2.2 离心泵 (Centrifugal pump)

2.2 离心泵(Centrifugal pump) 电动机离心泵

2.2 离心泵(Centrifugal pump)

2.2.1 离心泵的主要构件和工作原理 叶轮：迫使流体高速旋转，形成在中心引入低势能（低静压能）流体，在外缘输出高势能（高静压能）、高动能流体的工作环境。蜗壳：流道逐渐扩大，将动能的一部分转化成势能（静压能）。

离心泵的能量形式转换过程 从电能到机械能形式的转换过程原动机—轴—叶轮旋转—叶片间液体旋转— 受到离心力 液体被做功 动能 流速减小部分动能转换 静压能 中心外围 呈高压态离开叶轮进入蜗壳

离心泵的主要部件及作用 ——叶片（+盖板）（1）叶轮

液体的汇集与能量的转换 （2）泵壳：（动静）（3）吸上原理与气缚现象液体以高压离开叶轮 叶轮中心形成低压（因液体连续流动）若泵内有气，则小，Pout小，泵入口压力Pin大，此处的真空度小, 液体不能吸上——气缚现象。因此，启动前需要灌泵，并且密封，防止空气吸入。（4）轴封的作用（5）平衡孔的作用 —消除轴向推力

（6）导轮的作用 ——减少能量损失

2.2.2 离心泵的性能参数characteristic parameters与特性曲线离心泵的理论压头假设: 叶片数——液体无环流理想流体——无能量损失离心泵的基本方程 r—叶轮半径；—叶轮旋转角速度；qV—泵的体积流量；b—叶片宽度； —叶片装置角。

省略旋转坐标： w c W为相对运动速度，u为切向速度，c为绝对速度。 u

反映泵本身在一定条件下，提供能量的额定能力。反映泵本身在一定条件下，提供能量的额定能力。在一定的转速 n 下：

在一定的转速 n 下： u2是外缘切向速度特点：压头HT与密度ρ无关。

（1）装置角：>90度 — 前弯叶片 qV  H  说明： < 90度 — 后弯叶片qV  H  （线性规律） = 90度 — 径向叶片H与qV无关（2）实际生产中采用后弯叶片 < 90度~流动能量损失小 b、r、  H  （3）理论压头H(或HT)与流体的性质ρ、μ无关（4）H（即He）与H的差距— 叶片间环流；阻力损失；冲击损失

若泵启动时泵体内是空气，泵启动后产生的压头为一定值，但因空气密度小，造成的压差或泵吸入口的真空度很小，不能将液体吸入泵内。“气缚”现象。若泵启动时泵体内是空气，泵启动后产生的压头为一定值，但因空气密度小，造成的压差或泵吸入口的真空度很小，不能将液体吸入泵内。“气缚”现象。

H与H的差距— 叶片间环流；阻力损失；冲击损失在一定的转速 n 下：直线关系 1、泵的有效压头 (1)叶片之间的环境：与叶片数、流体粘度有关，与流量几乎无关。（2）阻力损失（摩擦损失）：约与流量的平方成正比。（3）冲击损失：流体以绝对速度c2进入蜗壳，虽部分转化为静压能，但亦存在着明显的能量损失。装置角β是按照所设计泵的额定流量确定的，若泵在额定流量下工作，冲击损失最小，若泵偏离额定流量工作，冲击损失增大。

主要性能参数 characteristic parameters 影响到泵的效率容积损失：压头损失：主要由流体摩擦阻力损失造成。灌泵后，关闭阀门，在流量等于零时启动。效率小于100%原因有容积损失、压头损失和机械损失。

离心泵内液体漏回现象

离心泵的主要性能参数总结 （1）(叶轮)转速n： 1000~3000rpm；2900rpm常见（2）(体积)流量qV: m3/s，~叶轮结构、尺寸和转速 1N流体通过泵获得的机械能。（3）压头（扬程）H（He）：与流量、叶轮结构、尺寸和n有关。 J/N, m Hz （4）轴功率N（Pa）：单位时间原动机输入泵轴的能量有效功率Pe：单位时间液体获得的能量

（5）效率 —— <100% 容积损失，水力损失，机械损失泵的效率：efficiency （1）容积效率：流量损失ηV＝0.85~0.95 （2）水力效率：压头损失　ηk=0.8~0.9 （3）机械效率：机械部件之间的摩擦　ηj＝0.96~0.99 泵的总效率：η＝ ηV ηk ηj 离心泵的性能曲线测定 ~qV H~qV N~qV 20C清水厂家实验测定产品说明书

离心泵的特性曲线 (characteristic curves) 离心泵的操作：1）灌泵并保持密封，防止气缚现象；2）在最小流量下启动。3）在出口管路上安装流量调节阀门。

在某一转速 n 下 通过最简单的管路反映泵的有效压头。

轴功率 Pa 转速为n的泵特性曲线上的每一点均可用这一方法转换至转速为n’的曲线上相对应的点。因此，可得到新转速下的泵特性曲线。 ④叶轮直径 D

泵的转速 n 变化后，泵实际特性曲线方程式如何变换？例：某一台泵，当转速为 n1=1480r/min 时，将转速变化为 n2=1700r/min 后，泵的特性曲线方程式如何？解：根据比例定律

思考题：　离心泵的压头是指（） A　流体的升举高度；　　B 流体动能的增加； C　流体静压能的增加；　D 单位流体获得的机械能。解：根据实际流体的机械能衡算式 H=(Z2-Z1)+(P2-P1)+(u22-u12)/2g+∑Hf 离心泵的压头可以表现为流体升举一定的高度（Z2－Z1）、增加一定的静压能（P2－P1）/ρg、增加一定的动能 (u22-u12)/2g 以及用于克服流体流动过程中产生的压头损失ΣHf。但A、B、C的说法都不全面。离心泵的压头是泵施加给单位牛顿流体的机械能J（J/N＝m)。故答案D正确。

第2章流体输送机械（6学时） 第2讲：2.2.3 离心泵的工作点；离心泵的串联操作；离心泵的并联操作。2.2.4 离心泵的汽蚀现象、汽蚀余量及安装高度。

duty point 由工作点读出的流量 qv、压头 He就是管道中实际的流量，流体在此流量下，实际所得到的有效压头。

工作点(duty point)的求法： （1）图解法；（2）解析法。注意两个方程式中 qv的单位一定要一致，一般都统一到 m3/s

2. 流量调节（即改变泵的工作点） ①调节出口阀门的开度，改变管路的特性曲线优点：调节简便.灵活缺点：能耗 ②调节泵的转速，改变泵的特性曲线

等效率方程 注意：泵特性曲线因转速变化发生了移动。若求转速变化后的工作点，还必须结合管路的特性曲线。

例：某输水管路中，离心泵在转速为n=2900r/min时的特性曲线方程为管路特性方程为 qV的单位为m3/min 试求：1）k=2.5时的工作点（qVA、HA）; 2)将阀门关小，使得k’=5时的工作点（qVB、HB）; 3）阀门开度由k=2.5关小到k’=5，流量由qVA减小到qVB，管路阻力损失增加了多少？ 4)如果改变泵的转速，将流量调整到qVB，管路能量消耗如何变化？ 5）若不采用改变阀门开度，而是采用改变转速的方法，使得流量由qVA减小到qVB，则转速应调整到多少？ 6）比较：由流量qvA减小到qvB时，调整阀门开度与调整泵的转速，能量消耗的差异是多少？

解：1） 泵特性曲线方程（1）管路特性曲线方程（此时 k=2.5) （2）联立（1）、（2）得 2）管路特性曲线方程（此时 k=5) （3）联立（1）、（3）得 3）阀门开度由k=2.5关小到k’=5，流量由qVA减小到qVB，管路阻力损失增加了多少？ 4) 如果改变泵的转速，将流量调整到qVB，管路能量消耗如何变化？即管路特性曲线不变，通过改变转速改变泵的特性曲线，将工作点由A点移动到C点。即在原来的阀门开度下，即k=2.5时，输送流量为qVC=qVB时，管路所需要的压头为HC 将代入（2）中，得

5）若不采用改变阀门开度，而是采用改变转速的方法，使得流量由qVA减小到qVB，则转速应调整到多少？5）若不采用改变阀门开度，而是采用改变转速的方法，使得流量由qVA减小到qVB，则转速应调整到多少？利用相等效率下的比例定律：该式称为离心泵在一定范围内不同转速下的等效率方程。方法1：等效率方程

（4） 管路特性曲线不变，通过改变转速改变泵的特性曲线，将工作点由A点移动到C点。将C点坐标代入（4）式得到： 5）若不采用改变阀门开度，而是采用改变转速的方法，使得流量由qVA减小到qVB，则转速应调整到多少？方法2：根据比例定律，得到离心泵改变转速为n2时的特性曲线方程离心泵在转速为n1=2900r/min时的特性曲线方程为

6）比较：由流量qvA减小到qvB时，调整阀门开度与调整泵的转速，能量消耗的差异是多少？6）比较：由流量qvA减小到qvB时，调整阀门开度与调整泵的转速，能量消耗的差异是多少？如果改变泵的转速，将流量调整到qVB，即在原来的阀门开度下，即k=2.5时，输送流量为qVB时，管路所需要的压头为HC 如果关小阀门将流量调整到qvB ,管路所需要的压头为HB 调整到同样的流量,调整阀门开度与调整泵的转速，能量消耗的差异是

两台相同泵的组合，如何根据单台泵的特性曲线方程式写出组合泵的特性曲线方程式？两台相同泵的组合，如何根据单台泵的特性曲线方程式写出组合泵的特性曲线方程式？例：某台泵的特性曲线方程为 He的单位为m ，qv的单位为m3/s

1） 2） 3）

点，其中任何一条特性曲线发生变化，均会引起工作点的变动，现泵及其转速不变，故泵的特性曲线不变。将管路的特性曲线方程式列出点，其中任何一条特性曲线发生变化，均会引起工作点的变动，现泵及其转速不变，故泵的特性曲线不变。将管路的特性曲线方程式列出管路特性不变，则此时流量将（） A增大　B减少　C不变　D不确定

思考：对于上题，若仍然保持原流量，应采取什么措施？思考：对于上题，若仍然保持原流量，应采取什么措施？改变的是什么特性曲线？

压力表 真空表例1：用离心泵敞口水池中的水送往一敞口高位槽，高位槽液面高出水池液面5m,管径为50mm。当泵出口管路中阀门全开（ζ＝0.17）时，泵入口管中真空表读数为52.6KPa,泵出口管中压力表读为155.9KPa 。已知该泵的特性曲线方程He=23.1-1.43×105q2v 式中：He的单位为m；qv的单位为m3/s.试求：（1）阀门全开时泵的有效功率；（首先找出此时的工作点）（2）当阀门关小（ ζ＝80）时，其他条件不变，流动状态处在阻力平方区，则泵的流量为多少？（寻找新的工作点）

压力表 真空表解：（1）忽略出口管压力表接口与入口管真空表接口垂直高度差，自真空表接口管截面至压力表接口管截面列机械能衡算式。并且忽略此间入口管与出口管段的流体阻力损失。

例2：现需用两台相同的离心泵将河水送入一密闭的高位槽，高例2：现需用两台相同的离心泵将河水送入一密闭的高位槽，高位槽液面上方压强为1.5at(表压强），高位槽液面与河水水面之间的垂直高度为10m，已知整个管路长度为50m(包括全部局部阻力当量长度），管径均为50mm，直管阻力摩擦系数λ＝0.025。单泵的特性曲线方程为He=50-1.0×106qv2(式中He的单位为m;qv的单位为m3/s)。试通过计算比较：该两台泵如何组合所输送的水流量更大？

若采用串联，联立方程（1）（3）得 qv串=5.7×10-3(m3/s) 若采用并联，联立方程（2）（3）得 qe并=66×10-3(m3/s) 因此，应采用泵的并联方式。为了明显的发挥组合泵能够增加流量，增加压头的优势，对于低阻管路，并联优于串联；对于高阻管路，串联优于并联。根据管路特性曲线，流量大，同时所需压头亦大。是因为管路中流量大，流速大，流体的压头损失亦大，则所需泵提供的压头亦要大。

汽蚀现象 汽蚀现象cavitations phenomena 当汽蚀现象发生时，泵的扬程明显减小。

流量大，临界汽蚀余量大。

最大允许安装高度[Hg]为 3.安装要求： ①吸入管径常大于压出管径 ②吸入管不装调节阀 ③实际安装高度Hg<[Hg]

Hg 例1：分析离心泵的安装高度Hg与所输送流体温度之间的关系。

例：用某型号离心泵将水由贮槽输送至高位槽，已知在工作转速下泵的特性方程为H=45-0.15qv2，式中H的单位为m，qv的单位为m3/h。贮槽和高位槽的直径分别为8m与5m。输水初时，两槽间的垂直高度差为20m，两液槽间用长200m（包括全部局部阻力的当量长度）的φ５７×3.5mm的钢管相连。管路中的摩擦因数为0.025。贮槽与高位槽的容量足够，且忽略因液位变化而引起的阻力损失的变化。试求：（1）初始输水量；（2）完成100m3输水任务所需要的时间。例：用某型号离心泵将水由贮槽输送至高位槽，已知在工作转速下泵的特性方程为H=45-0.15qv2，式中H的单位为m，qv的单位为m3/h。贮槽和高位槽的直径分别为8m与5m。输水初时，两槽间的垂直高度差为20m，两液槽间用长200m（包括全部局部阻力的当量长度）的φ５７×3.5mm的钢管相连。管路中的摩擦因数为0.025。贮槽与高位槽的容量足够，且忽略因液位变化而引起的阻力损失的变化。试求：（1）初始输水量；（2）完成100m3输水任务所需要的时间。解：　（１）即确定初始的工作点初始时的管路特性方程：

（２）设在开始输水后的某时刻t，贮槽液面下降了x，同时，高位槽液面上长了h，管内流速为u，则有（２）设在开始输水后的某时刻t，贮槽液面下降了x，同时，高位槽液面上长了h，管内流速为u，则有在某时刻t，贮槽液面至高位槽液面列机械能衡算方程式反映了x与t的关系。

2.2 离心泵 (Centrifugal pump)