第二章 流体输送机械.doc

第二章 流体输送机械本章符号说明英文字母a活塞杆截面积，m2；A活塞截面积，m2；b离心泵叶轮宽度，m；c离心泵叶轮内液体质点运动的绝对速 度，m/s；d管道直径，m；D叶轮或活塞直径，m；g重力加速度，m/s2；h允许汽蚀余量，m；H泵的压头，m；He管路系统输送单位质量流体所需压 头，m；Hf管路系统的压头损失，m；Hg离心泵的允许安装高度，m；Hs离心泵允许吸上真空高度，m；H离心泵的理论压头，m；pT离心通风机的全风压（风压），Pa；pP离心通风机的静风压，Pa；pK离心通风机的动风压，Pa；k多变指数；K系数；l长度，m；le当量长度，m；n离心泵转速，r/min；nr活塞的往复次数，l/min；N泵或压缩机的轴功率，W或kW；Ne泵的有效功率，W或kW；p压强，Pa；pa当地大气压强，Pa；pv液体的饱和蒸汽压，Pa；Q泵流量，m3/h或m3/s；Qe管路系统的输送量，m3/h或m3/s；QT离心泵的理论流量，m3/h或m3/s；R半径，m；S活塞的冲程，m；T绝对温度，K；u流速或离心泵叶轮内液体质点运动的 圆周速度，m/s；V体积，m3；w离心泵叶轮内液体质点运动的相对速 度，m/s；W往复压缩机的压缩功，J；Z位压头，m；希腊字母绝对速度与圆周速度的夹角；相对速度与圆周速度反方向延线的 夹角；余隙系数；阻力系数；效率；时间，s；摩擦系数；0容积系数；密度，kg/m3；气体绝热系数。为了将流体由低能位向高能位输送，必须使用各种流体输送机械。用以输送液体的机械通称为泵，用以输送气体的机械则按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。化工生产中输送的流体种类很多。流体的性质如腐蚀性、毒性、易燃易爆性等千差万别；流体的操作条件如温度、压力等也相差很大；流体的输送量及所需提供的能量要求也不同。为适应各种不同情况下对流体输送的要求，需要不同结构和特性的流体输送机械。流体输送机械按其工作原理分为：1动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式输送机械，它们是籍以高速旋转的叶轮使流体获得能量的。2容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式输送机械，它们是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量的。3其它类型：指不属于上述两类的其它型式，如喷射式等。本章主要介绍常用流体输送机械的基本结构、工作原理和特性，以恰当地选择和使用流体输送机械。气体的密度及压缩性与液体有显著区别，从而导致气体和液体输送机械在结构和特性上有不同之处。本章首先讨论常用的几种液体输送机械，然后扼要叙述各类风机的特性。第一节 离心泵2-1-1 离心泵的工作原理离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造大同小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（图2-1）。叶轮是离心泵直接对液体做功的部件，其上有若干后弯叶片，一般为48片。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动（10003000r/min），迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳内，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（常为大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体经吸入管路进入泵内，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送图2-1 离心泵装置简图1叶轮；2泵壳；3泵轴；4吸入管；5底阀；6压出管；7出口阀液体，故名离心泵。离心泵若在启动前未充满液体，则泵内存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，此现象称为“气缚”。所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体，在吸入管底部安装带滤网的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液体从泵内漏失。滤网防止固体物质进入泵内。靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀，供调节流量时使用。2-1-2 离心泵的理论压头 一、离心泵的理论压头从离心泵工作原理知液体从离心泵叶轮获得能量而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮内的运动比较复杂，故作如下假设： （1）叶轮内叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动。无任何倒流现象；（2）液体为粘度等于零的理想液体，没有流动阻力。 液体从叶轮中央入口沿叶片流到叶轮外缘的流动情况如图2-2所示。叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u，其运动方向为所处圆周的切线图2-2 液体在离心泵中的流动方向；同时，液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w，其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度c为该点的圆周速度u与相对速度w的向量和。由图2-2可导出三者之间的关系：叶轮进口处 （2-1）叶轮出口处 （2-2）泵的理论压头可从叶轮进出口之间列柏努利方程求得 （2-3）即 （2-4）式中 H具有无穷多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头，m； HP理想液体经理想叶轮后静压头的增量，m； HC理想液体经理想叶轮后动压头的增量，m。上式没有考虑进、出口两点高度不同，因叶轮每转一周，两点高低互换两次，按时均计此高差可视为零。液体从进口运动到出口，静压头增加的原因有二：（1）离心力作功 液体在叶轮内受离心力作用，接受了外功。质量为m的液体旋转时受到的离心力为： 单位重量液体从进口到出口，因受离心力作用而接受的外功为： （2）能量转换 相邻两叶片所构成的通道截面积由内而外逐渐扩大，液体通过时速度逐渐变小，一部分动能转变为静压能。单位重量液体静压能增加的量等于其动能减小的量，即 因此，单位重量液体通过叶轮后其静压能的增加量应为上述两项之和，即 （2-5）将式2-5代入式2-4，得 （2-6）将式2-1、2-2代入式2-6，整理得 （2-7）由上式看出，当cos1=0时，得到的压头最大。故离心泵设计时,一般都使1=90,于是上式成为： （2-8）式2-8即为离心泵理论压头的表示式，称为离心泵基本方程式。从图2-2可知 （2-9）如不计叶片的厚度，离心泵的理论流量QT可表示为： QT=cr2D2b2 （2-10）式中 cr2叶轮在出口处绝对速度的径向分量，m/s； D2叶轮外径，m； b2叶轮出口宽度，m。将式2-9及式2-10代入式2-8，可得泵的理论压头H与泵的理论流量之间的关系为： （2-11）上式为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系。 二、离心泵理论压头的讨论（1）叶轮的转速和直径对理论压头的影响 由式2-11可看出，当叶片几何尺寸（b，）与流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。（2）叶片形状对理论压头的影响 根据式2-11，当叶轮的速度、直径、叶片的宽度及流量一定时，离心泵的理论压头随叶片的形状而改变。叶片形状可分为三种：（见图2-3）图2-3 叶片形状对理论压头的影响（a）径向 （b）后弯 （c）前弯后弯叶片 290,ctg20 H （a）径向叶片 2=90,ctg2=0 H= （b）前弯叶片 290,ctg20 H （c）图2-4 离心泵的H与QT的关系在所有三种形式的叶片中，前弯叶片产生的理论压头最高。但是，理论压头包括势能的提高和动能的提高两部分。由图2-3可见，相同流量下，前弯叶片的动能较大，而后弯叶片的动能较小。液体动能虽可经蜗壳部分地转化为势能，但在此转化过程中导致较多的能量损失。因此，为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。（3）理论流量对理论压头的影响 从式2-11可看出290时，H随流量QT增大而加大，如图2-4所示。2=90时，H与流量QT无关；290时，H随流量QT增大而减小。2-1-3 离心泵的功率与效率 一、泵的有效功率和效率泵在运转过程中由于存在种种能量损失，使泵的实际（有效）压头和流量均较理论值为低，即由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，设H泵的有效压头，即单位重量液体从泵处获得的能量，m；Q泵的实际流量，m3/s；液体密度，kg/m3；Ne泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，W。有效功率可写成 Ne=QHg （2-12）由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率，即 （2-13）一般小型离心泵的效率为50%70%，大型泵可高达90%。 二、泵内损失 离心泵内的损失包括容积损失、水力损失和机械损失。容积损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。在图2-5所示的三种叶轮中，敞式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮体时，叶片通道不易堵塞。水力损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦阻力损失，包括液体与叶片和壳体的冲击而形成旋涡，由此造成的机械能损失。机械损失则包括旋转叶轮盘面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。离心泵的效率反映上述三项能量损失的总和。图2-5 叶轮的类型(a)敞式 (b)半蔽式 (c)蔽式2-1-4 离心泵的特性曲线 一、离心泵的特性曲线离心泵的有效压头H，轴功率N及效率均与输液流量Q有关，均是离心泵的主要性能参数。虽然离心泵的理论压头H与理论流量QT的关系已如式2-11所示，但由于泵的水力损失难以定量计算，因而泵的这些参数之间的关系只能通过实验测定。离心泵出厂前均由泵制造厂测定HQ，Q，NQ三条曲线，列于产品样本以供用户参考。图2-6为国产4B20型离心泵的特性曲线。各种型号的泵各有其特性曲线，形状基本上相同，它们都具有以下的共同点：图2-6 4B20型离心水泵的特性曲线 （1）HQ曲线 表示泵的压头与流量的关系。离心泵的压头一般是随流量的增大而降低。例2-1 附图1流量计；2压强表；3真空计；4离心泵；5贮槽（2）NQ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增大而上升，流量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使起动电流减小，保护电机。（3）Q曲线 表示泵的效率与流量的关系。从图2-6的特性曲线看出，当Q=0时，=0；随着流量的增大，泵的效率随之上升，并达到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的流量及压头下工作最经济，所以与最高效率点对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的状况参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况点运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右，如图中波折号所示范围，选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。【例21】 离心泵特性曲线的测定附图为测定离心泵特性曲线的实验装置，实验中已测出如下一组数据：泵进口处真空表读数p1=2.67104Pa(真空度)泵出口处压强表读数p2=2.55105Pa(表压)泵的流量Q=12.5103m3/s功率表测得电动机所消耗功率为6.2kW吸入管直径d1=80mm压出管直径d2=60mm两测压点间垂直距离Z2Z1=0.5m泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，电动机的效率为0.93实验介质为20的清水试计算在此流量下泵的压头H、轴功率N和效率。解：（1）泵的压头 在真空表及压强表所在截面11与22间列柏努利方程： 式中 Z2Z1=0.5m p1=2.67104Pa（表压） p2=2.55105Pa（表压） u1= u2= 两测压口间的管路很短，其间阻力损失可忽略不计，故 H=0.5+ =29.88mH2O（2）泵的轴功率 功率表测得功率为电动机的输入功率，电动机本身消耗一部分功率，其效率为0.93，于是电动机的输出功率（等于泵的轴功率）为： N=6.20.93=5.77kW（3）泵的效率 =在实验中，如果改变出口阀门的开度，测出不同流量下的有关数据，计算出相应的H、N和值，并将这些数据绘于坐标纸上，即得该泵在固定转速下的特性曲线。 二、液体物理性质的影响泵生产部门所提供的特性曲线是用20时的清水作实验求得。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。 （1）密度的影响 由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，所以泵的效率也不随液体的密度而改变，故HQ与Q曲线保持不变。但泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水不同时，该泵所提供的NQ曲线不再适用，泵的轴功率需重新计算。（2）粘度的影响 所输送的液体粘度越大，泵内能量损失越多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线发生改变。 三、离心泵的转数对特性曲线的影响离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的，当转速由n1改变为n2时，与流量、压头及功率的近似关系为 （2-14） 式2-14称为离心泵的比例定律。当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式计算误差不大。 四、叶轮直径对特性曲线的影响当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径与流量、压头及功率之间的近似关系为 （2-15）式2-15称为离心泵的切割定律。图2-7 输 送系统简图2-1-5 离心泵的工作点与流量调节 一、管路特性曲线当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。所以，在讨论泵的工作情况之前，应先了解与之相联系的管路状况。在图2-7所示的输送系统中，为完成从低能位1处向高能位2处输送，单位重量流体所需要的能量为He，则由柏努利方程可得： （2-16）一般情况下，动能差u2/2g项可以忽略，阻力损失 （2-17）其中 式中Qe管路系统的输送量，m3/h故 或 （2-18）式中系数 其数值由管路特性所决定。当管内流动已进入阻力平方区，系数K是一个与管内流量无关的常数。将式2-18代入式2-16，得 （2-19）在特定的管路系统中，于一定的条件下操作时，Z与p/g均为定值，上式可写成 He=A+KQe2 （2-20）由式2-20看出在特定管路中输送液体时，管路所需压头He随液体流量Qe的平方而变化。将此关系描绘在坐标纸上，即为图2-8的管路特性曲线。此线形状与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。 二、泵的工作点离心泵安装在管路中工作时，泵的输液量Q即管路的流量Qe，在该流量下泵提供的压头必恰等于管路所要求的压头。因此，泵的实际工作情况是由泵特性曲线和管路特性曲线共同决定的。图2-8 管路特性曲线与泵的工作点图2-9 改变阀门开度调节流量示意图若将离心泵特性曲线HQ与其所在管路特性曲线HeQe绘于同一坐标纸上，如图2-8所示，此两线交点M称为泵的工作点。对所选定的离心泵在此特定管路系统运转时，只能在这一点工作。选泵时，要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又正好是离心泵所提供的，即Q= Qe，H=He。 三、离心泵的流量调节如果工作点的流量大于或小于所需要的输送量，应设法改变工作点的位置，即进行流量调节。（1）改变阀门的开度 改变离心泵出口管线上的阀门开关，实质是改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，如图2-9中曲线1所示，工作点由M移至M1，流量由QM减小到QM1。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，如图中曲线2所示，工作点移至M2，流量加大到QM2。用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，适合化工连续生产的特点。所以应用十分广泛。缺点是阀门关小时，阻力损失加大，能量消耗增多，不很经济。（2）改变泵的转速 改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线。泵原来转数为n，工作点为M，如图2-10所示，若把泵的转速提高到n1，泵的特性曲线HQ往上移，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，工作点移至M2，流量降至QM2。这种调节方法能保持管路特性曲线不变。当流量随转速下降而减小时，阻力损失也相应降低，看来比较合理。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到连续调节流量，故化工生产中很少采用。此外，减小叶轮直径也可改变泵的特性曲线，使泵的流量减小，但可调节的范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率，故实际上很少采用。例22 附图 图2-10 改变转速调节流量示意图【例22】 将20的清水从贮水池送至水塔，已知塔内水面高于贮水池水面13m。水塔及贮水池水面恒定不变，且均与大气相通。输水管为1404.5mm的钢管，总长为200m（包括局部阻力的当量长度）。现拟选用4B20型水泵，当转速为2900r/min时，其特性曲线见附图，试分别求泵在运转时的流量、轴功率及效率。摩擦系数可按0.02计算。解：求泵运转时的流量、轴功率及效率，实际上是求泵的工作点。即应先根据本题的管路特性在附图上标绘出管路特性曲线。（1）管路特性曲线方程在贮水池水面与水塔水面间列柏努利方程 式中Z=13m p=0由于离心泵特性曲线中Q的单位为L/s，故输送流量Qe的单位也为L/s，输送管内流速为： = 本题的管路特性方程为： He=13+ （2）标绘管路特性曲线根据管路特性方程，可计算不同流量所需的压头值，现将计算结果列表如下：Qe/Ls10481216202428He/m1313.1413.5514.2315.216.4317.9419.72由上表数据可在4B20型水泵的特性曲线图上标绘出管路特性曲线HeQe。（3）流量、轴功率及效率 附图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点就是泵的工作点，从图中点M读得： 泵的流量 Q=27L/s=97.2m3/h 泵的轴功率 N=6.6kW 泵的效率 =77%2-1-6 并联与串联操作在实际工作中，当单台离心泵不能满足输送任务的要求时，有时可将泵并联或串联使用。这里仅讨论两台性能相同的泵并联及串联的操作情况。 一、并联操作当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。一台泵的特性曲线如图2-11中曲线所示，两台相同的泵并联操作时，在同样的压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍，故将单台泵特性曲线的横坐标加倍，纵坐标不变，便可求得两泵并联后的合成特性曲线。但需注意，对于同一管路，其关联操作时泵的流量不会增大一倍，因并联后流量增大，管路阻力也增大。 二、串联操作当生产厂需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。两台相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。将单台泵的特性曲线的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可求得两台泵串联后的合成特性曲线 （图2-12）。由图中可知，单台泵的工作点为A，串联后移至C点。显然C点的压头并不是A点的压头H1的两倍。图2-11 离心泵的并联操作 图2-12 离心泵的串联操作 图2-13 组合方式的选择 三、组合方式的选择如果管路两端势能差大于单泵所能提供的最大扬程，则必须采用串联操作。但在许多情况下，单泵可以输液，只是流量达不到指定要求。此时可针对管路的特性选择适当的组合方式，以增大流量。由图2-13可见，对于低阻输送管路a，并联组合输送的流量大于串联组合；而在高阻输送管路b中，则串联组合的流量大于并联组合。对于压头也有类似的情况。因此，对于低阻输送管路，并联优于串联组合；对于高阻输送管路，则采用串联组合更为适合。图2-14 离心泵的安装高度2-1-7 离心泵的安装高度由离心泵的工作原理可知，在离心泵叶轮中心（叶片入口）附近形成低压区。如图2-14所示，离心泵的安装位置越高，叶片入口处压强愈低，当泵的安装高度高至一定位置，叶片入口附近的压强可能降至被输送液体的饱和蒸汽压，引起液体的部分汽化并产生汽泡。含汽泡的液体进入叶轮后，因流道扩大压强升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失产生局部真空，周围液体以高速涌向汽泡中心，造成冲击和振动。尤其是当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时，众多液体质点尤如细小的高频水锤撞击着叶片；另外汽泡中还可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转，将导致叶片的过早损坏，这种现象称为泵的汽蚀。离心泵在产生汽蚀条件下运转，泵体振动并发生噪音，流量、扬程和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液体。为避免汽蚀现象，泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处的压强高于液体的饱和蒸汽压。 二、离心泵的允许安装高度离心泵的允许安装高度又称为允许吸上高度，是指泵的入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。我国的离心泵规格中，采用两种指标对泵的允许安装高度加以限制，以免发生汽蚀，现将这两种指标介绍如下：1允许吸上真空高度 允许吸上真空高度Hs是指泵入口处压力p1可允许达到的最高真空度，其表达式为： （2-21）式中 Hs离心泵的允许吸上真空高度，m液柱； pa大气压强，Pa； 被输送液体的密度，kg/m3。 要确定允许吸上真空高度与允许安装高度Hg之间关系，可在图2-14所示的截面00与泵进口附近截面11间列柏努利方程，则 （2-22）式中 Hg泵的允许安装高度，m；液体从截面00到11的压头损失，m。由于贮槽是敞口的，p0为大气压pa，上式可写为 （2-22a）将式2-21代入，得 （2-22b）由上式可知，为了提高泵的允许安装高度，应该尽量减小/2g和。为了减小/2g，在同一流量下，应选用直径稍大的吸入管路，为了减小，应尽量减少阻力元件如弯头、截止阀等，吸入管路也尽可能地短。由于每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，故/2g和值也不同，泵制造厂只能给出Hs值，而Hg值需根据管路的具体情况通过计算确定。在泵的产品样本中给出的Hs是指大气压为9.807104Pa，水温为20下的数值，如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上给出的Hs值换算成操作条件下的Hs值，其换算公式为： （2-23）式中 Hs操作条件下输送液体时的允许吸上真空高度，m液柱； Hs泵样本中给出的允许吸上真空高度，mH2O； Ha泵安装处的大气压强，mH2O。其值随海拔高度不同而异。 pv操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压，Pa； 10实验条件下的大气压，mH2O； 0.24实验温度（20）下水的饱和蒸汽压，mH2O； 1000实验温度下水的密度，kg/m3； 操作温度下液体的密度，kg/m3。将Hs代入式2-22代替Hs，便可求出在操作条件下输送液体时泵的允许安装高度。不同海拔高度的大气压如表2-1所示，表中1 mH2O相应为9.807103Pa。表2-1 不同海拔高度的大气压强海拔高度/m01002003004005006007008001000150020002500大气压强/ mH2O10.3310.2010.099.959.859.749.69.59.369.168.648.157.622临界汽蚀余量 汽蚀余量h是指离心泵入口处，液体的静压头p1/g与动压头/2g之和大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv/g的某一最小指定值，即 （2-24）将式2-24与2-22合并，可得出汽蚀余量与允许安装高度之间的关系 （2-25）式中 p0为液面上方的压强，若液位槽为敞口，则p0=pa。应当注意，泵产品样本上的h值也是按输送20水而规定的。当输送其他液体时，需进行校正。具体方法可参阅有关文献。通常为安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度小0.51m。【例23】 选用某台离心泵，从样本上查得其允许吸上真空高度Hs=7.5m，现将该泵安装在海拔高度为500m处，已知吸入管的压头损失为1 mH2O，泵入口处动压头为0.2 mH2O，夏季平均水温为40，问该泵安装在离水面5m高处是否合适？解：使用时的水温及大气压强与实验条件不同，需校正：当水温为40时 pv=7377Pa在海拔500m处大气压强可查表2-1得 Ha=9.74 mH2O Hs=Hs+（Ha10） =7.5+（9.7410）（0.750.24）=6.73 mH2O泵的允许安装高度为： （2-22b） =6.730.21 =5.53m5m故泵安装在离水面5m处合用。2-1-8 离心泵的类型与选用 一、离心泵的类型离心泵的种类很多，化工生产中常用离心泵有清水泵、耐腐蚀泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、杂质泵、管道泵和低温用泵等。以下仅对几种主要类型作简要介绍。1清水泵 清水泵是应用最广的离心泵，在化工生产中用来输送各种工业用水以及物理、化学性质类似于水的其它液体。最普通的清水泵是单级单吸式，其系列代号为“B”，如3B33A型水泵，第一个数字表示该泵的吸入口径为3英寸（76.2mm），字母B表示单吸悬臂式，33表示泵的扬程33m，最后的字母A表示该型号泵的叶轮外径比基本型号小一级，即叶轮外周经过一次切削。如果要求压头较高，可采用多级离心泵，其系列代号为“D”。如要求的流量很大，可采用双吸式离心泵，其系列代号为“Sh”。2耐腐蚀泵 输送酸碱和浓氨水等腐蚀性液体时，必须用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵中所有与腐蚀性液体接触的各种部件都须用耐腐蚀材料制造，如灰口铸铁、高硅铸铁、镍铬合金钢、聚四氟乙烯塑料等。其系列代号为“F”。但是用玻璃、橡胶、陶瓷等材料制造的耐腐蚀泵，多为小型泵，不属于“F”系列。3油泵 输送石油产品的泵称为油泵。因油品易燃易爆，因此要求油泵必须有良好的密封性能。输送高温油品（200以上）的热油泵还应具有良好的冷却措施，其轴承和轴封装置都带有冷却水夹套，运转时通冷水冷却。其系列代号为“Y”，双吸式为“YS”。4屏蔽泵 屏蔽泵是一种无泄漏泵，它的叶轮和电机联为一整体并密封在同一泵壳内，不需要轴封装置。近年来屏蔽泵发展很快，在化工生产中常用以输送易燃、易爆、剧毒及具有放射性的液体。其缺点是效率较低。 二、离心泵的选用离心泵的选用原则上可分为两步： （1）根据被输送液体的性质和操作条件，确定泵的类型；（2）根据具体管路布置情况对泵提出的流量、压头要求，确定泵的型号。在泵样本中，各种类型的离心泵都附有系列特性曲线，以便于泵的选用。图2-15为B型离心泵的系列特性曲线。此图以H和Q标绘，图中每一小块面积，表示某型号离心泵的最佳（即效率较高）工作范围。利用此图，根据管路要求的流量Qe和压头He，可方便的决定泵的具体型号。有时会有几种型号的泵同时在最佳工作范围内满足流量Q及压头H的要求，这时可分别确定各泵的工作点，比较各泵在工作点的效率。一般总是选择其中效率最高者，但也应考虑泵的价格。【例2-4】 试选一台能满足Qe=80m3/h、He=180m要求的输水泵，列出其主要性能。并求该泵在实际运行时所需的轴功率和因采用阀门调节流量而多消耗的轴功率。解：（1）泵的型号 由于输送的是水，故选用B型水泵。按Qe=80m3/h、He=180m的要求在B型水泵的系列特性曲线图2-15上标出相应的点，该点所在处泵的型号为4B20-2900，故采用4B20型水泵，转速为2900r/min。再从教材附录中查4B20型水泵最高效率点的性能数据： Q=90m3/h H=20m N=6.36kW =78% Hs=5m（2）泵实际运行时所需的轴功率，即工作点所对应的轴功率。在图2-6的4B20型离心水泵的特性曲线上查得Q=80m3/h时所需的轴功率为 N=6kW（3）用阀门调节流量多消耗的轴功率 当Q=80m3/h时，由图2-6查得H=1.2m，=77%。为保证要求的输水量，可采用泵出口管线的阀门调节流量，即关小出口阀门，增大管路的阻力损失，使管路系统所需的压头He也等于21.2m。所以用阀调节流量多消耗的压头为： H=21.218=3.2m多消耗的轴功率为： 第二节 往复泵往复泵是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。往复泵输送液体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关，但往复泵的压头只与管路情况有关。这种特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。2-2-1 往复泵的构造及操作原理往复泵装置如图2-16所示。主要部件有泵缸1、活塞2、活塞杆3、吸入阀4和排出阀5。 图2-16 往复泵装置简图1泵缸；2活塞；3活塞杆；4吸入阀；5排出阀活塞由曲柄连杆机构带动作往复运动，在活塞周期性的往复运动的过程中泵缸内的容积和压强，周期性地变化，交替地打开和关闭吸入阀和排出阀，达到输送液体的目的。活塞往复一次只吸液和排液一次称为单动泵。活塞的往复运动由等速旋转的曲柄转换而来，速度变化服从正弦曲线，所以在一个周期内排液量也必然经历同样的变化，如图2-17（a）所示。为了改变单动泵流量的不均匀性，可采用双动泵。其工作原理如图2-18所示，在活塞两侧都装有吸入阀和排出阀，活塞往复一次，吸液和排液各两次，使活塞每个行程均有吸液和排液，其双动泵的流量曲线如图2-17（b）所示。图2-17 往复泵的流量曲线 图2-18 双动往复泵 （a）单动泵（b）双动泵2-2-2 往复泵的流量调节往复泵的理论流量是由活塞所扫过的体积决定的，而与管路特性无关。而往复泵提供的压头则只决定于管路情况。往复泵的工作点也是管路特性曲线和泵的特性曲线的交点，如图2-19所示。实际上，往复泵的流量随压头升高而略微减小，这是由于容积损失造成的。离心泵可用出口阀门来调节流量，但对往复泵此法却不能采用。因为往复泵属于正位移泵，其流量与管路特性无关，安装调节阀非但不能改变流量，而且还会造成危险，一旦出口阀门完全关闭，泵缸内的压强将急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。 往复泵的流量调节方法如下。图2-19 往复泵的工作点 图2-20往复泵旁路调节流量示意图 1旁路阀；2安全阀（1）旁路调节 旁路调节如图2-20所示。因往复泵的流量一定，通过阀门调节旁路流量，使一部分压出流体返回吸入管路，便可以达到调节主管流量的目的。显然，这种调节方法很不经济，只适用于变化幅度较小的经常性调节。（2）改变曲柄转速和活塞行程 因电动机是通过减速装置与往复泵相连接的，所以改变减速装置的传动比可以更方便地改变曲柄转速，达到流量调节的目的。因此，改变转速调节法是最常用的经济方法。对输送易燃、易爆液体由蒸汽推动的往复泵，可改变蒸汽进入量使活塞往复次数改变，实现流量的调节。第三节 其它化工用泵2-3-1 正位移泵 一、往复式 1计量泵计量泵又称比例泵，从操作原理看就是往复泵。如图2-21所示，计量泵是通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距可以调整，使柱塞的冲程随之改变。若单位时间内柱塞的往复次数不变时，泵的流量与柱塞的冲程成正比，所以可通过调节冲程而达到比较严格地控制和调节流量的目的。图2-21 计量泵计量泵适用于要求输液量十分准确而又便于调整的场合，如向化工厂的反应器输送液体。有时可通过用一台电机带动几台计量泵的方法，使每股液体流量稳定，且各股液体量的比例也固定。 2隔膜泵隔膜泵实际上就是活柱往复泵，系借弹性薄膜将活柱与被输送的液体隔开，这样当输送腐蚀性液体或悬浮液时，可不使活柱和缸体受到损伤。隔膜系采用耐腐蚀橡皮或弹性金属薄片制成。图2-22中隔膜左侧所有和液体接触的部分均由耐腐蚀材料制成或涂有耐腐蚀物质；隔膜右侧则充满油或水。当活柱作往复运动时，迫使隔膜交替地向两边弯曲，将液体吸入和排出。二、旋转式图2-22 隔膜泵1吸入活门；2压出活门；3活柱；4水（或油）缸；5隔膜 1齿轮泵齿轮泵主要是由椭圆形泵壳和两个齿轮组成（见图2-23）。其中一个齿轮为主动轮，由传动机构带动；另一个为从动轮，与主动轮相啮合而随之作反向旋转。当齿轮转动时，因两齿轮的齿相互分开而形成低压将液体吸入，并沿壳壁推送至排出腔。在排出腔内，两齿轮的齿互相合拢而形成高压将液体排出。如此连续进行，以完成输送液体的任务。齿轮泵流量较小，产生压头很高，适于输送粘度大的液体，如甘油等。2螺杆泵螺杆泵主要由泵壳与一个或几个螺杆所组成。按螺杆数目可分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。单螺杆泵结构如图2-24所示。此泵的工作原理是靠螺杆2在具有内螺纹泵壳3中偏心转动，将液体沿轴向推进，从吸入口1吸入至压出口4排出。多螺杆泵则依靠螺杆间相互啮合的容积变化来输送液体。螺杆泵的效率较齿轮泵高，运转时无噪音，无振动、流量均匀，特别适用于高粘度液体的输送。图2-23 齿轮泵 图2-24 螺杆泵1吸入口；2螺杆；3泵壳；4压出口2-3-2 非正位移泵 1旋涡泵旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。泵壳是正圆形，吸入口和排出口均在泵壳的顶部。泵体内的叶轮1是一个圆盘，四周铣有凹槽，成辐射状排列，构成叶片2（见图2-25）。叶轮和泵壳3之间有一定间隙，形成了流道4。吸入管接头与排出管接头之间有隔板5隔开。图2-25 旋涡泵简图（a）叶轮形状 （b）内部示意图1叶轮；2叶片；3泵壳；4流道；5隔板泵体内充满液体后，当叶轮旋转时，由于离心力作用，将叶片凹槽中的液体以一定的速度甩向流道，在截面积较宽的流道内，液体流速减慢，一部分动能变为静压能。与此同时，叶片凹槽内侧因液体被甩出而形成低压，因而流道内压力较高的液体又可重新进入叶片凹槽再度受离心力的作用继续增大压力。这样，液体由吸入口吸入，多次通过叶片凹槽和流道间的反复旋涡形运动，到达出口时，可获得较高的压头。旋涡泵在开动前也要灌满液体。旋涡泵在流量减小时压头增加，功率也增加，所以旋涡在开动前不要将出口阀关闭，采用旁路回流调节流量。旋涡泵的流量小、压头高、体积小、结构简单。它在化工生产中应用十分广泛，适宜于流量小、压头高及粘度不高的液体。旋涡泵的效率一般不超过40%。2轴流泵轴流泵的简单构造如图2-26所示。转轴带动轴头转动，轴头上装有叶片2。液体顺箭头方向进入泵壳，经过叶片，然后又经过固定于泵壳的导叶3流入压出管路。轴流泵叶片形状与离心泵叶片形状不同，轴流泵叶片的扭角随半径增大而增大（见图2-26），因而液体的角速度随半径增大而减小。如适当选择叶片扭角，使在半径方向按某种规律变化，可以使势能沿半径基本保持不变，从而消除液体的径向流动。通常把轴流泵叶片制成螺旋桨式，其目的就在于此。叶片本身作等角速度旋转运动，而液体沿半径方向角速度不等，显然，两者在圆周方向必存在相对运动。也就是说，液体以相对速度逆旋转方向对叶片作绕流运动。正是这一绕流运动在叶轮两侧形成压差，产生输送液体所需要的压头。轴流泵的叶轮一般都浸没在液体中。它提供的压头一般较小，但输液量却很大，特别适用于大流量、低压头的流体输送。轴流泵的特性曲线如图2-27所示。由图可以看出轴流泵的HQ曲线很徒；高效区也很小。轴流泵一般不设置出口阀，通过改变泵的特性曲线来改变流量，常用方法是改变轴的转速或改变叶片安装角度。图2-26 轴流泵 图2-27 轴流泵的特性