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流体输送机械基本原理讲义

第二章流体输送机械

第一节概述（略）

第二节离心泵

一、离心泵的基本结构和工作原理

1、离心泵的基本结构

2、离心泵的工作原理

例：

一杯热水为使之冷却，用筷子在水中旋转，水也产生速度，跟着筷子一块转动（本质上是筷子的附着力大于水之间的内聚力，内摩擦力使水旋转）靠近筷子的水转的快而远离筷子的水转的慢。

另外中心凹，四周水沿壁上升高于中间。

为什么呢？

离心泵工作原理

离心力

m2R

[弧度/秒]

角速度R半径（叶轮半径）

m质量（流体质量

kg）

2rn

线速度,T—周期,n--转速,T

（周期是物体做圆周运动旋

转一周所需要的时间

单位是秒；转速

n是物体单位时间所转的周数

单位是1/秒）。

R或则F

手转动筷子，水产生动能，水旋转碰到管壁动能转化为静压能，静压能又转化为位能使水沿壁

面上升。

边上水上升后，中心能减少，形成空隙，产生真空度，故在同一个大气压下，中心凹下去。

（1）泵轴带动叶轮旋转，充满叶片之间的液体也跟在旋转，在离心力作用下，液体从叶轮中心被抛向叶轮边缘，使液体静压能、动能均提高。

（类似我们旋转雨伞,伞上面的雨滴飞出去）。

（2）液体从叶轮外缘进入泵壳后，由于泵壳中流道逐步加宽，液体流速变慢，又将部分动能转化为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强从泵的排出口进入排出管路

输送到所需场所。

（3）当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心出形成低压区，由于贮槽液面上方的压强（一般为1[atm]）大于吸入口处的压强，在压强差的作用下，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。

离心泵之所以能够输送液体，主要依靠高速旋转的叶轮，产生离心力，在惯性作用下，获得了能量以提高压强。

3、离心泵使用注意点：

离心泵启动时，必须灌满水否则产生气缚。

何为气缚？

离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生

的离心力小，（离心力Fm、mF）从叶轮中心甩出的液体少，因而叶轮中心处所形成的

低压（真空度）不足以将贮槽内的液体吸入泵内（打不上水），此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚。

4、离心泵的主要部件：

（1）叶轮（泵的心脏）

如讲义离心泵的结构图,每个叶轮有6~~12片弯曲的叶片。

A、按有无盖板分

B、按吸液方式分

闭式有无前后盖板

半闭式无前盖板

开式无前后盖板

单吸

双吸

C、平衡孔：

在叶轮后盖板上钻一些小孔，它的作用是使盖板与泵壳之间的空腔中一部分高压液体漏到低压区（吸入口处）以减少叶轮两侧的压力差。

从而起到平衡一部分轴向推力的作用。

（2）泵壳又称为蜗壳，因壳内有一个截面逐渐扩大的蜗牛式通道，泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体部件，而且使部分动能有效地转变为静压能。

在叶轮与泵壳之间有时还装一个固定不动而带有叶片的圆盘，这个圆盘称为导轮，由于导轮具

有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时,均匀而缓和地将动能转变为静压能，减少能量损失。

（3）轴封装置：

泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。

其作用是防止高压液体从泵壳内沿轴而漏出，或者空气以相反方向漏入泵壳内。

填料密封

轴封

机械密封

二、离心泵的主要性能参数与特性曲线

1、离心泵的主要性能参数

（1）流量:

离心泵的流量又称送液能力

是指泵在单位时间里排到管路系统的液体体积

或

。

（2）压头:

离心泵的压头又称为泵的扬程,是指泵对单位重量的流体所提供的有效能

量,HN.m

m。

升扬高度:

离心泵将液体从低处送到高处的垂直距离.m

高压液体通过叶轮与泵壳间缝隙漏回吸入口;容积损失v高压液体从填料函处漏至泵壳外;

高压液体从平衡孔漏回低压区

粘性液体流过叶轮与泵壳流速与方向的改变,

产生流动阻力而引起能量损失;

（3）效率:

反应能量损失水力损失h输送流量与设计流量不一致,在泵体内产生冲

击而损失能量，即粘性流体摩擦阻力。

vhm

泵运转时，泵轴与轴承之间，泵轴与填料函,

机械损失m叶轮外表面与液体之间均产生摩擦引起的能量损失。

（4）轴功率:

离心泵的轴功率是泵轴所需的功率.当泵直接由电机带动时,也就是电动机传给泵轴的功

率N,

[J/s]或[w]或[kw]。

Ne:

有效功率,是输送到管道的液体从叶轮所获得的功率

.由于有容积损失,水力损失与机械损

失,所以泵的轴功率大于有效功率

即:

QHg

Q泵的流量m3

H泵的压头m

被送液体的密度

kgm3

g重力加速度ms2

如Ne用[kw]计算

QH9.81

[kw]N

W--Jkg

NeQHg

102

1000

102

2、离心泵的特性曲线

表示流量Q与HN变化的关系曲线，它由泵的制造厂通过实验测定后提供的。

离心泵的特

性曲线只与叶轮的直径、转速和测试时的工作介质有关，它是在泵的制造厂通过实验作出来的。

①H

Q曲线

②N

Q曲线

最小

故离心泵启动时，应关闭出口阀,使启动电流减少以保护电机。

③Q曲线Q00Q上升到最大值Q

N=2900r/min

4B20型离心泵的特性曲线

离心泵在一定转速下有一最高效率点,称为设计点。

离心泵的工作范围称为泵的高效率区。

通常为最高效率的

92%左右，离心泵最好在此范围内工

作。

A最高效率点，称为设计点。

泵在最高效率相对应的流量及压头下工作最为经济，所以与最

高效率点对应的Q.H.N称为最佳工况参数。

离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效

率最高点的状况参数，根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳状况点上运转，因此一

般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右，如图中波折线所示的范围。

究竟离心泵的特性曲线是如何作出来的请看例题：

当转速为2900r

min

控制阀门

Q10

H1N1

联接以上各点，即得该泵在固定转速之下的特性曲线。

三、离心泵性能的改变和换算

泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为例作实验测得的。

若输送的液体物理性质（密度和粘度）或泵的转速或叶轮直径改变，泵的性能参数及生产部门所提供的泵的特性曲线应当重新换算。

1、密度的影响

①

对H的影响

离心力F

m2R

.m.F

（出口静压强

）

则又

对H无影响

mv2

②

对Q的影响

CVg

离心泵的流量取决于离心泵叶轮直径和离心泵的转速与流体密度无关。

③对

密度对效率无影响。

的影响

④对N的影响N

102

2、粘度的影响

被输送的液体粘度若大于常温下清水的粘度，则泵体内部的能量损失增大、泵的压头、流

量要减少,（H

与Q一致H

.Q），效率下降;轴功率增大,即泵的特性曲线发生改变。

（

QgH

∴

N）。

102

当输送液体的运动粘度（）<20[cst]无须换算。

当>20[cst]时，离心泵的性能需按下式进行换算，即：

Q'CQQH'CHH

'C式中：

Q、H、——离心泵输送水时的流量、压头、效率；

Q'、H'、'——离心泵输送其它粘性液体的流量、压头、效率；

CQ、CH、C——流量、压头、效率的换算系数。

3、离心泵的转速影响（其推导参考大连化学工业学校，湖北省工业技术学校合编1966年版

《泵和压缩机》p132利用相似定律推导出来的）。

当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系为

当

泵的转速变化小于

20%时，用离心泵比例定律换算偏差不大。

比例定律:

式中：

Q1、H1、N1——转速为n1时的泵的性能参数；

Q2、H2、N2——转速为n2时的泵的性能参数。

4、叶轮直径的影响

当叶轮直径变化不大、叶轮外径的减小变化不大于20%的情况下，转速不变时，叶轮直径和

流量、压头、轴功率之间的近似关系为：

D'2

N'D'2

称为切割定律，此式只有在叶轮直径的

ND2

变化不大于

20%时才适用。

Q'、H'、N'——叶轮直径为

D'2时泵的性能；

Q、H、N——叶轮直径为

D2时泵的性能；

某离心泵输送水的特性曲线已由泵的生产厂家标出来了，现在是用输送水的泵输送

900kgm3，粘度为220cst的油。

液体的性质发生了改变，由前分析可知：

离心泵的压头、流量、效率均与密度无关，只是轴功

率随密度的增加而增加。

代入N

[kw]中计算。

102

粘度的影响当>20cst

离心泵的性能必须按下式Q'CQQ

H'CHH

'C进行计算。

查本讲义，

清水

200C

、

998.2kg

、100.50105Pa.s

100.50

105

1.007

106m2

998.2

又因为1st

100cst

104

1m2s

106

cst

1.007

106

1.007cst

油

220cst

油

水

220

1.007

218.993cst

当

>20cst时，离心泵性能就须校正

即

水（200C）必须校正。

必须用200C的清水最高效率点对应的流量——额定流量

QS，查有关图以求取CQ、CH、C。

四、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度

1、离心泵内的压强变化

常数

F离pH

由p

F离

CVg

C'V

C'—常数

V—输液体积m3

泵的工作原理：

通过叶轮带动液体匀速旋转将离心力转变为静压头的过程，当然流体由静即动也产

生部分动压头，二者之和为总压头。

即

叶轮出口处即泵壳由于流道面积变大，

u变小、速度头变小，所以部分动压头转化为静压头，

使泵排出口的总压头高于叶轮输出口静压头。

而泵壳内面积大，流体突然扩大等局部阻力造成的能

量损失又使泵排出口的总压头低于叶轮出口的总压头。

2、离心泵的气蚀现象：

（1）

未饱和气：

将一种液体引入装同种液体的空间中，还能够继续蒸发。

饱和气：

如果气跟产生它的液体处于动态平衡，这种气体叫饱和气，它所具有的气压

称饱和蒸气压。

饱和蒸气压是在真空中测量的与外界大气压无关是温度的单值函数。

饱和

蒸气压随温度升高而变大，随温度降

低而变小。

（2）汽化液体变为气体的过程。

液体气化时需要热量，在任何温度下，液

体表面都在蒸发。

（蒸发是液体表面发生

的汽化现象。

）即在同一时间内从液面逸

出的分子数多于气体进入液体的分子数，

在任何温度下都能进行，温度越高蒸发越

快。

（当温度升高至沸点时液体开始沸腾，饱和蒸汽压这时汽化不仅发生在液体表面，而且发生

在液体内部，在液体内部生成许多气泡，升腾于液面。

）沸腾是液体表面和内部同时进行的汽化现象。

沸腾时，它的饱和蒸汽压与外部压强相等。

（3）离心泵的气蚀现象

当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气时，该处发生气化并产生气泡，为什么会产生气泡呢？

水里溶解大量空气，这些空气正常情况下一般会被壁面吸附，固体分子

对气体分子的吸引力大于液体分子对气体分子的吸引力，若温度升高时，这些空气受热膨胀为气泡，周围的液体也向该气泡内蒸发，所以气泡内水蒸气很快达到饱和，气泡密度小，所以上升。

当叶片

附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽时，说明液体还可以继续汽化并产生大量气泡。

气泡随同液体从低压区到高压区时，在高压的作用下，气泡迅速凝结或破裂，瞬间内周围的液

体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处形成高达几万kPa的压强，冲击频率可高达

每秒几万次之多。

这种现象称为气蚀现象。

气蚀发生时，产生噪音和震动，叶轮局部地方在巨大的冲击力的反复作用下，材料表面被侵蚀成为蜂窝状空洞，使叶片受到损坏。

此外，气蚀严重时，由于产生大量的气泡，占据液体流动的一部分空间，导致泵的流量、压头与效率显著下降。

为保证离心泵能正常运转，应避免发生气蚀现象。

一般使最低压强大于输送温度下液体的饱和蒸气压。

但实际操作中不易测出最低压强的位置，而往往是测泵入口处的压强，然后考虑一个安全

量即为泵入口处允许的最低绝对压强以

p1表示，单位Pa

，习惯上常把

p1为真空度，并以被输送

液体的液柱高度为计量单位，称为

允许吸上真空度，以HS'

表示。

HS'

是指压强为

p1（参看讲义有

关图）处可允许的达到的最高真空度，其表达式为：

HS'

pap1

p1真空度Pa

HS'—离心泵的允许吸上真空度，

[米液柱]

pa—大气压强[Pa]

—被输送液体的密度[

kgm3

]

3、离心泵的允许吸上高度

离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的

最大垂直距离，以符号Hg表示。

00'（基准面）11'

u12

hf,01

①

u02

u12

pap1

u12

hf,01

②

将HS'

p1代入②

得Hg

HS'

u12

Hf,01

③

为何HS'

随Q增大而减小？

Q大,

在泵入口瞬间甩出去的液体多，

造成真空度大，液体容易气化，

液体的饱和蒸气压

pv大,而p1

则p1大HS'

HS'小

即Q

HS'

因为HS'

（液体物理性质，当地大气压强，泵的结构，流量）

。

而制造泵的工厂是在大气

压强10mH2O（9.81104Pa）下，以

200C为工质进行的，相应的允许吸上真空度为

HS表示，

而输送其它液体，且操作条件与上述的实验条件不符，必须按讲义有关公式校正。

泵叶片入口附近

的最低压强

p1必须大于或等于输送温度下液体的饱和蒸气压

pv，如果操作条件与实验条件不同，

则将米液柱变成米水柱

水1000kgm3

操作条件

papv

①如用

mH2O柱表示，则①变为

HS'

103

②，水在

200C与大气

1000g

1000

1000g

9.81

HS'

pa'

pv'

pa'

0.24③。

压为10mH2O（实验条件），则

1000

9.81

1000

9.81

1000

9.81

200C水pv'

2.3341kPa

2.3341

103

0.24m米水柱，由②-③得：

1000

9.81

HSHS'

（Ha

10）（

103

0.24）

1000

④，又因为④式使用不太方便，因此对

9.81

输送某些沸点较低液体的油泵，又引入一个表示气蚀性能的参数，叫允许气蚀余量，以

h表示。

要点:

以水柱表示允许吸上高度

由p1

①当p1

pv时得出④式，导出允许吸上真空度

的概念，并用允许吸上真空度来表示离心泵的允许吸上高度。

②当p1

pv时,导出允许气蚀余量的

概念，并用允许气蚀余量来表示离心泵的允许吸上高度。

为防止离心泵发生气蚀，离心泵入口处：

u12

h或

u12

h⑤

pv——操作温度下的饱和蒸气压Pa；

h——离心泵允许气蚀余量m。

当贮槽为敞口p0pa1atm，将⑤代入①得：

hHf,01

注意性能表

h也是按200C的清水测出来的，当测其它液体时，

h'—输送其它液体的允许气蚀余量

m；

h—输送200C水允许气蚀余量

m；

—相对于水允许气蚀余量校正系数。

离心泵实际安装高度应比允许吸上高度小（

0.5～1）m

尽量减少吸收管路的压

头损失;

Hg（实）Hg

结论：

把泵安装在贮罐液面以

下;

3.用最大流量计算u1或h,HS'

五、离心泵的工作点与流量调节

1、管路特性曲线与泵的工作点

HS'hHf,01

h应校正为h'h

管路输送示意图及特性曲线与泵工作点

11'（基准面）

u12

u22

若贮罐与受液槽的截面都很大，则

所以He

K—常数

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