第 5章 泵与风机的理论基础
5.1 离心式泵与风机的基本结构
5.1.1离心式风机的 基本结构
（ 1）叶轮
前盘, 叶片
（ 2）机壳
蜗壳、进风口
（ 3）进气箱
（ 4）前导器
（ 5）扩散器
（ 6）电动机
5.1.2离心式泵的 基本结构
（ 1）叶轮
（ 2）泵壳
（ 3）泵座
（ 4）轴封装置
5.2 离心式泵与风机的工作原理及性能参数
5.2.1离心式泵与风机的工作原理
过程：
流体受到离心力的作用 —— 经叶片被甩出叶轮 ——
挤入机 （ 泵 ） 壳 —— 流体压强增高 —— 排出 —— 叶轮中
心形成真空 —— 外界的流体吸入叶轮 —— 不断地输送流
体 。
实质：能量的传递和转化过程 。
电动机高速旋转的机械能 —— 被输送
流体的动能和势能 。 在这个能量的传递和转化过
程中, 必然伴随着诸多的能量损失, 这种损失越大, 该
泵或风机的性能就越差, 工作效率越低 。
5.2.2离心式泵与风机的性能参数
（ 1）流量 Q (m3/s)
（ 2）扬程 H/全压 P (mH2O)(Pa)
（ 3）功率：有效功率；轴功率 (kW)
（ 4）效率 η (%)
（ 5）转速 n(r/min)
5.3.1绝对速度与相对速度, 圆周速度
uwv ??? ??
5.3离心式泵与风机的基本方程 — 欧拉方程
5.3.2流体在叶轮中的运动与速度三角形
uv
u
流体在叶轮中运动的速度三角形
5.3.3欧拉方程
基本假定
（ 1）恒定流
（ 2）不可压缩流
（ 3）叶片数目无限多，厚度无限薄
（ 4）理想流动（无能量损失）
欧拉方程
)( 1122 ??? ???? TuTuT vrvrQM ?
???? TT HgQMN ??
)(1 1122 ????? ??? TuTTuTT vuvu
g
H
??? ru
欧拉方程分析
)(1 1122 ????? ???? TuTTuTT vuvu
g
H
（ 1） 理论扬程 HT∞,单位是输送流体的, 流体柱高
度, 。 仅与流体的速度三角形有关, 与流动过程无关 。
（ 2）流体所获得的理论扬程 HT∞与被输送流体的种类
无关。只要叶片进、出口处的速度三角形相同，都可
以得到相同的液柱或气柱高度（扬程）。
（ 3）代表的是单位重量流量获得的全部能量，包括
压力能和动能。
5.3.4欧拉方程的修正
)(1 1122 ????? ???? TuTTuTT vuvugH
)(1 1122 TuTTuTT vuvugH ????
1??
?T
T
H
HK
恒定流
不可压缩
叶片无限多，无限薄
理想流动
K称为环流系数。它说明轴向涡流的影响，有限
多叶片比无限多叶片作功小，这并非粘性的缘故，对
离心式泵与风机来说,K值一般在 0.78~0.85之间。
?1＝ 90?时,进口切向分速 vu1＝ v1?cos?1＝ 0。
理论扬程将达到最大值。这时流体按径向进入叶片的流道，
理论扬程方程式就简化为：
为简明起见,将流体运动诸量中用来表示理想条件
的下角标, T”去掉,
TuTT vugH 22
1?
22
1
uT vugH ?
5.3.4欧拉方程的物理意义
TdTjT HHg
vv
g
ww
g
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222
2
1
2
2
2
2
2
1
2
1
2
2
第一项是离心力作功，使流体自进口到出口产生一个向
外的压能增量 。
第二项是由于叶片间流道展宽、相对速度降低而获得的
压能增量，它代表叶轮中动能转化为压能的份额。由于
相对速度变化不大，故其增量较小。
第三项是单位重量流体的动能增量 。 利用导流器及蜗壳
的扩压作用，可取得一部分静压。
5.4泵与风机的损失与效率
5.4.1 流动损失与流动效率
g
vH i
ih 2
2
??? ?
2
2 iih vp
?????
T
hT
T
h H
HH
H
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5.4泵与风机的损失与效率
5.4.2 泄漏损失与泄漏效率
qQ
Q
Q
Q
T
e ????
5.4泵与风机的损失与效率
5.4.3 轮阻损失与轮阻效率
于流体的功率。为内功率。即实际消耗i
i
ri
r
N
N
NN ?
??
5.4.4 泵与风机的功率与效率
有效功率
1000
PQN
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内功率
轴功率
rhi NqQpPN ????? ))((
为机械传动损失。 mmis NNNN ??
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mreh
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NkN
N
N
N
N
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选配电机功率
全压效率
机械传动效率
内效率
?????
?
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课堂思考题：
离心水泵有轴封装置，而离心风机没有，为什么？
水泵启动时，为什么要求灌满水？
离心风机的基本机构
叶轮结构形式示意图
叶片结构形式示意图
叶片形状示意图
进风口形式示意图
离心泵的基本机构
离心泵叶轮形式示意图
轴向涡流实验示意图
轴向涡流对流速分布的影响
轴向涡流对流速分布的影响
5.5 性能曲线及叶型对性能的影响
泵与风机的性能曲线
)( )( )( 321 QfQfNQfH ??? ?
5.5.1 理论性能曲线
?HT— QT
?NT— QT
分析基础：欧拉方程
HT— QT
22
1
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2222 ?c t gvuv ru ??
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一定，则
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uv
u
HT— QT
NT— QT
TTTe HQNN ???
222 )( TTTTT QD c t gCQc t gBQAQN ??? ????
NT— QT
（ 1）叶片的几种形式
（ 2） 叶片安装角对压力的影响
（ 3） 几种叶片形式的比较
5.5.2 叶型对性能的影响
5.5.3 泵与风机的实际性能曲线
离心风机的特性曲线
叶片安装角对压力的影响
22 uvu ? 22 uvu ? 22 uvu ?
叶片安装角对压力的影响
AvAvAv
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g
H
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2
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2
2
2
1
2
2 ?????
分析
? 扬程与 vu2成正比。在其他条件相同时，采用前
向叶片的叶轮给出的能量高，后向叶片的最低，
而径向叶片的居中。
? 后向叶片型叶轮的 vu2较小，全部理论扬程中的
动压头成分较少；前向叶型叶轮 vu2较大，动压
头成分较多而静压头成分减少。
分析
? 动压头成分大，流体在扩压器中的流速大，动静压转换
损失较大。在其它条件相同时，前向叶型的泵或风机的
总的扬程较大，但它们的损失也大，效率较低。因此，
离心式泵全部采用后向叶轮。在大型风机中，为了增加
效率和降低噪声水平，也几乎都采用后向叶型。但就中
小型风机而论，效率不是主要考率因素，也有采用前向
叶型的，这是因为叶轮是前向叶型的风机，在相同的压
头下，轮径和外形可以做得较小。根据这个原理，在微
型风机中，大都采用前向叶型的多叶叶轮。至于径向叶
型叶轮的泵或风机的性能，显然介于两者之间。
（ 3）几种叶片形式的比较
? （ 1） 从流体所获得的扬程看, 前向叶片最大, 径向叶
片稍次, 后向叶片最小 。
? （ 2） 从效率观点看, 后向叶片最高, 径向叶片居中,
前向叶片最低 。
? （ 3） 从结构尺寸看, 在流量和转速一定时, 达到相同
的压力前提下, 前向叶轮直径最小, 而径向叶轮直径稍
次, 后向叶轮直径最大 。
? （ 4） 从工艺观点看, 直叶片制造最简单 。
? 因此，大功率的泵与风机一般用后向叶片较多。如果对
泵与风机的压力要求较高，而转速或圆周速度又受到一
定限制时，则往往选用前向叶片。从摩擦和积垢角度看，
选用径向直叶片较为有利。
5.5.4泵与风机性能试验标准与试验方法
? 自学试验标准和方法
? 进行试验
? 说明,实际性能曲线 考虑了泵与风机
自身的各种损失，是在标准实验装置
中得出的，实验装置尽可能避免管网
对泵（或风机）的影响。它们管网中
的性能曲线可能会发生变化，这需要
对泵（或风机） 与管网进行合理匹配
与连接。
5.6 相似律与比转数
5.6.1 泵与风机的相似原理
5.6.2 泵与风机的相似律及其 应用
5.6.3 比转数
5.6.4 泵与风机的 无因次性能曲线
5.6.1 泵与风机的相似原理
? 相似条件
? 根据相似理论，要保证流体流动过程力
学相似必须同时满足几何相似、运动相
似、动力相似。这其中几何相似是前提，
动力相似是保证，运动相似是目的。
1.几何相似
1122
1
1
2
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k
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b
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D
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2.运动相似
? 对应点的速度三角形相似，且所有对应点两速度
三角形大小相差的倍数相同。
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u
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3.动力相似
? 实物和模型内各对应点的同类力方向相同，
而大小比值等于常数时，叫做动力相似。
ee RR ?? uu EE ??
?
22 uDR
e ? 2i
i
u v
PE
??
5.6.1.2 入口速度三角形相似
? 要检查所有各对应点是否满足上述各种关系式，
来判断两泵与风机的流通过程是否相似是很困
难的，也是不必要的。
? 实际上在几何相似的泵与风机中，只要能保持
叶片入口速度三角形相似，且对应点的惯性力
与粘性力的比值相等，则其流动过程必然相似。
入口速度三角形相似 —— 流量系数相等
111111 ubD
Q
ubD
Q
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1
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2 44 uD
Q
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Q
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?? QQ ??
? 两离心式泵（或风机）流动过程相似的条
件归结为,1,几何相似； 2,流量系数相
等； 3,雷诺数、欧拉数 Eu相等。
? 实际工程中，通常并不采用相似准数来判
断泵或风机的相似，而是根据工况相似来
提出相似关系。
?,相似工况”的概念：当两泵或风机的
流动过程相似时，则它们的对应工况称为
相似工况。
相似工况下，可推导出下列结果：
'
'
NN
PP
?
?
??
??
5.6.2 泵与风机的相似律 — 性能参数之间的相似换算关系
',4
)()(
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)(
4
4
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'
)()(
.1
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2
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???
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?
?
效率
功率换算
流量换算
全压（扬程）换算
n
n
D
D
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nD
N
N
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n
D
D
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nDD
uD
uD
Q
Q
n
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D
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H
n
n
D
D
nD
nD
u
u
P
P
注 意
?相似律反映的是泵（风机）在相似
工况点之间的性能参数换算关系。
5.6.3 比转数
? 综合反映泵（或风机）主要性能参数流量、
扬程（全压）、转速的特性。
? 根据两台水泵（或风机）的相似工况点之
间存在的相似律，可以得到：
4
3
2
1
4
3
2
1
4
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???
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??,当 ??
??
说 明
? 比转数是反映泵（或风机）流量（全压）
关系的综合参数。
? 泵（或风机）在不同的工况点有不同的比
转数，为了便于进行分析比较，一般把泵
与风机全压效率最高点的比转数作为该泵
与风机的比转数值。
? 一组相似的水泵，它们的最高效率点工况
相似，所以比转数相等。但比转数相等的
泵（或风机）未必相似。
实际计算公式
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
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8.14
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2.1
(
H
Q
nn
P
Q
P
Q
nn
s
s
?
??
水泵比转数：
风机比转数：
?
比转数的应用
（ 1）用比转数划分泵（风机）的类型
比转数大，反映泵与风机的流量大、压力低；反之，
比转数小，则流量小、压力高。在设计参数给定时，可先
计算比转数，再根据比转数的大小决定采用哪种类型的泵
（风机）。
（ 2）反映叶轮的几何形状
比转数越大，流量系数越大，叶轮出口相对宽度 b2/
D2大；比转数越小，流量系数越小，则相应叶轮的出口
宽度 b2/D2就越小。
（ 3）反映性能曲线的特点
比转数越小,H-Q越平坦,N-Q较陡，效率曲线较平
坦。
（ 4）比转数可用于泵与风机的相似设计
5.6.4泵与风机的无因次性能曲线
? 当几何相似的两泵与风机的工况，满足流量系
数相等和雷诺数相等的条件时，全压系数、功
率系数与效率必彼此相等。当流量系数、雷诺
数变化时，全压系数、功率系数与效率将跟着
发生变化。因此，可用下列函数式表示它们之
间的关系：
),(1 eRQfP ?
),(2 eRQfN ?
),(3 eRQf??
5.1 离心式泵与风机的基本结构
5.1.1离心式风机的 基本结构
（ 1）叶轮
前盘, 叶片
（ 2）机壳
蜗壳、进风口
（ 3）进气箱
（ 4）前导器
（ 5）扩散器
（ 6）电动机
5.1.2离心式泵的 基本结构
（ 1）叶轮
（ 2）泵壳
（ 3）泵座
（ 4）轴封装置
5.2 离心式泵与风机的工作原理及性能参数
5.2.1离心式泵与风机的工作原理
过程：
流体受到离心力的作用 —— 经叶片被甩出叶轮 ——
挤入机 （ 泵 ） 壳 —— 流体压强增高 —— 排出 —— 叶轮中
心形成真空 —— 外界的流体吸入叶轮 —— 不断地输送流
体 。
实质：能量的传递和转化过程 。
电动机高速旋转的机械能 —— 被输送
流体的动能和势能 。 在这个能量的传递和转化过
程中, 必然伴随着诸多的能量损失, 这种损失越大, 该
泵或风机的性能就越差, 工作效率越低 。
5.2.2离心式泵与风机的性能参数
（ 1）流量 Q (m3/s)
（ 2）扬程 H/全压 P (mH2O)(Pa)
（ 3）功率：有效功率；轴功率 (kW)
（ 4）效率 η (%)
（ 5）转速 n(r/min)
5.3.1绝对速度与相对速度, 圆周速度
uwv ??? ??
5.3离心式泵与风机的基本方程 — 欧拉方程
5.3.2流体在叶轮中的运动与速度三角形
uv
u
流体在叶轮中运动的速度三角形
5.3.3欧拉方程
基本假定
（ 1）恒定流
（ 2）不可压缩流
（ 3）叶片数目无限多，厚度无限薄
（ 4）理想流动（无能量损失）
欧拉方程
)( 1122 ??? ???? TuTuT vrvrQM ?
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欧拉方程分析
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（ 1） 理论扬程 HT∞,单位是输送流体的, 流体柱高
度, 。 仅与流体的速度三角形有关, 与流动过程无关 。
（ 2）流体所获得的理论扬程 HT∞与被输送流体的种类
无关。只要叶片进、出口处的速度三角形相同，都可
以得到相同的液柱或气柱高度（扬程）。
（ 3）代表的是单位重量流量获得的全部能量，包括
压力能和动能。
5.3.4欧拉方程的修正
)(1 1122 ????? ???? TuTTuTT vuvugH
)(1 1122 TuTTuTT vuvugH ????
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恒定流
不可压缩
叶片无限多，无限薄
理想流动
K称为环流系数。它说明轴向涡流的影响，有限
多叶片比无限多叶片作功小，这并非粘性的缘故，对
离心式泵与风机来说,K值一般在 0.78~0.85之间。
?1＝ 90?时,进口切向分速 vu1＝ v1?cos?1＝ 0。
理论扬程将达到最大值。这时流体按径向进入叶片的流道，
理论扬程方程式就简化为：
为简明起见,将流体运动诸量中用来表示理想条件
的下角标, T”去掉,
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5.3.4欧拉方程的物理意义
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第一项是离心力作功，使流体自进口到出口产生一个向
外的压能增量 。
第二项是由于叶片间流道展宽、相对速度降低而获得的
压能增量，它代表叶轮中动能转化为压能的份额。由于
相对速度变化不大，故其增量较小。
第三项是单位重量流体的动能增量 。 利用导流器及蜗壳
的扩压作用，可取得一部分静压。
5.4泵与风机的损失与效率
5.4.1 流动损失与流动效率
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5.4泵与风机的损失与效率
5.4.2 泄漏损失与泄漏效率
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5.4泵与风机的损失与效率
5.4.3 轮阻损失与轮阻效率
于流体的功率。为内功率。即实际消耗i
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5.4.4 泵与风机的功率与效率
有效功率
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为机械传动损失。 mmis NNNN ??
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选配电机功率
全压效率
机械传动效率
内效率
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课堂思考题：
离心水泵有轴封装置，而离心风机没有，为什么？
水泵启动时，为什么要求灌满水？
离心风机的基本机构
叶轮结构形式示意图
叶片结构形式示意图
叶片形状示意图
进风口形式示意图
离心泵的基本机构
离心泵叶轮形式示意图
轴向涡流实验示意图
轴向涡流对流速分布的影响
轴向涡流对流速分布的影响
5.5 性能曲线及叶型对性能的影响
泵与风机的性能曲线
)( )( )( 321 QfQfNQfH ??? ?
5.5.1 理论性能曲线
?HT— QT
?NT— QT
分析基础：欧拉方程
HT— QT
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222 )( TTTTT QD c t gCQc t gBQAQN ??? ????
NT— QT
（ 1）叶片的几种形式
（ 2） 叶片安装角对压力的影响
（ 3） 几种叶片形式的比较
5.5.2 叶型对性能的影响
5.5.3 泵与风机的实际性能曲线
离心风机的特性曲线
叶片安装角对压力的影响
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叶片安装角对压力的影响
AvAvAv
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分析
? 扬程与 vu2成正比。在其他条件相同时，采用前
向叶片的叶轮给出的能量高，后向叶片的最低，
而径向叶片的居中。
? 后向叶片型叶轮的 vu2较小，全部理论扬程中的
动压头成分较少；前向叶型叶轮 vu2较大，动压
头成分较多而静压头成分减少。
分析
? 动压头成分大，流体在扩压器中的流速大，动静压转换
损失较大。在其它条件相同时，前向叶型的泵或风机的
总的扬程较大，但它们的损失也大，效率较低。因此，
离心式泵全部采用后向叶轮。在大型风机中，为了增加
效率和降低噪声水平，也几乎都采用后向叶型。但就中
小型风机而论，效率不是主要考率因素，也有采用前向
叶型的，这是因为叶轮是前向叶型的风机，在相同的压
头下，轮径和外形可以做得较小。根据这个原理，在微
型风机中，大都采用前向叶型的多叶叶轮。至于径向叶
型叶轮的泵或风机的性能，显然介于两者之间。
（ 3）几种叶片形式的比较
? （ 1） 从流体所获得的扬程看, 前向叶片最大, 径向叶
片稍次, 后向叶片最小 。
? （ 2） 从效率观点看, 后向叶片最高, 径向叶片居中,
前向叶片最低 。
? （ 3） 从结构尺寸看, 在流量和转速一定时, 达到相同
的压力前提下, 前向叶轮直径最小, 而径向叶轮直径稍
次, 后向叶轮直径最大 。
? （ 4） 从工艺观点看, 直叶片制造最简单 。
? 因此，大功率的泵与风机一般用后向叶片较多。如果对
泵与风机的压力要求较高，而转速或圆周速度又受到一
定限制时，则往往选用前向叶片。从摩擦和积垢角度看，
选用径向直叶片较为有利。
5.5.4泵与风机性能试验标准与试验方法
? 自学试验标准和方法
? 进行试验
? 说明,实际性能曲线 考虑了泵与风机
自身的各种损失，是在标准实验装置
中得出的，实验装置尽可能避免管网
对泵（或风机）的影响。它们管网中
的性能曲线可能会发生变化，这需要
对泵（或风机） 与管网进行合理匹配
与连接。
5.6 相似律与比转数
5.6.1 泵与风机的相似原理
5.6.2 泵与风机的相似律及其 应用
5.6.3 比转数
5.6.4 泵与风机的 无因次性能曲线
5.6.1 泵与风机的相似原理
? 相似条件
? 根据相似理论，要保证流体流动过程力
学相似必须同时满足几何相似、运动相
似、动力相似。这其中几何相似是前提，
动力相似是保证，运动相似是目的。
1.几何相似
1122
1
1
2
2
1
1
2
2
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k
b
b
b
b
D
D
D
D
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2.运动相似
? 对应点的速度三角形相似，且所有对应点两速度
三角形大小相差的倍数相同。
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1
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2
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1
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1
u
2
3.动力相似
? 实物和模型内各对应点的同类力方向相同，
而大小比值等于常数时，叫做动力相似。
ee RR ?? uu EE ??
?
22 uDR
e ? 2i
i
u v
PE
??
5.6.1.2 入口速度三角形相似
? 要检查所有各对应点是否满足上述各种关系式，
来判断两泵与风机的流通过程是否相似是很困
难的，也是不必要的。
? 实际上在几何相似的泵与风机中，只要能保持
叶片入口速度三角形相似，且对应点的惯性力
与粘性力的比值相等，则其流动过程必然相似。
入口速度三角形相似 —— 流量系数相等
111111 ubD
Q
ubD
Q
???
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??
1
1
1
1
u
v
u
v
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??
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111 vbDQ ?????? ?
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u
u
u
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b
D
D
D
D
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2
2
22
2
2 44 uD
Q
uD
Q
??
??
?? QQ ??
? 两离心式泵（或风机）流动过程相似的条
件归结为,1,几何相似； 2,流量系数相
等； 3,雷诺数、欧拉数 Eu相等。
? 实际工程中，通常并不采用相似准数来判
断泵或风机的相似，而是根据工况相似来
提出相似关系。
?,相似工况”的概念：当两泵或风机的
流动过程相似时，则它们的对应工况称为
相似工况。
相似工况下，可推导出下列结果：
'
'
NN
PP
?
?
??
??
5.6.2 泵与风机的相似律 — 性能参数之间的相似换算关系
',4
)()(
.3
)(
4
4
.2
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'
)()(
.1
35
2
2
35
2
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2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
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2
222
2
2
22
2
22
2
2
2
2
2
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效率
功率换算
流量换算
全压（扬程）换算
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n
D
D
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nD
N
N
n
n
D
D
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nDD
uD
uD
Q
Q
n
n
D
D
H
H
n
n
D
D
nD
nD
u
u
P
P
注 意
?相似律反映的是泵（风机）在相似
工况点之间的性能参数换算关系。
5.6.3 比转数
? 综合反映泵（或风机）主要性能参数流量、
扬程（全压）、转速的特性。
? 根据两台水泵（或风机）的相似工况点之
间存在的相似律，可以得到：
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
'
'
)()(
P
Q
nn
P
Q
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P
Q
n
P
Q
n
P
Q
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s
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?
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?
??,当 ??
??
说 明
? 比转数是反映泵（或风机）流量（全压）
关系的综合参数。
? 泵（或风机）在不同的工况点有不同的比
转数，为了便于进行分析比较，一般把泵
与风机全压效率最高点的比转数作为该泵
与风机的比转数值。
? 一组相似的水泵，它们的最高效率点工况
相似，所以比转数相等。但比转数相等的
泵（或风机）未必相似。
实际计算公式
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
65.3
8.14
)
2.1
(
H
Q
nn
P
Q
P
Q
nn
s
s
?
??
水泵比转数：
风机比转数：
?
比转数的应用
（ 1）用比转数划分泵（风机）的类型
比转数大，反映泵与风机的流量大、压力低；反之，
比转数小，则流量小、压力高。在设计参数给定时，可先
计算比转数，再根据比转数的大小决定采用哪种类型的泵
（风机）。
（ 2）反映叶轮的几何形状
比转数越大，流量系数越大，叶轮出口相对宽度 b2/
D2大；比转数越小，流量系数越小，则相应叶轮的出口
宽度 b2/D2就越小。
（ 3）反映性能曲线的特点
比转数越小,H-Q越平坦,N-Q较陡，效率曲线较平
坦。
（ 4）比转数可用于泵与风机的相似设计
5.6.4泵与风机的无因次性能曲线
? 当几何相似的两泵与风机的工况，满足流量系
数相等和雷诺数相等的条件时，全压系数、功
率系数与效率必彼此相等。当流量系数、雷诺
数变化时，全压系数、功率系数与效率将跟着
发生变化。因此，可用下列函数式表示它们之
间的关系：
),(1 eRQfP ?
),(2 eRQfN ?
),(3 eRQf??
