离心泵基础知识(DOC)

图

2-1 离心泵活页轮

2-2 离心泵

离心泵结构简单，操作容易，流量均匀，调节控制方便，且能适用于多种特殊性质物料，因此离心泵是化工厂中最常用的液体输送机械。近年来，离心泵正向着大型化、高转速的方向发展。

2.2.1 离心泵的主要部件和工作原理

一、离心泵的主要部件

1．叶轮 叶轮是离心泵的关键部件，它是由若干弯曲的叶片组成。叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，提高液体的动能和静压能。

根据叶轮上叶片的几何形式，可将叶片分为后弯、径向和前弯叶片三种，由于后弯叶片可获得较多的静压能，所以被广泛采用。

叶轮按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式（即敞式）三种，如图2-1所示。在叶片的两侧带有前后盖板的叶轮称为闭式叶轮（c 图）；在吸入口侧无盖板的叶轮称为半闭式叶轮（b 图）；在叶片两侧无前后盖板，仅由叶片和轮毂组成的叶轮称为开式叶轮（a 图）。由于闭式叶轮宜用于输送清洁的液体，泵的效率较高，一般离心泵多采用闭式叶轮。

叶轮可按吸液方式不同，分为单吸式和双吸式两种。单吸式叶轮结构简单，双吸式从叶轮两侧对称地吸入液体（见教材图2－3）。双吸式叶轮不仅具有较大

的吸液能力，而且可以基本上消除轴向推力。

2．泵壳

泵体的外壳多制成蜗壳形，它包围叶轮，在叶轮四周展开成一个截面积逐渐扩大的蜗壳形通道（见图2－2）。泵壳的作用有：①汇集液体，即从叶轮外周甩出的液体，再沿泵壳中通道流过，排出泵体；②转能装置，因壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致，减少了流动能量损失，并且可以使部分动能转变为静压能。

若为了减小液体进入泵壳时的碰撞，则在叶轮与泵壳之间还可安装一个固定不动的导轮（见教材图2-4中3）。由于导轮上叶片间形成若干逐渐转向的流道，不仅可以使部分动能转变为静压能，而且还可以减小流动能量损失。

注意：离心泵结构上采用了具有后弯叶片的叶轮，蜗壳形的泵壳及导轮，均有利于动能转换为静压能及可以减少流动的能量损失。

3．轴封装置

离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内。轴封装置保证离心泵正常、高效运转，常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。

二、离心泵的工作原理

装置简图如附图。

1．排液过程

离心泵一般由电动机驱动。它在启动前需先向泵壳内灌满被输送的液体（称为灌泵），启动后，泵轴带动叶轮及叶片间的液体高速旋转，在惯性离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外周，提高了动能和静压能。进而泵壳后，由于流道逐渐扩大，液体的流速减小，使部分动能转换为静压能，最终以较高的压强从排出口进入排出管路。

2．吸液过程

当泵内液体从叶轮中心被抛向外周时，叶轮中心形成了低压区。由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在该压强差的作用下，液体便经吸入管路被连续地吸入泵内。

3．气缚现象

当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度

远小于液体的密度，叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种虽启动离心泵，但不能输送液体的现象称为气缚。因此，离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出，滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。

2.2.2 离心泵的主要性能参数和特性曲线

一、离心泵的主要性能参数 离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量

1． （叶轮）转速n ：1000～3000rpm ；2900rpm 最常见。

2． 流量Q ：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。泵总是安装在管路中，故流量还与管路特性有关。

3． 压头（扬程）H ：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程并不代表升举高度。一般实际压头由实验测定。

4． 功率：

（1）有效功率e N ：指液体从叶轮获得的能量——g HQ N e ρ=；此处Q 的单位为m 3/s

（2）轴功率N：指泵轴所需的功率。当泵直接由电机驱动时，它就是电机传给泵轴的功率。

5．效率η：由于以下三方面的原因，由电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加能量的利用程度：η

=

N

N e/

①容积损失；②水力损失；③机械损失。

二、离心泵的特性曲线

从前面的讨论可以看出，对一台特定的离心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功率和效率都与其流量有一一对应的关系，其中以压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形称为离心泵的特性曲线。由于它们之间的关系难以用理论公式表达，目前一般都通过实验来测定。包括H～Q曲线、N～Q曲线和η～Q 曲线。

图2-3 某种型号离心泵的特性曲线

离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵的样本或产品说明书中，其测定条件一般是20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如

图2-3所示。

1．讨论

（1） 从H ～Q 特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。

（2） 轴功率随着流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小，以保护电机。

（3） 泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降。但流量为零时，效率也为零。根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。

（4） 离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数，称为最佳工况参数。

三、离心泵特性的影响因素

1．液体的性质：

（1） 液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。

（2） 液体的粘度：若粘度大于常温下清水的粘度，则泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。

2．转速

离心泵的转速发生变化时，其流量、压头、轴功率和效率都要发生变化，泵的特性曲线也将发生变化。

若离心泵的转速变化不大（小于20％），则可以假设：①转速改变前后液体离开叶轮处的出口速度三角形相似；②转速改变前后离心泵的效率不变。从而可导出以下关系：

1212n n Q Q =， 21212???? ??=n n H H ， 31212???? ??=n n N N （比例定律） （2-2）

3．叶轮外径

当泵的转速一定时，压头、流量与叶轮的外径有关。对于某同一型号的离心泵，若对其叶轮的外径进行“切割”，而其他尺寸不变，在叶轮外径的减小变化不超过5％时，离心泵的性能可进行近似换算。此时可以假设：（1） 叶轮外径变化前后，叶轮出口速度三角形相似；（2） 叶轮外径变化前后，离心泵的效率不变；（3）叶轮外径变化前后，叶轮出口截面积基本不变。从而可以导出以下关系：

22''D D Q Q =， 22'2'???? ??=D D H H ， 3

22''???? ??=D D N N （切割定律） （2-3）

与比例定律同样，要注意公式使用的条件。

[例2-1]：以20o C 的水为介质，在泵的转速为2900r/min 时，测定某台离心泵性能时，某次实验的数据如下：

流量12m 3/h,泵出口处压强表的读数为0.37MPa ，泵入口处真空表读数为0.027MPa ，轴功率为2.3Kw 。若压强表和真空表两测压口间垂直距离为0.4m ，且泵的吸入管路和排出管路直径相同。测定装置如附图。求：这次实验中泵的压头和效率。

解：（1）泵的压头

以真空表和压强表所在的截面为41－1'和2－2'，列出以单位重量为衡算基准的伯努利方程，即

2122

22121122-+++=+++f H g p g u z H g p g u z ρρ

其中，2121,4.0u u m z z ==-，p 1=-2.7×104Pa （表压）， p 2=3.7×105Pa （表压）

因测压口之间距离较短，流动阻力可忽略，即H f1-2≈0；故泵的压头为： H ＝m 87.4081.91000107.2107.34.04

5=??+?+

（2）泵的效率

581.010003.2360081.910001287.40=?????==N g HQ ρη，即58.1％。

分析说明：在本实验中，若改变出口阀的开度，测出不同流量下的若干组有关数据，可按上述方法计算出相应的H 及η值，并将H-Q 、N-Q 、η-Q 关系标绘在坐标纸上，即可得到该泵在n ＝2900r/min 下的特性曲线。

2.2.3 离心泵的工作点和流量调节

一、管路特性曲线

前面介绍的离心泵特性曲线，表示一定转速下泵的压头、功率、效率与流量的关系。在特定管路中运行的离心泵，其实际工作的压头和流量不仅取决于离心泵本身的特性，而且还与管路特性有关。即在泵送液体的过程中，泵和管路是互相联系和制约的。因此在讨论泵的工作情况前，应先了解管路特性。

管路特性曲线表示液体通过特定管路系统时，所需的压头与流量的关系。如图所示的送液系统，若液体贮槽与受液槽的液面均维持恒定，输送管路的直径均一，在图2-4中1－1'和2-2'间列伯努利方程式，则可求得液体流过管路系统所需的压头（即要求离心泵提供的压头），即：

f e H

g p z H +?+?=ρ （2-4） 该管路输送系统的压头损失可表示为：

g u d L L H e f 2)(2

ζλ∑+∑+=

因 24d Q u e

π=

故

（2-5）

式中 Q e －管路中液体流量，m 3/s ；

d －管路直径，m ；

L －管路长度，m ；

λ－摩擦系数，无因次。

式中L e 和ζ分别表示局部阻力的当量长度和阻力系数。

对特定的管路系统，上式中等式右边各物理量中，除了λ和Q e 外，其它各物理

量为定值。且

)(e Q f =λ， 则)('e f Q f H = （2-6）

将上式代入，可得：)('e e Q f g p z H +?+?=ρ，即为管路特性方程。 （2-7）

对特定的管路，且在一定条件下操作，则?z 和g p

ρ?均为定值，并令：

K g p z =?+

?ρ

（2-8） 若液体在管路中的流动已进入阻力平方区，则此时λ与Q e 无关，并令：

B d

d L L g

e =∑+∑+?))(8

(452ζλπ （2-9）

则可得特定管路的特性方程：2e e BQ K H += （2-10）

它表示在特定管路中输送液体时，在管内流动处于高度湍流状态下，管路所需的

压头H e 随液体流量Q e 的平方而变。将此关系方程标绘在相应的坐标图上，即可

得到H e -Q e 曲线。这条曲线称为管路特性曲线。此线的形状由管路布置和操作条

件来确定，与离心泵性能无关。

二、离心泵的工作点

将泵的H ～Q 曲线与管路的e H ～Q e 曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称

为泵的工作点M 。如图2-4所示。

图2-4 管路特性曲线和泵的工作点

1．说明 （1） 泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到；

（2） 安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头和流量既是泵提供的，也是管路需要的；

（3） 工作点对应的各性能参数（N H Q ,,, ）反映了一台泵的实际工作状态。

三、离心泵的流量调节

由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能改变工作点，从而达到调节流量的目的。

1．改变出口阀的开度——改变管路特性

出口阀开度与管路局部阻力当量长度有关，后者与管路的特性有关。所以改变出口阀的开度实际上是改变管路的特性。

图2-5 改变阀门开度时工作点变化

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