第三章 流体输送(流体力学)

2.1 离心泵
• • • • • 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 离心泵的结构和工作原理 离心泵的主要性能参数和特性曲线 离心泵的气蚀现象和允许安装高度 离心泵的工作点和流量调节 离心泵的类型、选择和应用
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特点：泵的流量与压头灵活可调、输液 量稳定且适用介质范围很广。
由 Q、d (已知 ) 计算 由真空表、压力表读取 可测量
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2. 特性曲线
轴功率N —— 马达天平 效率(η ): N e QgH 100 % ,
N N
无 量纲
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H,m

H ~Q
N
离 心 泵 特 性 曲 线
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Q, m3 / h
说明：
①H~Q曲线，Q，H。 Q很小时可能例外
2
↓
↑
N 1 n1 N 2 n2
N 1 D1 N 2 D2
3
泵
3
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2.1 离心泵
• 2.1.1 • 2.1.2 • 2.1.3 离心泵的结构和工作原理 离心泵的主要性能参数和特性曲线 离心泵的气蚀现象和允许安装高度
• 思考：导轮的主要 作用是什么？
（2）转能装置：流道逐 渐扩大，一部分动能转变 成静压能。
未装导轮
装导轮
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4） 轴封装置
减少泵内高压液 体外流，防止空 气侵入泵内。
填料密封 机械密封
填料不能压得过紧， 也不能压得过松，应 以压盖调节到有液体 成滴状向外渗透。
常用填料为浸透石墨或黄油 的棉织物或石棉。
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2.1 离心泵
• 2.1.1 离心泵的工作原理和主要部件 • 2.1.2离心泵的主要性能参数和特性曲线
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1. 性能参数
2B31型离心泵铭牌上标注的参数
型号2B31 转速 2900r/min 流量20m3/h 扬程30.8m 允许吸上真空度7.2m
效率64％
轴功率2.6kW
重量363N
(1)流量(Q):单位时间由泵排到管路的液体体积， m3/s 。常用单位为L/s或m3/h Q与泵的结构、尺寸、转速等有关 ，实际流量还与 管路特性有关。
生产过程中的流体输送一般有以下几种情况： 低压 低处 近处 高压 高处 远处
流体物性不同 操作条件各异
对于这些情况，都必须通过向流体提供机械 能的方法来实现。向流体提供机械能的设备称为 流体输送机械。
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概述
流体输送机械的作用：
供料点~需料点，列柏努利方程式，有：
p u H z H f g 2 g
H ( Z2 Z1 ) p2 p1 167 ( 21) 0.5 19.7m 998.2 ρ g 9.81 1000
u u1 p p1 h f (12) H ( Z 2 Z1 ) 2 2 29 ρ g g
2 2
4. 离心泵性能的改变和换算
2
2
n
n
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4. 离心泵性能的改变和换算
3）离心泵叶轮直径的影响 当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于 10%，则 Q D2
Q D2
2
H D2 H D2
切割定律
3
若不变，则
N D2 N D2
思考：若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为 H A BQ2 则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式？
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小型泵的效率一般为50-70％，大型泵的效率可达90％左右
与效率有关的各种能量损失：
（1）容积损失： 内漏
机械 损失 容积 损失 水力 损失
（2）水力损失：
N
Ne
环流损失、摩擦损失、冲击损失
（3）机械损失：
泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦
小型水泵： 一般为5070% 大型泵： 可达 90%以上
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概述
流体输送设备分类：
按流体类型 输送液体—泵(pumps) 输送气体—通风机、鼓风机、压缩机 及真空泵 按工作原理 动力式：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能 量。（特点：使流体获得速度）包括离心式、 轴流式输送机械 容积式：利用活塞或转子的挤压使流体升压以 获得能量。（特点：机械内部的工作容积不断 发生变化）包括往复式、旋转式输送机械 流体作用式：依靠能量转换原理以实现输送流 7 体任务。如喷射泵
N ~Q
离心泵的特性曲线图
Q
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例3-1 P76 用20℃清水测定一台离心泵的性能参数，实 验测得流量10 m3/h，泵出口处压力表的读 数为167 kPa(表压)，泵入口处真空表的读 数为21 kPa，轴功率为1. 09 kW。电动机 的转速为2 900 r/min。真空表测压截面1 1与压力表测压截面2 -2的垂直距离为0. 5 m。若吸入管与排出管的管径相同，试求该 泵的扬程
对流体做功，使流体E↑, 结果:
2
J/N
流体的动能↑， 或位能↑，静压能↑， 克服沿程阻力， 或兼而有之
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概述
对输送机械的基本要求: 满足工艺上对流量和能量的要求。 结构简单,重量轻,投资费用低。
运行可靠,操作效率高,日常操作费用低。
能适应被输送流体的特性,其中包括粘性、腐蚀
性、毒性、可燃性及爆炸性、含固体杂质等。
第三章 流体输送设备
1
主要内容
• 2.1 离心泵 • 2.2 其他类型液体输送机械 • 2.3 气体输送和压缩机械
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本章要求
• 重点掌握离心泵的结构、工作原理-正 确的安装和使用及工作点的调节； • 了解往复泵的工作原理和流量调节的方 法 • 了解离心风机的主要性能指标及正确的 安装和使用。
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概述
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1. 离心泵的工作原理
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1.离心泵的工作原理
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1. 离心泵的工作原理
思考：流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位？
思考：泵启动前为什么要灌满液体？
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(a) 排出阶段
叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）→流体流入涡壳(动
能→静压能) →流向输出管路。 (b) 吸入阶段 液体自叶轮中心甩向外缘 → 叶轮中心形成低压区 → 贮槽液面与泵入口形成压差 → 液体吸入泵内。 液体排出 排液过程 吸液过程 灌泵
单吸式 叶轮的吸液方式：
双吸式
单吸式
双吸式
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2. 离心泵的主要部件
2) 泵壳（Volute） 泵体的外壳，包围叶轮 截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 思考：泵壳的主要作用是什么？ （1）汇集液体，并导出液体； （2）能量转换装置：将部分动 能转变成静压能
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2. 离心泵的主要部件
3） 导轮 安装在叶轮之前， 并随之同步转动 （1）减小冲击能量损失
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4. 离心泵性能的改变和换算
2）离心泵转速的影响
2 H A BQ 泵在原转速n下的特性曲线方程
n Q Q n n H H n
2
2
n 2 H A BQ n
n n 2 H A B Q n n H 转速 增大
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2）离心泵转速的影响
4. 离心泵性能的改变和换算 N Q gH

e
N

N
当转速n变化不大时（小于20%），
Q n Q n H n H n
2
比例定律
若不变，则
N n N n
3
思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为 H A BQ2 则新转速n下泵的特性曲线方程表达式？
叶轮高 离心作用 叶轮 流道扩大 泵壳 外缘 速旋转 静压能和动能 动能 静压能 叶轮中部低压
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液体吸入
1. 离心泵的工作原理
气缚现象（airbound） 泵启动前空气未排尽或运转中有空气漏入，使泵内 流体平均密度下降，导致叶轮进、出口压差减小。 或者当与泵相连的出口管路系统势压头一定时，会 使泵入口处的真空度减小、吸入流量下降。严重时 泵将无法吸上液体。 解决方法：离心泵工作时、尤其是启动时一定要保 证液体连续的条件。可采用设置底阀、启动前灌泵 （pump priming）、使泵的安装位置低于吸入液面 等措施。
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1. 性能参数
(2)扬程或压头(H):供给1N液体的有效机械能，m H与泵的结构、转速和流量有关
扬程与升扬高度的区别：
2 2 P1 u1 P2 u2 Z1 H Z2 H f 1 2 g 2 g g 2 g
2 2 P2 P1 u2 u1 H Z 2 Z1 H f 1 2 g 2g
升扬高度
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1. 性能参数
(3)有效功率(Ne):液体由泵获得的能量，W
Ne WeWs HgQρ
(4)轴功率(N):泵轴所需的功率，W
N Ne
N
Ne
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1. 性能参数
(5)效率(η ):
Ne 100% , 无 因 次 N <100% N HgQ N e
能量损失： ‫٭‬容积损失 ‫٭‬机械损失 ‫٭‬水力损失 漏液； 机械摩擦； 液体摩擦及局部阻力；
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2. 特性曲线
H~Q

—— 实验测定
N~Q
~Q
厂家实验测定产品说明书
20C清水
泵性能实验装置示意图
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2. 特性曲线
流量Q —— 流量计 扬程H
p1 u12 p2 u22 Z1 H Z2 H f 12 g 2 g g 2 g
p2 p1 u22 u12 H ( Z 2 Z1 ) g 2g
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2. 离心泵的主要部件
叶轮轴向力问题：
因吸排液口压力不等也使 并非完全对称的叶轮两侧 所受液体压力不等，从而 产生了轴向力。叶轮轴向 力将导致轴及叶轮的窜动 和叶轮与泵壳的相互研磨。
轴向力
解决办法：对闭式 和半闭式叶轮，在 后盖板开有若干个 平衡小孔，抵消一 部分轴向推力。
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2. 离心泵的主要部件
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返回
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单吸
双吸式： ①吸液量大 ②无轴向推力
双吸
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2. 离心泵的主要部件
将输入的轴功提供给液体。叶轮上装有 1) 叶轮（Impeller）：
敞式、 半敞式 闭式
若干片叶片（通常6～8片）。
思考：哪种叶轮的输送效率最高？ 闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶 轮的最大。
但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发 生堵塞现象
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4. 离心泵性能的改变和换算
影响因素 物 性 密度 粘度 ↑ 转速 Δ<20% 叶轮直径 Δ<20% 流量(Q) 扬程(H) 效率(η) 轴功率(N)
N 1 1 N 2 2
↓
Q1 n1 Q2 n2
Q1 D1 Q2 D2
↓
H1 n1 2 ( ) H2 n2
H 1 D1 H 2 D2
影响因素 物 性 密度 粘度 转速 Δ<20% 叶轮直径 Δ<20%
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流量(Q) 扬程(H)
效率(η) 轴功率(N)
泵
4. 离心泵性能的改变和换算
1）流体物性的影响 （1）密度的影响 对 H~Q 曲线、~Q 曲线无影响，
但N
QgH

， 故，N~Q 曲线上移。
（2）黏度的影响: 当比20℃清wk.baidu.com的大时，H，N， 实验表明，当 <20cSt( 厘沲 ) 时， 对特性曲 线的影响很小，可忽略不计。 1厘沲=10-6m2/s 20℃清水的粘度=1厘沲
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装设底阀 (单向阀)(止逆阀)
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2. 离心泵的主要部件
1.基本结构
旋转的叶轮(impeller) 固定的泵壳（Volute）
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2. 离心泵的主要部件
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2. 离心泵的主要部件
1.叶轮 ‫٭‬作用 —— 传递能量 ‫٭‬结构—— 前弯叶片、后弯叶片、径向叶片 ‫٭‬类型— 开式、半闭式和闭式 — ‫٭‬吸入方式— 单吸式和双吸式 —
②N~Q曲线： Q，N 。 大流量大电机 关闭出口阀启动泵，启动电流最小
思考： 离心泵启动时均关闭出口阀门，why？
③~Q曲线 ：小Q ， ；大Q ， 。 max 泵的铭牌~与max对应的性能参数
高效 区
选型时 max
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设计点
Q
最高效率点 （设计点）
~Q
高效区：最高效 率 92% 左 右 ， 泵 应尽可能在此范 围工作。
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解:在真空表测压截面1 - 1与压力表测压截面2 -2间列伯努 利方程，得
u p u p gZ1 1 1 gH gZ2 2 2 h f (12 ) 2 ρ 2 ρ
2 2
于是 式中：Z2-Z1=0.5m，清水ρ20℃ = 998.2 kg/m3，u1=u2(吸入 hf (12) 0 管与排出管管径相同)， (两截面间距很短，故 忽略阻力损失)，于是泵的扬程为