離心泵第四章離心泵§4-1離心泵的工作原理和性能特點

離心泵定義：利用葉輪旋轉(rotation)時的離心力(centrifugalforce/pull)作用，吸入液體提高液體壓力能獲得壓頭的泵。

離心泵分類：

1.立式(vertical/upright)和臥式(horizontal)

2.單級(simple)和多級(multistage/manystage)

3.單吸(singleentry/suction)和雙吸(doublesuction)

4.閉式(close)和開式(open)及半開式(semi-opened)

5.渦殼式(volute)和導葉式(guidevane)

6.其他分類（按用途）圖立式、臥式離心泵實物一、離心泵的基本工作原理

1.基本結構:

由工作葉輪、泵軸、泵殼、軸封裝置、吸入管和排出管等組成。2.基本工作原理：

葉輪旋轉之前，泵殼內部充滿了液體(水泵先灌滿水)，當葉輪迅速轉動時，泵殼里的液體就被葉輪上的葉片(blade/vane)帶著一起轉動，能量便傳給液體。液體在離心力的作用下，沿葉輪流道向外緣(outerboundary/outeredge)甩出，流到泵殼中，然后從排出管排出。這樣，泵殼里轉動泵軸附近的壓強就要小于1個大氣壓，形成真空（其中心處則形成低壓，不斷吸進液體充滿葉輪）。于是在外面大氣壓力的作用下迫使外界的液體源源不斷地被吸進并充滿葉輪，代替已經(jīng)排出的液體，然后又被葉輪甩出。這就是離心泵能連續(xù)不斷地輸送液體的原理。

液體在葉輪流道(impellerpassage)中流過時，獲得機械能，使其壓力和速度均得到提高。在蝸旋狀泵殼中或在固定的擴壓流道中，高速液體的動能部分轉換為壓力能，連續(xù)排出泵外。離心泵的壓頭和排量有關，可能產(chǎn)生的最高壓頭是有限的，由其轉速、葉輪直徑尺寸、級數(shù)等多種因素決定。二、離心泵的揚程方程式和特性曲線1.流體在葉輪中的流動情況U-圓周速度(circular/peripheral/circumferentialvelocity/speed)（也稱牽連速度），隨葉輪作圓周運動的速度。W-相對速度(relativevelocity/speed)是相對于工作葉輪的速度。C-絕對速度(absoluevelocity/speed)是相對于泵殼的速度。UWCβαCUCr2.離心泵的揚程（壓頭）方程式液體流過理想葉輪后所產(chǎn)生的理論壓頭HT∞：

HT∞=E2—E1

E1=Z1+p1/ρg+C12/2gE2=Z2+p2/ρg+C22/2gHT∞=（Z2—Z1）+（p2—p1）/ρg+（C22—

C12）/2g（1）以葉輪為參照物研究相對運動可得：

Z1+p1/ρg+w12/2g+W=Z2+p2/ρg+w

22/2g（2）

W——離心力對單位液體所做的功

代入式（2）得：（p2-p1）/ρg=（Z1-Z2）+p1/ρg+（w12-

w

22）/2g+（u22-u12）/2g（3）式（3）代入式（1）

HT∞=（Z2—Z1）+（p2—p1）

/ρg+（C22—

C12）/2g得：HT∞=（u22—u12）/2g+（w12—w

22）/2g+（C22—

C12）/2g

上式稱為揚程(歐拉)方程式（u22-u12）/2g+（w12-w

22）/2g—液體在葉輪增加的靜壓頭。其中：（u22-u12）/2g是離心力所做的功，占絕大部分：（w12-w

22）/2g是葉片流道截面變化引起相對速度變化

的靜壓能，一般不大。（C22-

C12）/2g—液體在葉輪增加的速度能。歐拉方程式的另一種表達方式：從速度三角形可知：

w12=C12+u12—2C1u1cosα1w22=C22+u22—2C2u2cosα2

代入歐拉方程式得另一種歐拉方程式：HT∞=（C2u2cosα2—C1u1cosα1）/g=u2C2u—u1C1u/g考慮到多數(shù)離心泵都是使液體無預旋地徑向進入葉輪，即：α1=90°則C1u=0而C2u=u2—C2rctgβ2

歐拉方程式可寫成為：

HT∞=u22/g—u2C2rctgβ2/g（米）見下圖揚程(歐拉)方程式得出結論:（1）所能產(chǎn)生的揚程取決于葉輪直徑、轉速和級數(shù)。

離心泵最高壓頭是有限的，由轉速、葉輪尺寸、級數(shù)等多種因素決定。離心泵產(chǎn)生的壓頭不可能太高。需要高揚程可采用多級離心泵。U2=πD2n/60（2）理論揚程隨理論流量而變，并與葉片出口角(bladedischarge/exit/outletangle)β2有關。

Qt=C2rA2=C2rπD2B2φ

φ——排擠系數(shù)（0.75~0.95），與葉片厚度使流道截面積(sectionalarea)減少有關

理論揚程與理論流量關系：

①葉輪采用后彎葉片(backward-curvedvane/blade)，β2＜90°，理論揚程隨理論流量的增加而增小，只有當Q=0時，Ht為最大值。②葉輪采用前彎葉片(forward-curvedvane/blade)

，β2＞90°，理論揚程隨理論流量的增加而增大，只有當Q=0時，Ht為最小值。③葉輪采用徑向葉片(radialvane/blade)，β2=90°，理論揚程與理論流量無關。離心泵葉輪葉片安裝角應前彎還是后彎？

β2＞90°時，為前彎，β2=150～160°，C2大，動壓大，通風機通常。

β2

＜90°時，為后彎，β2=30～40°，C2小，靜壓大，離心泵都采用后彎葉片。（后彎葉片水力效率高，經(jīng)濟性好。前彎葉片水力損失大，但要比后彎葉片獲得更高的壓頭）

β2=90°時，為徑向葉片，C2處于兩者之間。（3）理論揚程與輸送流體性質無關，無自吸能力。

H=△p/ρg

當抽空氣產(chǎn)生的壓力差很小，如；100m揚程的離心泵自吸時，由于空氣密度相當于水密度的1/800，只能把水提上12.9cm

3.離心泵的定速特性曲線(characteristiccurve)

定速特性曲線定義：離心泵在定速(constantspeed)情況下和其他特定條件下，所得到的Q—H、Q—P、Q—η曲線稱為離心泵的定速特性曲線。是表述離心泵在一定轉速下的主要性能參數(shù)間的關系曲線。

定速特性曲線一般以Q為橫坐標，壓頭、功率、效率等以各自的比例為縱坐標。

曲線的測繪：在定速下，通過改變排出閥開度(opening)的方法，測出各工況下離心泵的流量、壓頭、功率并算出效率，在坐標系中找出各自相應的工況點，連成曲線即可得到泵的定速特性曲線。

取得定速特性曲線的理論分析：

（離心泵的各種損失會造成離心泵特性曲線的變化）1.流量—揚程曲線Q—H2.流量—功率曲線Q—P3.流量—效率曲線Q—η離心泵定速特性曲線實用意義：①利用特性曲線可查出運行工況各參數(shù)值，判斷泵的運行狀態(tài)(runningstate/duty/status)，指導管理人員選擇合理的運行工況。②借特性曲線來指導泵的選型。③根據(jù)曲線的形狀分析泵內液體運動狀態(tài)。④指導設計人員不斷完善設計和進行新泵設計。由定速特性曲線可以得出以下結論：①離心泵葉輪采用后彎葉片，H隨Q的增大而下降。②泵的軸功率隨Q的增大而增大，Q=0時的揚程為最大揚程（閉死揚程），并且泵的軸功率較小，可封閉啟動。③η隨Q增加而增大，有最大值，η最大值時泵的流量、揚程稱為泵的額定流量、額定揚程。離心泵外部管道特性曲線和工況點：管路特性曲線定義：流體流過某一管路所需的壓頭是與流過這一管路的流量有關的，表示這種關系的曲線即稱為管路特性曲線。工況點：管路的特性曲線和離心泵的Q—H曲線相交而決定了離心泵工況的點稱為工況點。HH1H2HSTQQ2Q1A1A2H=HST+h變工況分析：離心泵額定揚程和流量的估算公式：揚程的估算公式：

H=Kn2D22

m

K—系數(shù)（1~1.5）10-4D2（m）流量的估算公式：

Q=5D02

m3/h

D0—泵吸口直徑（英寸）

三、離心泵的工作特點

優(yōu)點：⑴離心泵的流量均勻連續(xù)，工作平穩(wěn)，且流量調節(jié)方便，流量范圍大；⑵轉速高，結構簡單緊湊，造價低；⑶對雜質不敏感，易損件少，管理維護方便。

缺點：⑴離心泵沒有自吸能力，需要引水設備預先將液體充滿泵內及吸入管路才能工作；⑵Q隨H變化，不適合作為液壓泵；⑶H的大小取決于泵的轉速、葉輪外徑，不適合于小流量，高壓頭；

⑷對液體的粘性較敏感，粘性增加時泵的H、Q、η均下降，而P增加；排量較大時效率很高；⑸輸液過程中，對液體有攪伴作用，故不易輸送混合液體。

離心泵最大排壓有限，不必設安全閥。四、葉輪式泵的比轉速(specificspeed)兩臺離心泵液體流動情況相似條件：幾何相似、運動相似、動力相似。

1.幾何相似(geometricsimilarity)

兩臺離心泵的零部件相應點的同名角度相等，同名尺寸比值相等。

2.運動相似(kinematicsimilarity)

兩臺離心泵內相應點的液體流速(flowvelocity)方向相同，大小成同一比例，即相應點的速度三角形(speedtriangle)相似。

幾何相似是運動相似的前提，沒有幾何相似就不可能有運動相似

3.動力相似(dynamicsimilarity)

作用在兩臺離心泵相應點液體上的同名力（慣性力/inertiaforce、摩擦力/frictionforce、粘性力/viscosityforce和重力/gravitation）的比值相等。

動力相似條件是自然滿足的。實用上離心泵的相似只考慮前面兩個條件。相似定律：

兩臺離心泵滿足相似三條件（工況/condition相似），其流量、壓頭和功率、轉速之間存在的關系，即：

流量相似定律：揚程相似定律：功率相似定律：

以上稱為離心泵的相似三定律離心泵的比轉數(shù)ns1．引入?yún)?shù)“比轉數(shù)”的意義⑴利用ns可對葉輪進行分類比較；⑵以ns為基礎可編制泵系列；⑶根據(jù)ns選擇模型泵進行設計計算。2.比轉數(shù)的定義

又稱比轉速,是幾何相似的諸離心泵，在相似工況下各基本特性參數(shù)間的綜合參數(shù)。

3.比轉數(shù)：

ns=3.65式中：n—泵額定轉速；Q—流量（以單吸計），雙吸時以Q/2代入Q；

H—泵揚程（單級葉輪），m水柱，多級泵時為H/i；

3.65—為流量、揚程、功率之間的單位換算系數(shù)。國際上常以型式數(shù)k代替比轉數(shù)：

ns=193.2KK=0.0051759ns

4.比轉數(shù)的實用性：比轉數(shù)是一個數(shù)序，它按己知離心泵葉輪的主要結構尺寸和轉速的不同，反映出其性能上的差異而用以對離心泵進行排列和分類的準則數(shù)。

5.比轉數(shù)的

分類及特性

見表結論：

⑴泵在不同工況下的比轉數(shù)不同，通常以最佳工況下的ns代表一系列泵葉輪的比轉數(shù)。⑵比轉數(shù)與液體的性質、轉速的大小無關，僅與Q、H有關。ns小，則葉輪外徑和吸入口直徑比大、壓頭高而流量小。也即葉輪流道相對細長。ns大，則葉輪外徑和吸入口直徑比小、壓頭低而流量大。也即葉輪流道相對地矮胖。不同的流量和壓頭，取決于不同的葉輪尺寸。⑶比轉數(shù)不同，泵的特性曲線不同。低比轉數(shù)泵的H—Q較平坦，ns越大，H—Q曲線越陡，大到一定程度，出現(xiàn)“S”形；低比轉數(shù)泵的P—Q較陡斜，ns越大，越平坦，高比轉數(shù)的混流泵和軸流泵的P—Q曲線反而向下傾斜。ns增大，η—Q曲線的高效區(qū)變窄。

⑷轉速n相同，比轉數(shù)不一定相同，ns大，n不一定高，ns小，n不一定就低。⑸比轉數(shù)相同的泵，可能具有不同的效率。⑹相似的泵在相似工況下，比轉數(shù)相等，但同一臺泵在不同的工況下（轉速不同）工作時比轉數(shù)并不相等?！?-2離心泵的一般結構一、葉輪和壓出室

1.葉輪

葉輪的作用：帶動液體轉動并將機械能傳給液體。

葉輪的分類：1）閉式葉輪；2）半開式葉輪；3）開式葉輪。半開式葉輪實物與圖示開式葉輪圖示閉式葉輪(enclosed/closed/shroundedimpeller)實物葉輪的分類：葉輪也可按其吸入方向的不同而分為單側吸入式和雙側吸入式兩種。單側吸入示意圖2.離心泵的壓出室壓出室的任務：以最小的撞擊損失匯集葉輪甩出的液體，將其引向泵的出口或下一級；并以最小的水力損失使液體流速降低，將大部分動能轉換為壓力能，完成導流與擴壓(diffuser)。壓出室的種類：渦殼式和導葉（導輪）式兩種。1）渦殼式壓出室

（包含渦殼和擴壓室）渦殼的主要作用：平順收集液體

擴壓室的作用：速度能轉換成壓力能（即起能量轉換作用）。渦殼式特點：渦殼連同其后的擴壓出口接管構成泵內液體速度能轉換為壓力能的能量轉換機構。這種能量轉換機構，結構簡單，流線平順，泵內水力損失小，廣泛應用。但因其體積較大，流道過渡困難，多級離心泵較少采用。2）導輪式壓出室見下2圖

作用：與渦殼同。

導輪結構分類：徑向葉片(radialvane)式、扭曲葉片(twisted/warped/curvedvane)式、流道(flowpassage)式。導輪工作原理：流道前段是等速度區(qū)，用以收集葉輪甩出的液流；后段斷面逐漸擴散，成為動能轉換為壓能的擴壓區(qū)。導流葉片間的進口寬度往往做成稍大于葉輪葉片間的出口寬度以減少水力損失。

導輪式離心泵特點：加工簡單，結構緊湊，多級離心泵采用導輪式可減少重量，非額定工況工作時不會產(chǎn)生額外徑向力。但單級離心泵導輪式效率比渦殼式低。

導輪式離心泵應用情況：一般是多級離心泵才使用導輪式。1.密封環(huán)(sealring/wearring/leatherring/filling-inring)（也稱阻漏環(huán)(ring)、口環(huán)(mouthring)）作用：減少內部漏泄(internalleakage)。見上圖

安裝位置：葉輪入口處或泵殼上，分動環(huán)(rotarypackingring)和靜環(huán)（stationarysealring）,裝于泵殼上的稱靜環(huán)，裝于葉輪上的稱動環(huán)。動、靜環(huán)之間的間隙構成漏泄通道。見下圖

型式：平環(huán)（flatring)和曲徑環(huán)(labyrinthring)

。見后圖曲徑越多、間隙越小，阻漏效果越好。二、離心泵的密封裝置2．軸封

作用：防止外部漏泄（阻止水漏出以及空氣的漏入）。

設置部位：泵軸伸出泵殼處的密封裝置。

形式：機械軸封、軟填料軸封。見下圖3．水封式填料箱(stuffingbox/packingbox)

結構：裝有水封(waterseal/closing/lock/packing/watermain/hydraulicseal/hydraulicefficiencyseal)裝置的軟填料箱。通常用于離心泵吸入端泵殼出軸處。加裝一截面呈H形的水封環(huán)(lanternring)。見下圖

水封環(huán)作用：密封（防止空氣漏入）、冷卻/cooling、潤滑。

常用填料的種類：植物填料、石棉纖維填料和人造纖維填料，高壓有用聚四乙烯充填石墨的填料。填料安裝注意事項：

1.

填料接頭必須錯開120°；

2.

填料切口(cut/notch)30～40°;3.

填料要一圈一圈地放進去，要平整服貼；

4.填料蓋兩側螺栓要均勻上緊，但不要壓太緊；

5.有水封環(huán)的填料箱，要注意不要堵住水封孔。三、離心泵的軸向推力

1.軸向推力產(chǎn)生原因：單側吸入式離心泵閉式與半開式葉輪兩側壓力分布不均衡，吸入側的吸入口所占面積上受吸入壓力作用，其值較小，背側的對應面積上，受排液漏入作用，其值較大，因此使葉輪受指向吸入端的軸向推力。見下圖

2.軸向推力的危害：產(chǎn)生很大的軸向串動，影響軸承壽命，破壞機械軸封，導致大量漏泄；葉輪和泵體發(fā)生摩擦，使泵無法工作。

3.軸向推力的平衡方法：

①采用止推軸承；一般用于小型泵，可完全平衡。作為大型泵平衡措施的補充。

②采用平衡孔(balancing/equalizinghole)或平衡管(balancing/equalizingpipe)

：容積效率有所下降，平衡不是很完善。

③采用雙吸葉輪或葉輪對稱布置：雙吸葉輪的平衡不是很完善。葉輪對稱布置適用于多級偶數(shù)葉輪。

④采用平衡盤(balancedisc)法（液力(hydraulic/fluid)自動平衡(automaticbalance/self-balancing)）：平衡效果好，但結構較復雜，多數(shù)用在多級離心泵上。采用平衡盤法不能使用止推軸承。四、離心泵的徑向力

徑向力產(chǎn)生原因：渦殼式離心泵在非額定流量下工作，渦室與葉輪之間的工作協(xié)調性遭到破壞，葉輪出口絕對速度發(fā)生變化，液體發(fā)生撞擊和混合(mix)，使渦室的壓力分布不均，葉輪所受的靜壓力也不均勻(irregularity)，使得泵軸受到一個徑向力。見下圖

徑向力產(chǎn)生的危害：

泵軸承受交變載荷，導致疲勞破壞(endurancefailure/fatiguefailure/breakdown/charactristic)，使泵軸產(chǎn)生撓度(deflection)，使阻漏環(huán)及其他間隙較小的部件發(fā)生碰擦。徑向力平衡方法：

1）雙層渦室；

2）相鄰渦室180°布置；

3）和雙渦室結構。見下圖

對于導葉式離心泵，產(chǎn)生的徑向力相互平衡?！?-3船用離心泵的自吸（引水(pilot)方法）

離心泵的引水方法：⑴

充水啟動，船用泵一般不采用；

⑵

采用泵本身結構上的設計有特殊形狀的流道和氣水分離(airwaterseparate)空間來達到自動引水(selfpriming)（由于結構復雜，造價高，船用泵一般不采用）；

⑶

采用機械引水裝置，即設置真空泵(vacuumpump/evacuationpump)（附設在離心泵上或設置集中式真空系統(tǒng)(centralvacuumsystem)）。重點介紹一、離心泵帶水環(huán)泵自吸裝置1.水環(huán)泵的結構、工作原理和特點：水環(huán)泵(也稱液環(huán)泵、屬于容積式泵)：利用葉輪與殼體的偏心(eccentric)布置，葉輪旋轉時殼體中的水在離心力的作用下形成水環(huán)(waterring)，使葉片間容積作周期變化以產(chǎn)生吸排作用的泵。水環(huán)泵的種類：

1．按作用數(shù)分：單作用和雙作用。

2．按葉輪的結構形式分：開式和閉式、徑向葉片和前彎葉片。圖示1）水環(huán)泵的結構和工作原理：基本組成：由葉輪（轉子/rotor）、泵殼（定子/stator）、端蓋等組成。裝配關系：端蓋上開有兩半月牙形(cresent)吸、排口。葉輪有若干徑向葉片或前彎葉片(葉片不象葉片泵的葉片能滑動)，當葉輪旋轉時，積存在偏心泵殼里的液體受離心力作用，在泵殼內形成水環(huán)（以水環(huán)作為定子）。水環(huán)、葉輪輪轂(wheelboss/hub/nave)impellerboss和葉片之間被圍成封閉空間。

吸排原理：水環(huán)泵的工作原理(以單作用為例)當葉輪回轉時，泵殼內的工作水被帶動回轉，形成一個緊貼泵殼內壁的水環(huán)。水環(huán)內表面與葉輪輪轂表面及兩側蓋之間形成一個月牙形的工作腔室，并由葉片分隔成若干個互不相通的工作小腔。由于葉輪和泵殼是偏心布置，這些封閉空間的容積在回轉一周中經(jīng)歷著由小到大，又由大到小的變化，遂從端蓋上的吸、排液口進行吸入和排出。工作過程是：吸入過程壓縮過程排出過程

雙作用水環(huán)泵：將泵腔做成橢圓(oval)，并將葉輪同心地安裝在橢圓形(ellipse/oval)泵殼中，則葉輪每轉一周就會產(chǎn)生兩次吸、排作用，這就構成了一雙作用水環(huán)泵。2）水環(huán)泵的工作（性能）特點

圖示（1）理論流量主要取決于葉輪的尺寸和轉速。

（2）抽吸(draw/aspirating/extracting/negativedisplacement/sucking/suction)能力強。單級泵可達最高極限真空壓力為30mmHg

（3）效率低。抽送氣體時約30～50％，若抽送液體不大于20％，故一般不用來輸送液體。

當x（壓力比）

=xr

（臨界壓力比）時，效率最高。（4）水環(huán)真空泵的流量和所能產(chǎn)生的真空度隨工作水溫增加而減小。原因是工作水溫度高水易汽化，反之則相反。（5）結構簡單，維護方便，工作平穩(wěn)，噪聲小，工作過程接近等溫壓縮(constanttemperaturecompression/isothermalcompression)，無直接摩擦的零部件，宜輸送易燃易爆(flammableandcombustible)與高溫下易分解(decompose/breakup)的氣體，以及氣液混合物。（6）所能達到的壓力比(pressureratio)

x（排出與吸入絕對壓力之比）取決于葉輪的尺寸和轉速。

工作時:

當x≤xr（臨界壓力比/criticalpressureratio）時，理論流量不變，實際流量隨x增加而減少；

當x（壓力比）=xr

時，效率最高。

當

x＞xr

時，流量迅速減少；

當x＝xmax

（極限壓力比/extreme/limiting/ultimatepressureratio）時，流量為0。∴無需設安全閥

（7）不宜輸送含顆粒(grain/granule/pellet)雜質的混合液。水環(huán)泵的管理要點

1)葉輪與端蓋間的端面間隙(sideclearance)直接影響泵的容積效率，一般應維持在0.1—0.25mm；

2)水環(huán)泵中水環(huán)起能量傳遞、密封、冷卻等作用，工作水易汽化與泄漏，故在運行中應連續(xù)不斷地補充工作水；

3)水環(huán)泵不宜長時間封閉運行，以防工作水溫度升高發(fā)生過熱。2.離心泵帶離合器(clutch)的水環(huán)泵引水裝置二、離心泵的空氣噴射器(airinjector0自吸裝置三、離心泵帶噴射泵(injectionpump)的引水裝置§3-4離心泵的管理一、離心泵的汽蝕1.汽蝕現(xiàn)象及其危害汽蝕的概念：離心泵中局部空間液體壓力降低達其飽和壓力(saturationpressure)時（臨界），液體本身汽化和分離出溶解于其中的氣體，生成汽泡的現(xiàn)象。這種形成的汽泡統(tǒng)稱為氣穴或空泡，而由汽泡所造成的破壞即為汽蝕現(xiàn)象。

液體在葉輪流動時壓力最低的地方：見下圖

汽蝕發(fā)生的原因：

⑴離心泵的葉片處，因局部流速增高而使壓力降低；⑵吸入高度過大或流注高度降低，吸入管路阻力過大；⑶吸入液面壓力過低（吸空）；⑷工作液體溫度過高。

汽蝕危害：

⑴使液體流量下降，甚至中斷；⑵產(chǎn)生劇烈振動和噪音；⑶金屬表面受到剝蝕(erosion)破壞而降低壽命。⑷攪亂系統(tǒng)和機械性能(mechanicalproperty/behaviour)，降低效率。汽蝕部位：

⑴葉輪進口葉片背面和葉輪蓋板上；⑵葉片尖端(pointofblade)處（出口處）；見圖⑶泵舌、導葉、渦殼甚至下一級葉輪上。

最容易發(fā)生汽蝕的船用泵：排送液體溫度較高或吸入條件較差的泵。（鍋爐給水泵/boilerfeedpump、熱水循環(huán)泵/hotwatercirculatingpump、冷凝水泵/condensationpump和工作后期的貨油泵/cargooilpump/loadingoilpump）2.汽蝕余量

不發(fā)生汽蝕的條件：汽蝕余量：是指在泵進口處單位重量液體所具有超過汽化壓頭的富裕能量。

有效汽蝕余量：

泵工作時實際所具有的汽蝕余量。取決于泵的吸入條件和液體的飽和壓力Pv，與泵無關。

Z不是吸入高度，是與泵的安裝形式有關。見下圖必需汽蝕余量△hr：是為了使泵不發(fā)生汽蝕，泵進口處所必需具有的超過汽化壓頭的能量即為必需汽蝕余量，也稱最小汽蝕余量,用△表示。也即為避免汽蝕所必需的汽蝕余量。取決于泵進口部分的幾何形狀以及泵的轉速和流量，與泵的吸入條件和液體的飽和壓力Pv無關。見下圖

汽蝕余量的關系：為了使泵不發(fā)生汽蝕，有效汽蝕余量△ha必須至少等于必需汽蝕余量△hr

，在裝置設計上應適當增加△ha作為安全量?！?/p>

＞△

≥△

≥△

＝△

＋0.3m

△

臨界汽蝕余量3.離心泵汽蝕特性曲線

△ha小于△hr時，斜線段部分稱為不穩(wěn)定汽蝕區(qū)；△ha進一步下降進入下垂線的穩(wěn)定“斷裂工況”；兩線交點K稱為斷裂點(breakingdownpoint)。4.提高抗汽蝕性能和減免汽蝕現(xiàn)象的具體措施(measure)：

1）設計上抗汽蝕

1）盡量設法減少吸入阻力（內容包括吸入管長度/length、吸入管徑(pipediameter)、彎頭(elbow/bend/clinch/angle)數(shù)、吸程高度、吸入閥，底閥(bottom/foot/pushvalve)，過濾器的過流面積）；

2）改進葉輪入口處的幾何形狀(geometry)（雙吸葉輪、較低的葉輪進口速度(entrancevelocity/inletvelocity)、增大葉片入口(bladeinlet)處寬度(width/breadth)，使W小、適當選擇葉片數(shù)和沖角）；3）采用抗汽蝕材料制造葉輪（包括加工工藝、強度(strength)和硬度(hardness)）。2）運行管理和保養(yǎng)(maintenance)上減輕并消除汽蝕

1）適當控制泵的流量，降低轉速；

2）降低吸入液體的溫度，使pv相應降低到ps>pv；

3）降低泵的吸入高度，必要時形成流注高度；

4）及時拆洗過濾器和清通葉輪流道，清除管道堵塞(clog/bottlingup/blindup/blockup/blockage/chocking/fouling/locking)。

二、離心泵的工況調節(jié)

工況調節(jié)：根據(jù)離心泵工作系統(tǒng)的要求，改變泵的流量和壓頭，改變工況點所進行的調節(jié)。

改變工況點方法：改變管路特性曲線或改變泵的特性曲線均可改變工況點。

常用的調節(jié)方法有：葉輪切割法(impellercutmethod)、變速(tansmission/adjustablespeed/change)調節(jié)(regulation/governing)法、節(jié)流調節(jié)法(throttlegoverning/throttleregulation)、回流(return/loop/backflow/backwash/spill)調節(jié)法、汽蝕調節(jié)法、串并聯(lián)(series-parallel)調節(jié)法。1.節(jié)流(throttle)調節(jié)法

改變泵的排出截止閥開度。關小排出截止閥，管路特性曲線變陡（K值大），流量減少，壓頭提高。這種方法簡便易有節(jié)流損失，經(jīng)濟性較差,并且節(jié)流厲害，時間長還會發(fā)熱。見下圖

2.回流調節(jié)法(旁通調節(jié)法)

改變回流閥(return/reflux/spillvalve)

(旁通閥/bypass/bypathvalve)的開度，利用調節(jié)回流量(quantityofreflux)來改變工作（主）管路的流量。見下圖

回流調節(jié)特點：

⑴該法簡便但不經(jīng)濟；⑵流經(jīng)泵的流量大于流過泵裝置的流量，這是因為工作管路和回流管路的并聯(lián)管路特性曲線變平坦，泵的總流量增大，壓頭降低，而流過工作管路的流量減少；⑶長時間大流量回流，也會使液體發(fā)熱而汽化。●●A1Q1Q4Q3AQA●A’R’2R’Q’4Q’3Q’AR2R1RQ-H

回流閥全開時泵的流量QA：

QA=Q3+Q4＞Q1

Q1—回流閥關閉的流量

回流閥關小的流量Q’A：QA＞Q’A=Q’3+Q’4＞Q1

主管路流量變化：Q’3＞Q3

，回流量變化：

Q4

＜Q’4HH1HA3.變速調節(jié)法：改變原動機(primemover)的轉速，一般只能下調。采用變速電機(adjustable/change/variablespeedmotor)或變頻調速(speedcontrolbyfrequencyvariation)。變速依據(jù)是比例(rate)定律(law)。比例三定律：

Q/Q’=n/n’H/H’=（n/n’）2P/P’=（n/n’）3

[從相似三定律得來，因為D=D’]變速調節(jié)特點：改變泵的特性曲線這種調節(jié)來改變泵的工況使功率得到最佳匹配，是最為經(jīng)濟的。但需要變速設備(equipment)使初置費用高。4.葉輪切割法：一般原設計不當，Q與H大于實際所需，供過于求，為了避免浪費，可切削葉輪外徑以降低泵的參數(shù)，切削不多，對η影響不大；切削的依據(jù)是切割定律。切割定律：

Q/Q’=（D2/D’2）3

H/H’=（D2/D’2）2P/P=（D2/D’2）5

葉輪切割特點：在管路特性不變的前提下，泵的流量、壓頭和功率均下降。（改變泵的特性曲線）

*注意葉輪不能任意切割，切削量不大于原直徑的7～20％。見P80表三、離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)工作（串并聯(lián)調節(jié)）：1.離心泵并聯(lián)工作（并聯(lián)調節(jié)）：兩臺以上離心泵并聯(lián)向同一泵系統(tǒng)供液的運行工況。兩臺小水泵并聯(lián)運行要比用一臺大水泵節(jié)流運行經(jīng)濟的多。

應用場合：一般是需要揚水裝置的流量范圍變化很大的場合，或是從不同的水源向同一管路系統(tǒng)供水的場合。也即所需流量變動范圍較大時，才選擇并聯(lián)形式供水。工作要求：

⑴泵的性能要相同，否則并聯(lián)運行不穩(wěn)定；⑵并聯(lián)泵的特性曲線應沒有駝峰，而且零流量的功率要相等，才沒有問題；⑶應避免共用吸入管道，否則會使吸入性能急劇惡化；⑷泵的口徑不一定要相同，應在排出匯合前是完全分開。

工作特點：

⑴揚程相同，流量疊加；⑵并聯(lián)后的總流量比單泵的流量大，但不等于兩泵單獨工作時的流量之和。

運行工況圖：見圖2.串聯(lián)工作（串聯(lián)調節(jié)）：兩臺以上離心泵串聯(lián)向同一系統(tǒng)供液的運行工況。

應用場合：在一臺離心泵的壓頭不能克服系統(tǒng)背壓(backpressure/counterpressure)供液，或者只能在極小流量下供液而導致效率低和工作不穩(wěn)定時，可用多泵串聯(lián)供液。

工作要求：

1）基本原則是“流量相同，揚程疊加”；

2）泵的性能不一定要相同，但額定流量應相近，否則無法使每泵都在高效率區(qū)工作；

3）原則上要使用相同口徑的泵，因為液體是在前一臺泵提高壓力后，接著進入下一臺泵的；

4）應注意串聯(lián)后各工作泵的密封情況和強度是否允許。性能見下圖HRA。Q性能不同R＇H。QRA性能相同四、離心泵輸送黏性液體特性五、離心泵的使用和檢修1.離心泵起動、運行和停車的注意事項

（1）離心泵啟動前的檢查（閥門狀態(tài)、盤車、潤滑點、轉向、冷卻等）；（2）啟動及運行中的工況調節(jié)（避免干轉、封閉起動和根據(jù)需要進行工況調節(jié)）；（3）停車后的檢查保養(yǎng)（防凍(anti-freeze/deice/frostproof/winterization)防銹(protectagainstrust/anti-corrosive)等）2.離心泵的檢修注意事項

1）葉輪2）泵軸（見后2圖）

3）泵體4）軸承使用手動螺桿校直機使用銅棒打軸的凹部六、離心泵常見故障的分析

分析方法：從外到內,先直觀后相關;從裝置到系統(tǒng),先直接后交叉。例如：⑴泵的啟動后不出水——直觀[閥門啟閉狀態(tài)、電動機狀態(tài)及轉向]；相關[引水情況、水環(huán)泵狀態(tài)]。裝置[軸封及吸入接頭是否漏氣、底閥和濾器是否堵塞、葉輪是否脫落(peel/bare/breakoff)、堵塞或卡死(seizing/seizure/sticking/jam)]；系統(tǒng)[吸水處液位狀態(tài)、吸高和流注高度]。

⑵泵有振動和噪音——直觀[固定件(locatingcone/mountingblock)以及連接件(connectingfittings/jointpiece/junctionpiece/attachment)是否松動(loose/backlash)（地腳螺栓/wallscrew/anchorrod/anchorbolt)、聯(lián)軸器、軸承和泵軸）]；相關[間隙狀態(tài)、葉輪碰擦或失衡(outoftrim/unbalance)]。裝置[看儀表/instrument、聽辨聲音（金屬敲擊或液體撞擊、汽化）]；系統(tǒng)[是否吸空、漏氣、喘振/surge]等。

⑶泵的流量不足⑷泵的電動機過載解釋：離心泵的喘振現(xiàn)象：

泵帶有右升走向的特性曲線稱為不穩(wěn)定的駝峰特性曲線。當這種泵向壓力水柜供水，容易引起喘振。

喘振機理：

流量從B、C、O點循環(huán)變化引起喘振見圖

防止發(fā)生離心泵的喘振現(xiàn)象的管理注意事項：

⑴上升段是離心泵喘振的主要原因，應特別加以注意；⑵管路特性曲線的起點揚程必須小于泵的閉死揚程，以避免泵在不穩(wěn)定工況運行。第五章旋渦泵PERIPHERALPUMP天津海運職業(yè)學院姜世勛TIANJINMARITIMEVOCATIONALINSTITUTEJIANGSHIXUN第五章

旋渦泵利用葉輪高速回轉，帶動液體在葉片和泵殼兩側環(huán)形槽道間做螺旋運動，多次從葉輪獲取能量的泵。

旋渦泵屬于葉輪式泵?！?-1旋渦泵的結構和工作原理分類：

按葉輪型式分：開式葉輪(open/unshroudedimpeller)旋渦泵和閉式葉輪(closed/enclosed/shrouded/doubleshrouded)旋渦泵；見后圖

按流道型式分：開式流道(flowpassage/sprue/passage)和閉式流道旋渦泵（見后2圖）。

開式旋渦泵具有開式葉輪與閉式流道和開式流道（見第4圖）；閉式旋渦泵具有閉式葉輪與開式流道。閉式葉輪開式流道分類方法：

采用開式葉輪稱開式旋渦泵采用閉式葉輪稱閉式葉輪旋渦泵旋渦泵的閉式流道圖旋渦泵實物

一、閉式旋渦泵

基本組成：（見后圖）葉輪是一個等厚的圓盤，外周徑向布置很多短直葉片成一葉片圈。葉片多為20～48片之間。泵殼是由與葉片圈相對的部位則形成比葉輪寬大的、等截面環(huán)形槽，由吸入口開到排出口，并在吸排口之間用隔塊隔斷，也稱隔舌。泵軸與葉輪用鍵固定。

工作原理：葉片間的液體在旋轉時受離心力作用（沿葉片徑向流出葉片，沿葉輪旋轉方向朝前轉），因受泵殼的限制，它們沿環(huán)形流道流向兩側，又從根部進入后續(xù)旋轉的葉片間。如此反復，多次進入和離開葉輪，獲取和轉化能量，直到從排出口排出為止?？v向旋渦形成原理：環(huán)形流道中液體的圓周速度小于葉輪的圓周速度，使得流道中液體產(chǎn)生的離心力小于葉輪中液體的離心力，液體就會從葉片間甩出，迫使流道中的液體產(chǎn)生向心流動，再次從葉片根部進入葉片之間形成了縱向旋渦（螺旋線）。運動軌跡：相對于葉輪是后退的螺旋線，相對于泵殼是前進的螺旋線。閉式旋渦泵特點：（與開式旋渦泵比較）

效率較高，可達35～45％。

汽蝕性能差。因這種泵入口處的液流是從葉輪外緣進入葉間，該處園周速度較大，且液流情況復雜，速度分布不均，故閉式旋渦泵,汽蝕余量必須大一些。

一般不能抽送氣液混合物，也無自吸能力。泵吸入氣體時，氣體密度小，會聚集在葉片的根部，以致在轉到流道出口時不易排出，又經(jīng)過隔舌被帶回吸入端，故閉式旋渦泵一般不能抽送氣液混合物，也無自吸能力。注：要使其能夠自吸，必須在排出端設氣液分離室，并設回液口使分離室中分離出來的液體能在排出端擠入葉片根部驅趕氣體，然后又被帶回吸入端重新裹攜氣體。閉式旋渦泵多為單級或二級。二、開式旋渦泵

工作原理：

開式旋渦泵特點：

汽蝕性能較好。因為液流進入葉輪處葉片的圓周速度較小，汽蝕性能比閉式旋渦泵好。具有自吸和抽送氣液混合物的能力。采用閉式流道的開式旋渦泵只要將吸、排口朝上安裝，并在初次起動前向泵內灌滿液體，就具有自吸和抽送氣液混合物的能力。能量損失較大，效率低。采用閉式流道雖然能夠排送氣體和提高泵的自吸能力，但因液體必須在排出口處急劇地改變運動方向，并克服離心力做功，故能量損失較大，以致使泵的總效率僅為20～35％。開式旋渦泵提高效率方法：采用吸入端為閉式，排出端為普通開式的流道，以保持較高的效率。但會使它失去自吸能力。為了既保持自吸能力，同時又盡量減少排出端的水力損失，可采用向心開式流道的形式，（見上圖b）這樣泵的效率可提高到27～35％。另外一種折衷的辦法是在排出端采用開式流道并附加輔助閉式流道，（見上圖C），即在主流道的排出端讓大部分液體從排出口a排出，而使其余的一部分液體進入輔助閉式流道c，以便讓這部分液體能夠在輔流道的末端進人葉片間，把氣體從泵體側面與壓出室相通的氣體壓出口b排出。開式旋渦泵可做成單級，也可做成徑向剖的分段式多級，最多可至6級。注意：旋渦泵內部的漏泄途徑主要是葉輪端面與泵體和泵蓋之間的軸向間隙?！?-２旋渦泵的性能和特點一、旋渦泵的性能1.流量和揚程估算：旋渦泵額定流量估算：Q=CA=KQuA

m3/hC—液體在流道中的平均圓周速度，一般是5～6m/s；A—流道軸截面積，m2；KQ—流量系數(shù)，開式0.45～0.56，閉式0.44～0.58，ns高取大值；u—葉輪在流道軸截面重心處的圓周速度m/s。

旋渦泵揚程估算：H=KHu2/2g

mKH—揚程系數(shù)。表旋渦泵的揚程系數(shù)KHns61020304050閉式泵97543.22.5開式泵4.33.632.32.旋渦泵特性曲線

當

C（液體在流道中的平均圓周速度）達到0.7～1.0u（葉輪在流道軸截面重心處的圓周速度）時，泵的揚程為零；軸功率P隨流量增加而下降；泵的特性曲線H比離心泵要陡斜得多。3.旋渦泵徑向力和軸向力

存在徑向力，作用方向大致垂直于通過隔舌中間位置的軸截面指向低壓側，由軸承平衡。

一般不產(chǎn)生軸向力，但葉輪兩端面間隙不等可能產(chǎn)生軸向力，常采用在葉輪上開平衡孔來預防。

二、開、閉式旋渦泵特點（與離心泵比較）

1)

結構簡單，重量輕、體積小，制造和維修方便。

2)在相同的葉輪直徑和轉速下,旋渦泵的揚程比離心泵高2～4倍。適用于小流量、高壓頭的場合。

3)泵的特性曲線比離心泵要陡斜得多。H隨Q得增加而下降，Q大，流道內的圓周速度就大，減弱了形成縱旋渦的能力，所以H低。流道中的圓周速度越小，縱向旋渦越強，泵的壓頭也就越高。見圖

4)泵的ns一般10～40,大于40效率

4)

閉式旋渦泵不具有自吸能力，可借助于簡單裝設氣水分離室來實現(xiàn)自吸。開式旋渦泵具有自吸能力，但初次使用泵內部必須灌滿液體。開式旋渦泵能排送汽液混合物，適于抽送含氣體的易揮發(fā)液體和飽和壓力很高的高溫液體。

5)效率較低，—般為20～50％。故功率一般不大(＜40KW)。這是因為液體多次進出葉輪，并在流道內產(chǎn)生旋渦，撞擊損失和摩擦損失都很大，內部漏泄也很多。閉式旋渦泵η=35～45%>開式旋渦泵η=20～35%。旋渦泵適用場合：適于小流量、高揚程、功率較小和需要自吸的場合。在船上，旋渦泵常用作輔助鍋爐或壓力水柜的給水泵、中小型柴油機的冷卻水泵、汽油駁運泵，此外，也可用作小船的消防泵等。三、離心旋渦泵

工作特點：解決自吸、低流量高揚程的排水問題以及提高允許吸程。第六章

噴射泵

種類：按工作流體的種類，可分為液體射流泵和氣體射流泵兩種。以水為工作流體的稱水噴射泵，以蒸汽為工作流體的稱蒸汽噴射泵。

用途：常用做冷凝器和海水淡化裝置等的真空泵及鍋爐給水泵、掃艙泵、艙底水泵等。§6-1水噴射泵

一、水噴射泵的結構和工作原理

結構組成：噴嘴、吸入室、混合室和擴壓室.

工作原理：當具有一定壓力的工作流體通過噴嘴以一定速度噴出時，在噴嘴出口周圍形成低壓，將被輸送介質吸入。然后和工作流體混合，這時工作流體的速度減小，被輸送介質的速度增加，兩股流體在喉管內混合并進行能量交換，從而獲得其動能和熱能(工作介質為蒸汽的情況)，并在截面逐漸增大的擴壓器中大部分動能轉換為壓力能，使壓力進一步提高，最后經(jīng)排出管排出。

噴嘴：

噴嘴采用收縮圓錐形、流線形和孔板等形式，出口處有一圓柱段長度為噴孔直徑的0.25倍，使射流從噴嘴噴出時保持一定的方向。噴嘴的作用是把工作水流的壓力能轉變?yōu)閯幽堋娮煲鸬乃p失稱為噴嘴損失。通常，由離心泵供應工作壓力Pp為0.3～1.5MPa的工作水流，經(jīng)噴嘴射入吸入室，壓力降到吸入壓力ps，從而將壓力能轉換為動能，在噴嘴出口形成流速v1可達25～50m／s的射流。

吸入室：

噴嘴后的射流流束由于其外圍部分逐漸與周圍介質摻混，使保持V1流速的流核區(qū)逐漸縮小，以至最終消失，形同收縮的圓錐體；與此同時，流束的邊界層在射流方向則逐漸擴大，使流束形成擴張的圓錐體。邊界層的流束在內表面處與流核區(qū)的流速相同，并沿徑向遞減，在其外表面處則與周圍介質的流速相等。當這圓錐體狀的流束與混合室的壁面相遇后，流束的橫截面積就不再擴大。這時，橫截面上的流束分布很不均勻?；旌鲜?/p>

(又稱喉管)：混合室的作用就在于使流體充分的進行動量交換，以使其出口外的液流速度盡可能趨于均勻。實驗表明，進入擴壓室時的液流速度越均勻，擴壓室中的能量損失就越小?；旌鲜彝ǔＷ龀蓤A柱形或者是圓錐形與圓柱形的組合形式。當混合室進口部分做成圓錐形時，其進口能量損失最小?；旌鲜议L度過短，會使出口速度不均，這樣，擴壓室中的流動損失就會增大；而混合室長度過長，不僅沒有必要，還會使摩擦損失增加。混合室的長度通常為其圓柱段直徑線的6～7倍。擴壓室又稱擴散室：

擴壓室一般采用一段均勻擴散的錐管，擴散角為8～10°，也可采用分段擴散，擴散角分別為2o、4o、13o。它的作用是使液流在其中降低流速，增加壓力，從而將動能轉換為壓力能。實驗證明，擴壓室的擴張角做成8～10°時，擴壓過程的能量損失最小。二、水射水泵的性能

水射水泵的特性曲線：

水射水泵的特性通常用無因次特性曲線來表示。它所使用的無因次量是：流量比u（亦稱引射系數(shù)）和揚程比h。

流量比（引射系數(shù)）u為：u=Qs/QpQs-被引射流體的體積流量，m3/sQp-工作流體的體積流量，m3/s

當以質量流量表示時，稱質量流量比，用um表示，

質量流量比：um=Gs／Gp揚程比h：

h=H/HpH—被引射流體經(jīng)過泵后所增加的水頭，m；

Hp—工作流體與被引射流體進泵時的水頭之差，m。

流體的位置頭和速度頭與壓力頭相比可忽略不計，當工作流體與被引射流體是同一介質時，揚程比即為相對壓差。噴射泵的效率η：對噴射泵來說，泵的效率η是指同一時間內被引射流體所能得到的能量（有效功率）與工作流體所失去的能量（輸入功率）之比。即：

喉嘴面積比（簡稱面積比）:混合室圓柱段的截面積f3與噴嘴出口的截面積f1之比稱為喉嘴面積比（簡稱面積比），用m表示。

m=圓柱段的截面積f3/噴嘴出口的截面積f1

喉嘴面積比是決定噴射泵性能的最重要尺寸參數(shù)。實際應用的水射水泵m約在1.5～25范圍內。無因次特性曲線：幾種面積比m（圓柱段的截面積f3與噴嘴出口的截面積f1之比）值不同的水射水泵的無因次特性曲線，它給出了揚程比（相對壓差）h、效率η與流量比u（引射系數(shù)）的關系。

面積比m值不同的泵，工況分析：

m值小的泵：因其引射的流體流量較小，混合損失也就