现代水泵设计高校讲义

第二章离心泵讲义
主讲教师&&&
本章的学习要点：熟悉各种流体输送机械，掌握离心泵的结构、原理、性能、安装及调节。

§1流体输送机械的分类
一、液体输送
泵：齿轮泵；往复泵；螺杆泵；离心泵等
二、气体输送
鼓风机；压缩机
§2离心泵的原理及构造
一、离心泵的特点
结构简单；流量均匀；调节控制方便，并可用耐腐蚀材料制造。

二、离心泵的原理
1、离心泵的排液原理
动能静压能
2、离心泵的吸液原理
静压能位能
3、离心泵的气缚现象
离心泵内存在气体，致使离心力下降，离心泵不能将液体吸入泵内，叶轮只是在泵壳内空转而无液体排出，这种现象称为“气缚现象”。

§3离心泵的构造
1、叶轮
叶轮是泵直接对流体作功的部件。

叶轮的作用是将电机的机械能转化为液体的动能和静压能。

一般常用离心泵叶轮上有6~12片后弯叶片。

敞开式叶轮、半开式叶轮和封闭式叶轮
平衡孔的作用
2、减漏环
3、泵壳
离心泵泵壳是使液体汇集及能量转化的部件。

离心泵泵壳是蜗壳形，其目的是使流体从泵吸入口到排出口流道面积逐渐扩大，流体流速逐渐降低，（从15~25m/s降到1~3m/s），使流体动能大部分转化为静压能。

4、导轮
导轮的作用：1）减小叶轮抛出的高能流体对泵壳的撞击。

2）均匀而缓慢地将动能转化为静压能。

5、轴封装置
泵壳与泵轴之间的密封称为轴封。

1) 填料密封
主要由填料套、填料环、填料、压盖组成。

优点：结构简单；造价低。

缺点：使用寿命短；能量损失大；有泄露。

2）机械密封
主要由传动螺钉、传动座、弹簧、推环、动环密封圈、动环、静环、静环密封圈、防转销等部件组成。

优点：液体泄露量小；使用寿命长；能耗低；结构紧凑。

缺点：零件加工要求高；成本高；装卸及更换零件不便。

§4离心泵的主要性能参数
一、流量Q
单位时间内泵能够排出液体的量。

反映离心泵的输液能力。

常用体积流量表示，单位：m3/s
离心泵的流量主要与泵的结构、叶片尺寸和轴转速有关。

二、扬程H
输液过程中泵给予单位重量流体的能量。

单位：m 液柱 如图
扬程包括以下各项：
1）将单位重量液体的位压能提高∆Z 焦耳，包括吸液位压头Z S 和排
液位压头Z b 。

2）将单位重量液体的静压能提高
g P P g P a
b ρρ-=∆焦耳。

3）提供了输送管路总阻力损失f h ∑。

4）将单位重量流体的动能提高g
u 22
∆焦耳。

概念：离心泵的扬程不是液体的升扬高度。

f h g
P
Z H ∑+∆+
∆=ρ 离心泵的扬程与叶轮的尺寸、轴转速、叶片的数目及流量有关。

三、功率N
1、有效功率：泵在单位时间内对流经该泵的流体所作的功。

H g Q N ⋅⋅⋅=ρ有
2、轴功率：电机传给离心泵的功率。

η
ρH
g Q N ⋅⋅⋅=
轴
3、配带功率：离心泵本身所配带电机的功率。

轴配N N 2.1~1.1=
四、效率η
有效功率与轴功率之比。

轴
有N N =η
效率的影响因素：
1、容积损失V η
2、水力损失H η
3、机械损失m η 离心泵的效率m H V ηηηη⋅⋅=总
§5离心泵的特性曲线
一、离心泵特性曲线的测量 离心泵的铭牌：
离 心 式 清 水 泵
型号 2B31A 转速 2900 r/s
扬程 25.2 m 效率 65.5 % 流量 20 m 3/h 功率 2.07 kw 允许吸上真空高度 4.5 m 重量 363 N 出厂编号 791210
出厂日期 年 月 日
×××水泵厂
实验装置：
实验原理：()f h g
u u g P P Z Z H ∑+-+-+-=22
1221212ρ 近似为：g P P Z Z H ρ1
212-+-=
实验方法：同一种泵，叶轮转速恒定下，分别测取不同流量下的H 、
N 、η，由实验数据绘制特性曲线。

二、离心泵的特性曲线
1、H —Q 曲线， 离心泵的扬程曲线
流量Q 增加；扬程H 下降。

2、N —Q 曲线， 离心泵的功率曲线 流量Q 增加；功率增加。

流量为零；功率最小。

3、η—Q 曲线， 离心泵的效率曲线
曲线有最高效率点，此点为设计点。

一般，离心泵的使用效率不能低于最高效率点的92%.
三、离心泵特性曲线的影响因素 1、输送液体密度的影响
离心泵的扬程和效率与密度无关；有效功率与密度成正比。

2、输送液体粘度的影响
常温下，输送液体的粘度增加，最高效率点下的流量、扬程和效
率均下降，轴功率增加。

输送液体粘度不大时，液体粘度对特性曲线的影响可以不计。

3、叶轮转速的影响
输送粘度与水相近的流体，转速变化不大于20%时，可认为其效
率不变，则：
2121n n Q Q = 222121n n H H = 323
12
1n n N N = 比例定律一
四、叶轮转速的影响
D D D Q Q 121= 222121D D H H = 32
3
1
21D D N N = 比例定律二（切割定律）
§6离心泵的工作点及流量调节 一、管路特性曲线 f h g
P
Z H ∑+∆+
∆
=ρ g u d l l h e f 22
⋅∑+∑⋅=∑λ
g d Q d l l e 2142
2⋅⎪⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅∑+∑⋅=πλ 252)(8Q d g l l e ⋅⋅⋅∑+∑⋅⋅=πλ
设
52)(8d g l l K e ⋅⋅∑+∑⋅⋅=πλ
则 2KQ g
P
Z H +∆+
∆=ρ 管路特性方程 管路特性方程反映管路所需外加功的大小与流量的关系。

二、离心泵工作点的确定
管路特性方程反映管路所需外加功的大小与流量的关系。

离心泵特性方程反映离心泵所能提供的能量的大小与流量的关系。

则管路特性方程与离心泵特性方程的交点所对应的流量与扬程的
关系既符合管路特性方程，又符合离心泵特性方程。

称该交点为离心泵的工作点。

三、离心泵工作点的调节 1、改变管路特性曲线
管路特性曲线的形状主要决定于K 值，K 值意味着流体在管路中的流动阻力，阻力越大，K 值越大。

由图中可以看到：
K 值增大→管路所需的扬程随流量增加较快→管路特性曲线变陡→工作点沿离心泵特性曲线上移（左移）→扬程增加；流量减小。

K 值减小→管路所需的扬程随流量增加较慢→管路特性曲线变平→工作点沿离心泵特性曲线下移（右移）→扬程减小；流量增加。

改变K 值的途径： 1） 在离心泵出口处安装调节阀门，改变管路局部阻力。

优点：操作简单、灵活、方便。

缺点：增加局部阻力将增加能量损失。

2） 改变输送管路管径，改变管路沿程阻力。

因为： 5
2)
(8d
g l l K e ⋅⋅∑+∑⋅⋅=πλ，即51d K ∝ 所以：管径d ↘；K 值↗↗。

管径d ↗；K 值↘↘。

2、改变离心泵的特性曲线
改变离心泵的特性曲线的途径：
1）改变离心泵转速n
转速n 增加→离心泵特性曲线上移→离心泵工作点上移（右移）→扬程增加；流量增加。

转速n 减小→离心泵特性曲线下移→离心泵工作点下移（左移）
→扬程减小；流量减小。

2）改变离心泵叶轮直径d
离心泵叶轮直径d 减小→流量减小；扬程减小→工作点下移（左
移）。

例：某离心泵在转速1480 rpm 下的特性方程为He=38.4－40.3Q 2（Q ：m 3/min ），输送管路两端的势能差为16.8m ，管径为Φ76×4mm ，长1360m （包括局部阻力的当量长度）λ=0.03。

试求： 1）输液量Q
2）当转速为1700 rpm 时的输液量Q /
§7离心泵的汽蚀现象及安装高度 一、汽蚀现象
1~02
11
1200022f e h g
u g P Z h g u g P Z ∑+++=+++ρρ
0;0;000===e h u Z
1~02
11
012f h g
u g P P Z Z ∑---==∆ρ
物理汽蚀：泵内压力P=P V →泵内液体沸腾，产生大量气泡→
气泡进入高压区被压碎并急剧冷凝→高压液体高速冲向气泡中心，冲击力可达几百大气压→气泡若附在泵内壁或叶片上，则冲击力会使泵产生严重破坏。

化学汽蚀：物理汽蚀时，液体内大量氧化性气体逸出，使泵内壁及叶片金属发生化学氧化而受损。

规定：
以泵的扬程较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志。

二、最大吸上真空高度H S m a x 与允许吸上真空高度H S
允许吸上真空高度H S 常用来限制沸点较高的液体（如水）输送
时离心泵的安装高度。

H S m a x 与H S 均由实验测出，实验条件为：输送液体为敞口水池中20o C 的清水。

则P 0 = Pa = 1大气压。

发生汽蚀时泵入口处的压力为P 1m i n 。

所以，发生汽蚀时的最大吸液压差为Pa －P 1m i n ，以米水 柱表示，则有：
g
P P H a S ρmin 1max
-=； 单位：m H 2O
所以，最大吸上真空高度H S m a x 即以米液柱表示的离心泵最大吸液压差。

则离心泵的最大安装高度为：
1~02
1max 1~021min
1max max 22f S f a S h g
u H h g u g P P Z H ∑--=∑---=∆=ρ 允
许吸上真空高度H S = H S m a x －0.3
则离心泵的允许安装高度为：
1~02
11~0211
22f S f a S h g
u H h g u g P P H ∑--=∑---=ρ
若操作条件与实验条件不同，则须对允许吸上真空高度H S 进行校
正。

1、温度与压力的校正
非20o C 、1大气压下的清水：
()()24.033.100/---+=V S S H H H H
H S / 操作条件下的允许吸上真空高度。

单位：m H 2O H S 实验条件下的允许吸上真空高度。

单位：m H 2O
H 0 操作条件下吸液面的压力。

g P H ρ0
= 单位：m H 2O H V 操作温度下水的饱和蒸汽压。

g
P H V
V ρ= 单位：m H 2O
10.33 与一大气压相当的水柱高。

33.1081
.9100010013.15
=⨯⨯ m H 2O 0.24 与20o C 清水的饱和蒸汽压相当的水柱高。

24.081
.91000235020=⨯=g P C V o ρ清水
m H 2O
2、密度校正
若输送液体的密度为
液ρ，则 液液ρρO H S S H H 2/
/⋅
=
三、汽蚀余量h ∆
当离心泵输送沸点较低的液体（如汽油、有机溶剂等）时，常用汽
蚀余量作为指标来限制泵的安装高度。

1面和K 面间列柏努利方程：
K f K K h g
u g P g u g P ~12
211
22∑++=+ρρ
当离心泵发生汽蚀时，
min 11;P P P P V K ==
此时则有
K f K V K h g
u g P g u g P g P g u g P ~12
21min 1211
222∑+=-+=-+ρρρρ 所以，我们只要控制
g
P g u g P g P g u g P V V ρρρρ-+〉-+222
1min
1211
则可以保证不发生汽蚀。

因此将
g P g u g P V ρρ-+22
1
m in 1的大小作为一个指标，来限制离心泵的
安装高度，称为最小汽蚀余量。

min h ∆=g P g u g P V ρρ-+221m in
1
定义：在离心泵内刚发生汽蚀时，泵入口处的全压头比泵内最低
压强处的势能高出的值为最小汽蚀余量。

由于min h ∆=g P g u g P V ρρ-+22
1
m in 1时，离心泵已经发生汽蚀，因此，
实际的汽蚀余量应大于最小汽蚀余量
min h ∆。

允许汽蚀余量为h ∆=min h ∆+03 单位：mH 2O
离心泵的允许安装高度为：
1~02
1102f g
h g
u g P P H ∑---=ρ
1~021102f V V h g P g u g P g P P ∑-⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+--=ρρρ 1~00f V
h h g
P P ∑-∆--=ρ
四、实验条件下允许汽蚀余量
h ∆与允许吸上真空高度
H S 的换算
h ∆=
g P g u g P V ρρ-+22
1
1
=
g P g u g P g P g P V a a ρρρρ-++-22
1
1 =
g
u H g P P S V
a 22
1+--ρ O
mH g P P V a 210≈-ρ ；
022
1
≈g u 所以，
S
H h -≈∆10
例：要将某减压精馏塔塔釜中的液体产品用离心泵输送到高位槽，釜中真空度位500mmHg （其中液体处于沸腾状态），泵位于地面上，吸入管总阻力位0.87m 液柱，液体的密度为986㎏/m 3。

已知该泵的允许汽蚀余量为4.2m ，试问该泵的安装是否合适？若不合适，应如何调节泵的安装高度？
§8离心泵的型号
一、离心式清水泵
1、B型或BA型离心式清水泵
单级单吸悬臂式离心泵
全系列扬程范围5~125m，流量范围 6.3~400m3/h。

2、D型离心水泵
多级分段式离心泵
我国生产的多级泵一般为2~9级，最多可达12级。

全系列扬程范围50~650m，流量范围10.8~850m3/h。

D（DG）6－25×9
D：多级离心泵DG：多级锅炉给水泵
6：流量6 m3/h 25：扬程25m
9：级数9
4B35A型水泵
4：泵吸入口管直径（英寸）B：单级单吸悬臂式离心泵
35：泵的扬程A：叶片切割次数（A一次切割；B
二次；C三次）
3、S型（或Sh型）离心泵
双吸式离心泵
全系列扬程范围9~140m，流量范围120~13000m3/h。

二、耐腐蚀泵F型泵
特点：与液体接触部位用耐腐蚀材料制成。

全系列扬程范围15~105m，流量范围2~400m3/h
FH：灰口铸铁，用于输送浓硫酸。

FG：高硅铸铁，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸。

FM：铬镍钼钛合金钢，适宜输送常温高浓度硝酸。

FB：铬镍合金钢，适宜输送常温低浓度硝酸、氧化性酸、碱其他弱腐蚀性液体。

FS：聚四氟乙烯塑料，适用于输送90o C以下的硫酸、硝酸、盐酸及碱液。

FV：铝铁青铜
FQ：硬铅
FJ：耐碱铝铸铁
80FS24型泵
80：泵吸入口管直径（mm）FS：聚四氟乙烯塑料
24：扬程24m
三、油泵Y型泵
特点：轴封要求高，
全系列扬程范围60~603m，流量范围6.25~500m3/h。

适用温度范围：－45o C~400o C
四、液下泵FY型泵
特点：轴封要求不高，效率较低，适用于输送各种有毒、腐蚀性料液。

五、杂质泵P型泵
PS：沙泵PN：泥浆泵PW：污水泵PH：灰渣泵
六、热水泵R型泵
特点：输送温度小于250o C，适用于冶金、电站、橡胶、造纸等行业。

七、化工泵H型泵
例：试选用一离心泵满足以下输水任务：要求输水量为20 m3/h，输送管路总长30m，采用 70mm的钢管，管路上有标准阀（半开）、闸阀（半开）、摇板式止回阀各一件，900弯头三件，用水处离水源液面的垂直距离为20m，应选用何种型号的离心泵？。