离心泵特性曲线

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第一节 离心泵

2-1-1 离心泵的工作原理

离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造大同小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（图2-1）。叶轮是离心泵直接对液体做功的部件，其上有若干后弯叶片，一般为4~8片。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动（1000~3000r/min ），迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳内，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。

在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（常为大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体经吸入管路进入泵内，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液体，故名离心泵。

离心泵若在启动前未充满液体，则泵内存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力

也很小。吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，此现象称为“气缚”。所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体，在吸入管底部安装带滤网的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液体从泵内漏失。滤网防止固体物质进入泵内。靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀，供调节流量时使用。

2-1-2 离心泵的理论压头

一、离心泵的理论压头

从离心泵工作原理知液体从离心泵叶轮获得能量而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮内的运动比较复杂，故作如下假设：

（1）叶轮内叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动。无任何倒流现象；

（2）液体为粘度等于零的理想液体，没有流动阻力。

液体从叶轮中央入口沿叶片流到叶轮外缘的流动情况如图2-2所示。叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u ，其运动方向为所处圆周的切线

图2-1 离心泵装置简图

1―叶轮；2―泵壳；3―泵轴；4―吸入管；

5―底阀；6―压出管；7―出口阀

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图2-2 液体在离心泵中的流动

方向；同时，液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w ，其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度c 为该点的圆周速度u 与相对速度w 的向量和。由图2-2可导出三者之间的关系： 叶轮进口处

111212121cos 2αu c u c w -+= （2-1） 叶轮出口处

222222222cos 2αu c u c w -+= （2-2）

泵的理论压头可从叶轮进出口之间列柏努利方程求得

g c g p H g c g p 222

22211+=++∞ρρ （2-3）

即

g

c c g p p H H H C P 22

12

212-+

-=+=∞ρ （2-4） 式中 H ∞——具有无穷多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头，m ； H P ——理想液体经理想叶轮后静压头的增量，m ； H C ——理想液体经理想叶轮后动压头的增量，m 。

上式没有考虑进、出口两点高度不同，因叶轮每转一周，两点高低互换两次，按时均计此高差可视为零。

液体从进口运动到出口，静压头增加的原因有二：

（1）离心力作功 液体在叶轮内受离心力作用，接受了外功。质量为m 的液体旋转时受到的离心力为：

单位重量液体从进口到出口，因受离心力作用而接受的外功为：

()⎰⎰-=-==212122212221222

2R R R R c g u u R R g w g dr Rw g dr F

（2）能量转换 相邻两叶片所构成的通道截面积由内而外逐渐扩大，液体通过时速度逐渐变小，一部分动能转变为静压能。单位重量液体静压能增加的量等于其动能减小的量，即

g

w w 22221-

因此，单位重量液体通过叶轮后其静压能的增加量应为上述两项之和，即

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g

w w g u u g p p H P 222

221212212-+-=-=ρ （2-5） 将式2-5代入式2-4，得

g

c c g w w g u u H 2222

12222212122-+-+-=∞ （2-6）

将式2-1、2-2代入式2-6，整理得 g

c u c u H 1

11222cos cos αα-=∞ （2-7）

由上式看出，当cos α1=0时，得到的压头最大。故离心泵设计时,一般都使α1=90°,于是上式成为： g

c u H 2

22cos α=

∞ （2-8） 式2-8即为离心泵理论压头的表示式，称为离心泵基本方程式。 从图2-2可知

22222cos βαctg c u c r -= （2-9） 如不计叶片的厚度，离心泵的理论流量Q T 可表示为：

Q T =c r 2πD 2b 2 （2-10） 式中 c r 2——叶轮在出口处绝对速度的径向分量，m/s ； D 2——叶轮外径，m ； b 2——叶轮出口宽度，m 。

将式2-9及式2-10代入式2-8，可得泵的理论压头H ∞与泵的理论流量之间的关系为： T Q b D g ctg u g u H 2

22

22

2πβ-=

∞ （2-11）

上式为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系。 二、离心泵理论压头的讨论

（1）叶轮的转速和直径对理论压头的影响 由式2-11可看出，当叶片几何尺寸（b ，

β）与流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。

（2）叶片形状对理论压头的影响 根据式2-11，当叶轮的速度、直径、叶片的宽度及流量一定时，离心泵的理论压头随叶片的形状而改变。叶片形状可分为三种：（见图2-3）

图2-3 叶片形状对理论压头的影响