离心泵

离心泵

离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工业生产中普遍被采用。

一离心泵的主要部件和工作原理

1．离心泵的主要部件

（1）叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由4-8片的叶片组成，构成了数目相同的液体通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式（其作用见教材）。

（2）泵壳：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。

（3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。

2．离心泵的工作原理

（1）叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的

流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛

向外围。当流体到达叶轮外周时，流速非常高。

（2）泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些

液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动，

使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。所以

泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能量转

换装置。

（3）液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫

使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶

轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断

地吸上。

气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。（通过第一章的一个例题加以类比说明）。

为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。

（4）叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。

（5）后盖板上的平衡孔消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区，减轻叶轮前后的压力差。但由此也会此起泵效率的降低。

（6）轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零——气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封。

二 离心泵的性能参数与特性曲线

性能参数表征离心泵性能的好坏，其中最重要的性能参数是压头。离心泵的压头是指泵对单位重量流体提供的机械能。以下首先从理论上分析其影响因素。

0．离心泵的理论压头

离心泵的理论压头与如下几个假定条件相对应：①叶轮内叶片数目无限多，液体完全沿着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体为粘度等于零的理想流体，液体在流动中没有阻力。在这两个假定条件下，离心泵的理论压头可以表示为：

()βπωωctg g

b Q r g H 2221

-=

∞ 其中：r —叶轮半径；ω—叶轮旋转角速度；Q —泵的体积流量；2b —叶片宽度；β——叶片装置角。

讨论①装置角β是叶片的一个重要设计参数。当其值小于90度时称为后弯叶片；等于90度时称为径向叶片；大于90度时称为前弯叶片。叶片后弯时液体流动能量损失小，所以一般都采用后弯叶片。

②当采用后弯片时，βctg 为正，可知理论压头随叶轮直径、转速及叶轮周边宽度的增加而增加，随流量的增加呈线性规律下降。

③理论压头与流体的性质无关。

④前式给出的是理论压头的表达式。实际操作中，由于以下三方面的原因，使得单位重量液体实际获得的能量，即实际压头，与离心泵的理论压头有一定的差距：

（A ）叶片间环流；（B ）阻力损失；（C ）冲击损失。

考虑以上三方面之后，压头与流量之间的线性关系也将发生变化。如图所示。 1．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。 （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。

（4）功率：（A ）有效功率e N ：离心泵单位时间内对流体做的功——g HQ N e ρ=；

（B ）轴功率N ：单位时间内由电机输入离心泵的能量。

（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：N N e /=η

（A ）容积损失；（B ）水力损失；（C ）机械损失。

2．离心泵的性能曲线

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。这些关系的图形表示就称为离心泵的性能曲线。由于压头

H

受水力损失影响的复杂性，这些关系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。

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所示。

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，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。

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，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。 3．离心泵特性的影响因素 （1）流体的性质：

（A ）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。

（B ）液体的粘度：粘度增加，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、压头和轴功率都要发生变化：

1

2

12n n Q Q =

； 2

1212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n H H ； 3

1212⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=n n N N ——比例定律 （3）叶轮直径

前已述及，叶轮尺寸对离心泵的性能也有影响。当切割量小于20%时：

1

2

12D D Q Q =

；

2

1212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D D H H ； 3

1212⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=D D N N ——切割定律

三 离心泵的工作点和流量调节

在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和压头可用H~Q 特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。

1．管路的特性曲线

考虑由柏努利方程导出的外加压头计算式：

f e h g

u g p z h ∑+∆+∆+∆=22

ρ