架；12-13一轴承 图4-3 分段式多级高压注水泵1-吸入端盖；2-第一级叶轮；3-第一级导叶；4-中间级叶轮；5-中间级导叶；6-段；7-最末级的导叶；8-排出端盖；9-轴封装置；l0-滑动轴承；11-压紧装置；12-底座 离心泵的主要零部件有叶轮、泵壳、导叶、轴、轴承、密封装置及轴向力平衡装置等。1.叶轮 叶轮是离心泵中最重要的零件，它将动力机的能量传给液体。图4-4所示为单吸式叶轮，它由两个轮盖构成，一个盖板带有轮毂，泵轴从其中通过，另一盖板形成了吸入孔。盖板之间铸有叶片，从而形成一系列流道，叶片一般为612片，视叶轮用途

6、而定。图4-5所示为双吸式叶轮。在这种叶轮上，两个轮盖都有吸入孔，液体从两侧同时进入叶轮。 图4-4 叶轮和导叶 图4-5 双吸式叶轮2.泵壳 是一个液体能的转能装置，分为有导叶的透平泵泵壳和螺旋形的泵壳两种。螺壳泵的泵壳结构很简单，如图4-6和图4-7所示。图4-6 螺壳泵泵壳及扩散管图4-7 双层螺壳和加导叶的螺壳结构3.导叶 导叶的作用与螺壳相同，它用于分段式多级泵中，具有结构紧凑和在各种工况下平衡径向力的优点。导叶按其结构型式可分为径向式导叶和流道式导叶。图4-8和图4-9中给出径向式导叶和流到式导叶的结构。 图4-8 径向式导叶图4-9 流道式导叶4.密封装置 为了保证泵的正常工作，

7、应当防止液体外漏、内漏或外界空气吸入泵内，因此必须在轮与泵壳间、轴与壳体间都装有密封装置。图4-10 叶轮的密封环 图4-11 机械密封简图1-静环；2-动环；3-弹簧；4-传动弹簧座；5-固定螺钉；6、8-密封圈；7-防转销；9-压盖 图4-12 软填料密封装置1-套筒；2-填料；3-封漏环；4-压盖；5-填料盒 5.轴向力平衡装置 图4-13 离心泵的轴向推力图1，2-叶轮两侧空间；3-密封环 叶轮流道的几何形状常用轴面投影图和平面投影图来表示，见图4-14。 图4-14 叶轮投影图 a)轴面投影；(b)平面投影D0叶轮的进口直径；D1,D2 叶轮的叶片进、出口直径；b1,b2叶轮的叶片进

8、、出口宽度； 叶轮的叶片进、出口的结构角，是叶片进、出口端部中线的切线和圆周切线的夹角，在离心泵中，一般小于40 ；t节距。 1 ,2kk 图4-15 液体质点在叶轮内的运动情况1叶轮进口速度三角形图4-16 叶轮内液体的运动1.叶轮进口速度三角形液体进入叶片流道的相对速度1w可由下式确定：1w1c1u已知 和就 可由绘制的进口速度三角形,求得相对速度如图4-16所示。图4-16 叶轮内液体的运动111wcu4-12.叶轮出口速度三角形2u2w2c 圆周速度 与相对速度 的合成， 即为出口处液体的绝对速度。 图4-17 进口速度三角形随流量而变的情况 222cuw4-2 假设：叶轮具有无限多、

9、无限薄的叶片，这样就可以认为液体质点是完全按照叶片形状规定的轨迹运动的；液体是理想的，即液体没有粘性，流动时没有摩擦阻力损失。 图4-18 液体运动速度图m1R11 1Mmcl2R22 2Mmc liM以 表示每秒内流过叶轮的液体质量，那么在半径 的叶轮进口处，液体相对于叶轮轴线的动量矩为 在半径为 的叶轮出口处，液体相对于叶轮轴线的动量矩为 液体动量矩的增加应等于作用在液体上的外力矩 ，即iGmQgGg由图4-18所示的速度三角形可知考虑到 式中 通过叶轮的液体的重量流量，N/s； 重力加速度，ms2液体的密度，kg/m2212 21 1()iMMMm c lc l4-3222coslR11

10、1coslR4-4将上述有关式子代入式(4-3)，可得假设液体通过叶轮时没有能量损失，根据能量守恒定律，叶轮消耗的机械功率应全部变成液体的水力功率，即iHiHiH 为叶轮的旋转角速度； 为叶轮传递给每一N重量液体的能量称为泵的理论压头。因为假定叶轮叶片为无限多，所以 用 表示。222111(coscos)iiMQc Rc R4-5iiiMgQ H4-6iH 因此，离心泵的理论压头 等于：2 221 111(coscos)iiiMHu cu cgQg4-7 上式就是离心泵的基本能量方程式。因 222cosucc111cosucc（4-7）可改写为：221 11()iuuHu cu cg4-819

11、0由于在一般离心泵中，液体通常是沿径向进入叶轮，即 因此，基本能量方程式可简化为： 22uiu cHg4-9， 从式(4-9)可见，离心泵的理论压头与出口圆周速度(或叶轮外径 及转速 n)，出口绝对速度的周向分量 （或 及 等)有关。当叶轮的外径越大、转速越高以及 越大、 越小时，离心泵给出的理论压头也越大。 2D22uc222在基本能量方程式中，没有包含液体物理性质的参数(如密度、粘度等)，所以此式适用于输送任何物理性质的液体。离心泵的基本能量方程式的另一种表达式可得： 222222212121222iuuwwccHggg4-10式(4-10)的右端前两项代表压头中压能的增量部分， 称为静压

12、头。其中 是液体在圆周(牵连)运动中由离心力作功，使液体在叶轮出口处压能的增加值； 是由于一般叶轮流道略带扩散性，所以从叶轮进口到叶轮出口，液体的相对速度是减小的，从而使部分动能转换为压能。式(4-10)的右端最末一项是液体动能的增值部分，称为动压头 。即：pH22212uug22212wwgvH22212vccHg由此可知，泵的理论压头是液体压能增量部分与动能增量部分的总和，即：ipvHHH4-11 在离心泵叶轮的设计中，一般尽量使压能增量大些，动能增量小些，因为动能的增加引起流速变大，使叶轮流道内或进压出室后液流的水力损失都相应地增加，从而使泵的效率下降。 k 离心泵中，一般采用 ，即叶片

13、向后弯的叶轮，反应系数 为0.7-0.75。 290k从离心泵的基本能量方程式(4-9)22uiu cHg2uc 可见，泵的理论压头与叶轮出口处绝对速度的圆周分速 成正比，而 则可由 确定。2uc2222coturkcuc因此，泵的理论压头可用下式求得 2222(cot)irkuHucg4-12上式表明，理论压头 和叶片出口处的结构角有密切关系。iH根据叶片出口角的变化，可以分为三种情况如图4-19：叶片朝叶轮旋转方向的后方弯曲，a即叶片出口沿半径方向，b即 叶片朝叶轮旋转方向的前方弯曲，c即 290k290k290k图4-19 离心泵叶轮的三种结构图4-20 圆形容器内的相对运动 （a） （

14、b）图4-21 叶轮流道内相对速度的分布 (a)叶片无限多时；(b)叶片有限多时图4-22 有限叶片数时叶轮出口速度三角形离心泵叶轮的叶片数通常离心泵叶轮的叶片数通常在在612之间，一般不超之间，一般不超过过9个。个。 在离心泵转换能量过程中，不是所有的机械能都能成为有效功，运转时不可避免地会有能量损失。因此，要提高泵的效率，做到合理地选择和使用离心泵，必须研究泵内的各种损失。泵内的能量损失可分为：水力损失、容积损失和机械损失三类。1.水力损失 阻力损失 冲击损失 222fvhaQg2()imopthb QQ泵内总的水力损失为： 22()hfimopthhhaQb QQ 图4-23 离心泵的水

15、力损失泵的有效压头因而，水力效率为 ihHHH4-13hihHHHHh4-14 上式的理论压头是表示有限叶片数时叶轮传给每N液体的能量，而有效压头则表示每液体从离心泵净得的有效能量。2.容积损失 主要是由于高压液体在泵内窜流和向泵外漏失引起的。 实际有效流量为 iQQq4-15容积效率为 viQQQQq4-16图4-24 离心泵的漏失 泵的容积效率值一般为0.930.98。当泵的尺寸较大时，这个效率会有所提高。改善密封环及密封结构，可以降低漏失量，提高泵的容积效率。在检修离心泵时，检查密封环的完好情况是十分必要的。3.机械损失 机械损失是指叶轮盖板两侧面与液体之间的摩擦损失(也圆盘损失)，以及

16、泵轴在密封装置、轴承等机件间旋转时的摩擦损失。 机械效率为axmimaxaxNNNNN4-17图4-25 q-H关系曲线式中 泵轴上输人的功率； 叶轮传递给液体的转化功率。 axNiN通常，泵的机械效率为0.9O.95。在输送粘性液体时，由于圆盘损失显著增加，机械效率会大大降低。 液体通过离心泵得到的有效功率为310NgQH(kW) (4-18) 叶轮传给液体的转化功率为3310()() 10iiihNgQ Hg Qq Hh (kW) (4-19) 泵的转化效率，即表示流道部分完善程度的效率为ivhiiiNgQHNgQ H (4-20)泵的总效率为axivhmiaxNNNNNN 液体得到的有效

17、功率泵轴的输入功率(4-21) 离心泵的总效率最高可达0.850.9。离心泵的轴功率和总效率都是由实验测定的，并标注在产品样本上。表4-1 不同类型离心泵的效率值 效率泵类型 大流量泵 0.950. 98 0.95 0.950.97小流量低压泵 0.900.95 0.850.90 0.900.95小流量高压泵 0.850.90 0.800.85 0.850.90vhm图4-26 离心泵的特性曲线 压头一流量 功率一流量 效率一流量 HQQaxNQ 对应不同的转速有不同的特性曲线。一般用流量作横坐标，其他几个参数作纵坐标，如图4-26所示。每一个流量都有相对应的压头、功率和效率，它代表泵的一种工

18、作状态(简称工况)。对应最高效率时的工况称为最优工况，相应的参数用下标“opt”表示。设计泵时所选定的一组参数，即设计工况应与最优工况相重合。1.H-Q曲线是离心泵选择和使用的主要依据 。驼峰式 陡降式平坦式压头变化较大时流量变化较小，适用于压 力波动而流量基本上保持不变的场合。 当流量变化较大时压头变化较小，或者当压头改变很小时流量变化较大。一般离心泵都具这种特性曲线形式，适用于调节排出阀门改变流量以及流量自动调节的场合。不稳定工作段，应避免使用。 图4-27 离心泵 的特性曲线形式HQaxNQ2. 曲线是合理选择离心泵的动力机功率和操作启动泵依据。 0Q 一般离心泵在 时轴率最小，所以必须

19、关闭排出阀门启动离心泵最有利。 axNQ3. 曲线是检查离心泵工作经济性的依据 . 为了扩大离心泵的使用范围，各种泵都规定一个高效工作区，一般取最高效率以下7范围内备点所对应的工况点为高效工作区。离心泵在高效工作区内工作便认为是经济合理的。在有些泵样本中，只绘出高效工作区内的泵特性曲线。 1.H-Q特性曲线的分析图4-28 特性曲线形式H Q2. 特性曲线的分析axNQ图4-27 特性曲线的分析axNQ3. 特性曲线的分析Q图4-28 特性曲线的分析Q 1. 液体的粘度对离心泵特性曲线的影响 随着液体粘度的增加， 和 特性曲线都要下降，而 特性曲线则要上升。液体粘度越大，这种变化越明显。HQQ

20、axNQ 产生上述变化的原因是：随着液体浓度的增加，泵内液体的流动过程发生了变化。当粘性液体沿叶轮流道的壁面流动时，形成了较厚的边界层。在边界层内的切向粘滞力对液流起阻滞作用。随着液体粘度的增加，这种阻滞作用逐渐扩大到叶片间的液流中，使其流速降低，从而了减小了泵的流量。同时，随着液体粘度的增加，泵内水力阻力也增大，使泵的压头下降。此外，由于叶轮的圆盘损失、密封环的摩擦损失都随粘度的增加而变大，使得泵轴所需功率上升，而其机械效率下降。虽然泵的容积损失因液体粘度的增加而略有减小，即容积效率略有提高，但是水力效率 下降得更明显，因此，离心泵输送粘性液体时总效率 仍然是下降。h 图4-29 离心泵输送

21、不同粘度液体时特性曲线的变化 目前，有关特性曲线的换算方法很多，常用前苏联列波可夫所推荐的输送粘性液体时离心泵特性曲线的换算方法。实践证明，将此法用于换算电动潜油离心泵及其他石油工程用离心泵输送粘性液体时的特性曲线，精度较高，换算简便。图4-30中给出列波可夫所推荐的换算系数图解。图4-30 离心泵输送粘性液体时特性曲线换算系数图解 当已知某台离心泵输送常温清水的特性曲线时，利用下列关系式换算成输送粘性液体的特性曲线：0HwHK H0QwQK Q0wK （4-22） （4-23） （4-24）式中 分别为输送粘性液体时的压头、流量和效率； 分别为输送20清水时的压头、流量和效率； 分别为压头、

22、流量和效率的换算系数。000HQ、wwwHQ、HQKKK、 输送粘性液体时的泵轴功率 可由下式确定： axoN0000axogQ HN(4-25) 式中 粘性液体的密度。01.几何相似 几何相似指的是在两台相似的离心泵中，流道部分的几何形状必须相似。为此，其相应的结构尺寸成比例，各相应的结构角都相同 2.运动相似 运动相似指的是在两台几何相似的泵中，流道中对应点的流速方向一致和大小成比例。也就是相似液流中对应质点的运动轨迹相似，而且流速的比值相同，即速度三角形相似图2-31所示。 图4-31 速度三角形相似3.动力相似 动力相似是要求在流道的对应点上液体的重力、压力和粘性力等都成一定的相似关系

23、。其中特别是粘性力的影响，它主要取决于雷诺数的大小。但在一般离心泵中，雷诺数都很大，雷诺数的一些差异对液流阻力及运动状况的影响不显著，所以当前面两个条件满足时，动力相似往往也是满足的。 2()nHHn()nQQn3()axaxnNNn（4-26）相似公式相似公式图4-32 转速改变时离心泵的特性曲线 图4-33 离心泵的通用特性曲线 比转数是一个能说明离心泵结构与性能特点的参数，它是利用相似理论求得的。取一台相似泵作为标准泵，它在压头 水柱，有效功率 kW（即流量 ）时，转速r/min，就定义为比转速，有公式如下：1mH 0.735NgQH30.075m /Qs3/43.65()sn QnH(

24、4-27)所以比转速 的定义就是：它是某一标准泵叶轮的转速，该标准泵和同一类型泵几何相似，水力效率和容积效率相同；它在压头 水柱，有效功 ，即流量 时具有的转速 。一种类型的离心泵只有一个比转数，而不同类型的离心泵具有不同的比转数。 sn1mH 0.075NkW30.075/Qmssn 比转数值与泵的压头及流量有关。泵的压头越大，流量越小，其比转数越小；而泵的压头越小，流量越大，则其比转数就越大。从离心泵的特性曲线可知，同一台泵，其压头及流量是改变的。当压头及流量改变后，比转数当然也要改变，即离心泵的每一工况都有自己的比转数。但是，应该注意，实际上对每台泵通常只给出一个比转数。这指的是其最优工

25、况时的比转数。对于单级单吸式泵，其比转数为 对于多级单吸式泵，一般只以其一级的压头来计算比转数，其比转数为 为叶轮级数。对于单级双吸式泵，叶轮数相当于两个单吸叶轮，流入叶轮的流量左右各半，其比转数为 3/43.65()sn QnH3/43.65()sn QnHZ3/43.65/2()sn QnH 当叶轮进口处某点的压力降低到输送温度下液体的汽化压力时，就有一部分液体汽化，生成汽泡。蒸汽泡被液流带到压力较高的区域时迅速凝结。在凝结过程中，汽泡周围的液体就以高速向汽泡中心运动，从而产生严重的水击现象。水击的地方产生非常巨大的瞬时压力(可达几十个MPa)，如汽泡紧贴在叶轮或其他部分的金属表面上，这里

26、就会受到冲击，同时由于氧的析出和伴随汽泡凝结过程所产生的局部高压和高温，使叶轮表面受到化学腐蚀。这种液体的汽化、凝结、水击和腐蚀的综合就称为汽蚀现象。汽蚀现象对于离心泵的危害性很大，因此，离心泵即使在轻微的汽蚀现象下长期工作也是不允许的。 汽蚀主要是由于叶轮进口处的压力低于液体的汽化压力引起的。造成叶轮进口处压力过分降低的原因可能：吸入高度过高；所输送的液体温度较高；气压太低(如泵在海拔较高的地方使用)以及泵内流道设计不完善而引起液流速度过高等。 图4-34 离心泵中的汽蚀现象图4-35 泵在发生汽蚀时的特性曲线图4-36 离心泵装置图离心泵的最大允许安装高度 2,max()2sszssvHH

27、hg允许吸上真空度 10tsspHHAg 1.有效的汽蚀余量 有效的汽蚀余量是指液体从吸入池经吸入管线到达泵吸入口后，所余的高出汽化压头的那部分能量。 ah当泵运转时，不发生汽蚀的必要条件是 ahh 式中 为规定的允许汽蚀余量。 h 2.必需的汽蚀余量 rh 必需的汽蚀余量又称为泵的汽蚀余量。 22011222rcwhgg式中 叶轮进口处的平均流速； 绝对流速变化及水力损失引起的压降系数，一般情况下 液体绕流叶片头部引起的压降系数，一般在无冲击入流 的情况下， 0c110.10.2220.30.4根据专门的试验研究，得出必需汽蚀余量的计算公式有： 4/35.62()rn QhC式中 泵的转速，

28、r/min； 泵的流量，m3/s。nQC成为汽蚀比系数，是一个表示离心泵汽蚀性能的系数3/45.62rn QCh表4-2 汽蚀比转速和比转速的数据 5070 708080150 150200 600750 800 8001000 10001200snC设计离心泵时，还常用 来计算rhHrh对于单吸泵 对于双吸泵 4/3621610sn4/3613710sn3.离心泵最大允许安装高度的另一种表达式 00,maxttszsrsppppHhhhhgg 1.适当加大叶轮吸入口直径 2.合理选取叶片进口冲角 3.采用双吸式叶轮4.改进叶片进口边位置及前盖板的形状5.加诱导轮图4-37 离心泵前置诱导轮0

29、D 离心泵的轴向力主要包括下列两部分： 叶轮前后两侧因液体压力分布情况不同(轮盖侧压力低，轮盘侧压力高)引起的轴向力 ，其方向为自叶轮背面指向入口。 液体流入和流出叶轮的方向和速度不同而产生的动反力 ，其方向与 相反。 此外，对入口压力较高的悬臂式单吸泵，还需考虑作用在轴端上的入口压力引起的轴向力，其方向与 相反。对于立式离心泵，其转动部分重量也是轴向力。 1G1G1G2G图4-38 叶轮前后两侧液体压力分布22114hiGDdgKH（）离心泵轴向力 的经验计算公式 1G1.叶轮前后两侧压差引起的轴向力 的计算 1G2.液体作用于叶轮入口的动反力 的计算2G200GGmccg式中 液体的质量流

30、量，kgs； 液体的重量流量，Ns； 叶轮进口处液体速度，mscmG0c2G 的作用方向由入口指向轮盘，与 的作用方向相反。所以，总的轴向力 为1GaxG12axGGG一般情况下， 较大， 很小，所以 的方向总是指向吸入口。只有在启动时，由于正常压力尚未建立，动反力的作用才较明显。axG1G2G1.单级离心泵的平衡措施图4-39 平衡孔和平衡管 (1)采用双吸式叶轮(2)开平衡孔或装平衡管(3)采用平衡叶片在叶轮轮盘背面铸出几条径向筋片 图4-40 叶轮背面带平衡叶片2.多级离心泵的平衡措施(1)对称布置叶轮(2)采用平衡鼓(即荷盘)(3)采用自动平衡盘图4-41 对称布置叶轮方案图4-42 平衡鼓简图图4-43 自动平衡盘装置简图图4-44 管线特性曲线图4-45 确定泵的工况点1.改变管线特性曲线的调节方法图4-46 调节排出阀门时管线特性曲线的变化2.改变泵特性曲线的方法 (1)改变泵轴转速(2)车削叶轮外径 (3)调节吸入阀门图4-47 不同转速时的工况点图4-48 车削叶轮外径时泵特性曲线的变化1.串联工作图4-49 泵的串联工作 两台泵串联时的总压头等于两泵在相同流量时的压头之和，两泵的流量必然相同。为了保证两台泵都能在高效区工作，要求它们最优工况点的流量相等或相接近。 2.并联工作 图4-50 泵的并联工作 两泵并联时的总流量等于两泵在相同压头时的流量之和。 HQ