福州大学：《化工原理》课程教学资源（电子教案）第二章 流体输送机械（2.2）离心泵

福州大学化工原理电子教案流体输送机械 22高心泵 221离心泵的工作原理 (1)离心泵的主要构件一—叶轮和蜗壳 (2)离心泵的理论压头H 假设:①叶片的数目无限多,叶片的厚度无限薄,从而可以认为液体完全沿着叶片的弯曲表面流动, 无仼何环流现象;②液体是理想流体,无摩擦阻力损失。在叶轮的进、岀口截面到杋械能衡算式,从而导 出离心泵理论压头H为 H=u2C2cosa g (3)流量对理论压头的影响 u, u,ctgp, gg A2=2m1b2 q,=A,c2r=2rb,c, sina (4)叶片形状对理论压头的影响 当泵转速n、叶轮直径D2、叶轮出口处叶片宽度b2、流量q、一定时,H随叶片形状β2而变。 ①径向叶片,月=90,.g-,H1=与无关 ②后弯叶片,B20,H1 ③前弯叶片,B2>90,cg1 g 由此可见,前弯叶片产生的Hr最大,似乎前弯叶片最有利,实际情况是否果真如此呢?我们分析如 下 H=位头(A2)+静压头()+动压头() 而B2>90的前弯叶片流体出口的绝对速度C2很大,此时增加的压头主要是动压头,静压头反而比后 弯叶片小。动压头虽然可以通过蜗壳部分地转化为静压头,但由于c2大,液体在泵壳内产生的冲击剧烈得 多,转换时的能量损失大为增加,效率低。故为获得较多的能量利用率,离心泵总是采用后弯叶片 B2≈25°~30°) (5)液体密度p对理论压头的影响 从式(2-15)或(2-18)均可看出H与P无关,也就是说被输送液体p变,在其他条件不变时H不 变。可以这样解释 F=mro2∝p,p= F A2H1=与无关 pg 气缚现象(前一节已解释) 222高心泵的特性曲线 (1)泵的有效功率P和效率 液体从泵中实际得到的功率称为有效功率P

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 1 - 2.2 离心泵 2.2.1 离心泵的工作原理 （1）离心泵的主要构件——叶轮和蜗壳 （2）离心泵的理论压头 HT 假设：①叶片的数目无限多，叶片的厚度无限薄，从而可以认为液体完全沿着叶片的弯曲表面流动， 无任何环流现象；②液体是理想流体，无摩擦阻力损失。在叶轮的进、出口截面到机械能衡算式，从而导 出离心泵理论压头 HT 为 2 2 2 T u c cos H g  = （2-15） （3）流量对理论压头的影响 2 2 2 2 T V 2 u u ctg H q g gA  = − （2-18） 2 2 2 A r b = 2 v 2 2r 2 2 2 2 q A c r b c = = 2 sin   （4）叶片形状对理论压头的影响 当泵转速 n、叶轮直径 D2 、叶轮出口处叶片宽度 2 b 、流量 v q 一定时， HT 随叶片形状  2 而变。 ① 径向叶片，  2 = 90 ， 2 ctg =0， HT = 2 2 u g 与 v q 无关。 ② 后弯叶片， 2 2 2 2 T 90 ,ctg 0, u H g      ③ 前弯叶片， 2 2 2 2 T 90 ,ctg 0, u H g      由此可见，前弯叶片产生的 HT 最大，似乎前弯叶片最有利，实际情况是否果真如此呢？我们分析如 下： HT =位头（ z ）+静压头（ p g  ）+动压头（ 2 2 u g  ） 而 2   90 的前弯叶片流体出口的绝对速度 2 c 很大，此时增加的压头主要是动压头，静压头反而比后 弯叶片小。动压头虽然可以通过蜗壳部分地转化为静压头，但由于 2 c 大，液体在泵壳内产生的冲击剧烈得 多，转换时的能量损失大为增加，效率低。故为获得较多的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片 （ o o  2  25 ~ 30 ）。 （5）液体密度  对理论压头的影响 从式（2-15）或（2-18）均可看出 HT 与  无关，也就是说被输送液体  变，在其他条件不变时 HT 不 变。可以这样解释： 2 c c T 2 , , F p F mr p H A g      =  =  = 与 无关. 气缚现象（前一节已解释） 2.2.2 离心泵的特性曲线 （1）泵的有效功率 Pe 和效率  液体从泵中实际得到的功率称为有效功率 Pe

福州大学化工原理电子教案流体输送机械 P a h 电动机给予泵轴的功率称为轴功率P。泵在运转过程中由于存在种种原因导致机械能损失,使得 P<P,P与P之比称为泵的效率n P P 轴功率 P=2=B2(W)=42(Kw) 7 解题指南及大多数教材轴功率P用N、有效功率P用N表示,解题指南P74或式(1-2)及下方 段内容,考虑各种损失后实际压头H与实际流量q、的关系见图1。H-~q关系影响因素众多,只能靠 实验测定。 (2)离心泵的特性曲线 由于离心泵的种类很多,前述各种泵内损失难以估计,使得离心泵的实际特性曲线关系H-Q N-Q、η-Q只能靠实验测定,在泵出厂时列于产品样本中以供参考 实验测出的特性曲线如图所示,图中有三条曲线,在图左上角应标明泵的型号(如4B20)及转速n 说明该图特性曲线是指该型号泵在指定转速下的特性曲线,若泵的型号或转速不同,则特性曲线将不同 借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能,供合理选用和指导操作。 离心泵的特性曲线 由图可见: ①一般离心泵扬程H随流量Q的增大而下降(Q很小时可能例外)。当Q=0时,由图可知H也只 能达到一定数值,这是离心泵的一个重要特性 ②轴功率N随流量Q增大而增加,当Q=0时,N最小。这要求离心泵在启动时,应关闭泵的出口 阀门,以减小启动功率,保护电动机免因超载而受损 ③η-ρ曲线有极值点(最大值,在此点下操作效率最高,能量损失最小。与此点对应的流量称为 额定流量。泵的铭牌上即标注额定值,泵在管路上操作时,应在此点附近操作,一般不应低于92%ηm。 (3)液体密度P对特性曲线的影响 理论q=zDbc2sina2与p无关,实际q,与P也无关,但qn=,与p有关理论H1=20s 与P无关,实际H也与P无关。 P=gHP(KW)∝pP泵性能表上列出轴功率指输送20C清水时的2,所选泵用于输送 102

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 2 - P q H g e v e =  电动机给予泵轴的功率称为轴功率 P a 。泵在运转过程中由于存在种种原因导致机械能损失，使得 P P e  a， P P e与 a 之比称为泵的效率  e a P P  = 轴功率 e V e V e KW 102 a P q H g q H P      = = （W）= （ ） 解题指南及大多数教材轴功率 P a 用 N、有效功率 Pe 用 Ne 表示，解题指南 P174 或式（11-2）及下方一 段内容，考虑各种损失后实际压头 He 与实际流量 v q 的关系见图 1。 H q e v 关系影响因素众多，只能靠 实验测定。 （2）离心泵的特性曲线 由于离心泵的种类很多，前述各种泵内损失难以估计，使得离心泵的实际特性曲线关系 H − Q 、 N − Q、 − Q 只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。 实验测出的特性曲线如图所示，图中有三条曲线，在图左上角应标明泵的型号（如 4B20）及转速 n ， 说明该图特性曲线是指该型号泵在指定转速下的特性曲线，若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。 借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。 由图可见： ① 一般离心泵扬程 H 随流量 Q 的增大而下降（ Q 很小时可能例外）。当 Q =0 时，由图可知 H 也只 能达到一定数值，这是离心泵的一个重要特性； ② 轴功率 N 随流量 Q 增大而增加，当 Q = 0 时， N 最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口 阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损； ③  − Q 曲线有极值点（最大值），在此点下操作效率最高，能量损失最小。与此点对应的流量称为 额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于 92%  max 。 （3）液体密度  对特性曲线的影响 理论 v 2 2 2 2 q D b c =   sin 与  无关，实际 v q 与  也无关，但 m v q q =   与 有关理论 2 2 2 T u c cos H g  = 与  无关，实际 He 也与  无关。 v e KW 102 a q H P    =  （ ） P392 泵性能表上列出轴功率指输送 20 C 清水时的 P a ，所选泵用于输送

福州大学化工原理电子教案流体输送机械 p比水大的液体应先核算P=2P,若P≥表中的电机功率,应更换功率大的电机,否则电机会烧坏 (4)液体粘度对特性曲线的影响 H↑,∑H↑,qH个,n,P↑(m↓的幅度超过qH个的幅度,P↑)。泵厂家提供的特性 曲线是用清水测定的,若实际输送液体比清水大得较多。特性曲线将有所变化,应校正后再用,其他 书有介绍校正方法。 (5)转速n对特性曲线的影响 泵的特性曲线是在一定转速下测得,实际使用时会遇到n改变的情况,若n变化<20%,可认为液体 离开叶轮时的速度三角形相似,a2不变泵的效率不变(等效率),则 q∝c2∝l2∝n,Hl∝l2c2∝n2,P∝q,Hl∝n q、 n, H n1 上式称为离心泵的比例定律,n变化<20%,刀相等时成立。 (6)叶轮直径D2对特性曲线的影响 泵的特性曲线是针对某一型号的泵(D2一定),一个过大的泵,若将其叶轮略加切削而使直径变小 可以减低q和H而节省P。若D2变化<5%,可认为a2不变,刀不变,则 qxc2∝l2∝D2(l2=2O,2=-2) H4xl2c2∝D2,P∝q,Hl∝~D23 得 q、 4,D.H。D2 上式称为离心泵的切割定律,D2变化<5%,n相等时成立。 223离心泵的流量调节和组合操作 (1)离心泵的工作点 管路特性曲线方程 H=f(g=B+ kq 泵特性曲线方程 H=o( )=c-dg

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 3 -  比水大的液体应先核算 P P a a     = ，若 P a   表中的电机功率，应更换功率大的电机，否则电机会烧坏。 （4）液体粘度  对特性曲线的影响        ，H q H P f v e ， ， ， a （   的幅度超过 v e q H  的幅度， P a  ）。泵厂家提供的特性 曲线是用清水测定的，若实际输送液体  比清水  大得较多。特性曲线将有所变化，应校正后再用，其他 书有介绍校正方法。 （5）转速 n 对特性曲线的影响 泵的特性曲线是在一定转速下测得，实际使用时会遇到 n 改变的情况，若 n 变化<20%，可认为液体 离开叶轮时的速度三角形相似， 2 不变,泵的效率不变(等效率)，则 v 2 2 q c u n    ， 2 H u c n e 2 2   ， 3 P q H n a   v e v 2 v 1 q n q n   = ， 2 e 2 e 1 H n H n    =       ， 3 2 1 a a P n P n    =       上式称为离心泵的比例定律，n 变化<20%， 相等时成立。 （6）叶轮直径 D2 对特性曲线的影响 泵的特性曲线是针对某一型号的泵（ D2 一定），一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使直径变小， 可以减低 v q 和 He 而节省 P a 。若 D2 变化  5% ，可认为 2 不变，  不变，则 2 v 2 2 2 2 2 2 ( , ) 2 D q c u D u r r    = =  2 H u c D e 2 2 2   ， 3 P q H D a v e  ~ 2 得 v e 2 2 2 2 3 v 2 e 2 2 , ( ) , ( ) a a q H P D D D q D H D P D       = = = 上式称为离心泵的切割定律， D2 变化  5%， 相等时成立。 2.2.3 离心泵的流量调节和组合操作 （1）离心泵的工作点 管路特性曲线方程 2 v v H q B Kq = = + f( ) 泵特性曲线方程 2 e v v H q C Dq = = − ( )

。福州大学化工原理电子教案流体输送机械 泵的工作点即为两条曲线的交点 224离心泵的安装高度 (1)汽蚀现象 液面较低的液体,能被吸入泵的进口,是由于叶轮将液体从其中甩向外围,而在叶轮中心进口处形成 负压(真空)。泵内压强最低处是叶轮中心进口处K-K面。在0-0面与K-K面之间到机械能衡算式 并以0-0面为基准水平面,得 Po H+ P ∑H 若液面压强P,吸入管路流量及管路一定(即、∑H(k一定)安装高度H个,pk4,当Pk↓ 等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压p时(即P=P、),液体将发生沸腾部分汽化,所生成的大 量蒸汽压泡在随液体从叶轮进口向叶轮外围流动时,又因压强升高,气泡立即凝聚,气泡的消失产生局部 真空,周围的液体以极大的速度冲向气泡原来所在的空间,在冲击点处产生很高的局部压强(高达几百个 大气压),冲击频率高达每秒几万次之多。尤其当气泡的凝结发生在叶轮表面时众多的液体质点如细小的 高频水锤撞击着叶片,另外气泡中可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运 转,将导致叶片过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀现象。汽蚀现象发生时,泵体振动,发出噪音,泵的 q,↓,H4,n,严重时甚至吸不上液体。汽蚀现象是有害的,必须加以避免。从上面的分析可知,泵 安装高度H不能太高,以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压P、。我国的离心泵规格中采 用下述两种指标来表示泵的吸上性能,下面简述其意义,并说明如何利用该指标来确定泵的H2不致与发 生汽蚀现象。 (2)最大安装高度Hm、最大允许安装高度[H]与实际要安装的高度H P2=P、时发生汽蚀现象,此时的安装高度最大 g.max P-∑H八 pgpg (0-1) ∑H, f(l-K) g ( NPSH)O=42+∑-) (NPSH由泵的厂家提供,故H2m可以计算。为安全起见,通常是将H2m减去一定量作为安装 高度的上限,称为最大允许安装高度[H] [H]=-n-2H1- NPSH)+0.51 (NPSH)称为必需汽蚀余量,(MPSH+05(NPSH)e,[Hn]Hg3允许 故为简便起见,M也可不校正,而把它作为外加的安全因数

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 4 - 泵的工作点即为两条曲线的交点。 2.2.4 离心泵的安装高度 （1）汽蚀现象 液面较低的液体，能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中甩向外围，而在叶轮中心进口处形成 负压（真空）。泵内压强最低处是叶轮中心进口处 K K− 面。在 0 0 − 面与 K K− 面之间到机械能衡算式 并以 0 0 − 面为基准水平面，得 2 0 K (0 ) 2 K g f K p p u H H   g g g = + + +  − 若液面压强 0 p ，吸入管路流量及管路一定（即 K u 、 H f K (0 ) − 一定）。安装高度 , H p g K   ，当 K p  至等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压 v p 时（即 P p K v = ），液体将发生沸腾部分汽化，所生成的大 量蒸汽压泡在随液体从叶轮进口向叶轮外围流动时，又因压强升高，气泡立即凝聚，气泡的消失产生局部 真空，周围的液体以极大的速度冲向气泡原来所在的空间，在冲击点处产生很高的局部压强（高达几百个 大气压），冲击频率高达每秒几万次之多。尤其当气泡的凝结发生在叶轮表面时众多的液体质点如细小的 高频水锤撞击着叶片，另外气泡中可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运 转，将导致叶片过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀现象。汽蚀现象发生时，泵体振动，发出噪音，泵的 v e q H    , , ，严重时甚至吸不上液体。汽蚀现象是有害的，必须加以避免。从上面的分析可知，泵的 安装高度 Hg 不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压 v p 。我国的离心泵规格中采 用下述两种指标来表示泵的吸上性能，下面简述其意义，并说明如何利用该指标来确定泵的 Hg 不致与发 生汽蚀现象。 （2）最大安装高度 Hg,max 、最大允许安装高度 Hg     与实际要安装的高度 Hg k v p p = 时发生汽蚀现象，此时的安装高度最大 2 0 v K g,max (0 1) (1 K) g 2g f f p p u H H H   g − −   = − −  − +      C ( ) NPSH = 2 K (1 K) 2g f u H −     +    C ( ) NPSH 由泵的厂家提供，故 Hg,max 可以计算。为安全起见，通常是将 Hg,max 减去一定量作为安装 高度的上限，称为最大允许安装高度 Hg       0 g (0 1) r ( ) 0.5 v f p p H H NPSH   g g −   = − −  − +   r ( ) NPSH 称为必需汽蚀余量， r ( ) 0.5 NPSH + > C ( ) NPSH ， Hg     < Hg,max 。对照解题指南 P182 式 （11-18）可知： Hg     < Hg允许 ，  H f K (0 ) − = f 01  h ， ，( ) 0.5 NPSH h r + =   （称为允许汽蚀余量）。为 安全，实际安装高度 g g H H = −   0.5 ~ 1   （ ） 注意： ① 允许汽蚀余量的校正。泵性能表上列出的 h 值也是按输送 20oC 的清水测定出来的，当输送其它 液体时， h 值应按下式校正。 h =h （11-19） 式中 h——输送其它液体时的允许汽蚀余量，m；  ——校正系数，为输送温度下液体的密度与饱和蒸汽压的函数，其值小于 1。  值可由有关手册查得，但通常  ＜1， h ＜ h ，则按 h 计算的允许安装高度 Hg允许  ＞ Hg允许 , 故为简便起见， h 也可不校正，而把它作为外加的安全因数

福州大学化工原理电子教案流体输送机械 ②(NPSH)与q有关,q个NPSH)个,[H]4,因此在确定[H]时必须使用 过程可能达到的最大流量进行计算 ∑H(c↑,[H]4,应尽可能使∑H/n4措施 a.吸入管路应短(靠近液源)而直(少拐弯) b.吸入管路应省去不必要的管件,调节阀应装在排出管路上 c.吸入管径大于排出管径。 (3)临界汽蚀余量(NPSH)c与必需汽蚀余量(NPSH (NPSH)。= Pi. min, u Pv l P28n82e+∑H/m-k) (NPSH)可通过实验测定,不是改变H2发生汽蚀,而是设法在泵的q不变的条件下逐次降低P1(例 如关小吸入管路中的阀),当泵内刚好发生汽蚀(以泵H较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志)时测取 Pmn,由上式计算(NPSH),(NPSH)=(NPSH)+安全余量,(NPSH)1列在泵的性能表上 (4)由允许吸上高度(真空度)H求安装高度H 225离心泵的类型与选用 (1)离心泵的类型 ①清水泵 旧型号:B型 新型号:IS型 IS型泵是根据国际标准ISO2858规定的性能和尺寸设计的,其效率比B型泵平均提高367%。 IS80-65-160 80——泵入口直径,mm 泵出口直径,mm 160——泵叶轮名义直径,mm 如果要求的压头(扬程)较高,可采用多级离心泵,其系列代号为“D”,其结构如图所示。如要求的 流量很大,可采用双吸收式离心泵,其系列代号“Sh” 多级离心泵示意图 ①腐蚀泵,“F”系列,非“F”系列 ②油泵,单吸“Y”系列,双吸式“YS”系列 ③下泵,“FY”系列 ④屏蔽泵

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 5 - ② r ( ) NPSH 与 v q 有关， v r g q NPSH H    ( )   ， ，  ，因此在确定 Hg     时必须使用 过程可能达到的最大流量进行计算。 ③ H H f (0 1) g −      ，  ，应尽可能使  H f (0 1) −  。措施： a．吸入管路应短（靠近液源）而直（少拐弯）； b．吸入管路应省去不必要的管件，调节阀应装在排出管路上； c．吸入管径大于排出管径。 （3）临界汽蚀余量 C ( ) NPSH 与必需汽蚀余量 r ( ) NPSH 2 2 1 min 1 K v c (1 K) ( ) 2 2 f p u u p NPSH H   g g g g = + − = +  − ， c ( ) NPSH 可通过实验测定，不是改变 Hg 发生汽蚀，而是设法在泵的 v q 不变的条件下逐次降低 1 p （例 如关小吸入管路中的阀），当泵内刚好发生汽蚀（以泵 He 较正常值下降 3%作为发生汽蚀的标志）时测取 1 min p ， ，由上式计算 c ( ) NPSH ， r c ( ) ( ) NPSH NPSH = +安全余量， r ( ) NPSH 列在泵的性能表上。 （4）由允许吸上高度（真空度） HS 求安装高度 Hg 2.2.5 离心泵的类型与选用 （1）离心泵的类型 ① 清水泵 旧型号：B 型 新型号：IS 型 IS 型泵是根据国际标准 ISO2858 规定的性能和尺寸设计的，其效率比 B 型泵平均提高 3.67%。 IS80-65-160 80——泵入口直径，mm； 65——泵出口直径，mm； 160——泵叶轮名义直径，mm。 如果要求的压头（扬程）较高，可采用多级离心泵，其系列代号为“D”，其结构如图所示。如要求的 流量很大，可采用双吸收式离心泵，其系列代号“Sh”。 ① 腐蚀泵，“F”系列，非“F”系列； ② 油泵，单吸“Y”系列，双吸式“YS”系列； ③ 下泵，“FY”系列； ④ 屏蔽泵；

福州大学化工原理电子教案流体输送机械 ⑤杂质泵“P”系列 (2)离心泵的选用 ①根据被输送液体的性质确定泵的类型 ②确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定,所需压头由管路的特性方程来定 ③根据所需流量和压头确定泵的型号 A、査性能表或特性曲线,要求流量和压头与管路所需相适应。 B、若生产中流量有变动,以最大流量为准来查找,H也应以最大流量对应值查找 C、若H和Q与所需要不符,则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。 D、若几个型号都满足,应选一个在操作条件下效率最好的 E、为保险,所选泵可以稍大;但若太大,工作点离最高效率点太远,则能量利用程度低。 F、若被输送液体的性质与标准流体相差较大,则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正,看是否能 满足要求

福州大学化工原理电子教案 流体输送机械 - 6 - ⑤ 杂质泵“P”系列； （2）离心泵的选用 ① 根据被输送液体的性质确定泵的类型 ② 确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。 ③ 根据所需流量和压头确定泵的型号 A、查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应。 B、若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，H 也应以最大流量对应值查找。 C、若 H 和 Q 与所需要不符，则应在邻近型号中找 H 和 Q 都稍大一点的。 D、若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的 E、为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。 F、若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能 满足要求