过程流体机械论文

过程流体机械

离心泵

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.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。

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：

()⎰⎰-=-==2121222122212222R 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

g

w w g u u g p p H P 222221212212-+-=-=ρ （2-5）

将式2-5代入式2-4，得

g c c g w w g u u H 222212222212122-+-+-=∞ （2-6）

将式2-1、2-2代入式2-6，整理得

g c u c u H 111222cos 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 222cos 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。 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 222222πβ-=∞

（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。

离心泵的功率与效率

一、泵的有效功率和效率

泵在运转过程中由于存在种种能量损失，使泵的实际（有效）压头和流量均较理论值为低，即由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，设

H ——泵的有效压头，即单位重量液体从泵处获得的能量，m ； Q ——泵的实际流量，m 3/s ；

ρ——液体密度，kg/m 3；

N e ——泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，W 。 有效功率可写成

N e =QH ρg （2-12）

由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N 表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率η，即

N

N e =η （2-13）

一般小型离心泵的效率为50%－70%，大型泵可高达90%。

二、泵内损失

离心泵内的损失包括容积损失、水力损失和机械损失。容积损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。在图2-5所示的三种叶轮中，敞式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮体时，叶片通道不易堵塞。水力损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦阻力损失，包括液体与叶片和壳体的冲击而形成旋涡，由此造成的机械能损失。机械损失则包括旋转叶轮盘面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。 离心泵的效率反映上述三项能量损失的总和。

离心泵的特性曲线

一、离心泵的特性曲线

离心泵的有效压头H ，轴功率N 及效率η均与输液流量Q 有关，均是离心泵的主要性能参数。虽然离心泵的理论压头H ∞与理论流量

Q T 的关系已如式2-11所示，但由于泵的水力损失难以定量计算，因而泵的这些参数之间的关系只能通过实验测定。离心泵出厂前均由泵制造厂测定H ―Q ，η―Q ，N ―Q 三条曲线，列于产品样本以供用户参考

二、液体物理性质的影响

泵生产部门所提供的特性曲线是用20℃时的清水作实验求得。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。

（1）密度的影响 由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，所以泵的效率也不随液体的密度而改变，故H ―Q 与η―Q 曲线保持不变。但泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水不同时，该泵所提供的N －Q 曲线不再适用，泵的轴功率需重新计算。

（2）粘度的影响 所输送的液体粘度越大，泵内能量损失越多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线发生改变。

三、离心泵的转数对特性曲线的影响

离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的，当转速由n 1改变为n 2时，与流量、压头及功率的近似关系为

31212212121212,,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==n n N N n n H H n n Q Q （2-14）

式2-14称为离心泵的比例定律。

当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式计算误差不大。

四、叶轮直径对特性曲线的影响

当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径与流量、压头及功率之间的近似关系为

31212212121212,,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==D D N N D D H H D D Q Q

（2-15）

式2-15称为离心泵的切割定律。

离心泵的类型与选用

一、离心泵的类型

离心泵的种类很多，化工生产中常用离心泵有清水泵、耐腐蚀泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、杂质泵、管道泵和低温用泵等。以下仅对几种主要类型作简要介绍。