第二章 流体输送机械
本章学习指导
? 1 本章学习的目的
本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最
常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性,
以便根据生产工艺的要求,合理地选择和正确地使用输送
机械,以实现高效、可靠、安全的运行。
? 2 本章应掌握的内容
本章应重点掌握离心泵的工作原理、操作特性及其选型。
? 3 本章学习中应注意的问题
在学习过程中,加深对流体力学原理的理解,并从工程应
用的角度出发,达到经济、高效、安全地实现流体输送。
流体输送机械是指为流体提供机械能的机械设备
分类:
( 1) 动力式:借助于高速旋转的叶轮使流体获得能
量。包括离心式、轴流式输送机械
( 2) 容积式:利用活塞或转子的挤压使流体升压以获
得能量。包括往复式、旋转式输送机械
( 3)流体作用式:依靠能量转换原理以实现输送流体
任务。如喷射泵
第一节 液体输送机械 —— 离心泵
? 离心泵的主要部件
? 离心泵的工作原理
? 离心泵的性能参数
? 离心泵的特性曲线
? 影响离心泵性能的因素和性能换算
? 离心泵的 气蚀现象 与 安装高度
? 离心泵的 工作点与流量调节
? 离心泵的类型与选择
(一) 离心泵的主要部件
包括叶轮和泵轴的 旋转部件
由泵壳、填料函和轴承组成的 静止部件
?
?离心泵由两个主要部分构成:
(二) 离心泵的工作原理
? 液体随叶轮旋转,在惯性离心力的作用下自叶轮中
心被甩向外周并获得了能量,使流向叶轮外周的液
体的静压强提高,流速增大。液体离开叶轮进入蜗
壳,因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢,液
体的部分动能转换成静压能。于是,具有较高压强
的液体从泵的排出口进入排出管路,被输送到所需
的管路系统。
1
2
3
4
5
6
离心泵的性能参数
? 1.流量( Q), 离心泵在单位时间送到管路系统的液体体
积,常用单位为 L/s或 m3/h;
? 2.压头( H),离心泵对单位重量的液体所能提供的有
效能量,其单位为 m;
? 3.效率( ?),由原动机提供给泵轴的能量不能全部为
液体所获得,通常用效率来反映 能量损失 ;
? 4.轴功率( N), [指离心泵的泵轴所需的功率,单位为
W或 kW
离心泵的能量损失
? ?反映离心泵能量损失,包括:
? 容积损失,由于崩的泄漏所造成的损失。一部份已获
得能量的高压液体由叶轮出口处通过叶轮与泵壳间的
缝隙或从平衡孔漏返回到叶轮入口处的低压区造成的
能量损失。
? 水力损失,进入离心泵的粘性液体产生的摩擦阻力以
及在泵的局部处因流速与方向改变引起的环流和冲击
而产生的局部阻力。
? 机械损失,由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以
及叶轮盖板外表面与液体之间产生的机械摩擦引起的
能量损失。
离心泵的 特性曲线
通常,离心泵的特性曲线由制造厂附于泵的样本
或说明书中,是指导正确选择和操作离心泵的主要
依据。
? 1,H-Q曲线,表示泵的压头与流量的关系
? 2,N-Q曲线,表示泵的轴功率与流量的关系
? 3.η-Q曲线,表示泵的效率与流量的关系
0 20 40 60 80 100 120 140
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
4
8
12
n =2900r/m in
IS00-80- 160B à? D? ±?
H
[
m
]
Q / m
3
/h
?
[%]
N
[
kW
]
? 离心泵的压头 H一般是随流量 Q的增
大而下降,这是离心泵的一个重要
特性。
离心泵的有效功率是指液体从叶轮获得
的实际能量,通常用 Ne表示, 其可由泵
的流量和扬程求得
有效功率与轴功率的比值为离心泵的效率 ?
gHQN e ??
N
N e??
?
?
102
QHN ?
影响离心泵性能的因素和性能换算
? 1.液体物性的影响
? ( a) 密度的影响
? ( b) 黏度的影响
? 2.离心泵转速的影响
? 3.离心泵叶轮直径的影响
泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线是在一定转速和常压下,
以常温的清水为工质做实验测定的。若所输送的液体性质与此相
差较大时,泵的特性曲线将发生变化,应当重新进行换算。
? 由离心泵的基本方程可看出,离心泵的压头、流量均与液体
的密度无关,说明 离心泵特性曲线中的 H—Q及 ?—Q曲线保
持不变。但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加,
即 N—Q曲线要变,此时泵的轴功率可按式( 2-14)重新计
算。
a,流体密度的影响
b,黏度的影响
液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失,因此,
H—Q,N—Q,?—Q曲线都将随之而变。当液体运动粘度 γ >
20?10-8 m2/s 时,离心泵的性能则需按下式进行换算,即
Qˊ = CQQ
Hˊ = CHH
ηˊ = Cη η
? 转速变化特性曲线变化,在转速变化小于 ± 20%范围内
转速的影响 — 比例定律
叶轮直径的影响 — 切割定律
2
1
2
1
n
n
Q
Q ? 2
2
1
2
1 )(
n
n
H
H ? 3
2
1
2
1 )(
n
n
N
N ?
2
'
2
'
D
D
Q
Q ? 2
2
'
2
'
)( DDHH ?
3
2
'
2
'
)( DDNN ?
减小叶轮直径特性参数随之而变,对叶轮圆周进行少量车削
在叶轮直径变
化小于 ± 20%
当泵的叶轮直
径和其他尺寸
均发生变化 22
'
2
'
)( DDHH ? 2
2
'
2
'
)( DDQQ ?
5
2
'
2
'
)( DDNN ?
例, 用清水测定某离心泵的特性曲线,实验装置如附图所示。当调
节出口阀使管路流量为 25m3/h时,泵出口处压力表读数为 0.28MPa
(表压),泵入口处真空表读数为 0.025MPa,测得泵的轴功率为
3.35kW,电机转速为 2900转 /分,真空表与压力表测压截面的垂直
距离为 0.5m。试由该组实验测定数据确定出与泵的特性曲线相关的
其它性能参数。
1z
2z
真空表
压力表
解, 与泵的特性曲线相关的性能参
数有泵的转速 n、流量 Q、压头 H、轴
功率 N和效率 ?。其中流量和轴功率
已由实验直接测出,压头和效率则需
进行计算。
以真空表和压力表两测点为 1,2截
面,对单位重量流体列柏努力方程
? ? 22212121 122 fpp uuH Hzz gg? ???? ? ? ? ? ?
? ? 62121
2
0, 2 8 0, 0 2 5 1 00, 5 3 1, 6 m H O
1 0 0 0 9, 8 1ppH zz g?
???? ? ? ? ? ?
?
%2.6435.3 15.2 ??? NNe?
把数据代入,得
在工作流量下泵的有效功率为
泵轴功率为
kW15.2W21503600 81.91000256.31 ??????? ?H Q gN e
? 1.离心泵的气蚀现象
? 2.离心泵的抗气蚀性能
a.离心泵的 气蚀余量
b.离心泵的 允许吸上真空度
? 3.离心泵的允许安装(吸上)高度
离心泵的气蚀现象与安装高度
当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸
汽压时, 部分液体将在该处汽化并产生的汽泡, 被液流带入叶轮内压
力较高处凝结或破裂 。 由于凝结点处产生瞬间真空, 造成周围液体高
速冲击该点, 产生剧烈的水击 。
H g
1
1 K
K
0 0
0
p




现象,噪声大、泵体振动,流量、压头、效率都明显下降。严重时,泵不 能
正常工作
防止措施,把离心泵安装在恰当的高度位置上,确保泵内压强最低点处的静压
超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。


离心泵的气蚀余量
在泵入口 1-1ˊ和叶轮入口 k-kˊ两截面间列柏努利方程式,可得
为了避免发生气蚀现象,在离心泵的入口处液体的静
压头 p1/ρg与动压头 u12/2g之和必须大于操作温度下的液
体饱和蒸汽压头 pv/ρg某一数值,此数值即为离心泵的气
蚀余量 ( NPSH),即
g
u
g
p
g
pN P S H
2
2
11 ???
??
?
kf
k H
g
u
g
p
g
u
g
p
????? 1,
22
1m i n,1
22 ??
?
离心泵的临界气蚀余量 ( NPSH)c
变形可得
kf
k
c Hg
u
g
u
g
ppN P S H
????
??
1,
22
1mi n,1
22)( ?
?
离心泵的允许吸上真空度
? Hsˊ 值的大小与泵的结构、流量、被输送液体的性质及
当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂在 98.1kPa下,
用 20 ℃ 为介质进行 测定。若输送其他液体,或操作条件与
上述的实验条件不同时,应按下式进行换算,即
若以输送液体的液柱高度来计算离心泵入口处的最高真空
度,则此真空度称为离心泵的允许吸上真空度,以 Hsˊ来
表示,即
g
ppH a
S ?
1' ??
?
? 1000)24.0
1081.9()10( 3
' ?
?
?
??
? ?
?????
pHHH
aSS
? 假设离心泵在可允许的安装高度下操作,于储槽液
面 0-0ˊ与泵入口处 1-1ˊ两截面间列柏努利方程式,
可得 避免发生汽蚀离心泵的 允许安装高度 Hg,
泵入口允许的最小压强 p1 应满足
离心泵的允许安装(吸上)高度
10,
2
110
2 ???
??
fg Hg
u
g
ppH
?
若储槽上方与大气相通,则 p0 即为大气压强 pa,上式
可表示为
10,
2
11
2 ???
??
f
a
g Hg
u
g
ppH
?
g
u
g
p
g
pN P S H
2
2
11 ???
??
?
离心泵的工作点与流量调节
管路特性曲线
离心泵的流量调节
表示在特定管路系统中,于固定操作条件下,流体流经
该管路时所需的压头与流量的关系
泵的特性曲线 H-Q线与所在管路特性曲线 He~Qe线的交
点( M 点 )。
离心泵的工作点
离心泵流量的调节就是改变泵的工作点。方法有二:
1.改变阀门的开度 即改变离心泵出口管路上调节阀门开度
改变管路特性曲线,灵活方便,耗能大;
2.改变泵的转速 改变泵转速实质上是改变泵特性曲线,节
能,投资大。
离心泵在一定转速下有一最高效率点,该点称为
设计点,设计点对应的流量、压头和轴功率称为额
定流量、额定压头和额定轴功率,标注在泵的铭牌
上。一般将最高效率值的 92%的范围称为泵的高效区,
泵应尽量在该范围内操作。
设计点
改变阀门开度时流量变化
改变泵的转速时流量变化
离心泵的并联与串联
离心泵并联和串联,将组合安装的两台型号相同离心泵视为
一个泵组,泵组的特性曲线或称 合成特性曲线,据此确定泵
组工作点。
离心泵 并联操作 时,泵在同一压头下工作,两台并联泵的流量等于单台泵
的两倍。据此,并联离心泵组的 H-Q特性曲线。
离心泵 串联操作 时,泵送流量相同,两台串联泵的扬程为该流量下
单台泵的扬程两倍。离心泵串连工作时的合成特性曲线
离心泵的并联
离心泵的串联
? 清水泵
用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸
式,系列代号为, IS”,结构简图如图,若需要的扬程较高,则可选 D系列多
级离心泵。若需要流量很大,则可选用双吸式离心泵,其系列代号为, Sh” 。
? 防腐蚀泵
当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接
触的部件都采用耐腐蚀材料制作。离心耐腐蚀泵有多种系列,其中常用的系
列代号为 F。
? 油泵
用于输送石油产品,油泵系列代号为 Y。因油类液体具有易燃、易爆的特点,
因此对此类泵密封性能要求较高。输送 200℃ 以上的热油时,还需设冷却装
置。
? 杂质泵
用于输送悬浮液及稠厚的浆液等,其系列代号为 P,又可分为污水泵、
砂泵、泥浆泵等。这类泵的主要结构特点是叶轮上叶片数目少,叶片
间流道宽,有的型号泵壳内还衬有耐磨材料。
离心泵的类型与 选择
离心泵的类型
1-泵体; 2-泵盖; 3-叶轮; 4-轴; 5-密封环; 6-叶轮螺母; 7-止动垫圈;
8-轴盖; 9-填料压盖; 10-填料环; 11-填料; 12-悬架轴承部件
? ( 1)确定输送系统的流量与压头
液体的输送量一般为生产任务所规定,如果流量在一定范围内
波动,选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排,
用柏努力方程计算在最大流量下管路所需的压头。
? ( 2)选择泵的类型与型号
首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型,然后按
已确定的流量 Qe和压头 He从泵的样本或产品目录中选出合适的
型号。显然,选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求 的流量 Q
e和压头 He完全相符,且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量,所选泵的流量和压头可稍大一点,但在该条件下
对应泵的效率应比较高,即点( Qe,He)坐标位置应靠在泵的
高效率范围所对应的 H-Q曲线下方。型号选出后,应列出该泵的
各种性能参数。
? ( 3)核算泵的轴功率
离心泵的选择
若输送液体的密度大于水的密度时,可按
核算泵的轴功率。,102QHN k W???