离心泵理论

ω
C1 α
1
β
1
u1
(2). 叶轮出口速度三角形
C2=u2+w2
2 2 2 绝对速度： c2 c2 c r 2u
分速度： c2 r c2 sin 2
c2u c2 con 2
q q 径向分速度： c2 r A2 D2b2
周向分速度： c2u 圆周速度： u2 q u2 c2 r ctg 2 ctg 2 D2b2
2 c2 r u2 1 ctg 2 u2 g
• 理论扬程： HT
（m ）
（2）有限叶片的理论扬程
考虑叶片厚度造成叶道内产生轴向涡流，使周向分速度减小。 根据斯陀道拉公式得：
c2u u2 c2 r ctg 2 A
u2
Z
sin 2 A
2 2 c2 r u2 u2 理论扬程： H t 1 ctg 2 A sin 2 A 2u g u2 Z g
hyd
hhyd H 1 Ht Ht
③ 机械效率ηm ：衡量泵内机械摩擦和轮阻所造成的能 量损失。
Ni Nm m 1 N N
（5） 转速 n 泵主轴转速，即叶轮的转速。 直联电机时，泵转速及为电机转速。 常用电机：n=1800~2900 r/min (转/分，rpm） （6）允许汽蚀余量〔NPSH〕 衡量泵吸入性能的抗汽蚀能力，用来标定泵的安装 高度。
若泵的进出口流速取相等：CC =CD (如进出口流道直径相同） 则： p表 p真 H Z m g
3
(m
3
min
,l ) s
质量流量: qm qv
单位： kg s
, kg
min
, t
h
吸入流量： qt qv q 式中：∑q——单位时间内泵的泄漏量（内、外泄漏）
（2）扬程 H
定义：每单位重量液体从叶轮上所获得的有效能量。 用液柱高度表示的称扬程：H 单位：米，m N 用压力表示的称为压头（能量头）：p 单位：MPa ， 2 mm
理论能量头： LT u2c2u u1c1u
u2c2u u1c1u g
J
kg
理论扬程： HT 物理方程：HT
m m
2 2 2 u2 u12 w12 w2 c2 c12 2g 2g 2g
欧拉涡轮方程表述了叶轮对单位重量液体所作的功。
（1） 理论流量下无限多叶片扬程： （额定流量下）
（m）
能量头系数： 2 u
c2 r 1 ctg 2 A sin 2 A u2 Z
泵出口扬程（有效扬程）：
H Ht hhyd m
m
泵内流动损失： h h h a q 2 hyd m sh
式中： hm 摩擦阻力损失 hsh 局部阻力损失
C2
αຫໍສະໝຸດ Baidu
2
w2
C2r
β
2
C2u
u2
D2 n
60 c q 1 相对速度：w2 2 r sin 2 D2b2 sin 2 A
2 2 2 c2 u2 w2 2u2 w2con 2
2 2 A
（二）.离心泵的基本方程
• ——欧拉方程式 • 利用动量矩定理推导出基本方程式——欧拉方程式。
在泵的进出口安装压力表，用压力表读书来计算出泵的有效扬程。 由伯努利方程：
H
pD pc 1 2 Z ( CD Cc2 ) g 2g
m
式中： pc , pD 泵进、出口绝对压力。
Z 泵进、出口压力表高差 。 Cc , CD 泵进、出口液体流速。
4. 泵
重点讲： 离心泵 （Centrifugal Pump)
• 主要内容： • 1、离心泵的结构 • 2、离心泵的理论计算 • 3、离心泵的吸入特性 • 4、离心泵的性能及调节 • 5、相似理论，其他泵
4.1
概
述
• 泵——用来输送液体的叶轮机械。 即把机械能转换为液体能的叶轮机械。 （一）泵的种类
出口压力 p D 上式变换： 为实测值，内包含了hhyd 内容。
pD pa pa pc 1 2 2 H Z (CD CC ) g 2g
(m)
H
p表 p真
g
1 2 2 Z C C D C 2g
(m)
式中：
p表 泵出口表压力数。 p表 pD pa p真 泵进口真空表压力数。 p真 pa pC 皆为表的实际读数（ pa 大气压力）。
（二）.离心泵的特点
优点：⑴ 排量大、平稳均匀。
⑵ 结构简单、紧凑，尺寸小，重量轻。 ⑶ 易损件少，检修、管理和使用方便。
⑷ 可与高速电机直接驱动，速度越高，压头越高。
⑸ 容易实现多级，满足高压头。 如：高压水泵：11级，H=2300 m 电动潜油离心泵：180、201、330、453、526级，
• （三） 离心泵的分类 1. 按叶轮数目分： ⑴ 单级泵：悬臂式单叶轮结构。 ⑵ 多级泵： 2~526个叶轮。 2. 按吸入方式分： ⑴ 单吸式：一个吸入口。 ⑵ 双吸式：二个吸入口。 3. 按扬程分（压力分）： ⑴ 低压泵： H < 20 m 水柱 （p<0.2MPa)。 ⑵ 中压泵： H = 20~160 m 水柱 （p=0.2~1.6MPa)。 ⑶ 高压泵： H > 160 m 水柱 （p > 1.6 MPa)。 4. 按用途分： 清水泵、污水泵、酸泵、减泵、热油泵、稠油泵…… 5. 其他：卧式泵、立式泵、斜式泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵、 潜水泵等。
qt q 径向分速度： c1r A1 D1b1 圆周速度： u1
• 式中：
D1n
60
——叶片厚度对断面影响系数。取 =0.9~0.95。
q ——理论流量（设计流量）。
• 叶轮上的速度：
w2
β
2A
C2
α
2
β
2
C2
u2
α
2
w2
C2r
β
2
w1
β1A
α
1
C2u
C1
β
1
u2
w1
u1
4.1.3
离心泵的基本方程式
w1
C1r
• (一) . 泵叶轮进、出口速度三角形 (1) . 进出口速度三角形 c c1=u1+w1 α
1
1
β1
C1u
u1
进口速度矢量和： C1=u1+w1
绝对速度： c12 c12r c12u 分速度： c1r c1 sin 1 c1u c1con1
（四） 离心泵的主要结构
普通离心泵结构： 泵壳—蜗壳—轴—叶轮—盘根密封—吸入管—排出管—轴支架。
（1）.叶轮： 闭式叶轮——清水泵 半开式叶轮——污水泵、稠油泵、砂泵、高速泵、部分流泵 开式叶轮——轴流泵。 双吸叶轮——双吸清水泵。
（2）. 密封装置： ① 叶轮与壳体吸入口之间： 平接密封环式 （属于内泄漏） 迷宫式密封环式 ② 泵壳与轴之间：填料密封式。石棉绳填料；石墨浸石棉填 料。 （属于外泄漏） 机械密封。端面动、静环接触式密封。内装式；外装式
叶轮式 —— 离心式 轴流式 混流式 旋涡式 往复式 ：活塞泵；柱塞泵；隔膜泵 回转式 ：齿轮泵；螺杆泵；滑片泵；罗茨泵； 滚动活塞泵；摇摆转子泵；…….
泵 容积式——
其他类型 ：喷射泵；震动泵；水锤泵；真空泵；酸蛋…… 泵的种类很多，应用面很广，属于通用机械。 泵应用范围：水利、农业、化工、石油、采矿、造船、城市、环保、医药、卫 生、军事、交通、各类厂矿等。其中离心泵占95%以上。
pqv gHqv Ne 3 kW 3 10 10 pqv Ne 马力 ( PS ) 735
上式中各参数：扬程：H— m ， 3 流量： qv — m s 压力： p— MPa
m
s2
密度： ρ—
kg m
3
， 重力加速度：g=9.81
③ 内功率 Ni：
也叫：水力功率、叶轮功率。单位时间内叶轮传给液 体的能量。
（3）.轴向力平衡装置 轴向力的产生：由于吸入口压力p1 与叶轮出口压力p2 不同。 p1 << p2 叶轮盖板前后形成一个轴向力：
π 2 2 p 2 p1 kg F D1 d0 4 多级级泵的轴向力F轴 Z F单 Z： 为级数。
轴向力会引起轴窜动、叶轮磨损。


常见轴向力平衡方式：
单级泵：⑴ 平衡孔：叶轮后盖钻几个孔，使中心处压力相等。
⑵ 平衡管：叶轮背部中心与泵吸入口用管子联同，使压 力相等。 ⑶叶轮后盖径向筋板（小叶片）：把背部液体打走，形 成真空。 多级泵：⑴叶轮背靠背排列：如双吸式叶轮。 ⑵自动平衡盘：自动调节轴向压力，达到平衡。 ⑶平衡鼓： 无磨损，有泄漏。
⑷平衡盘与平衡鼓组合：泄漏少，能自动平衡轴向力。
液体进入叶轮无预旋、无冲击，沿叶道径向进入叶轮。
此时： c1 cr1 理论扬程： H T
• 由出口速度三角形：
c2u
c1u c1con1 0 u2c2u g m
c2 r con 2 u2 c2 r u2 c2 r ctg 2 u2 1 ctg 2 sin 2 u2
p H Hp

m
3)
•
kgf g 9 . 81 ( 液体重度：
水： 1000 (kgf
m3
)
泵的出口扬程，即泵的实际扬程为：H
2 2 p2 p1 c2 c1 由伯努利方程： H g z2 z1 2 g
m
理论扬程：Ht = H + ∑hhyd 式中：∑hhyd ——泵内液体摩擦阻力损失和冲击损失的总和。
离心泵
混流泵
轴流泵
旋涡泵
射流泵
水锤泵
真空泵 酸 蛋
软管泵
4.1.1 离心泵
（一）.离心泵的工作原理
叶轮泵与离心式压缩机工作原理相同。
工作原理：
靠叶轮的高速旋转，由叶片拨动液体旋转，使液体产生离心 力，离心力使液体产生动能和压能，实现机械能向液压能（液力 能）的转化。
吸入原理：
叶轮中心被吸空后，形成真空，液体在外界大气压力的作用下， 推动液体沿吸入管进入泵轮。
（3）功率 N
•
泵的功率 N 通常指泵轴上的输入功率，即：轴功率、铭牌功率、 额定功率。
①
轴功率 N
定义：单位时间内原动机传递给泵主轴上的功。 N=Ni +Nm = Ne /η 式中：Nm —机械损失功率，包括机械摩擦损失和轮阻损失
②
有效功率：Ne
泵的输出功率，即单位时间内泵出口液体所获得的能量。
H=2000~3500 m。
缺点：⑴ 不适应小流量工况。
⑵ 同功率下没有往复式泵的压力高。
⑶ 输送高粘度、含砂、杂质液体的问题多。 ⑷ 泵吸入管与泵腔内需要灌满液体后启动。 如： 高速泵 ： n=10000 r/min , 单级扬程：H=1150 m n=25000 r/min , 单级扬程： H=1760 m
Ni
gH t qt
10
3
kW
Ne Ni N
（4） 效率
泵内效率分为：容积效率ηv、水力效率ηhyd、机械效 率η mec 。 泵的总效率： Ne
v hyd m
N
① 容积效率ηv ：衡量泵泄漏所造成的能量损失。
qv q v 1 qt qt
② 水力效率ηhyd ：衡量泵内液体沿程摩擦和冲击所造成 的能力损失。
• （4）. 离心泵的命名 • • 如： IS 250 30 A 150 D 60×5 • ↑ ↑↑↑ ↑ ↑↑ ↑ ↑ ↑↑↑
单 级 单 吸 泵
吸 第 入 扬 一 口 程 次 直 m 切 割 径
mm
5 Y 57A
吸 多 扬 口 级 程 直 泵 m 径
mm
级 数
吸 口 直 径 英 寸
单级单吸清水离心泵
水力效率：
H H t hhyd Ht Ht
hyd
m
H hyd H t
（三）. 工程中测定泵有效扬程
泵的理论扬程 Ht 是叶轮上的扬程，即叶轮实际输给液体的能量。 泵出口扬程（泵有效扬程）：H =Ht - hhyd hhyd ——泵内流动阻力损失。 当水力效率和泵内流动阻力损失hhyd 不知道或无法测定时，可
IS——国际标准号
如：IS50—32—125
50——泵入口直径；32——泵出口直径；125——泵叶轮直径
4.1.2 .
离心泵的主要性能参数
• 主要参数：q、H、N、η、n
（1） 流量 q： 定义：泵在单位时间内输送出去的液体量。 体积流量： 有效流量（排出流量） qv 单位： m s 理论流量（吸入流量） q t 单位：