2023年离心泵第二章流体输送设备

温州大学

课程教案

学院化学与材料工程学院

课程名称化工原理

学时36_

教材化工原理

授课教师

授课对象05应用化学本

授课时间:第七周(2008-4-7)

授课类型：理论课

授课题目：流体输送设备transportationmachineoffluid

本授课单元教学目标：

掌握离心泵的构造、分类和工作原理；掌握离心泵的特性曲线和主要参数。

本授课单元教学重点和难点：

重点：离心本工作原理和操作、特性曲线

难点：离心泵的工作原理、特性参数及曲线。

本授课单元教学过程设计：

流体在化工管道或设备中流动，会遇到阻力，克服阻力需要能量。流体从低处输送到高处，

或经过各种设备、反应装置都需要能量。为了达到生产预期目标，必须对流体提供机械能,

以克服流体阻力并补充输送所不足的能量。可以向流体作功并提高其机械能的装置称为流体

输送机械。

用于输送液体的机械----泵pump

用于输送气体的机械----风机和压缩机compressor

c离心泵(最常用)

往复泵

j齿轮泵

「输送液体的机械——泵j

旋涡泵

流体输送机械VI讲.方

输送气体的机械——风机和压缩机

为了能达到正确选择和使用流体输送机械的目的，本节以离心泵和压缩机为代表，分别讨论

其操作原理、基本结构和性能，并计算其功率消耗。

1、离心泵pump

(1)离心泵的构造和工作原理

离心泵主要由蜗形泵壳和工作叶轮组成。按叶轮的数目，离心泵有单级泵和多级泵之分。

单级泵在泵轴上只安装一个叶轮，多级泵在同一泵轴上安装多个叶轮，液体顺序地流经一系

列叶轮，所产生的压头为各个叶轮所产生的压头之和。若按液体进入叶轮的方法，离心泵又

分为单吸泵和双吸泵。

图3-28离心泵的构造

构造：

・蜗形泵壳:与泵轴之间有密封装置“轴封”

离心泵《

-工作叶轮：叶轮中有6~12片向后弯曲的叶片

分类：

r单级泵——泵轴上只安装一个叶轮

离心泵<

（按叶轮的数目）

1多级泵——同一泵轴上安装多个叶轮

'单吸泵

离心泵,

（按液体进入叶轮的方法）1双吸泵

叶轮中有6~12片向后弯曲的叶片。泵壳与泵轴之间有密封装置一一轴封，以防止泵轴

旋转时产生泄漏现象。离心泵启动之前，应在泵壳内充满待输送的液体。启动时电动机转动，

使得泵轴带动叶轮旋转，液体充满叶轮间，在离心力作用下，从叶轮中心被甩到叶轮外围边

沿，获得较大的动能。液体流进蜗形道后，由于截面积逐渐扩大，流体的流速逐渐下降，大

部分动能变为静压能。于是液体以较高的压力从压出口进入压出管路。同时，随叶轮中心液

体被甩出，叶轮中心的吸入口就处于负压，在吸入管外部压力作用下便迫使液体经底阀吸入

管路进入泵内，填充液体排出后的空间。因此，只要叶轮正常旋转，液体就源源不断地吸入、

排山，以满足液体愉送的需要。

离心泵借助离心力的作用输送液体。离心力大小除与叶轮转速、叶轮尺寸有关，还与流

体密度有关。流体密度越大，产生的离心力就越大。离心泵启动前，泵壳内未充满液体，即

存有空气时，由于空气密度很小，所产生的离心力也很小，叶轮中心难以形成足够的负压。

虽被启动的离心泵叶轮在高速旋转，但不能输送液体，这种现象称为气缚。防止气缚发生的

措施：①启动泵前须向泵壳内注满被输送的液体。②运转过程也要防止气体漏入。

(2)离心泵的主要性能参数characteristicnumbers

主要的性能参数：泵的送液能力或者流量、扬程、功率、效率

①、泵的送液能力(流量)flowrate一一指单位时间内泵所输送液体的体积。用符号qv

表示，常用的单位为m%或mVh。泵的流量决定于泵的结构、尺寸和技速。

②扬程lift(head)一一泵对单位重量的流体所做的功。又称为泵的压

头，用符号He表示，单位为m液柱。

泵的扬程是由泵本身的结构、尺寸和转速决定

的，不同型号的泵具有不同的扬程。一般离心

泵的扬程都是通过实验测定的。如何测定？

例3-8附图

1一流量计;2—压力表；3—真空计;

4一离心泵;5—贮槽

测量泵的扬程，通常在泵的吸入口安装一个真空表，其绝对压力为p1;在泵的压出口安装

一个压力表，其绝对压力为P2,两测压口之间的垂直距离为H。，为了计算液体在吸入口和

压出口的流速，在压出管路安装孔板流量计I。取泵吸入口为1-1'截面，压出口为2-2,截

面。以1-1'截面为基准面列柏努利方程

Z，+Pg2g+m=Z2+*+田+£hf

两侧压点管路很短,Ehf忽略不计，，很MO,

22

P2“iu2-U1

He=Zo-Zi+---------+---------------

Pg2g

③功率Power

有效功率一一单位时间泵对液体所作的有效功，或者液体流经泵后实际得到的功率，符号:

Ne，单位：W

Nc=qvpgHc

轴功率一一单位时间离心泵轴所消耗的功，它包括机械摩擦消耗的能最等，是电动机转动时

直接传给泵轴的功率。符号：N

由于泵轴所做的功不可能全部转变为液体的机械能，其中一部分消耗于泵内，如：①泵内液

体泄漏造成容积损失。②液体流经叶轮、泵壳时因流速天小、方向改变，发生冲击而产生水

力损失。③泵轴与轴承和轴封之间机械摩擦损失等等。故泵的轴功率＞泵的有效功率。

④效率efficicency

表示能量的损失，符号：n,

Ne

n一般为50~70%,大型泵可达90%。

选配电动机时要根据泵的轴功率进行，但要考虑传动效率叫心1,电动机效率95和

安全系数B,因此，泵所配的电动机功率〉泵的轴功率。一般安全系数B=1.1〜1.2,根据

轴功率选配的电机的实际功率;B

(3)离心泵的特性曲线characteristiccurvesofpump

离心泵在出厂时，铭牌上一般都标有转数(n)＞排液量(q、)、压头或扬程(He)、功率(Na)

和效率(n)等数据。这些数据是在泵的最高工作效率时的数值。但在实际应用中，当其中

一个发生变化时，其他指标也会随之变化。也就是说，离心泵的主要性能参数之间是互相联

系互相制约的。当流量变化时，扬程和功率也相应地随之变化。它们之间的关系可以迸过实

验测定。即离心泵在固定转速下，将离心泵的基本性能参数如实际送液能力、压头、功率、

效率的关系用曲线表示出来，称为该泵的特性曲线。它是分析和选用泵的重要依据。

例如是国产4B20型离心水泵，转速n=1450转/分的特性曲线。

/Vm

e/1每分钟转数1450

/tz4

22

-20

oJ18

9(

3o16M

6-

7o

一

o12

6(5一108

o

4)6

o

・4

321■2

loQ

1-0

o

l一

「

图1-21离心泵的特性曲线

He-Qe（q、）曲线一一表示泵的扬程与流显的关系。离心泵的扬程随流量增大而下降。

N-Qc（q、.）曲线表示泵的轴功率与流量的关系。N随Qc的增大而上升，Qc=O时，卅功率

最小。故启动离心泵时须将出口阀门关闭以降低启动功率，保护电机。

n-Qe（q、）曲线——表示泵的效率与流量的关系。当Qe=0时，n=0；随着流量Qe的增大,

泵的效率随之上升并达到一个最大值；过峰值后，流量增大但泵的效率反而

下降，此峰值即为泵在该转速下的最高效率点。泵在与最高效率点相对应的

流量及扬程下工作最为经济，所以，与最高效率点对应的He、Qc、N值

称为最佳工作参数。离心泵牌上标注的数值即指是该泵在最高效率点上的性

能。因此，根据生产任务选用离心泵时应使选用的泵能在此点附近操作。通

常将最高效率的92%左右的这段范围称为最高效率区。

3.离心泵性能的改变和换算

1）输送液体的物性的影响

（1）密度的影响

由离心泵的能量方程得出：离心泵的流量Q、压头H、效率与密度无关，但轴功率N随密度

的变化而改变

（2）黏度的影响

离心泵铭牌上提供的特性曲线是一定转速下用常温清水实验得到的。当输送液体黏度大于清

水时，泵体内部液体的能量损失1,•••泵的压头、流量、效率I,而轴功率Nf

Q?=GQwHn'=c„n

CQ、CH、cn一•粘度换算系数

2）离心泵转速的影响

离心泵特性曲线是在固定转速下测定的，若转速改变，则泵的流最、扬程、轴功率、效率也

随之改变。当转速变化不大，如

n'-n

xlOO%<20%

n

假设：①〃’="

②当转速改变前后，液体离开叶轮处的速度三角形相似

则有：

Q'〃’旦一匕2工-2）3

~Q~=—H一（〃）N一（〃）

3）离心泵叶轮直径的影响

离心泵的转速一定时，泵的流量、扬程与叶轮直径有关，当叶轮外径切削变化小于1战时,

。’/｛耳12-AL.=（-^-）3

Q生~7T~（）N。2

本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

（注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教

学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或

习题课，下同。）

本授课单元参考资料：《化工原理》上册，夏清，陈常贵主编

姚玉英编，《化工原理学习指南--问题与习题解析》姚玉英等编

授课时间:第八周(2008-4-14)

授课类型：理论课

授课题目：离心泵的气蚀现象和安装高度

木授课单元教学目标：

掌握离心泵的气蚀现象和抗气蚀性能。

掌握离心泵的安装高度影响因素。

了解离心泵的型号。

本授课单元教学重点和难点：

重点：离心泵的气蚀和安装高度

难点：离心泵的气蚀和安装高度

本授课单元教学过程设计：

(4)离心泵的安装高度和气蚀现象

泵的最大吸入高度也就是泉的安装高度。

图1-20离心泵装置示意图

它是液面A-A，到泵进riB-B'之间的高度。在这两个截面之间列出伯努力方程:

〃0Piu?__

+五二我"+2g+为+"f，

g0,Po=Pa,Hg：泵吸入口与贮池液面间的距离

Po-PI谒

Hg=Pg.亏."旧

由此可见：最大吸入高度H股入与以下影响因素有关

•压强PA：当贮液池为敞口时，PA为当地大气压，大气压随海拔高度和气温而变化。海拔

越高，大气压越低，HK入越小。

•压强时：泵吸入口的玉强。入越小，H吸入越大。当R低于当时温度下的液体的饱和蒸气

压时，泵入口处的液体就会沸腾气化形成气泡，体积突然膨胀。当大量气泡随液体流到

叶轮压力较高的区域后，气泡被压缩、破裂而突然凝结，在凝结的一瞬间，形成局部克

空，周围的液体就以极大的速度冲向原来气泡所在的空间，在冲击点上产生几百大气压

的局部压强，使叶轮用泵壳遭到损坏，这种现象为“气蚀”。气蚀发生时，泵强烈震动，

发出明显的噪音，泵的流量、扬程、效率明显降低，无法正常操作。，为了避免气蚀发

生，必须选择适当的安装高度。即PB必须大于被输送液体的饱和蒸气压。刚发生气蚀

时的(PA-PB)称为允许吸入压差，

(PA-PB)/pg称为允许吸上真空高度，用符号11s表示。

PA-PB

Hs二

pg

在泵样本或说明书中给出的Hs,是在压力为98.1Kpa,水温为2()℃状态卜.的数值，因

此在不同条件下使用泵时应将Hs换算成操作条件下的Hs,值。

Hsz=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)

式中Hs'一—操作条件下输送水时的允许吸上真空高度［m］

Hs——泵样本中给出的允许吸上真空高度［m］

Ha一一泵工作处的大气压［以液柱高度表示m：

Hv——操作温度下水的饱和蒸汽压［以液柱高度表示m］

0.24——2()℃水的饱和蒸汽压［以水柱高度表示，m水柱］

・被输送液体的温度：温度越面，液体的饱和蒸气压越大，则要求PB越大才不发生气蚀

现象…••此时H吸入越小。

•吸入管路的动压头〃//2g：〃越小，H+、越大。，通常吸入管径大于压出管径，以减小

吸入管路的动压头，从而增大安装高度。

•吸入管路的压头损失ZhQ：Eh吸入越小，H吸入越大。，泵的吸入管一般都是直径大，

弯头少，以减少阻力损失£h吸入。

*：泵的压出高度H侬：是泵的压出中心B-B'与泵的压出口

C-Cr之间的高度。

泵的升扬高度H总二H吸入+H压出，值得注意的是：泵的扬程HeWH总

VH◎是泵的吸入液面到压出液面之间的距离，而He还包括了能量之间的转换和过程中

的压头损失E%。

2

△P△U

He=AZ+++ghf

pg2g

而其中AZ才是Ha。

离心泵的抗气蚀性能

1)气蚀余量NPSH

泵的安装高度Hg是随温度、当地大气压、被输送液体性质而变化的，使用时不太方便。

对于输送某些较低沸点液体的油泵，可引入一个表示气蚀性能的参数一•气蚀余量NPSH或

△h

NPS〃・一为防止气蚀现象，离心泵入口处，液体的静压头Pl/Pg与动压头〃12/2g之和

必需大于液体在操作温度下的饱和蒸气压头pv/Pg的某一最小指定值

定义：气蚀余量NPS"=Pl/Pg+〃12/2g・Pv/pg

Pv•一操作温度下液体的饱和蒸气压

E2-1离心泵装置恃座

・叶呛2-55e3-XW4-收入口

当泵刚发生气蚀时，叶轮附近k-k，截面的压强为Pv,泵入口的压强为Pl,min

如果在k・k，截面与1•「截面之间列柏努利方程：

三,式二电+显+〃

Pg2gPg2gf.i-k

上+心电3+“

Pg2gPg2gQ-k

Pl,ininMi-P

临界气蚀余量(NPSH)：=--+e/v

NgP&

临界气蚀余量(NPSH)c一般由厂家测定20c清水得到的.随Qt而t

为确保离心泵正常操作，需要在(NPSH)c上加上一个安全量，称为必需气蚀余量

(NPSH)r

如果被输送的不是20℃清水，则需要进行校正

允许安装高度Hg与气蚀余量的关系:

2

..Po-Pl”I„

,Hg=市一“m

Po/Pi履、„

=PS-（m+五）一"3

PlMlPv

△公强+1?.瓦

ppp-p

»h-HmorH=°V（NPSH）「Hg

・•・内=0pg

离心泵的允许气蚀余量△力是由生产部门通过实验20℃的清水测定出来的，当输送其

他液体时，也需要校正:△〃，=6△〃。•…校正系数

2）允许吸上真空度

设当地大气压为Pa,刚发生气蚀时的压差;Pa£,--最大吸入压差

若以液柱高度表示，则

H=

sPg

--允许吸上真空高度

Hs，与泵的结构，流量，被输送液体性质，当地大气压等有关.随Qt而I.属于泵的抗

气蚀性能参数.

Hs，通常是以清水在20C,大气压为10m水柱的条件下测定的，其值越大，表明该泵在

一定操作条件下抗气蚀的性能越好。

若输送条件不一致或采用其他输送液体，则需要校正。

Hs-操作条件下被输送液体的允许吸上真空高度，mH2O

Ha-泵工作所在地的大气压，mH2O

pv-操作温度卜被输送液体的饱和蒸气压，Pa

0.24—20C条件下水的饱和蒸气压，mH2O

P--操作温度下液体的密度,kg/m3

..Po-Pj

・・・泵的允许安装高度Hg=H,s-Hi2/2g-//f,0-l

实际操作中，为了安全起见，离心泵的安装高度比允许安装高度Hg低0.5~lm

例：用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷，贮罐内异丁烷液面保持恒定，其上方的压强

为6.65kgf/cm2,泵位于液面下1.5米，吸入管路的全部压头损失为1.6米，异丁烷在输送

条件下的密度为530kg/m3,饱和蒸气压为6.5kgf/cm2,在泵的性能表上查得：输送流量

下泵的允许气蚀余量为3.5米，试确定该泵能否正常工作？6=0.9

解：Hg=P0/Pg-Pv/Pg-

由已知条件：P0=6.65kgf/cm2=6.65X9.81X104pa

Pv=6.5kgf/cm2=6.5X9.81XI04pa

Hf,0-1=1.6m

由于输送的是异丁烷，△力需要校正

△〃’=小△0=0.9X3.5=3.15m

/.Hg=P0/Pg-Pv/Pg-△/?'-Hf„0-l

=(6.65-6.5)X9.81X104/(9.81X530)-3.15-1.6=-1.92m

实际安装的高度为-15米，大于以上计算结果、说明泵的安装位置太高，输送过程中会发生

气蚀现象。

本授课单元参考资料：《化工原理》上册，夏清，陈常贵主编

姚玉英编，《化工原理学习指南--问题与习题解析》姚玉英等编

授课时间：第九周（20084-21）

授课类型：理论课

授课题目：离心泵的工作点及调节

木授课单元教学目标：

掌握离心泵工作点的含义。

掌握离心泵工作点的调节原则及调节措施，以及管路特性方程。

了解离心泵的型号。

本授课单元教学重点和难点：

重点：离心泵的工作点调节

难点：离心泵的管路特性方程

本授课单元教学过程设计：

2.1.5离心泵的工作点和流量调节

离心泵的工作压头和流量不仅与泵本身的性能有美，还与管路特性有关，，泵和管路

是互相制约的.

1.管路特性--表示管路中流量与压头的关系

假设输液系统中，贮槽与接受槽液面保持恒定，以此两截面间列柏努利方程:

特定管路系统中,

AP

△Z+芝-二常数K

两截面都很大，，七0

/.He=K+Hr

W2

八l+EJe

Hi丁+小。)三

假设管路的输送量为Qe(mVh),

d>c-2g

对于特定管路而言，人ad、Cc、Ce均一定，人为Qe的函数

AHf=^Qe)

He=K+.AQc)--管路的特性方程

如果流体属于完全湍流，则人只与"d有关，与Re无关・•・可以视为常数

八/+Z4I

B=(入/'+g+建)----------7

dc2g(36(X)A)2

JHf=BQc2

AHe=K+Hf=K+BQe2

特定管路系统中，当操作条件一定时，管路所需要的压头He与泵的性能无关，由操作

条件及管路布局确定.

2.工作点

离心泵的特性方程：

HMQ）

管路特性方程：

He=K+BQe2

离心泵的工作点足指离心泵的性能曲线（H--Q曲线）与管路特性曲线的交点，即在II-

Q坐标上，两曲线的交点M点

工作点的含义：离心泵在特定的管路系统中运转时所提供的扬程和流量恰好等同于管

路所需的扬程和流量

3.流量调节

如果工作点的流量大于或小于所需的输液量，则须进行流量调节。流量调节实际上是

改变泵的工作点。

（调节管路特性曲线

调节方法'

■调节泵的H~Q曲线

①改变M口阀的开度■■一实际改变管路特性曲线

如果原来Q＞所需Q'

关小阀门一f管路局部阻力t一一管路特性曲线变陡

Q

工作点由M-M1,流量由QMfQMl,管路特性曲线上移。

如果原来Q＜所需Q'

开大阀门-一管路局部阻力If一管路特性曲线变得平坦

工作点由M-M2,流量由QM-QM2,管路特性曲线下移。

快速方便，且流量可以连续变化，化工生产中应用最广。缺点：阀门关小时，流动阻力

增加，要额外多消耗一部分功率，且使泵有可能在低效率点工作，经济上不合理.

②改变泵的转速或叶轮直径

--实际改变泵的H〜Q曲线

QmQ—v：Q

原来的转速为〃，流量为QM,工作点为M

现在提高转速为“1,工作点变为Ml.流量QM1,

改变转速意味着需要变速装置或变速原动机，流量不能连续调节，而且成本高，现实生

产中不常用.

（5）离心泵的型号

•水泵：按结构分B、D、Sh型

B型一一单级（一个叶轮）单吸（叶轮一侧进水）悬臂式离心泵。

例：4B91A型离心泵

4——吸入口径4英寸（4X25=100mm）

B一一单级单吸悬臂式离心泵

91------扬程为91m

A一一该泵叶轮直径比基本型号4B91小一级。

D型为多级［多个叶轮）水泵，级数为2级到9级

Sh型为双吸式离心泵，输液量较大，扬程不高。

6Sh-9型：吸入口径为6英寸（150mm）的双吸式离心泵

9——比转数被10除后的整数。即泵的比转数为90。

•耐腐蚀泵：代号F,H一一泵的材料代号

•油泵：代号为Y

•杂质泵：代号为P

5-2往复压缩机（补充）

由了气体本身的可压缩性，故当输送过程中压力的变化，必将导致其体积和温度随之

改变。这些变化又将影响到气体输送机械的结构和形状，除根据其结构和作用原理外，

还可按终压（出口压力）或压缩比（气体排出与吸入压力的比值）的大小划分。

①通风机：终压力15Kpa（表压），压缩比为1〜1.15

②鼓风机：终压15~3045Kpa（表压），压缩比＞4

③压缩机：终压才3045Kpa（表压），压缩比＞4

④真空泵：用于减压，终压为101.3Kpa（表压），压缩比由真空度决定。

往复式压缩机主要部件有气缸、活塞、单向吸气阀和排气阀。

一、工作原理

往复压缩机在理想状态下的压缩过程如图说明。

表示的是活塞在气缸的最右端，此时气缸内气体的体积为VI,压力为P1,对应的

P-V图（压缩机理论示功图）上的a点。

当活塞开始向左推进时.，位于气缸左端的两个阀门都关闭，故气体的体积缩小而

压力上升，直到压力升高到P2,阀门D才被打开。在此之前，气体处于压缩阶段，

变化情况如P-V图上的曲线ab,压缩阶段之末，气体状况为b点。

气体压力为P2时继续将活塞向左推进，缸内气体便经D压出。缸内压力维持在

P2,气体体积逐渐减小，这阶段为排出阶段。气体变化状况以水平线be表示。及

至排出之末，气体全部排出，其体积降至零，气体状况图中c点所示。活塞再技而

向右移动，缸内压力下降，在P-V图以cd表示，压力降到P1,气体状况为d点,

此时阀门D关闭，S打开，气体被吸入，气缸内压力维持在P1,而缸内气体体积

逐渐增大，为气体吸入阶段，气体状况沿水平线da而变，直到恢复到a点，完成

一个操作循环。

四边形abed所围面积，表示压缩气体时所消耗的功，也即推动压缩机所必须的理

论功，故图中面积越小，则将气体压缩到所需玉力时消耗的理论功就越少。

实际上，为使压缩机的安装、操作、使川安全，避免活塞与气缸盖直接相撞，在

二者之间必须留出少许空隙，即为余隙，其中的气体仍处于终压P2之下，当一个

新的工作循环开始，活塞向右移动时，余隙内高压气体膨胀，压强不断降低，直

到吸入压强P1,这时每一循环中所吸入的气体量比理想循环要少。

由此可见，压缩机的一个工作循环由膨胀、吸入、压缩、排出四个阶段组成的。

采用单级压缩气体不可能得到很高的终压，也即压缩比P2