叶片泵的基本理论和性能

第二章 叶片泵的基本理论和性能

本章重点：通过本章的学习，要求学员熟练掌握叶片泵的性能参数及计算、相似条件、相似定律、比例率、比转数的计算、实验性能曲线 、选泵原则；掌握功率的分类及其关系、效率的组成及其所包含的损失、叶轮进出口速度三角形、叶片泵的基本方程式及其分析、基本性能实验、选泵步骤、选泵中应注意的问题、选泵方法、电动机与水泵的配套、传动方式的选择和管路附件的选择；了解比转数的作用、叶片泵汽蚀实验、理论性能曲线、相对性能曲线、通用性能曲线、全面性能曲线、系列型谱图、柴油机与水泵的配套、水泵的性能方程等。

第一节 叶片泵的性能参数

叶片泵的性能是用性能曲线表示的，而性能曲线又是用性能参数之间的关系来表达的。因此，在研究叶片泵性能前，首先必须对性能参数的意义有一正确理解。叶片泵的性能参数主要有流量、扬程、功率、效率、转速、允许吸上真空高度或允许汽蚀余量等，分述如下: 一、流量

单位时间内水泵所抽提的流体体积，符号Q ，其常用单位有s l /、s m /3、和h m /3等。各单位间的关系是s m /13=s l /1000=h m /36003。设计流量的计算详见第六章水泵站规划。 二、扬程

（一）扬程的定义

扬程是指单位重量流体从水泵进口到出口能量增量，用符号H 表示， 常用单位是

m 。

（二）扬程的计算

1.实验室或现场测定时扬程的计算 ⑴离心泵及其它卧式水泵

()()g

v v H H z z H v d 21020.02

12

212-++⨯+-= （2—1—1）

式中：v H 、d H ——真空表、压力表的读数（KPa ）；

1v 、2v ——进、出水管的断面平均流速（s m /）；

g ——重力加速度（2/s m ）

。 ⑵立式轴流泵扬程 其计算公式可简化为：

g

v H z H d 222

2++=

（2—1—2） 2.设计泵站时扬程的计算

g v v h H H w ST

22122-++= ()g

v v h z z w b u 22

122-++-= ≈ w ST h H + （2—1—3）

式中：ST H ——实际扬程（有效扬程、净扬程、提水高度）（m ）；

w h ——损失扬程（水头损失）（m ）；

Z 、b Z ——设计上、下水位（m ）

。 水泵扬程，低于泵轴线取负值，高于泵轴线取正值。如图2—1—1，图2—1—2，图2—1—3。

三、功率

功率是指水泵在单位时间内所作功的大小，常用单位是KW 或HP 。

KW HP 36.1=。水泵的功率可分为有效功率、轴功率和配套功率。

1.有效功率 指水流流经水泵时实际所得到的功率，用符号u P 表示。

QH P u γ= （2—1—4）

2.轴功率 是泵的输入功率，系指动力机传给泵轴的输入功率，用符号P 来表示，水泵运行时，不可避免地有各种损失，要消耗一部分功率。水泵的轴功率可按下式计算：

η

γQH P =

（2—1—5） 式中：η——水泵的效率（%）

3.配套功率 是指水泵所要求的动力机的输出功率。

d

p QH

k

P ηηγ= （2—1—7）

式中：k ——备用系数， 见表2—1—1、2—1—2 。

d η——传动设备的效率（%）见本章第六节三。

图2—1—1 卧式水泵的扬程

表2—1—1 电动机功率备用系数表

表2—1—2 柴油机功率备用系数表

四、效率

水泵的效率指水泵对于其输入功率的利用程度。

水泵内的损失主要有三种——机械损失、容积损失和水力损失。这些损失的大小可分别用机械效率、容积效率和水力效率来表达。

1.机械损失和机械效率 叶轮在泵体内的水中旋转时， 固定部件（轴封、轴承）与转动部件（泵轴）之间、固定部件（叶轮前后盖板外表面和盖板轮圈的圆柱表面）与水流之间产生摩擦。这些机械摩擦引起的能量损失称为机械损失，传给泵轴的轴功率，克服了机械损失之后，传给水的功率称水功率。8

t t w H Q P γ= （2—1—8）

式中：t Q ——水泵的理论流量，即通过叶轮的全部流量

Q ——实际流量（s m /3）

q ——损失流量（s m /3）

t H ——水泵的理论扬程H H H t ∆+=（m ）；

H ——实际扬程（m ） H ∆——损失扬程（m ）

机械损失的大小用机械效率为：

P

P w

m =

η （2—1—9） 2.容积损失和容积效率 水流流经叶轮之后，有一小部分高压水经过泵体内间隙（如密封环）和轴向力平衡装置（如平衡孔、平衡盘）回流到叶轮的进口，或泄漏泵外，因而损失一部分能量，这部分损失称为容积损失。所消耗的功率为：

t qH P γ=∆ （2—1—10）

功率w P 减去P ∆，剩余的功率为：

t w QH P P P γ=∆-=' （2—1—11）

容积损失的大小用容积效率表示，

q

Q Q

Q Q H Q QH t t t v +=

==

γγη （2—1—12） 3.水力损失和水力效率 水流流经水泵的吸水室、叶轮、压水室时，因水力阻力引起摩擦、冲击等损失，消耗了一部分能量，这部分损失称为水力损失。其大小为：

H

H H

H H QH QH P P t t u w ∆+=

=='=

γγη （2—1—13） 综上所述，泵效率的公式，可变换成下列形式

w v m u

w w u P P P P P P P P ηηηη⋅⋅='

'==

（2—1—4） 由上式可见，水泵的效率是三大效率（容积效率、水力效率、机械效率）的乘积。要提高水泵的效率，必须尽量减小水泵内各种损失，特别是水力损失。提高水泵的效率意义很大，除了从设计、制造等方面加以改善外，使用单位要注意合理选型，正确运行，并加强对水泵的维护和检修，使水泵经常在高效率状态下工作，从而达到经济运行之目的。 五、转速

转速是指泵轴单位时间内旋转的圈数，用符号n 表示，单位是min r 。中、小型水泵常用的转速有2900、1450、970、730、485min r 等。一般口径小的泵转速高，口径大的泵转速低。转速是影响水泵性能的一个重要参数，当转速变化时，水泵的其它性能参数都相应地发生变化。

六、允许吸上高度或允许汽蚀余量

1.允许吸上真空高度 表示离心型泵（含离心泵和蜗壳式混流泵）吸上高度的安全理论上限。符号[]S H ，单位是m 。

2.允许汽蚀余量 也称为允许汽蚀裕量，表示水力机械低压侧（水泵进口侧）单位重量水体所具有的超过该温度下水体汽化压强的安全理论下限，西方发达国家均采用允许汽蚀余量详见第四章。符号[]v h ，单位是m 。

3.允许吸上高度与允许汽蚀余量的关系

[][]g

v H h s v 229.102

1+-= （2—1—16）

式中：1v ——水泵进口断面的平均流速（s m ）。

第二节 叶片泵的基本方程

一、水流在叶片中的运动

为了推导叶片泵的基本方程式，

图2—2—1 水流在叶槽内的运动

（a ）圆周运动 （b ）相对运动 （c ）绝对运动