第十一章离心泵

1、1 离 心 泵 v概述 v离心泵的工作原理和基本构造 v离心泵的基本性能参数 v离心泵的基本方程式 v离心泵的性能曲线 v离心泵装置的工况 v水泵相似律和比转数 v切削叶轮改变泵的性能 v离心泵并联及串联工作 v离心泵吸水条件和汽蚀 v离心泵的引水方法 流体输送机械流体输送机械 流体输送机械 为流体提供能量的机械。 泵 输送液体机械； 风机或压缩机 输送气体机械。 水泵按作用原理分三类: 1.叶片式水泵利用装有叶片的叶轮,在高速旋转时完成 对液体的输送。属于这一类的主要有离心泵、轴流泵、 混流泵等。 2.容积式水泵：依靠改变泵体工作室的容积来达到输送 液体的目的。有活塞式往复泵、柱塞式往复泵、

2、转子 泵等。 .其它类型水泵：把不属于上述两类的水泵全部归纳为 本类。主要有螺旋泵、射流泵（又称水射器）、水锤 泵、水轮泵、气升泵等。 3 图 叶片式泵结构示意图 （a）离心泵示意图 1叶轮；2压出室；3吸入室；4扩散 室 （b）轴流泵示意图 1叶轮；2导流器；3泵壳 （c）混流泵示意图 1叶轮；2导叶 离心泵的分类 v按吸水方式可分为单面吸水泵（叶轮一面进水） 和双面吸水泵（叶轮两面进水）； v按装置方式分为卧式泵（泵轴水平安装）和立 式泵（泵轴竖直安装）； v按叶轮级数分为单级泵（单个叶轮）和多级泵 （多个叶轮串联）； v按输送水质分为清水泵、污水泵和耐腐蚀泵； 离心泵的工作原理离心泵的工

3、作原理 工作原理： 在离心力的作用下，高速流体在涡形 通道截面逐渐增大，动能转变为静压 能，液体获得较高的压力，进入压出 管;与此同时，叶轮中央液体被离心力 甩向外部，产生真空，因此在水源水 面大气压的作用下，水就通过吸水管 进入进水口，或者说水从进水口“吸” 进来。这样连续不断地出水和进水就 构成了水泵的连续工作。 6 图 单级单吸卧式离心泵 1叶轮；2泵轴；3键销；4泵壳；5泵座；6灌水 孔；7放水孔；8接真空表孔；9接压力表孔；10泄水孔；11填料 盒；12减漏环；13轴承座；14压盖调节螺栓；15传动轮 离心泵的基本构造离心泵的基本构造 1.1.叶轮叶轮 一般可分为单吸式叶轮和双吸式叶

4、轮两种。通 常大流量的离心泵大都采用双吸式叶轮。 图 单吸式叶轮 图 双吸式叶轮 1前盖板；2后盖板；3叶片； 4叶槽； 1吸入口；2轮盖；3叶片； 5吸水口；6轮毂；7泵轴 4轮毂；5轴孔 8 按其盖板型式分类按其盖板型式分类: 图 叶轮形式 （a）封闭式叶轮； （b）敞开式叶轮 （c）半开式叶轮 v封闭式两侧都有盖板，适用于输送洁净水的清水泵； v半开式只有一块盖板 v敞开式无完整的盖板 没有封闭的流道，它们的特点是杂物 不容易堵塞流道，且易检修和去除污 物，适用于抽送泥浆、污水等含有杂 物的液体。 v2泵体通常做成蜗壳形。蜗壳内部的流道，从隔舌起顺着 叶轮的转动方向，水流断面逐渐增大，泵

5、体也称泵壳 。 v3泵轴带动叶轮旋转的部件，它通过键销来带动。而泵轴 则由电动机等来驱动。 v4轴承套在泵轴上支撑泵轴的部件。单级单吸离心泵在吸 水端没有轴承支撑，成为悬空的，所以又称为悬臂式离心泵。 单级单吸卧式离心泵 1叶轮；2泵轴；3键销； 4泵壳；5泵座；6灌水孔； 7放水孔；8接真空表孔； 9接压力表孔；10泄水孔； 11填料盒；12减漏环； 13轴承座；14压盖调节螺 栓；15传动轮 v5 5密封环密封环起密封作用。在叶轮（转动部分）进口外缘和泵 壳（固定部分）内缘之间必然有间隙。为了既要保持较小的间隙， 尽量减少漏水损失，同时又不致磨损泵壳或叶轮。又称减漏环 v6 6填料函填料函

6、在泵轴和泵壳之间必然存在有间隙，为了防止泵 内的水漏出泵外或泵外的空气漏进泵内，在泵壳与泵轴之间，设 置密封装置，叫做填料函或培根箱。 v为了使填料堵的紧密，在填料外面还要加一压盖，通常松紧控制 使泵轴既能较轻松地转动，同时又只有微量滴水。 v7 7轴向力平衡措施轴向力平衡措施单吸式离心泵，由于其叶轮不对称，所 以在工作时叶轮两侧的压力不相等，形成了指向吸入端的轴向推 力。采用专门的轴向力平衡装置来解决。否则会引起泵轴和叶轮 的轴向窜动，导致零部件的磨损，引起震动和噪音。 v要消除这个轴向推力，在叶轮后盖外侧安装上密封环，同时在后 盖板上开平衡孔。后盖外侧的水经密封环后压力下降，并经平衡 孔流

7、回叶轮中去，使叶轮后盖板上的压力与前盖板接近，剩下的 轴向力由止推轴承承受，从而使轴向力得以平衡。 图 轴向推力 1排出压力；2加装的减漏环； 3平衡孔； 4泵壳上的减漏环 离心泵的基本性能参数离心泵的基本性能参数 1.1.流量流量-水泵在单位时间内所输送液体的体积，以符号 Q表示。 m3/h; 2. 2.扬程扬程-单位重量液体通过水泵后其能量的增值，即单 位能的增值。以符号H表示. m. 水泵扬程的确定水泵扬程的确定 v当设计新建输水系统，所需要的水泵扬程为: v v式中：H0 静扬高； vhw1 吸水管的水头损失； vhw2 压水管的水头损失； vhw 吸、压水管的水头损失之总和。 www

8、 hHhhHH 0210 对于运转中的水泵，所需扬程H为 如果p1为真空度，p1 则为负值，h W = 0，v1=v2，h=0。 VMVMh g pp zzH 12 12 w h g vv g pp zzH 2 2 1 2 212 12 离心泵的基本性能参数离心泵的基本性能参数 3 3轴功率轴功率-原动机输送给水泵的功率，以符号N表示， 常用单位为千瓦。 v有效功率有效功率-水泵传输给液体的功率。有效功率通常以 符号Nu表示，计算公式： QHN u 4效率效率水泵的有效功率与轴功率之比值； v由此可得到水泵的轴功率： %100 N Nu QHN N u 离心泵的基本性能参数离心泵的基本性能参数

9、 5转速转速水泵叶轮的转动速度，以符号n表示。单位为 转/分钟。 v各种水泵都是按一定的转速来进行设计的，如果使用时水泵的实 际转速不同于设计转速时，则水泵的其它性能参数（如流量Q、 扬程H、轴功率N等）也将会按一定的规律变化。 6允许吸上真空高度允许吸上真空高度指水泵在标准状况下（即20， 一个标准大气压）运转时，水泵所允许的最大吸上真空 高度。以符号HS表示，单位为米水柱。 v气蚀余量气蚀余量指水泵进口处，单位重量液体所具有超过 饱和蒸汽压力的富裕能量。以符号HSV表示，单位为米水 柱。 离心式清水泵 v型号 12Sh-28A 转数 1450转/分 v扬程 10米 效率 78% v流量 6

10、84米3/小时 轴功率 23.9千瓦 v允许吸上真空高度 4.5米 重量 660公斤 v出厂编号 出厂日期 v生产厂家 v铭牌上型号12Sh-28A的意义： v12吸水口直径为12英寸。 vSh单级双吸卧式离心清水泵。 v28比转数被10除的整数，即比转数为280左右。 vA表示该水泵的叶轮已经切削小了一档。 国际标准ISO2825 vIS8065160， v其意义为 vIS国际标准单级单吸清水离心泵。 v80水泵吸入口直径（mm）。 v65水泵出口直径（mm）。 v160水泵叶轮名义直径（mm）。 离心泵的基本方程式 v液体在离心泵中的运动，可分解为两种运动速度。 v牵连速度牵连速度随着叶轮

11、旋转而旋转的速度，用u表示； v相对速度相对速度相对于叶轮的速度，用W表示。 v绝对速度绝对速度液体相对于固定的泵壳的运动速度，是两 个速度的合成，用C表示。 20 v液体牵连速度方向和叶轮上的圆周切线方向一致，液 体相对速度方向和叶片方向相切，而液体绝对速度的 方向则为牵连速度和相对速度合成速度的方向。 v可以绘制水泵叶轮中任何一个位置上的液体速度三角 形，最有用的是液体在叶轮进口和出口的速度三角形。 其中，足标“1”表示叶轮进口，“2”表示叶轮出口。 v根据出水角 的大小不同，可分为三种类型: v当 90时，叶片与旋转方向呈前弯式； v当 =90时，叶片与旋转方向呈径向式； v当 90时，

12、叶片与旋转方向呈后弯式。 v 角的大小反映了叶片的弯度，是构成叶片形状和 叶片性能的一个重要数据。在实际工程中，使用的叶片 大多为后弯式叶片。 2 2 2 2 2 离心泵基本方程式 v基本方程式的推导。作以下假定： v液流是恒定流。运动要素均不随时间变化； v液流为理想液体。不考虑水头损失； v叶片厚度为无穷薄，叶片的数量为无穷多。叶槽中叶轮 同半径处液流的同名速度相等。 v根据动量矩定律，控制体上所受的合力对某一点的力矩 等于单位时间内流出和流入该控制体的动量对该点的力 矩之差。 111222 coscosrCrCQM T 23 1122 1 uCuC g H uuT v下标T表示理想情况下

13、的参数 u CCcos TTT HQMN 1122 rCrCQMHQ uuTTT ur 离心泵的基本方程式，也称欧拉方程 v由于: v得到: v代入: 基本方程式的讨论 v为了使水泵的扬程最大，应使C1u=0。即进口处液体必 须径向流入叶轮即 ， v理论扬程HT的大小取决于圆周速度u2和切向速度C2u， 由于 所以增大叶轮直径D2，提高转速n，减小 ， 都可以提 高离心泵的扬程。水泵制造厂一般选用615。 0 1 90 222 2 2 cos, 60 CC nD u u 2 , 1 22u Cu g H 基本方程式的讨论 v离心泵的理论扬程与被输送介质的容重无关，即 同一台离心泵，输送不同的流

14、体，所产生的理论 扬程值是完全一样的。但水泵所消耗的功率却是 不相同的。流体容重越大，水泵消耗的功率也越 大。因此，当输送流体的容重不同，而理论扬程 相同时，原动机所须供给的功率消耗是完全不相 同的。 , 1 22u Cu g H HQN 基本方程式的讨论 v水泵的扬程是由两部分组成，一部分为势扬程（H1）， 另一部分为动扬程（H2)。在实际应用中，由于动能转 化为压能过程中，伴有能量损失，因此，动扬程在水泵 总扬程中所占比例越小，泵内部的能量损失也就越小， 水泵的效率就越高。 21 2 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 222 HH g CC g WW g uu HT 1 1 2

15、2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 22 p z p z g WW g uu H g CC H 2 2 1 2 2 2 基本方程式的修正 假定与实际的差异 v基本方程式是基于三个假定而导出的，与实际流动存在 差异。 v实际叶轮的叶片数通常为212片。当叶轮旋转时，流道 中的液流由于惯性，有保持原来状态的趋势，即有相对 于叶轮作反向旋转的趋势。同时叶片的两侧还存在着压 强差。所在流道中就形成 反旋现象，流道中的液流 不可能保持均匀一致，所 以同半径处的同名速度不 完全相等。 28 v修正后的理论扬程为 ，它与原理论扬程之间的关 系为： v v式中，p为修正系数，由经验公式确定。 v由于实际液

16、体在流动时会有水力损耗（如叶轮进、 出口的冲击，叶槽中的紊动，弯道和摩阻损失等）， 因此水泵的实际扬程应为： v v 其中， 称为水力效率（%）。 p H H T T 1 p H HH T hTh 1 h T H 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 0 2 90 0 2 90 一、离心泵的理论特性曲线一、离心泵的理论特性曲线 v在转速n一定时，HT、NT、与QT的关系曲线。 v HTQT性能曲线 HT QT 0 2 90 2 ctgBQAH TT 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 vNTQT性能曲线 2 ctgBQAQHQN TTTTT NT QT 0 2 90 0 2 90 0 2 90 离心

17、泵的特性曲线离心泵的特性曲线 二、离心泵的实际特性曲二、离心泵的实际特性曲 线线 当转速当转速n n一定时一定时 考虑了水力损失、容积考虑了水力损失、容积 损失和机械损失损失和机械损失 H、N、 与与Q的关系曲线的关系曲线 H N QH Q QN Q最高效率点为工作点最高效率点为工作点 性能曲线的比较性能曲线的比较 vQH性能曲线形状大致有两种(驼峰型由于工作的不稳定 应尽量避免) v较平坦的-流量变化大而扬程变化小. 可用于自来水 厂二级泵站。 较陡降的-扬程变化大而流量变化小，可用于自来水 厂一级泵站。 H Q 离心泵装置的工况离心泵装置的工况 一、管路系统特性曲线一、管路系统特性曲线 2

18、2 0 SQlQShhh jfw d l gA S 2 2 1 2 SQHhHH STwST 二、二、离心泵装置的工况点（图解法） Q H 泵特性曲线泵特性曲线 管路特性曲线管路特性曲线 工作点工作点 M HM QM 35 三、离心泵装置的工况点的变化 v离心泵装置的工况点，是建立在水泵和管道系统能量 平衡上。而一旦这种平衡关系被破坏，则离心泵装置 的工况点也必然会改变。 v工况点的调节从两方面考虑： v改变管道性能曲线水位变化、阀门调节等 v改变水泵性能曲线改变水泵转速、切削叶轮等。 v利用水泵出水阀门进行工况点的调节，称阀门调节。 是一种作为临时性或小型泵调节的常用方法 36 水泵相似律

19、一、水泵叶轮相似的条件 v几何相似几何相似相似泵的各对应尺寸成同一比例，且相 应的叶片倾斜角相等。 式中 任一线性尺寸的比例尺； D1、D2、b 为实际泵的叶轮内径、外径及宽度； D1m、D2m、bm 为模型泵的叶轮内径、外径及宽度。 mmm b b D D D D 2 2 1 1 37 v运动相似运动相似相似泵的两叶轮对应点上水流的同名 速度方向一致，大小成比例。即两水泵对应的速度 三角形相似。 mmmmr r mu u n n nD nD u u C C C C 2 2 2 2 2 2 2 2 38 相 似 定 律相同效率 v在相似工况下，两泵性能参数之间的关系称为相似定律。 1流量之比：

20、 v流量之比与转速的一次方及叶轮直径的三次方成正比。 2扬程之比： v扬程之比与转速和叶轮直径的平方成正比。 3轴功率之比： v轴功率之比与转速的三次方及叶轮直径的五次方成正比。 mm n n Q Q 3 2 2 2 mm n n H H 3 3 5 mm n n N N 离心泵相似律的应用离心泵相似律的应用 比例定律：两台泵几何尺寸一样，或同一台泵比例定律：两台泵几何尺寸一样，或同一台泵 mm n n Q Q 2 )( mm n n H H 3 )( mm n n N N 40 比转数ns v比转数对水泵叶轮进行分类 v比转数的意义是：在最高效率下，将水泵的几何尺寸按 比例缩小，缩小到当有效

21、功率Nu=1马力，扬程Hm=1m，流 量Qm=75Nu/Hm=0.075m3/s，这时模型泵的转数就称为 比转数 v各变量的单位为： n转/分；Qm3/s；Hm。 v应用时应注意： 1Q、H为最高效率时的参数，即设计工况点； 2Q、H是指单级、单吸泵的参数。若为多级泵，如四级 泵，则扬程应取H/4；若为双吸泵，流量应取Q/2。 4 3 65. 3 H Qn n s 41 例 已知12sh-13型泵，额定参数为：Q=220L/s， H=32.2m，n=1450转/分，试核算其比转数ns。 解： 由于是双吸式水泵，所流量应取Q/2=110L/s， v例 一台D型多级泵，叶轮级数为8级，已知最高效

22、率时Q=280m3/h，H=520m，n=1450转/分，求比转 数ns。 v解： 泵的单级扬程为，所以有： 64 ) 8 520 ( 3600/280145065. 3 4 3 s n 130 2 .32 11.0145065.3 4 3 s n 42 比转数的意义 v比转数ns小，表示流量Q小，扬程H大；而ns大，则表示Q 大，H小。因此，知道了ns，就可大致知道Q与H的关系。 如12sh-6和12sh-28，前者比转数ns=60，后者为280， 由于进口直径一样，就可知流量差不多一样大。而由于 前者比转数比后者小，所以，应该前者的H大，后者的H 小。查样本可知，H1=90m，H2=12m

23、。 v根据比转数的大小，对叶片泵进行分类： v ns=50350，为离心泵； ns=350500，为混流泵； ns=5001200，为轴流泵。 43 44 比转数的意义 v比转数ns的不同，还能反映水泵特性曲线的形状不同。 v曲线：随着ns的增大，曲线逐渐变陡。 45 vQN曲线：随着ns的增大，曲线逐渐平坦，但ns大到一 定数值时，曲线重新变陡。所以，ns小的叶片泵，为 避免启动电流过大，应闭闸启动。 vQ曲线：比转数ns小，曲线平坦，高效区宽，经济 性能好。而比转数ns愈大，高效区愈窄。 46 切削叶轮改变泵的性能切削叶轮改变泵的性能 v切削调节沿外径车小水泵的叶轮，可以改变水泵 的性能曲

24、线，扩大水泵的使用范围。 v切割定律：切割定律： v切削量切削量 2 2 D D Q Q 2 2 2 )( D D H H 3 2 2 )( D D N N %100% 2 22 D DD 47 离心泵并联工作 v并联工作几台水泵向一条公共管道供水 特点： v增加供水量； v增强供水可靠性； v调节水量方便。 v并联工作计算规则： v流量规则：Q并=Q1+Q2； v扬程规则：H并=H1=H2。 48 水泵并联运行的效率 并联台数过多会使工作点移出水泵的高效区范围。 49 离心泵串联工作 v串联工作后一台水泵的吸水管接在前一台水泵的 压水管上。 v特点：增加扬程，有时还可增加流量。 v串联工作计

25、算规则： v流量规则：Q串=Q1=Q2； v扬程规则：H串=H1+H2。 v多级泵多个叶轮 串联起来的水泵。 离心泵汽蚀现象离心泵汽蚀现象 汽蚀现象汽蚀现象叶轮旋转时，如进口处的压强降到等于或小 于液体汽化压强时，就会有蒸汽及溶解在液体中的气 体大量逸出，形成许多由蒸汽和气体混合的小气泡。 并随液体流到高压区时，气泡受压会突然破裂，液体 质点从四周向气泡中心作加速运动，质点互相撞击。 形成强烈地局部水击现象，瞬间的局部水击压力可达 数十MPa。若这种撞击在金属表面的附近发生，就会对 金属产生频率高、压力大的水击作用。导致叶轮表面 产生腐蚀，出现蜂窝状的麻点和孔洞。 汽蚀危害汽蚀危害汽蚀产生时，

26、水泵将有很大的噪音和震动， 水泵性能明显变坏，流量Q、扬程H、效率急剧下降， 甚至抽不上水。 离心泵的安装高度离心泵的安装高度 离心泵的安装高度离心泵的安装高度HSS 1.允许吸上真空度允许吸上真空度HS wSSS h g v HH 2 2 0 当容器敞口时当容器敞口时 1 SS H Hs的校正的校正 如果水泵不在标准条件下运转，必须根据如果水泵不在标准条件下运转，必须根据 变化了的实际条件把变化了的实际条件把HS值进行修整值进行修整。 ha 实际大气压；实际大气压；m； ht 实际温度下水的汽化压力实际温度下水的汽化压力；m HS 水泵厂给定的允许吸上真空高度水泵厂给定的允许吸上真空高度；

27、m HS 修正后的允许吸上真空高度修正后的允许吸上真空高度； m 24. 033.10 taSS hhHH 2. 气蚀余量气蚀余量h g p g v g p h V ) 2 ( 2 11 f V ss hh g pp H 0 fss h g v g p H g p 2 2 110 fss h g v g p g p H) 2 ( 2 110 例题：某离心泵在样本中查得允许吸上真空例题：某离心泵在样本中查得允许吸上真空 度为度为6m，现将泵安装在海拔高度现将泵安装在海拔高度500m处，处， 水温水温40度，问度，问 （1 1）修正后的）修正后的Hs? ? （2 2）若吸入管路压头损失为）若吸入管

28、路压头损失为1m，流速水头为，流速水头为 0.2m，该泵安装在离水面，该泵安装在离水面5m5m高处是否合适？高处是否合适？ 解：解： 水水40，ht = 0.75mH2o, 500 m处处 ha = 9.70 mH2O， Hs=Hs - (10.33 -ha) - (ht - 0.24) =6 - (10.33-9.70)-(0.75-0.24) = 5.88m Hss = Hs v2/ 2g hf = 5.88 0.2 1 = 4.68 m 计算的允许安装高度值计算的允许安装高度值( (4.68m) )低于实际安低于实际安 装高度值装高度值( (5m),),因此泵安装高度不合适。因此泵安装高度不合适。 例题：例题： 用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷，密度用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷，密度 530 kg / m3，罐内液面恒定，且上方绝对压，罐内液面恒定，且上方绝对压 强为强为86.5 kPa ，吸入管压头损失为，吸入管压头损失为1.6m， 饱和蒸汽压为饱和蒸汽压为65 kPa， ，泵的气蚀余量 泵的