离心泵的工作原理及主要部件性能参数

离心泵的工作原理及主要部件性能参数

离心泵——生产中应用最为广泛，着重介绍。

§ 2.1.1离心泵（Centrifugal Pumps）

一．离心泵的工作原理及主要部件

1．工作原理

如左图所示，离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。

启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s。

液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高。液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。

泵

离心泵

旋转泵

漩涡泵

往复泵

由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。

气缚现象：不灌液，则泵体内存有空气，由于ρ空气<<ρ液，所以产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，达不到输液目的。

通常在吸入管路的进口处装有一单向底阀，以截留灌入泵体内的液体。另外，在单向阀下面装有滤网，其作用是拦阻液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。

启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。

停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。

2．主要部件

1）叶轮：作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。

叶轮按其结构形状分有三种：

① 闭式：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前后有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔，以平衡一部分轴向推力

② 半闭式：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔,以平衡一部分轴向推力。

③敞式（开式）：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前后无盖板。

闭式效率最高，适用于输送洁净的液体，不适于输送浆料或含悬浮物的液体。

半闭式和开式效率较低，常用于输送浆料或悬浮液。

叶轮按吸液方式分有二种：

① 单吸：液体只有一侧被吸入。

② 双吸：液体可同时从两侧吸入，具有较大的吸液能力。而且基本上可以消除轴向推力。

2）泵壳（蜗壳形）：作用是汇集由叶轮抛出的液体，同时将高速液体的部分动能转化为静压能。原因是泵壳形状为蜗壳形，流道截面逐渐增大，u↓，p↑。

3）轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周面漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内。

二．离心泵的主要性能参数

1．流量Q（V）：单位时间内泵输送的液体体积,m3/s（或m3/h，l/s等）。Q取决于泵的结构、尺寸（叶轮直径与叶片的宽度）和转速。Q的大小可通过安装在排出管上的流量计测得。

2．扬程H（压头）：泵对单位重量的液体所提供的有效能量，m液柱。

若在泵的吸入口和排出口分别装上真空表和压力表并取1-1'，2-2’截面作计算，则

3．轴功率及效率

轴功率Na——原动机（电动机或蒸汽透平等）传送给泵轴的功率，kW。

效率——泵轴通过叶轮传给液体能量的过程中的能量损失。

4．转速n

泵的叶轮每分钟的转数，即“r.p.m.”： rings per minute

其它性能参数以后再介绍。例2-2

三．离心泵的基本方程式

为简化液体在叶轮内的复杂运动，作两点假设：

①叶轮内叶片的数目为无穷多，即叶片的厚度为无限薄，从而可以认为液体质点完全沿着叶片的形状而运动，亦即液体质点的运动轨迹与叶片的外形相重合。

②输送的是理想液体，由此在叶轮内的流动阻力可忽略。

1．液体质点在叶轮内的运动情况分析

离心泵工作时，液体随叶轮一起作旋转运动，同时又从叶轮的流道里向外流动，因此液体在叶轮里的流动是一种复杂的运动。

液体质点在叶轮内的速度有三个：

*圆周运动速度u：叶轮带动液体质点作圆周运动的速度，

方向与液体质点所在处的圆周切线方向一致。

*相对运动速度ω：它是以与液体一起作等角速度的旋转坐标为参照系，液体质点沿叶片从叶轮中心流到外缘的运动速度，即相对于旋转叶轮的相对运动速度ω。

*绝对运动速度c：它是以固定于地面的静止坐标作为参照系的液质点的运动，称为绝对运动，绝对运动速度用c表示。

三者关系：

速度三角形如图所示：三个速度构成了速度Δ，α表示c与u之间的夹角，β表示ω与u 反方向延长线之间的夹角，α，β称为流动角，其大小与叶轮的结构有关。根据余弦定理，则：

若将c分解为径向分量Cr和圆周分量Cu，则分别为

于是

2．离心泵基本方程式的推导

离心泵基本方程式可由离心力作功推导，但更普遍的是根据动量理论推导得。

首先介绍力学中动量矩定理：

单位时间内流体对某一中心的动量矩的增量等于作用于流体的力矩的增量ΔM，即:

现分析液体从叶片进口“1”处流到出口“2”的过程中单位时间内动量矩的增量：

单位时间内液体的动量矩(WVR)=质量流量×绝对速度×绝对速度对旋转中心的垂直距离

所以，叶片进口“1”处液体在单位时间内动量矩(WVR)1为

叶片进口“2”处液体的单位时间内动量矩(WVR)2为

下标T表示理想液体，∞表示叶片数目无穷多。

所以力矩增量为：

其中

①

又由流体力学知，单位时间内叶轮对液体所作的功（即有效功率Ne）等于同一时间内液体力矩增量与叶轮旋转角速度ω的乘积，即：

②

③

表示具有无限多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头。

由①，②，③式得：

④

∴⑤（离心泵基本方程式）

说明： * 仅与u1，c1和u2，c2有关，而与流动过程无关。

*与被输送液体的种类（密度ρ）无关，只要叶片进、出口处

的速度Δ相同，都可以得到相同的。

由叶片进出口速度△得：

所以⑤式为：

⑥

Hp（静压头） Hc(动压头)

（叶片进出口处列B's eg得到）

惯性离心力的作用下叶轮旋转所增加的静压头因叶片间通道面积逐渐加大使液体的相对速度减少所增加的静压头

液体流经叶轮后所增加的动压头，在泵的蜗壳

中Hc中一部分将转变为静压能。

⑦

在离心泵设计中，为防止预旋提高理论压头，一般使

（液体径向进入叶片间通道），则

所以，⑤式为

⑦'

又叶片出口处速度关系为：

cr2与叶片间通道截面相垂直。

设叶轮的外径为D2，叶轮出口处的宽度为b2，则

n——rpm

基本方程式的又一表达式

⑧

叶片的几何尺寸

3．离心泵基本方程式的讨论

1）与n和D2的关系

2）与叶片几何形状的关系

其它条件不变时，与叶片的形状（β2）有关。

叶片形状有三种：

ⅰ）后弯叶片（叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反）

ⅱ）径向叶片

ⅲ）前弯叶片

由此可见，前弯叶片所产生的最大，似乎前弯叶片最为有利，但实际并不如此，由⑥式可知：对于离心泵，希望获得的是HP，而不是Hc。虽有一部分Hc会在蜗壳中转换为静压头，但此过程中会导致较大的能量损失，因液体质点流速过大。

现在来分析Hc项:

在泵设计中，除α1=90°外常常会使叶片间通道的进口截面与出口截面相等，以A代表截面积,则：

后弯叶片cu2＜u2，所以Hc在中占较小比例，有利。

前弯叶片cu2＞u2，所以Hc在中占较大比例，不利。

3）与的关系

其它参数不变时，令

则直线关系，直线斜率与β2有关。

当

（电机功率增加）

（电机功率不变）

（电机功率变化不大，这是采用后弯叶片原因之二，电机容易匹配。）

例2-1

四．离心泵的性能曲线

1．实际的H～Q线

实际情况为:

①叶轮上的叶片数目是有限的6～12片，叶片间的流道较宽，这样叶片对液体流束的约束就减小了，使有所降低。

②液体在叶片间流道内流动时存在轴向涡流，其直接影响速度△，导致泵的压头降低。

③液体具有粘性。

④泵内有各种泄漏现象，实际的Q小于。

所以，实际的H～Q线应在～线的下方，即

实际的H～Q曲线由实验测定。

2．离心泵的特性曲线

当泵转速n一定时，由实验可测得H～Q，Na～Q，η～Q，这三条曲线称为性能曲线，由泵制造厂提供。供泵用户使用。泵厂以20℃清水作为工质做实验测定性能曲线。

ⅰ）H～Q，Q↑→H↓，呈抛物线H=A－BQ2

ⅱ）Na～Q，Q↑→Na↑，当Q=0，Na最小

ⅲ）η～Q，Q↑→η先↑后↓，存在一最高效率点，此点称为设计点。与ηmax对应的H，Q，Na值称为最佳工况参数，也是铭牌所标值。

泵的高效率区η=92%ηmax，这一区域定为泵的运转范围。

五．离心泵性能的改变与换算

泵的生产厂家所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下以20℃的清水作为工质做实验的。若被输液的ρ，μ不同，或改变泵的n，叶轮直径，则性能要发生变化。

1．密度的影响

由可知H，Q与ρ无关。

泵的效率也不随ρ而改变，所以H～Q与η～Q曲线保持不变。

但 , （或）

ρ变Na也变，ρ↑，Na↑，电机功率要↑。

2．粘度的影响

则H↓，Q↓，η↓和Na↑。