液體輸送設(shè)備--離心泵

雪球兒. 2013-10-10

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液體輸送設(shè)備--離心泵

如前所述，液體輸送設(shè)備種類很多，一般根據(jù)其流量和壓強(qiáng)(壓頭)關(guān)系可分為離心泵和正位移泵兩大類。正位移泵又包括往復(fù)泵和旋轉(zhuǎn)泵等。其中，以離心泵在化工生產(chǎn)中應(yīng)冊(cè)最為廣泛，這是因?yàn)殡x心泵具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，便于調(diào)節(jié)和自控；(2)流量均勻，效率較高；(3)流量和壓頭的適用范圍較廣；(4)適用于輸送腐蝕性或含有懸浮物的液體。當(dāng)然，其它類型泵也有其本身的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，而且并非離心泵所能完全代替的。因此在設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)視具體情況作出正確的選擇。
一、離心泵的工作原理和主要都件
(一)離心泵的工作原理
離心泵的裝置簡(jiǎn)圖如圖2-1所示，它的基本部件是旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的泵殼。具有若干彎曲葉片的葉輪安裝在泵殼內(nèi)，并緊固于泵軸上，泵軸可由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)．泵殼中央的吸入口與吸入管路相連接，而在吸入管路底部裝有底閥。泵殼側(cè)旁的排出口與排出管路相連接，其上裝有調(diào)節(jié)閥。
離心泵在啟動(dòng)前需先向殼內(nèi)充滿被輸送的液體，啟動(dòng)后泵軸帶動(dòng)葉輪一起旋轉(zhuǎn)，迫使葉片間的液體旋轉(zhuǎn)，液體在離心力的作用下自葉輪中心被甩向外周并獲得了能量，使流向葉輪外周的液體的靜壓強(qiáng)增高，流速增大，可高達(dá)15～25m/s。液體離開葉輪進(jìn)入泵殼后，因殼內(nèi)流道逐漸擴(kuò)大而使液體減速，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜壓能。于是，具有較高壓強(qiáng)的液體從泵的排出口進(jìn)入排出管路，被輸送到所需的場(chǎng)所。當(dāng)液體自葉舵中心甩向外周時(shí)，在葉輪中心產(chǎn)生低壓區(qū)．由于貯槽液面上方韻壓強(qiáng)大于泵吸入口的壓強(qiáng)，致使流體被吸進(jìn)葉輪中心。因此只要葉輪不斷地旋轉(zhuǎn)，液體便連續(xù)地被吸入和排出。由此可見離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，液體在離心力的作用下獲得了能量以提高壓強(qiáng)。
離心泵啟動(dòng)時(shí)，若泵內(nèi)存有空氣，由于空氣密度很低，旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的離心力小，因而葉輪中心區(qū)所形成的低壓不足以將貯槽內(nèi)的液體吸入泵內(nèi)，雖啟動(dòng)離心泵也不能輸送液體。此種現(xiàn)象稱為氣縛，表示離心泵無(wú)自吸能力，所以在啟動(dòng)前必須向殼內(nèi)灌滿液體。離心泵裝置中吸入管路韻底閥的作用是防止啟動(dòng)前灌入的液體從泵內(nèi)流出，濾網(wǎng)可以阻攔液體中的固體顆粒被吸入而堵塞管道和泵殼。
(二)離心泵的主要部件
離心泵由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：一是包括葉輪和泵軸的旋轉(zhuǎn)部件：一是由泵殼，填料函和軸承組成的靜止部件。但其中最主要的部件是葉輪和泵殼。下面分別簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)和作用。
1.葉輪
葉輪是離心泵的關(guān)鍵部件，因?yàn)橐后w從葉輪獲得了能量，或者說葉輪的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳給液體，使通過離心泵的靜壓能和動(dòng)能均有所提高。

（a）閉式	（b）半閉式	（c）開式
圖2-2 離心泵的葉輪
葉輪通常由6～12片的后彎葉片組成。按其機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為開式、半閉式和閉式三種葉輪，如圖2-2所示。葉片兩稠帶有前、后蓋板的稱為閉式葉輪，它適用于輸送清潔液體，一般離心泵多采用這種葉輪。沒有前，后蓋板，僅由葉片和輪轂組成的稱為開式葉輪。只有后蓋板的稱為半團(tuán)式葉輪。開式和半閉式葉輪由于流道不易堵塞，適用于糟褪含有固體顆粒的液體懸浮液。但是由于沒有蓋板，液體在葉片間流動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生倒流，故這類泵的效率較低。
閉式或半閉式葉輪在操作時(shí)，離開葉輪的一部分高壓液體可滑入葉輪與泵殼之間的兩側(cè)空腔中，而因葉輪前側(cè)液體吸入口處為低壓，故液體作用于葉輪前、后兩側(cè)的壓力不等，便產(chǎn)生了指向葉輪吸入口側(cè)的軸向推力。該力使葉輪向吸入口側(cè)竄動(dòng)，引起葉輪和泵殼接觸處的磨損，嚴(yán)重時(shí)造成泵的振動(dòng)，破壞泵的正常操作。為了平衡軸向推力，最簡(jiǎn)單的方法是在葉輪后蓋板上鉆一些小孔(見圖2-3a中的1)。這些小孔稱為平衡孔。它的作用是使后蓋板與泵殼之踐諾空腔中的一部分高壓液體漏到前側(cè)的低壓區(qū)，以減少葉輪兩鍘的壓力差，從而平衡了部分軸向推力，但同時(shí)也會(huì)降低泵的效率。
葉輪按其吸液方式不同可分為單吸式和雙吸式兩種，如圖2-3所示。單吸式葉輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液體只能從葉輪一側(cè)被吸入。雙吸式葉輪可同時(shí)從葉輪兩側(cè)對(duì)稱地吸入液體。顯然，雙吸式葉輪不僅具有較大的吸液能力，而且可基本上消除了軸向推力。
2.泵殼
離心泵的泵殼通常制成蝸牛形；故又稱為蝸殼，如圖2-4中的1所示。葉輪在泵殼內(nèi)沿著蝸形通道逐漸擴(kuò)大的方向旋轉(zhuǎn)，愈接近液體的出口，流道截面積愈太。液體從葉輪外周高速流出后，流過泵殼蝸形通道時(shí)流速將逐漸降低，因此減少了流動(dòng)能量損失，且使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能。所以泵殼不僅是匯集由葉輪流出的液體的部件，而且又是一個(gè)轉(zhuǎn)能裝置。
為了減少液體直接進(jìn)入泵殼時(shí)因碰撞引起的熊量損失，在葉輪與泵殼之間聲時(shí)還裝有一個(gè)固定不動(dòng)而帶有葉片的導(dǎo)輪，如圖2-4中的3所示。由于導(dǎo)輪具有若干逐漸轉(zhuǎn)向和擴(kuò)大的流道，使部分動(dòng)能可轉(zhuǎn)換為靜壓能，且可減少能量損失。
（a）（b）（c）
圖2-3 離心泵的吸液方式圖2-4 泵殼與導(dǎo)輪
此外，由于泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)而泵殼固定不動(dòng)，軸穿過泵殼處必定會(huì)有間隙。為防止泵內(nèi)高壓液體沿間隙漏出，或外界空氣以相反方向漏入系內(nèi)，必須設(shè)置軸封裝置。普通離心泵所采用的軸封裝置是填料函，即將泵軸穿過泵殼的環(huán)隙作成密封圈，于其中填入軟填料(例如浸油或涂石墨的石棉繩)，以將泵殼內(nèi)，外隔開，而泵軸仍能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)于輸送酸、堿以及易燃、易爆、有毒的液體，對(duì)密封要求較高。既不允許漏入空氣，又力求不讓液體滲出。近年來已廣泛采用機(jī)械密封裝置。它是由一個(gè)輻在轉(zhuǎn)軸上的動(dòng)環(huán)和另一固定在泵殼上的靜環(huán)所構(gòu)成，屑環(huán)的端畫借彈簧力耳相貼緊而作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到了密封的作用。

二、離心泵的基本方程式
離心泵基本方程式從理論上表達(dá)了泵的壓頭與其結(jié)構(gòu)，尺寸、轉(zhuǎn)速及流量等因素之間的關(guān)系，它是用于計(jì)算寓心泵理論壓頭的基本公式。
離心泵的理論壓頭是指在理想情況下離心泵可能達(dá)到的最大壓頭。所謂理想情況就是：(1)葉輪為具有無(wú)限多葉片(葉片的厚度當(dāng)然為無(wú)限薄)的理想葉輪，因此液體質(zhì)點(diǎn)將完全沿著葉片表面而流動(dòng)，(2)被輸送的液體是理想液體，因此無(wú)帖性韻液體在葉輪內(nèi)流動(dòng)時(shí)不存在流動(dòng)阻力。這樣，離心泵的理論壓頭就是具有無(wú)限多葉片的離心泵對(duì)單位重量的理想液體所提供的能量。顯然，上述假設(shè)是為了便于分析研究液體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，從而導(dǎo)出離心泵的基本方程式。
(一)液體通過葉輪的流動(dòng)
離心泵工作時(shí)，液體一方面隨葉輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又經(jīng)葉輪流道向外流動(dòng)，因此液體在葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況是十分復(fù)雜的。
如圖2-5所示，液體質(zhì)點(diǎn)沿著軸向以絕對(duì)速度c0進(jìn)入葉輪，在葉片入口處轉(zhuǎn)為徑向運(yùn)動(dòng)．此時(shí)液體一方面以圓周速度u1隨葉輪旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向與液體質(zhì)點(diǎn)所在處的圓周的切線方向一致，大小與所在處的半徑及轉(zhuǎn)速有關(guān)，另一方面以相對(duì)速度ul在葉片間作相對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向是液體質(zhì)點(diǎn)所在處的葉片切線方向，大小與液體流量及流動(dòng)的形馱有關(guān)。兩者的合速度為絕對(duì)速度c1，此即為液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于泵殼(固定于地面)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)建度。同樣，在葉片出口處，圓周速度為u2，相對(duì)速度為w2，兩者的合速度即為液體在葉輪出口；處的絕對(duì)速度c2。

圖2-5 液體在離心泵中的流動(dòng)
由上述三個(gè)速度所組成的矢量圖，稱為速度三角形。如圖2-5中出口速度三角形所示，a表示絕對(duì)速度與圓周速度兩矢量之間的夾角，β表示相對(duì)速度與圓周速度反方向延線的夾角，一般稱之為流動(dòng)角。α及β的大小與葉片的形狀有關(guān)。根據(jù)速度三角形可確定各速度向的數(shù)量關(guān)系。由余弦定律得知：
（2-1）
（2-1a）
由此可知，葉片的形狀影響液體在泵內(nèi)的流動(dòng)情況以及離心泵的性能。
(二)離心泵基本方程式的推導(dǎo)
離心泵基本方程式可由離心力作功推導(dǎo)，但更普遍的是根據(jù)動(dòng)量理論求得。關(guān)于動(dòng)量矩在力學(xué)中有以下的定理：“單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)于流動(dòng)流體某一中心的動(dòng)量矩的增量，等于作用于其中心的力矩的增量?！?
參照?qǐng)D2-5，由上述定理可求得離心泵葉片進(jìn)口和出口間的力矩增量，即：
（2-2）
下標(biāo)1、2分別表示葉片進(jìn)口和出口。
由圖2-5可知：
l1=R1cosα1（2-3）
l2=R2cosα2（2-3a）
將上兩式代入式2-2，得：
（2-4）
從力矩定義知：在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中，單位時(shí)間內(nèi)葉輪對(duì)液體所作的功等于同一時(shí)間內(nèi)液體從葉片進(jìn)口處流到葉片出口處的力矩增量和葉輪旋轉(zhuǎn)角速度的乘積，即：
N=ωΔM（2-5）
對(duì)于無(wú)能量損失的理想葉輪，由葉輪提供的外功應(yīng)等于液體所獲得的能量，即：
ωΔM=Hr∞QTρg（2-6）
聯(lián)合式2-4和式2-6，并整理得：
（2-7）
故
（2-8）
式2-8即為離心泵的基本方程式。在離心泵韻設(shè)計(jì)中，為提高理論壓頭，—般使α1=90度，則costα1=0，故式2-8可簡(jiǎn)化為：
（2-8a）
為了說明離心泵的工作原理，可將式2-8作進(jìn)一步變換。將式2-1代入式2-8,并整理得：
（2-9）
式2-9為離心泵基本方程式的另一表達(dá)形式，說明離心泵的理論壓頭由兩部分組成，一部分是液體流經(jīng)葉艷后所增加的靜壓頭，以Hp表示，另一部分是流體流經(jīng)葉輪后所增加的動(dòng)壓頭，以Hc表示，即
（2-10）
（2-10a）
式2-10中等號(hào)右側(cè)的第一項(xiàng)是代衷由于葉輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所增加的靜壓頭，第二項(xiàng)是由于葉片間的流道截面逐漸擴(kuò)大，致使液體相對(duì)速度減小所增加的靜壓頭。而Hc中將有一部分動(dòng)壓頭在液體流徑蝸殼和導(dǎo)輪后轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓頭。

(三)離心泵基本方程式的討論
為了能明顯地看出影響離心泵理論壓頭的因素，需要將式2-8a作進(jìn)一步變換。理論流量可表示為在葉輪出口處的液體徑向速度和葉片末端圓周出口面積之乘積，即：
（2-11）
從圖2-5中出口速度三角形可知：
（2-12）
由式2-11、式2-12和式2-8a可得：
（2-13）
式2-13為離心泵基本方程式的又一表達(dá)形式，表示離心泵的理論壓頭與理論流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片的兀何形狀之間的關(guān)系。下面分別討論各項(xiàng)影響因素。
1．葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑
由式2-13和式2-14可看出，當(dāng)理論流量和葉片幾何尺寸(b2，β2)一定時(shí)，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速、直徑的增加而加大。
2．葉片的幾何形狀
根據(jù)流動(dòng)角β的大小，可將葉片形狀分為后彎、徑向和前彎葉片三種，如圖2-6所示。

（a）后彎葉片	（b）徑向葉片	（c）前彎葉片
圖2-6 葉片形狀及出口速度三角形
由式2-8a可知，當(dāng)葉輪的直徑和轉(zhuǎn)速、葉片的寬度及理論流量一定時(shí)，離心汞的理論壓頭隨葉片的形狀而變。
后彎葉片 β2<90度，ctgβ2>0,Hl∞<u22/g
徑向葉片 β2=90度，ctgβ2=0，Hl∞=u22/g
前彎葉片 β2>90度，ctgβ2<0，Hl∞>u22/g
由上可見，前彎葉片所產(chǎn)生的理論壓頭最大。但是離心泵實(shí)際上多采用后彎葉片，其原因如下：離心泵的理論壓頭包括靜壓頭和動(dòng)壓頭兩部分，而對(duì)輸送液體而言，希望獲得的是靜壓頭，而不是動(dòng)壓頭。雖在蝸殼和導(dǎo)輪中有部分動(dòng)壓頭可轉(zhuǎn)換為靜壓頭，但因流速過大必伴隨有較大的能量損失。理論壓頭中靜壓頭和動(dòng)壓頭的比例隨β2的大小而變，圖2-7表示HT∞、Hp和β2的關(guān)系曲線。由圖可見，隨β2加大而HT∞不斷增大；但Hp隨β2的變化卻不同，在β2<90度時(shí)，Hp隨β2加大而增大，且Hp在HT∞中占有較大的比例，在β2=90度時(shí)，Hp和Hc所占的比例大致相當(dāng)，在β2>90時(shí)，Hp所占比例較少，大部分是Hc，β2大至某一值后，Hp=0，此時(shí)HT∞=Hc。由此可知，當(dāng)β2>90度時(shí)，不僅靜壓頭相對(duì)地較后彎葉片的低，而且因液體出口絕對(duì)速度c2較大導(dǎo)致液體在泵內(nèi)產(chǎn)生的渦流較劇烈，能量損失增大。因此為提高離心泵的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，宜采用后彎葉片。
3．理論流量
若離心泵的幾何尺寸(D2、b2，β2)和轉(zhuǎn)速(n)一定，則式2-8a可表示為：
（2-15）
應(yīng)予指出，前面討論的是理想液體通過理想葉輪時(shí)的HT∞-QT關(guān)系曲線，稱為離心泵的理論特性曲線。實(shí)際上，葉輪的葉片數(shù)目是有限的，且輸送的是實(shí)際液體。因此，液體并非完全沿葉片彎曲形狀運(yùn)動(dòng)，而且在流道中產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向不一致的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為軸向渦流。于是，實(shí)際的圓周速度u2和絕對(duì)速度c2都較理想葉輪的為小，致使泵的壓頭降低。同時(shí)實(shí)際液體流過葉片的間隙和泵內(nèi)通道時(shí)必然伴有各種能量損失，因此離心泵的實(shí)際壓頭H必小于理論壓頭HT∞。另外由于泵內(nèi)存在有各種泄漏損失，離心泵的實(shí)際流量Q也低于理論流量QT。所以離心泵的實(shí)際壓頭和實(shí)際流量(簡(jiǎn)稱為離心泵的壓頭和流量)關(guān)系曲線應(yīng)在HT∞-QT關(guān)系曲線的下方，如圖2-9所示。離心泵的H-Q關(guān)系曲線通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

圖2-9 離心泵H-Q關(guān)系曲線

三、離心泵的性能參敷與特性曲線
要正確地選擇和使用離心泵，就必需了解泵的性能和它們之間的相互關(guān)系。離心泵的主要性能有流量，壓頭、軸功率、效率和氣蝕余量等。離心泵性能間的關(guān)系通常用特性曲線來表示。
(一)離心泵的性能參數(shù)
1．流量
離心泵的流量是指離心泵在單位時(shí)間內(nèi)排送到管路系統(tǒng)的液體體積，常用單位為1/s或m3/h。離心泵的流量與泵的結(jié)構(gòu)、尺寸(主要為葉輪直徑和寬度)及轉(zhuǎn)速等有關(guān)。應(yīng)予指出，離心泵總是和特定的管路相連系的，因此離心泵的實(shí)際流量還與管路特性有關(guān)。
2．壓頭
離心泵的壓頭又稱揚(yáng)程，它是指離心泵對(duì)單位重量(1N)的液體所能提供的有效搬量，其單位為m。離心泵的壓頭與泵的結(jié)構(gòu)(如葉片的彎曲情況，葉輪直徑等)、轉(zhuǎn)速及沈量有關(guān)。對(duì)于一定的泵和轉(zhuǎn)速，壓頭與流量間具有一定的關(guān)系。
如前所述，離心泵的理論壓頭可用離心泵的基本方程式計(jì)算。實(shí)際上由于液體在泵內(nèi)的流動(dòng)情況較復(fù)雜，因此目前尚不能從理論上計(jì)算泵的實(shí)際壓頭，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
3．效率
離心泵在輸送液體過程中，當(dāng)外界能量通過葉輪傳給液體時(shí)，不可避免地會(huì)有能量損失，即由原動(dòng)機(jī)提供給泵軸的能量不能全部為液體所獲得，致使泵的有效壓頭和流量都較理論值為低，通常用效率來反映能量損失。
離心泵的能量損失包括以下幾項(xiàng)：
(1)容積損失容積損失是指泵的泄漏所造成的損失。對(duì)離心泵可能發(fā)生泄漏的地點(diǎn)很多，例如密封環(huán)，平衡孔及密封壓蓋等(如圖2-10所示)。這樣，一部分已獲得能量的高壓液體通過這些部位被泄漏，致使泵排送到管路系統(tǒng)的液體流量少于吸入量，并多消耗了部分能量。容積損失主要與泵的結(jié)構(gòu)及液體在泵進(jìn)、出口處的壓強(qiáng)差有關(guān)。容積損失可由容積效率η來表示。
(2)機(jī)械損失由泵軸與軸承之間、泵軸與填料函之間以及葉輪蓋板外表面與液體之間產(chǎn)生的摩擦而引起的能量損失稱為機(jī)械損失，可用機(jī)械效率ηm來皮映這種損失，其值一般為0.96～0.99。
(3)水力損失粘性液體流經(jīng)葉輪通道和蝸殼時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力以及在泵局部處因流速和方向改變引起的環(huán)流和沖擊而產(chǎn)生的局部阻力，統(tǒng)稱為水力損失。這種損失使泵的有效壓頭低于理論壓頭，可用水力效率ηh，來反映。水力損失與泵的結(jié)構(gòu)、流量及液體的性質(zhì)等有關(guān)。
應(yīng)予指出，離心泵在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容積損失和機(jī)械損失可近似地視為與流量無(wú)關(guān)，但水力損失則隨流量變化而改變。在水力損失中，摩擦損失^，大致與流量的平方成正比，而環(huán)流、沖擊損失ht與流量的關(guān)系如下：若在某一流量Qη下，液體的流動(dòng)方向恰與葉片的入口角相一致，這時(shí)損失最小，而當(dāng)流量小于或大于Qη時(shí)，損失都將增大。圖2-11表示水力損失隨流量的變化關(guān)系。額定流量Q，下離心泵的水力效率一般為0.8～0.9。

圖2-10 離心泵的泄漏損失	圖2-11 水力效率與流量的關(guān)系
離心泵的效率反映上述三項(xiàng)能量損失的總和，故又稱為總效率。因此總效率為上述三個(gè)效率的乘積。
由上面的牢性分析可知，離心泵的效率在某一流量(對(duì)正確設(shè)計(jì)的泵，該流量與設(shè)計(jì)流量相符合)下為最高，而小于或大于該流量時(shí)η都將降低。通常將最高效率下的流量稱為額定流量。
離心泵的效率與泵的類型、尺寸、制造精密程度、液體的流量和性質(zhì)等有關(guān)。一般小型離心泵的效率為50～70％，大型泵可高達(dá)90％。
4．軸功率
離心泵的軸功率是指泵軸所需的功率。當(dāng)泵直接由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)時(shí)，它即是電機(jī)傳給泵軸的功率，單位為W或kW。離心泵的有效功率是指液體從葉輪獲得的能量。由于存在上述三種能量損失，故軸功率必大于有效功率，即：
N=Nc/η（2-17）
離心泵的軸功率用kW來計(jì)量，則：
N=QHρ/102η （2-19）

(二)離心泵的特性曲線
前已述及，離心泵的主要性能參數(shù)是流量Q、壓頭H、軸功率N及效率η，其間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，測(cè)出的一組關(guān)系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性舶曲線，此曲線由泵的制造廠提供，并附于泵樣本或說明書中，供使用部門選泵和操作時(shí)參考。
圖2-12為國(guó)產(chǎn)4B20型離心水泵在n=2900r/min時(shí)的特性曲線，由H-Q，N-Q及η-Q三條曲線所組成。特性曲線隨轉(zhuǎn)速而變，故特性曲線圖上一定要標(biāo)出實(shí)驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速。各種型號(hào)的離心泵有其本身獨(dú)自的特性曲線，但它們都具有以下的共同點(diǎn)：
(1)H-Q曲線表示泵的壓頭與流量的關(guān)系。離心泵的壓頭一般是隨流量的增大而下降(在流量極小時(shí)可能有例外)。
(2)N-Q曲線衷示泵的軸功率與流量的關(guān)系。離心泵的軸功率隨流量的增大而上升，流量為零時(shí)軸功率最小。所以離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使啟動(dòng)電流減少，以保護(hù)電機(jī)。
(3)η-Q曲線表示泵的效率與流量的關(guān)系。由圖2-12所示的特性曲線可看出，當(dāng)Q=0時(shí)，η=0，隨著流量增大，泵的效率隨之而上升并達(dá)到一最大值，此后隨流量再增大時(shí)效率便下降。說明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有—最高效率點(diǎn)，通常稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)。泵在與最高效率相對(duì)應(yīng)的流量及壓頭下工作最為經(jīng)濟(jì)，所以與最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H、N植稱為最佳工況參數(shù)。離心泵的銘牌上標(biāo)出的性能參數(shù)就是指該泵在運(yùn)行時(shí)效率最高點(diǎn)的性能參數(shù)。根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定—個(gè)工作范圍，稱為泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的92％左右，如圖中波折號(hào)所示的范圍。選用離心泵時(shí)，應(yīng)盡可能使泵在此范圍內(nèi)工作。
【例2-2】采用本題附圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)定離心泵的性能。泵的吸入管內(nèi)徑為lOOmm，排出管內(nèi)徑為80mm，兩測(cè)壓口間垂直距離為0.5m。泵的轉(zhuǎn)速為2900r/min，以20℃清水為介質(zhì)測(cè)得以下數(shù)據(jù)：
流量，l/s 15
泵出口處表壓，Pa 2.55×105
泵入口處真空度，Pa 2.67×104
功率表測(cè)得電動(dòng)機(jī)所消耗的功率，kW 6.2
泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的效率為93％。試求該泵在輸送條件下的壓頭，軸功率和效率。
例2-2附圖
解：(1) 泵的壓頭真空計(jì)和壓強(qiáng)表所在處的截面分別以l-1′和2-2′表示，在兩截面間列以單位重量液體為衡算基準(zhǔn)的柏努利方程式，即：

兩測(cè)壓口間的管路很短，其間流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)，即Hf，1-2=0。
故泵的壓頭為：

(2) 泵的軸功率功率表測(cè)得的功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，由于泵為電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，傳動(dòng)效率可視為100％，所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率。因電動(dòng)機(jī)本身消耗部分功率，其效率為93%，于是電動(dòng)機(jī)輸出功率為：
電動(dòng)機(jī)輸入功率×電動(dòng)機(jī)效率=6.2×0.93=5.77kW
泵的軸功率為，N=5.77kW
（3）泵的效率由式2-19知：

四、離心泵的性能的改變和換算

泵的生產(chǎn)部門所提供的離心泵特性曲線一般都是在一定轉(zhuǎn)速和常壓下，以常溫的清水為工質(zhì)做實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。化工生產(chǎn)中，所輸送的液體是多種多樣的，即使采用同一泵輸送不同的液體，由于各種液體的物理性質(zhì)(例如密度和粘度)不同，泵的性能就要發(fā)生變化，此外，若改變泵的轉(zhuǎn)速或葉輪直徑，泵的性能也會(huì)發(fā)生變化。因此，生產(chǎn)部門所提供的特性曲線，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行換算。

（一)液體物性的影響

1．密度的影響

由離心泵的基本方程可看出，離心泵的壓頭，流量均與液體的密度無(wú)關(guān)，故泵的效率亦不隨液體的密度而改變，所以離心泵特性曲線中的H-Q及η-Q曲線保持不變。但是泵的軸功率隨液體密度而改變。因此，當(dāng)被輸送液體的密度與水的不同時(shí)，原離心泵特性曲線中的N-Q曲線不再適用，此時(shí)泵的軸功率可按式2-19重新計(jì)算。

2．粘度的影響

若被輸送液體的粘度大于常溫下清水的粘度，則泵體內(nèi)部液體的能量損失增大，因此泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率增大，亦即泵的特性曲線發(fā)生改變。當(dāng)液體的運(yùn)動(dòng)粘度γ大于20cSt時(shí)，離心泵的性能需按下式進(jìn)行換算，即：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-20）

式2-20中的換算系數(shù)可由圖2-13及圖2-14查得。該兩圖是分別根據(jù)Φ50～200mm和Φ20～70mm的單級(jí)離心泵進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)的平均值畫出的。兩圖均僅適用于牛頓型流體，且只能在刻度范圍內(nèi)使用，不能采用外推法。用于多級(jí)離心泵時(shí)，應(yīng)采用每一級(jí)的壓頭。圖2-13中的Qs是表示輸送清水時(shí)最高效率點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的流量，稱為額定流量，單位為m3/min。換算時(shí)查圖方法見例2-3。

(二)離心泵轉(zhuǎn)速的影響

離心泵的特性曲線都是在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)定的，但在實(shí)際使用時(shí)常遇到要改變轉(zhuǎn)速的情況，這時(shí)泵內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)速度三角形將發(fā)生變化，因此泵盼壓頭，流量、效率和軸功率也隨之改變。當(dāng)液體的粘度不大、且假設(shè)泵的效率不變時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下泵的流量、壓頭，軸功率與轉(zhuǎn)速的近似關(guān)系為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-21）

式2-21稱為離心泵的比例定律。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速變化小于±20％時(shí)，泵的效率可以視為不變，用上式進(jìn)行計(jì)算誤差不大。

若在轉(zhuǎn)速為nl的特性曲線上多選幾個(gè)點(diǎn)，利用比例定律算出轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果標(biāo)繪在坐標(biāo)紙上，即可得到轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的離心泵特性曲線。

(三)離心泵葉輪直徑的影響

由離心泵的基本方程式可知，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其壓頭、流量與葉輪直徑有關(guān)。若對(duì)同一型號(hào)的泵，可換用直徑較小的葉輪，而其它尺寸不變(僅是出口處葉輪的寬度稍有變化)，這種現(xiàn)象稱為葉輪的“切割”。當(dāng)葉輪直徑變化不大，而轉(zhuǎn)速不變時(shí)，葉輪直徑和泵的流量，壓頭軸功率之間的近似關(guān)系為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-22）

式2-22稱為離心泵的切割定律。該式只有在葉輪直徑的變化不大于20％時(shí)才適用。

若不僅泵的葉輪直徑發(fā)生變化，而且葉輪的其它尺寸也發(fā)生相應(yīng)的改變，即在相似的工況下，泵的性能與葉輪直徑之間的關(guān)系為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-23）

應(yīng)注意式2-22和式2-23的應(yīng)用條件。

【例2-3】某離心泵輸送水的特性曲線如本題附圖所示，最高效率下相應(yīng)的流量為

2.84m3/min、壓頭為30.5m。若用此泵輸送密度為900kg/m3、粘度為220cSt的油品，試作出該泵輸送油晶時(shí)的特性曲線。

解：用式2-20計(jì)算該泵輸送油品時(shí)的性能，即：

Q′=C0Q H′=CHH η′=Cηη

式中各換算系數(shù)可由圖2-13查取。

在圖2-13中，壓頭換算系數(shù)有四條曲線，分別表示輸送清水時(shí)的額定流量Qs的0.6、0.8，1.0及1.2倍時(shí)的壓頭換算系數(shù)。由題意知Qs為2.84m3/min，則可從本題附圖的特性曲線中分別查出0.6Qs、0.8Qs、1.0Qs及1.2Qs下所對(duì)應(yīng)的H及η值，并列于本題附表1中，以備下一步查CH值之用。

例2-3 附表1

項(xiàng)目

0.6Qs

0.8Qs

1.0Qs

1.2Qs

Q，m3/min

1.70

2.27

2.84

3.40

H,m

34.3

33.0

30.5

26.2

η，%

72.5

79.5

以Q=1.0Qs=2.84m3/min為例，由圖2-13查出各性能的換算系數(shù)，其查圖方法如圖2-13中的虛線所示。在橫坐標(biāo)上自Q=2.84m3/min的點(diǎn)向上作垂線與壓頭H=30.5m的斜線相交，由交點(diǎn)引水平線與粘度為220cSt的粘度線相交，從此交點(diǎn)再垂直向上作直線分別與Cη、CQ及Q=1.OQs所對(duì)應(yīng)的CH曲線相交，各交點(diǎn)的縱坐標(biāo)為相應(yīng)的粘度換算系數(shù)值，即：Cη=O.635；CQ=0.95；CH=0.92。

于是可計(jì)算砌輸送油品時(shí)的性能為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

輸送油品時(shí)的軸功率可按式2-19計(jì)算，即：

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例2-3 附表2

五、離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上高度

(一)離心泵的氣蝕現(xiàn)象

電離心泵的工作原理可知，在離心泵葉輪中心(葉片入口)附近形成低壓區(qū)，：讓氣壓強(qiáng)與泵的吸上高度密切相關(guān)。如圖2-15所示，當(dāng)貯液池上布?jí)簭?qiáng)一定時(shí)，若奉吸入口附近壓強(qiáng)越低，則吸上高度就越高。但是吸入口的低壓是有限的，這是因?yàn)楫?dāng)葉片入口附近的最低壓強(qiáng)等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將在該處汽化并產(chǎn)生氣泡，它隨同液體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)；氣泡在高壓作用下迅速凝結(jié)成破裂，此時(shí)周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，在沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生幾萬(wàn)kPa的壓強(qiáng)，沖擊頻率可高達(dá)幾萬(wàn)次之多；由于沖擊作用使泵體震動(dòng)并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面疲勞，從開始點(diǎn)蝕到形成裂縫，使葉輪或泵殼受到破壞。這種現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象。氣蝕發(fā)生時(shí)，由于產(chǎn)生大量的氣泡，占據(jù)了液體流道的部分空間，導(dǎo)致泵的流量、壓頭及效率下降。氣蝕嚴(yán)重時(shí)，泵則不能正常操作。因此，為了使離心泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)避免產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，這就要求葉片入口附近的最低壓強(qiáng)必須維持在某一值以上，通常是取輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓作為最低壓強(qiáng)。應(yīng)予指出，在實(shí)際操作中，不易確定泵內(nèi)最低壓強(qiáng)的位置，而往往以實(shí)測(cè)泵入口處的壓強(qiáng)，考慮一安全量后作為泵入口處允許的最低壓強(qiáng)。

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圖2-15 離心泵的吸液示意圖

(二)離心泵的允許吸上高度

離心泵的允許吸上高度又稱為允許安裝高度，是指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離，以Hg表示。顯然，為了避免氣蝕現(xiàn)象，泵的安裝高度必須受到限制。

在圖2-15中，假設(shè)離心泵在可允許的安裝高度下操作，于貯槽液面0-0′與泵入口處1-1′兩截面間列柏努利方程式，可得：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-24）

為了確定離心泵的允許安裝高度，在國(guó)產(chǎn)的離心泵標(biāo)準(zhǔn)中，采用兩種指標(biāo)來表示泵的抗氣蝕性能(即吸上性能)，下面分別討論它們的意義和計(jì)算方法。

1．離心泵的允許吸上真空度

如前所述，為避免氣蝕現(xiàn)象，泵入口處壓強(qiáng)p1應(yīng)為允許的最低絕對(duì)壓強(qiáng)。但習(xí)慣上常把p1示為真空度，若大氣壓為pa，則泵入口處的最高真空度為(pa-p1)，單位為Pa。若真空度以輸送液體的液柱高度來計(jì)量，則此真空度稱為離心泵的允許吸上真空度，以Hs′來表示，即：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-26）

應(yīng)予指出，Hs′既然是真空度，其單位應(yīng)是壓強(qiáng)的單位，通常以m液柱來表示。在水泵的性能表里一般把它的單位寫成m(實(shí)際上應(yīng)為mH2O)，這一點(diǎn)應(yīng)特別注意，免得在計(jì)算時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。但是以m液柱表示的Hs′也具有靜壓頭的物理概念，因此，可將式2-26代入式2-25，得：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-27）

上式為離心泵允許吸上高度(即允許安裝高度)的計(jì)算式，應(yīng)用時(shí)必須已知允許吸上真空度Hs′的數(shù)值。Hs′值越大，表示該泵在一定操作條件下抗氣蝕性能好，安裝高度Hg越高。Hs′與泵的結(jié)構(gòu)、流量、被輸送液體的物理性質(zhì)及當(dāng)?shù)卮髿鈮旱纫蛩赜嘘P(guān)，通常由泵的制造工廠實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)是在大氣壓為10mH2O(9.81×104Pa)下，以20℃的清水為介質(zhì)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)值列在泵樣本或說明書的性能表上，有時(shí)在一些泵的特性曲線上也畫出了Hs′-Q曲線(見圖2-16)，表示Hs′隨流量的變化情況。Hs′隨Q增大而減小，因此在確定離心泵安裝高度時(shí)應(yīng)使用泵最大流量下的Hs′來進(jìn)行計(jì)算。

若輸送其它液體，且操作條件與上述韻實(shí)驗(yàn)條件不符時(shí)，可按下式對(duì)水泵性能表上的值進(jìn)行換算。

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★ （2-28）

若將式2-27中的Hs′換以Hs，便可求得在操作條件下，輸送液體時(shí)泵的允許安裝高度。

表2-1 不同海拔高度的大氣壓強(qiáng)

海拔高度，m

100

200

300

400

500

600

700

800

1000

1500

2000

2500

大氣壓強(qiáng)，mH2O

10.33

10.2

10.09

9.95

9.85

9.74

9.6

9.5

9.39

9.19

8.64

8.15

7.62

2．氣蝕余量
由上討論可知，離心泵的允許吸上真空度隨輸送液體的性質(zhì)和溫度以及泵安裝地區(qū)的大氣壓強(qiáng)而變，使用時(shí)不太方便。通常采用另一個(gè)抗氣蝕性能的參數(shù)，即允許氣蝕余量，以Δh表示，其值可在離心油泵的性能表中查得。
通常，允許氣蝕余量的定義為：為防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在離心泵入口處液體的靜壓頭與動(dòng)壓頭p1/ρg與動(dòng)壓頭u12/2g之和必需大于液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓頭pv/ρg某一最小值，即：
（2-29）

圖2-16
式2-29即為氣蝕余量的定義式。式中pl即為離心泵入口處所需要的最小壓強(qiáng)。
前已指出，泵內(nèi)發(fā)生氣蝕的臨界條件是葉輪入口附近(截面k-k′)最小壓強(qiáng)等于液體的飽和蒸氣壓p，此時(shí)泵入口處(截面1-1′)壓強(qiáng)必等于某確定的最小值p1。若在截面1-1′和截面k-k′間列柏努利方程式，可得：
（2-30）
比較式29和30可得：
（2-31）
由上式可以看出，當(dāng)流量一定且流體流動(dòng)為阻力平方區(qū)時(shí)，氣蝕余量Δh僅與泵的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，是泵抗氣蝕性能參數(shù)。
將式2-29代入式2-24，并整理得：
（2-32）
式中的p0為吸入槽內(nèi)液面上方的壓強(qiáng)，單位為Pa。若貯槽為敞口，則p0=pa
式2-32為離心泵允許吸上高度的另一計(jì)算式。
離心泵的允許氣蝕余量Δh值也是由生產(chǎn)泵的工廠通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，并將其值列于泵的性能表上。在一些離心油泵的特性曲線圖上，有時(shí)也繪出Δh與Q的變化關(guān)系曲線，如圖2-16中Δh～Q曲線所示。由圖可見，Δh隨Q增大而增大。因此計(jì)算允許安裝高度時(shí)應(yīng)取高流量下的Δh值。應(yīng)當(dāng)說明，泵性能表所列的Δh值也是按輸送20℃的清水測(cè)定出來的，當(dāng)輸送其它液體時(shí)應(yīng)乘以校正系數(shù)予以校正。但因一般校正系數(shù)小于1，故把它作為外加的安全因數(shù)，不再校正。
根據(jù)泵性能麥上所列的是允許吸上真空度Hs′抑或是允許氣蝕余量，柑應(yīng)地選用式2-27或式2-32以計(jì)算離心泵的允許吸上高度。通常為安全起見，離心泵的實(shí)際吸上高度，即實(shí)際安裝高度應(yīng)比允許吸上高度小(0.5～1)m。

【例2-4】用3B33型水泵從一敞口水槽中將水送到它處，槽內(nèi)液面恒定。輸水量為45～55m3/h，在最大流量下吸入管路的壓頭損失為1m，液體在吸入管路的動(dòng)壓頭可忽略。試計(jì)算：(1)輸送20℃水時(shí)察的安裝高度。(2)輸送65℃水時(shí)泵的安裝高度。
解：(1)輸送20℃水時(shí)泵的安裝高度根據(jù)式2-27計(jì)算泵的允許安裝高度，即：

在確定泵的安裝高度時(shí)，應(yīng)以最大輸送量所對(duì)應(yīng)的Hsb值為依據(jù)，以便保證離心泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，故取Hs′=3mH2O。
由于輸送20℃的清水，且泵安裝地區(qū)的大氣壓為9.81×104Pa，故
Hs=3-1=2m
為安全起見，泵的實(shí)際安裝高度應(yīng)該小于2m。
(2)輸送65℃水時(shí)泵的安裝高度此時(shí)不能直接采用泵性能表中的Hsb值計(jì)算泵的允許安裝高度，需按式2-28對(duì)Hsb進(jìn)行換算，即：


Hs為負(fù)值，表示泵應(yīng)安裝在水面以下，至少比貯槽水面低0.35m。
【例2-5】用離心油泵從貯罐向反應(yīng)器輸送液態(tài)異丁烷。貯罐內(nèi)異丁烷液面恒定。其上方絕對(duì)壓強(qiáng)為6.65kgf/cm2。泵位于貯罐被面以下1.5m處，吸入管路的全部壓頭損失為1.6m。異丁烷在輸送條件下的密度為530kg/m3，飽和蒸氣壓為6.5kgf/cm2。在泵的性能表上查得，輸送流量下泵的允許氣蝕余量為3.5m；試確定該泵能否正常操作。
解：根據(jù)已知條件考慮泵能否正常操作，就應(yīng)該核算泵的安裝高度是否合適，即能否避免氣蝕現(xiàn)象?？上扔檬?-32計(jì)算允許安裝高度，以便和實(shí)際安裝高度進(jìn)行比較。

故

已知泵的實(shí)際安裝高度為-1.5m。大于上面的計(jì)算結(jié)果，說明泵的安裝位置太高，在輸送過程中會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，使泵不能正常操作。
由以上兩例可看出，當(dāng)液體的輸送溫度較高或沸點(diǎn)較低時(shí)，由于液體的飽和蒸氣壓較高，就要特別注意泵的安裝高度。若泵的允許安裝高度較低，可采用下列措施：
(1)盡量減小吸入管路的壓頭損失，可采用較大的吸入管徑，縮短吸入管的長(zhǎng)度，減少拐彎，并省去不必要的管件和閥門等。
（2)把泵安裝在貯罐液面以下，使液體利用位差自動(dòng)灌入泵體內(nèi)。

六、離心泵的工作點(diǎn)與調(diào)節(jié)
(一)管路特性曲線與泵的工作點(diǎn)
當(dāng)離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)中工作時(shí)，實(shí)際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關(guān)，述與管路的特性有關(guān)，即在輸送液體的過程中，泵和管路是互相制約的。所以，在討論泵的工作情況前，應(yīng)先了解與之相連系的管路狀況。
在圖2-17所示的輸送系統(tǒng)中，若貯槽與受液槽的液面均保持恒定，液體流過管路系統(tǒng)時(shí)所需的壓頭(即要求泵提供的壓頭)，可由用中所示的截面1-1′與2-2′間列桕努利方程式求得，即：
（2-33）
若貯槽與受液槽的截面都很大，該處流速與管路的相比可以忽略不計(jì)，式2-33可簡(jiǎn)化為：
Ha=K+Hf（2-34）
若輸送管路的直徑均一，則骨路系統(tǒng)的壓頭損失可表示為：
（2-35）
對(duì)特定的管路，上式中的d、l、Σla、ζa、ξc均為定值，湍流時(shí)λ變化不大，于是可令：

則式2-35可簡(jiǎn)化為：Hf=BQc2
所以，式2-34可寫為：
（2-36）
由式2-36可看出，在特定的管路中輸送液體時(shí)，管路所需的壓頭Hc隨液體流量Qc的平方而變。若將此關(guān)系標(biāo)在相應(yīng)的坐標(biāo)圖上，即得如圖2-18所示的Hc-Qc曲線。這條曲線稱為管路特性曲線，表示在特定管路系統(tǒng)中，于固定操作條件下，流體流經(jīng)該管路時(shí)所需的壓頭與流量的關(guān)系。此線的形狀由管路布局與操作條件來確定，而與泵的性能無(wú)關(guān)。
若將離心泵的特性曲線H-Q與其所在管路的特性曲線Hc-Qc繪于同一坐標(biāo)圖上，如圖2-18所示，兩線交點(diǎn)M稱為泵在該管路上的工作點(diǎn)。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)的要求，又為離心泵所能提供，即Q=Qc，H=Hc。換言之，對(duì)所選定的離心泵，以一定轉(zhuǎn)速在此特定管路系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只能在這一點(diǎn)工作。

圖2-17 管路輸送系統(tǒng)示意圖圖2-18 管路特性曲線與泵的工作點(diǎn)

(二)離心泵的流量調(diào)節(jié)
離心泵在指定的管路上工作時(shí)，由于生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化，出現(xiàn)泵的工作流量與生產(chǎn)要求不相適應(yīng)，或已選好的離心泵在特定的管路中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所提供的流量不一定符合輸送任務(wù)的要求，對(duì)于這兩種情況，都需要對(duì)泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上是改變泵的工作點(diǎn)。由于泵的工作點(diǎn)為泵的特性和管路特性所決定，因此改變兩種特性曲線之一均可達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。
1．改變閥門的開度
改變離心泵出口管路上調(diào)節(jié)閥門的開度，即可改變管路特性曲線。例如，當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，如圖2-19中曲線1所示。工作點(diǎn)由M點(diǎn)移至M1點(diǎn)，流量由QM降到QM1。當(dāng)閥門開大時(shí)，管路局部阻力減小，管路特性曲線變得平坦，如圖中曲線2所示，工作點(diǎn)移至M2，流量加大到QM2。

圖2-19 改變閥門卡度時(shí)流量變化示意圖	圖2-20 改變泵的轉(zhuǎn)速時(shí)流量變化示意圖
采用閥門來調(diào)節(jié)流量快速簡(jiǎn)便，且流量可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此應(yīng)用十分廣泛。其缺點(diǎn)是當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，因流動(dòng)阻力加大需要額外多消耗一部分能量，不很經(jīng)濟(jì)。
2．改變泵的轉(zhuǎn)速
改變泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是改變泵的特性曲線。如圖2-20所示，泵原來的轉(zhuǎn)速為n，工作點(diǎn)為M，若將泵的轉(zhuǎn)速提高到nl，泵的特性曲線H-Q向上移，工作點(diǎn)由M變至M1，流量中QM加大到OM1；若將泵的轉(zhuǎn)速降至n2，H-Q曲線便向下移，工作點(diǎn)移至M2，流量減少至QM2。這種調(diào)節(jié)方法能保持管路特性曲線不變。由式2-21可知，流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小，動(dòng)力消耗也相應(yīng)降低，因此從能量消耗來看是比較合理的。但是改變泵的轉(zhuǎn)速需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速原動(dòng)機(jī)，且難以做到流量連續(xù)調(diào)節(jié)，因此至今化工生產(chǎn)中較少采用。
此外，減小葉輪直徑也可以改變泵的特性曲線，從而使泵的流量變小，但一般可調(diào)節(jié)范圍不大，且直徑減小不當(dāng)還會(huì)降低泵的效率，故生產(chǎn)上很少采用。
(三)離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)
在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)單臺(tái)離心泵不能滿足輸送任務(wù)要求時(shí)，可采用離心泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作。
設(shè)將兩臺(tái)型號(hào)相同的離心泵并聯(lián)操作，且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和壓頭必各自相同，也就是說具有相同的管路特性曲線和單臺(tái)泵的特性曲線。在同一壓頭下，兩臺(tái)并聯(lián)泵的流量等于單臺(tái)泵的兩倍。于是，依據(jù)單臺(tái)泵特性曲線I上的一系列坐標(biāo)點(diǎn)，保持其縱坐標(biāo)(H)不變、使橫坐標(biāo)(Q)，由此得到的一系列對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)即可繪得兩臺(tái)泵并聯(lián)操作的合成梅性曲線I，如圖2-21所示。

圖2-21 離心泵的并聯(lián)	圖2-22 離心泵的串聯(lián)
并聯(lián)泵的操作流量和壓頭可由合成特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)來決定。由圖可見，由于流量增大使管路流動(dòng)阻力增加，因此兩臺(tái)泵并聯(lián)后的總流量必低于原單臺(tái)泵流量的兩倍。
假若將兩臺(tái)型號(hào)相同的泵串聯(lián)操作，則每臺(tái)泵的壓頭和流量也是各自相同的，因此在同一流量下，兩臺(tái)串聯(lián)泵的壓頭為單臺(tái)泵的兩倍。于是，依據(jù)單臺(tái)泵特性曲線I上一系列坐標(biāo)點(diǎn)，保持其橫坐標(biāo)(Q)不變、使縱坐標(biāo)(H)加倍，由此得到的一系列對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)即可繪出兩臺(tái)串聯(lián)泵的合成特性曲線I，如圖2-22所示。
同樣，串聯(lián)泵的工作點(diǎn)也由管路特性曲線與泵的合成特性曲線的交點(diǎn)來決定。由圖可見，兩臺(tái)泵串聯(lián)操作的總壓頭必低于單臺(tái)泵壓頭的兩倍。
生產(chǎn)中究竟采用何種組合方式比較經(jīng)濟(jì)合理，則決定于管路曲線的形狀。對(duì)于管路特性曲線較平坦的低阻管路(如圖2-23中曲線a所示)，采用并聯(lián)組合，可獲得較串聯(lián)組合為高的流量和壓頭；對(duì)于管路特性曲線較陡的高阻管路(圖中曲線b)，采用串聯(lián)組合，可獲得較并聯(lián)組合為高的流量和壓頭。
圖2-23 離心泵串并聯(lián)組合方式的選擇

【例2-6】采用例2-1中的離心泵，將20℃清水從貯水池輸送到指定位置，已知輸送管出口端與貯水池液面垂直距離為8.75m，輸水管內(nèi)徑為ll4mm的光滑管，管長(zhǎng)為60m(包括局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度)，貯水池與輸水管出口端均與大氣相通，貯水池液面保持恒定。該離心泵的特性如下：

Q,m3/s

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

H，m

20.63

19.99

17.80

14.46

10.33

5.71

η,%

0.00

36.1

56.0

61.0

54.1

37.0

試求該泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量、壓頭、軸功率，總效率和水力效率。

解：求泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量、壓頭、軸功率和效率，實(shí)質(zhì)上是要找出該泵在管路上的工作點(diǎn)。泵的工作點(diǎn)由泵的特性曲線和管路特性曲線所決定。

根據(jù)該泵的特性，在本題附圖上繪出泵的H-Q和η-Q曲線。管路特性曲線應(yīng)根據(jù)管路條件，先求出管路特性方程，再在本題附圖上標(biāo)繪出管路特性曲線。

(1)管路特性方程在貯水池液面和輸水管出口內(nèi)側(cè)列柏努利式，得：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

即：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

對(duì)光滑管

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

即為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

(2)標(biāo)繪管路特性曲線根據(jù)管路特性方程式，可算出管路系統(tǒng)在不同流量下所需壓頭的數(shù)值，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列于本題附表中。

(3)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量、壓頭，軸功率及效率本題附圖中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)就是泵的工作點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的各性能數(shù)值即為泵在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的流量，壓頭和效率。由圖中工作點(diǎn)讀得：

流量Q=0.0336m3/s 壓頭H=13.10m 效率η=0.559

軸功率應(yīng)按下式計(jì)算求得，即：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

水力效率可由離心泵的理論壓頭求得。由例2-1知該泵基本方程式為：

第一節(jié) 液體輸送設(shè)備--離心泵 - ★心綠蚜兒★ - ★★★提筆微思頌★★★

故水的效率為ηk=13.1/20.11×100%=65.1%

例2-6 附圖

Qc，m3/s

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Hc，m

8.75

9.26

10.49

12.32

14.71

17.63

例2-6 附表

【例2-7】某離心泵(其特性曲線為本題附圖中的曲線I)所在管路的特性曲線方程式為Hc=40+15Qc2，當(dāng)兩臺(tái)或三臺(tái)此型號(hào)的泵并聯(lián)操作時(shí)，試分別求管路中流量增加的百分?jǐn)?shù)。
若管路特性曲線方程式變?yōu)镠c=40+100Qc2時(shí)，試再求上述條件下沉量增加的百分?jǐn)?shù)。上兩管路特性方程式中Qc的單位為m3/s，Hc的單位為m。
解：離心泵并聯(lián)工作時(shí)，管路中的輸水量可由相應(yīng)的泵的合成特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)來決定。
性能相同的兩臺(tái)或三臺(tái)離心泵并聯(lián)工作時(shí)合成特性曲線，可在單機(jī)特性曲線I上取若干點(diǎn)，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的縱坐標(biāo)(H)保持不變，橫坐標(biāo)(Q)分別增大兩倍或三倍，將所得的各點(diǎn)相連繪制而成，如本題附圖中的曲線I和II所示。由曲線I可知，當(dāng)H=63m時(shí)，Q1=300l／s。在同一壓頭下，兩臺(tái)或三臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)，相應(yīng)的Q2=2Q1=600l/s及Q3=3Q1=900l/s。
按題給的管路特性方程式，計(jì)算出不同Q，下所對(duì)應(yīng)的Hc，計(jì)算結(jié)果列于本題附表中，然后在本題附圖中標(biāo)繪出管路特性曲線。
(1)管路特性曲線方程式為Hc=40+15Qc2時(shí) 單臺(tái)泵和多臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)情況為：
一臺(tái)泵單獨(dú)工作時(shí)，工作點(diǎn)為M1，Q1=4801／s；
兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，工作點(diǎn)為M2，Q2=8401／s；
三臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)，工作點(diǎn)為M3，Q3=10801／s。
兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，流量增加的百分?jǐn)?shù)為：（840-480）/180×100%=75%
三臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，流量增加的百分?jǐn)?shù)為：（1080-480）/480×100%=125%
(2)管路特性曲線方程式為Hc=40+10Qc2時(shí) 單獨(dú)使用一臺(tái)泵和并聯(lián)使用的情況為：
一臺(tái)泵單獨(dú)工作時(shí)，工作點(diǎn)為M1′，Q1′=390l/s；
兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，工作點(diǎn)為M2′，Q2′=510l/s；
三臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，工作點(diǎn)為M3′，Q3′=560l/s。
兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，流量增加的百分?jǐn)?shù)為：（510-390）/390×100%=31%
三臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí)，流量增加的百分?jǐn)?shù)為：（560-390）/390×100%=44%
從上述計(jì)算結(jié)果也可看出：
(1)性能相同的泵并聯(lián)工作時(shí)，所獲得的流量并不等于每臺(tái)泵在同一管路中單獨(dú)使用時(shí)的倍數(shù)，且并聯(lián)的臺(tái)數(shù)愈多，流量的增加率愈小。
(2)當(dāng)管路特性曲線較陡時(shí)，流量增加的百分?jǐn)?shù)也較小。

例2-7 附圖

七、離心粟的類型與選擇
(一)離心泵的類型
由于化工生產(chǎn)中被輸送液體的性質(zhì)．壓強(qiáng)和流量等差異很大，為了適應(yīng)各種不同的要求，離心泵的類型也是多種多樣的。按泵送液體的性質(zhì)可分為水泵、耐腐蝕泵、油泵和雜質(zhì)泵等，按葉輪吸入方式可分為單吸泵和雙吸泵，按葉輪數(shù)目又可分為單級(jí)泵和多級(jí)泵。各種類型的離心泵按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各自成為一個(gè)系列，并以一個(gè)或幾個(gè)漢語(yǔ)拼音字母作為系列代號(hào)。在每一系列中，由于有各種規(guī)格，因而附以不同的字母和數(shù)字予以區(qū)別。以下對(duì)化工廠中常用離心泵的類型作簡(jiǎn)要說明。
(1)水泵(B型、D型，Sh型) 凡是輸送清水以及物理，化學(xué)性質(zhì)類似于水的清潔液體，都可以選用水泵。
B型水泵為單級(jí)單吸懸臂式離心水泵的代號(hào)，應(yīng)用最為廣泛。其結(jié)構(gòu)如圖2-24所示。這種泵的泵體和泵蓋都是用鑄鐵制成的。全系列揚(yáng)程范圍為8～98m，流量范圍為4.5～360m3/h。
所要求的壓頭較高而流量并不太大時(shí)，可采用多級(jí)泵，如圖2-25所示，在一根軸上串聯(lián)多個(gè)葉輪，從一個(gè)葉輪流出的液體通過泵殼內(nèi)的導(dǎo)輪，引導(dǎo)液體改變流向，且將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，然后進(jìn)入下一個(gè)葉輪的入口，因液體從幾個(gè)葉輪中多次接受能量，故可達(dá)到較高的壓頭。國(guó)產(chǎn)多級(jí)泵的系列代號(hào)為D，稱為D型離心泵。葉輪級(jí)數(shù)一般為2～9級(jí)，最多為12級(jí)。全系列揚(yáng)程范圍為14～351m，流量范圍為10.8～850m3/h。
若輸送液體的流量較大而所需的壓頭并不高時(shí)，則可采用雙吸泵。雙吸泵的葉輪有兩個(gè)吸入口，如圖2-26所示。由于雙吸泵葉輪的寬度與直徑之比加大，且有兩個(gè)入口，因此輸液量較大。國(guó)產(chǎn)雙吸泵的系列代號(hào)為Sh。全系列揚(yáng)程范圍為9～140m，流量范圍為120～12500m3/h。

圖2-25 多級(jí)泵示意圖	圖2-26 雙吸泵示意圖
(2)耐腐蝕泵(F型) 當(dāng)輸送酸，堿等腐蝕性液體時(shí)應(yīng)采用耐腐蝕泵，該泵主要特點(diǎn)是與液體接觸的泵部件用耐腐蝕材料制成。各種材料制造的耐腐蝕泵在結(jié)構(gòu)上基本相同，因此都用F作為它的系列代號(hào)。在F后面再加一個(gè)字母表示材料代號(hào)，以示區(qū)別。國(guó)產(chǎn)F型泵采用了許多材料制造，例如：
灰口鑄鐵—材料代號(hào)為H，用于輸送濃硫酸。
高硅鑄鐵——材料代號(hào)為G，用于輸送壓強(qiáng)不高的硫酸或以硫酸為主的混酸。
鉻鎳合金鋼——材料代號(hào)為B，用于輸送常溫下低濃度的硝酸，氧化性酸液，堿液和其它弱腐蝕性液體。
鉻鎳鉬鈦合金鋼——材料代號(hào)為M，用于輸送硝酸及常溫下的高濃度硝酸。
聚三氟氯乙烯塑料一材料代號(hào)為S，適用輸送90℃以下的硫酸、硝酸、鹽酸和堿液。
耐腐蝕泵的另一個(gè)特點(diǎn)是密封要求高。由于填料本身被腐蝕的問題也難徹底解決，所以F型泵多采用機(jī)械密封裝置。
F型泵全系列的揚(yáng)程范圍為15～105m，流量范圍為2～400m3/h。
(3)油泵(Y型) 輸送石油產(chǎn)品的泵稱為油泵，油晶的特點(diǎn)是易燃、易爆，因此對(duì)油泵的一個(gè)重要要求是密封完善。當(dāng)輸送200℃以上的油品時(shí)，還要求對(duì)軸封裝置和軸承等進(jìn)行良好的冷卻，故這些部件常裝有冷卻水夾套。
國(guó)產(chǎn)油泵的系列代號(hào)為Y，有單吸和雙吸、單級(jí)和多級(jí)(2～6級(jí))油泵，全系列的揚(yáng)程范圍為60～603m，流量范圍為6.25～500m3/h。
(4)雜質(zhì)泵(P型) 雜質(zhì)泵用于輸送懸浮液及稠厚的漿液等，其系列代號(hào)為P，又細(xì)分為污水泵PW，砂泵PS、泥漿泵PN等。對(duì)這類泵的要求是；不易被雜質(zhì)堵塞、耐磨，容易拆洗。所以它的特點(diǎn)是葉輪流道寬，葉片數(shù)目少，常采用半閉式或開式葉輪。有些泵殼內(nèi)還襯以耐磨的鑄鋼護(hù)板。
在泵的產(chǎn)品目錄或樣本中，泵的型號(hào)是由字母和數(shù)字組合而成，以代表泵的類型、規(guī)格等。
為了選用方便，泵的生產(chǎn)部門有時(shí)還將同一類型的泵繪制系列特性曲線，即將同一類型的各種型號(hào)泵與較高效率范圍相對(duì)應(yīng)的一段H-Q曲線繪在一個(gè)總圖上。圖2-27就是B型水泵的系列特性曲線圖。圖中扇形面的上方孤形線代表基本型號(hào)，下方弧形線代表葉。輪直徑比基本型號(hào)小一級(jí)的型號(hào)A。若扇形面有三條弧形線，則中間孤形線代表型號(hào)A，下方弧形線代衷葉輪直徑比基本型號(hào)再小一級(jí)的型號(hào)B。圖中的符號(hào)與數(shù)字的意義見圖內(nèi)說明。
(二)離心泵的選擇
離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進(jìn)行：
(1)確定輸送系境的流量與壓頭液體的輸送量一般為生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定，如果流量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，選泵時(shí)應(yīng)按最大流量考慮。根據(jù)輸送系統(tǒng)管路的安排，用柏努利方程式計(jì)算在最大流量下管路所需的壓頭。
(2)選擇泵的類型與型號(hào) 首先應(yīng)根據(jù)輸送液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型，然后按已確定的流量Qc和壓頭Hc從泵的樣本或產(chǎn)品目錄中選出合適的型號(hào)。顯然，選出的泵所能提供的流量和壓頭不見得與管路所要求的流量Qc和壓頭Hc完全相符，且考慮到操作條件的變化和備有一定的裕量，所選泵的流量和壓頭可稍大一點(diǎn)，但在該條件下對(duì)應(yīng)泵的效率應(yīng)比較高，即點(diǎn)(Qc、Hc)坐標(biāo)位置應(yīng)靠在泵的高效率范圍所對(duì)應(yīng)的H-Q曲線下方。
泵的型號(hào)選出后，應(yīng)列出該泵的各種性能參數(shù)。
(3)核算泵的軸功率若輸送液體的密度大于水的密度時(shí)，可按式2-19核算泵的軸功率。

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