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水力学结业小论文

水泵初探

摘要：

水泵作为一种向管路系统输送能量的装置，在实际生活中有非常广泛的应用，实现将水从低处压往高处的作用，是目前城市供水系统不可或缺的一个部件。

水泵是输送液体或使液体增压的机械。

它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。

本论文共分为三个部分对水泵进行介绍。

第一部分——水泵原理旨在介绍水泵的基本原理及其特点及分类。

第二部分——水力计算通过由理论公式的推导（加入一些简化假设条件）半定量地熟悉水泵的工作参数——扬程的影响因素和提高方式；同时引入两条特性曲线更加工程化地了解扬程与流量的关系以及确定方式。

第三部分——拓展应用更多方面的介绍水泵的其它问题，如与虹吸管进行对比，工程实例混凝土输送泵的介绍以及水泵的防护（气蚀现象）。

正文：

一、水泵原理

引子——“吹瓶子”原理：

生活中吹瓶子的时候，如果嘴一直贴着瓶口，随着瓶中酒的减少，瓶子内部和大气形成压强差，这一负压阻止了啤酒流出，也就是大气压阻止了啤酒流出，使得吹瓶子的速度减慢。

而怎样才能解决这个问题呢？

我们在瓶口插一根吸管，把瓶子和大气联通，消除了这一负压，使得啤酒更容易流出。

这一事例中，负压阻止了啤酒流出，相反的，水泵正是利用了这一原理，利用负压作用于液体。

水泵工作原理：

在打开水泵后，叶轮在泵体内做高速旋转运动（打开水泵前要使泵体内充满液体），泵体内的液体随着叶轮一块转动，在离心力的作用下液体在出品处被叶轮甩出，甩出的液体在泵体扩散室内速度逐渐变慢，液体被甩出后，叶轮中心处形成真空低压区，也就是负压，液池中的液体在外界大气压的作用下，经吸入管流入水泵内。

泵体扩散室的容积是一定的，随着被甩出液体的增加，压力也逐渐增加，最后从水泵的出口被排出。

液体就这样连续不断地从液池中被吸上来然后又连续不断地从水泵出口被排出去。

离心泵的一般特点：

（1）水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入，垂直于轴向流出，即进出水流方向互成90°。

（2）由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水，因此在起动前必须向泵内和吸水管内灌注引水，或用真空泵抽气，以排出空气形成真空，而且泵壳和吸水管路必须严格密封，不得漏气，否则形不成真空，也就吸不上水来。

（3）由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。

如安装过高，则不吸水；此外，由于山区比平原大气压力低，因此同一台水泵在山区，特别是在高山区安装时，其安装高度应降低，否则也不能吸上水来。

二、水力计算

引子：

在对水泵的运行基本原理有所了解过后，我们将深入一步研究水泵在工程实际中的应用。

在应用中，水泵最重要的便是如何提高扬程，同时降低损耗提高效率的问题，故须对影响水泵扬程的参数进行研究，找到合理的水泵选取方法。

水泵扬程特性曲线：

（一）理想水泵（离心泵）扬程基本表达式

l首先引入几点假设：

1.一维流动假定；

2.恒定流假定；

3.理想流体假定（无粘性）

l液流分析：

液体质点进入叶轮后做复合圆周运动，分为牵连运动（圆周）和相对运动。

通过动量矩定理可推导出（推导过程见另附纸）：

——理论扬程

——牵连速度（圆周速度）

——绝对速度在圆周方向的投影

l讨论：

由上述理论推导可知，：

1.减小进水角将获得正值扬程，水流垂直流入叶轮可提高扬程（因为此时第二项为零）。

2.理论扬程与出口圆周速度有关，提高转速、增加叶轮直径以提高扬程（因为圆周速度有如下公式——。

3.扬程与密度无关（但是水泵的功率与液体种类有关），即同一型号水泵在同等条件下，不同液体均能达到相同的高度，但是所需功率将不同。

l由于推导假设条件的限制，该公式运用到实际中的可行性，需要进行进一步的讨论：

1.恒定流的假设基本满足，与实际误差不大。

2.叶栅的实际情况不能满足一维流动，液槽中实际流速分布不均匀。

由于液流惯性使叶片迎水面流速提高、压力降低，叶片背水面流速降低、压力提高，产生反旋现象。

反旋将降低扬程，故引入修正系数P, 。

3.理想流体的假设不能够满足，实际情况下有水力损耗，包括叶轮进出口的冲击，液槽中的紊动、摩阻损失等等，故引入水力效率进行修正，。

至此，我们通过对水泵本身的液流分析，得到了它的扬程基本方程式，主要为定性地确定了水泵扬程的影响因素。

然而这种推导在实际中的应用并不好，原因在于我们基本方程式中的速度是较难测试的参数，并且本身该公式由于太多的理想条件约束，误差较大，而在引入修正系数后，修正系数的测定也成了需要攻克的对象。

换个角度思考，我们不妨将水泵的扬程与我们容易测量，并且可以实时监测的其他水力参数进行结合，找到他们的关系，很容易想到，与流量Q进行联系，通过直观的曲线图进行研究。

（二）水泵（离心泵）扬程特性曲线Q-H

首先由理论表达式绘出理论曲线：

，第二项可为零，则通过换算，可得与Q的关系，为一次线性关系。

接着对其修正，经过有关文献资料的查阅，得到离心泵的特性曲线具有“扬程随流量增加而下降”的特点（这一特点将在后文中得到应用）。

在绘出水泵特性曲线后，需要再绘出管路特性曲线，进行同步研究，以求得最优点。

对于管路特性曲线，可以通过对最简单的装置（图及推导见另附页）进行推导，得到

，s——表示阻耗的参数，为常量。

易由此绘出管路特性曲线。

管路特性曲线是表示事先流体输运所需的动力与流量之间的关系的曲线。

管路特性曲线推导如下：

将管路特性曲线以及水泵特性曲线同绘于一张图中，进行比对。

H/m

Q

管路特性曲线

水泵特性曲线

W

分析：

则对于一个确定的管路流量而言，水泵设计扬程与管路所需动力会有不匹配的情况，对于两曲线的交点W，即为最高效最不浪费的工况点。

当然，实际应用过程中，流量是自由按需调控的，在这种情况下，亦可由特性曲线分析水泵工况，工况点指的是对应某个时刻水泵的实际参数点。

M点为最优点。

小于工况点K点：

水泵提供的动力大于管路所需动力，故多余能量将提高流速，流量增加，工况点右移至M点；

大于工况点D点：

水泵提供的动力小于管路所需动力，故缺少能量限制流量，工况点左移至M点。

实质：

通过曲线交点求解水泵工况点的实质就是联立方程组，故只需知道管路特性曲线以及水泵特性曲线的具体方程，再进行联立求解即可。

目前工程中常用的方程为，作为水泵特性曲线方程。

分别指的是水泵的虚扬程（流量为零时的扬程）和虚阻耗。

其它参数简介：

水泵最重要的扬程计算已于上一部分进行讨论。

另外，由于工程与经济的考虑，功率和效率的问题也是至关重要的。

水泵的技术参数还包括有：

轴功率、有效功率、总效率等。

1.轴功率指的是转机给水泵提供的转动功率

2.有效功率

3.总效率。

影响效率的因素有很多：

1.水力阻力损失；

2.叶轮圆盘阻力损失（改进：

提高圆盘及泵体表面光滑度，减少叶轮外径）；

3.轴承阻力损失（改进：

合理的轴向力平衡措施以减少摩擦损失）；

等等

小结：

在管路水力计算中，水泵作为从外界输入能量的装置，在生活中的应用非常重要。

水泵的重要参数包括扬程以及功率及效率。

理想的情况是扬程足够高，功率大，效率高。

水泵的扬程水力计算通常采用特性曲线的方法。

提高扬程可通过加大转动功率、垂直入流等方式。

提高水泵工作效率可通过减少损耗的方式，如：

减小叶轮外径，加以轴向力平衡轴承阻力等方式。

本部分只对水泵的水力计算做了简单的分析，引入了一些假设条件，但从定性的角度来讲，能够更好地深入了解水泵的水力计算分析方法。

三、拓展应用

（一）与虹吸管的对比

虹吸（syphonage）：

利用液面高度差的作用力现象，将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管从开口于更低的位置流出。

虹吸管内压强之间产生压差，水将能够由上游通过虹吸管流向下游。

虹吸的实质是因为重力和分子间粘聚力而产生。

装置中管内最高点液体在重力作用下往低位管口处移动，在U型管内部产生负压，导致高位管口的液体被吸进最高点，从而使液体源源不断地流入低位置容器。

原理：

将管内空气排出，在管内形成一定真空，使作用在上游水面的大气压强与虹吸管内压强之间产生压差，水将能够由上游通过虹吸管流向下游。

与水泵主要联系：

同：

都是在管内形成真空，通过大气压与管内气压压差使得水上升；

异：

虹吸管应用于上游自由液面高于下游自由液面的情况，而水泵由于是通过水泵轮转到作用形成真空，所以也可以适用于上游水面低于下游水面的情况。

图一水泵简易原理图图二虹吸管简易原理图

（二）混凝土输送泵简介

混凝土输送泵采用电动机或柴油机驱动泵送系统，通过液压系统恒功率控制自动调节混凝土输送泵的输送量，也可用手动控制来选择混凝土输送量。

      泵送系统主要由料斗、搅拌机构、混凝土分配阀、混凝土输送缸、洗涤室以及主油缸等构成。

　  工作原理：

如图所示，当液压系统压力油进入一主油缸时，活塞杆伸出，同时通过密封回路连通管的压力油使另一活塞杆回缩。

与主油缸活塞杆相连的混凝土输送活塞回缩时在输送缸内产生自吸作用，料斗中的混凝土在大气压力作用和搅拌叶片的助推作用下通过滑阀吸入口被吸入输送缸。

同时，另一主油缸在油压的作用下，推动主油缸的活塞杆伸出并同时推动混凝土活塞压出输送缸中的混凝土，通过滑阀输送口Y字管进入混凝土输送管。

动作完成后，系统自动换向使压力油进入另一主油缸，完成另一次不同输送缸的吸、送行程。

（三）水泵的防护——气穴气蚀现象简介

气穴：

在离心水泵的进水口，虹吸管的最高管段等，都会形成一定的真空。

流速增加的同时，压强会进一步降低，直至降低到空气分离压时，原先以气核（肉眼看不见）的形式溶解在液体中的气体就开始游离，称为小气泡，许多小气泡汇集成大气泡，该现象即为气穴现象。

气蚀：

气穴现象产生的气泡会被液流带走，当液流流到下游高压区时，气泡内蒸汽迅速凝结，气泡溃灭，短时间内产生极大的冲击力，局部压强非常大，高达几个甚至几十兆帕，大量该现象发生将会产生强烈的噪声和振动，固体壁面也将受到剥蚀，这就是气蚀现象。

水泵气蚀防护：

一般通过气穴系数来判断气穴难易程度。

液流压强越低，气穴系数越小，发生气穴可能性越大。

一般情况下，认为时开始出现气穴，故离心水泵进水口和虹吸管最高管段的压强均应高于液体在该温度下的饱和压强，以防止气穴和气蚀发生。

另外，为消除和减轻空蚀损坏，运动部件应在尽可能稳定的条件下运转。

还有的办法是在可能发生空蚀的部位涂上或包上弹性强的材料，或注入气体以吸收空泡溃灭所辐射的能量，也可用化学防腐方法来减轻空蚀过程的腐蚀作用。

总结：

本论文通过对水泵的初步研究，探讨了水泵工作的基本原理即通过外界做功制造真空形成压强差，利用大气压将水（或其它液体）从低处压向高处。

水泵在基本的管路系统水力计算中，扬程作为其基本参数具有重要意义，故本论文中重点探讨了扬程的计算，从理论公式到实际拟合公式，半定性半定量地讨论了扬程的影响因素，包括泵的转速、叶轮外径、阻力摩擦等等因素；同时导出的管路特性曲线与水泵特性曲线作为直观的工具可用于对流量与扬程进行动态平衡模拟。

最后本论文还对水泵的其它拓展应用进行了介绍，气穴与气蚀现象对水泵是水泵防护的主要考虑对象。

至此，我们对水泵的了解有了一定的知识储备。

参考文献：

【1】孔珑.工程流体力学（第四版）.北京：

中国电力出版社，2015.11.

【2】田家㷕离心泵的Q-H特性曲线方程.（2016.6.18）

【3】参考网址：

作者：

土木工程学院卓越工程师班：

何杰、冯禹天、刘浩、郭炳成、邓佳欣、杨均德、汪哲人、朱涛、孙滔、杨焰鑫、何承洋