第2章 流体输送机械

4B20离心泵
η
H
12 8 4 0 80 100 120 140
80% 70% 60% 50%
H/m
18
14 10
40% 30%
20% 0
N
20 40
0
60
Q/(m3/h)
4B型离心泵的特性曲线
清水泵：旧型：B型；新型：IS型 4：泵吸入口直径
NkW
2．离心泵的特性曲线
（ 1 ） H ～ Q 曲 线 ： Q↑ ， H↓(Q很小时可能例外)。当Q＝0 时，H也只能达到一定值，这是 离心泵的一个重要特性。 （2）N ～ Q曲线：Q↑， N ↑。当Q＝0 时，N最小。这 要求离心泵启动时，应关闭出 口阀，以减小启动功率，保护 电动机免因超载而受损。
液体通过叶轮的流动
相对速度 与叶片型线相切
角速度
绝对速度
圆周速度（线速度）
在叶片进口1-1与出口2-2列能量方程（△Z=0）：
2 p1 c12 p2 c2 H g 2 g g 2 g
2 p1 p 2 c2 c12 H g 2g
液体进入与离开叶轮时的速度
H∞ —— 叶轮对液体所加的压头，m； p1 、p2 —— 液体在1、2两点处的压力，Pa； c1 、c2 —— 液体在1、2两点处的绝对速度，m/s； ρ ——液体的密度，kg/m3；
H
1 2 u2Q cot 2 1 Q (u2 ) (r2 ) 2 cot 2 g 2r2b2 g 2b2 g
根据装臵角（叶片安装角）β2的大小，叶片可分为三种：ຫໍສະໝຸດ w22c22
u2
2
w2
c2
2
u2
2
w2
2
c2 u2
(a)
(b) (b)β2= 90o，为径 向叶片，cotβ2 =0，H∞不随 Q 变化
思考：流体在泵内都获得了什么能量？其中那
种能量占主导地位？
被甩出
机械旋转 的离心力
常压流体
高速流体
逐渐扩大的 高压流体 泵壳通道
思考：
泵启动前为什么要灌满液体
未灌满 底阀漏液 其它地方泄漏
？
气缚现象
液体未灌满 ρ气<<ρ液 离心力甩不出气体
启动与停泵：
关闭出口阀后启动泵，这 时所需泵的轴功率最小，启动 叶轮中心的真空度不够 电流较小，以保护电机。停泵 前先关闭出口阀后再停机，这 吸不上液体 样可避免水柱倒冲泵壳内的叶 轮叶片，以延长泵使用寿命 。 泵无法正常工作
思考：三种叶轮中哪一种效率高？
闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大 但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象
叶轮轴向力问题
闭式或半闭式叶轮 后盖板与泵壳之间空腔液 体的压强较吸入口侧高
轴向推力 如何解决？
磨损 平衡孔（后盖板上钻的小孔）
2.离心泵的主要部件
轴封装置
前已提及泵启动后，叶轮中心产生负压（吸入口在泵体 一侧），故会吸入外界的空气；液体经叶轮做功，获得机械 能经泵壳汇集，能量转换成静压能较高的流体进入排出管 ，对半开式、闭式叶轮，叶轮四周的高压流体可能泄漏到 盖板与泵体间的空隙（叶轮可旋转，泵体相对固定，叶轮轴与泵 体间必有间隙），故其会向外界漏液。 密封方式有：填料密封与机械密封，填料密封适用于 一般液体，而机械密封适用于有腐蚀性易燃、易爆液体。 填料密封：简单易行，维修工作量大，有一定的泄漏 ，对燃、易爆、有毒流体不适用； 机械密封：液体泄漏量小，寿命长，功率小密封性能 好，加工要求高。
① 质量为 1kg 的液体因受离心力作用而接受的外功：
r
r2
1
Fc d r r
r2
1
2 2 u2 u1 r 2 d r ( r22 r12 ) 2 2
2
②质量为 1kg 的液体从点 1 运动到点 2 由于通道的截面增大，一部分动能 转变为静压能 2 2
w1 w 2 2
N HQg /
泵的轴功率，W 泵的压头，m
泵的效率
泵的流量，m3/s
一般小型离心泵的效率50~70%，大型离心泵效率可达90%。 5）叶轮转速 n 1000~3000转/min；2900转/min最常见。 泵在出厂前必须确定其各项性能参数，即以上各参数值，并标 在铭牌上；这些参数是在最高效率条件下用20℃ 的水测定的。
泵的流量，m3/s 叶轮直径，m 叶轮周边的宽度，m
cr 2
Q 2r2b2
H
u2 r2
1 2 u2Q cot 2 (u2 ) g 2r2b2 1 Q 2 (r2 ) cot 2 g 2b2 g
cr 2 w 2 sin 2
离心泵的理论压头随叶轮的转速和直 径的增加而加大，与密度无关。
c2
w2
β
2
α2
2
u2
β r2
1
质量为1kg的液体通过叶轮后其静压 能的增量： 2 2 2 p1 p2 u2 u1 w1 w 2 2 2 2
1 α1 u1
w1 c1
2 2 2 2 2 2 u2 u1 w1 w2 c2 c1 H 2g 2g 2g
根据余弦定律
NkW
例2-1：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如图所示。 当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为 0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的 轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压 截面的垂直距离为0.5m。试由该组实验测定数据确定与泵的特性 曲线相关的其它性能参数。
H
2 u2 / g
2 90
2 90
Q
离心泵 H∞ - Q 图
2.1.3
离心泵的性能参数与特性曲线
离心泵的主要性能：流量Q 、压头(扬程)H 、效率 、 轴功率N 、气蚀余量（或允许吸上真空度）等。
1．离心泵的主要性能参数
1）流量Q，m3/s或m3/h ：与泵的结构、尺寸（叶轮直径、 叶片形状等）、转速、输液管路阻力等有关；
离心泵的理论压头
c2 cos 2 u2 cr 2ctg 2 H u2c2 cos 2 / g u2 ( u2 c2r cot 2 ) / g
叶片装置角 离心泵的流量 = 叶轮出口周边的截面积×液体在周边上的径向速度
Q D2b2cr 2 2r2b2c2 sin 2
2．离心泵的特性曲线
(Characteristic curves）
30 n＝2900r/min
26 22
由于离心泵的各种损失难 以定量计算，使得离心泵的特 性曲线H～Q、N～Q、η～Q的 关系只能靠实验测定，在泵出 厂时列于产品样本中以供参考。 右图所示为4B20型离心泵在转 速n＝2900r/min时的特性曲线。 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。
(c)
(a)β2< 90o，为后 弯叶片，cotβ2 >0 ，Q↑，H∞ ↓
(c) β2 > 90o，为 前弯叶片，cotβ2 <0，Q↑， H∞↑
理论流量： 2 900，H随Q的增加而增大；
2 900，H与Q 无关；
2 900，H随Q 的增加而减小。
2 90
实际流量较理论 流量低的原因： 非理想情况 泵内存在泄漏
底阀（单向阀）：当泵体安装位臵高于贮槽液面时， 常装有底阀，它是一个单向阀，可防止灌泵后，泵内液体 倒流到贮槽中。若泵安装于液面之下，底阀是否有必要？ 启动前是否也要灌泵？
滤网：防止液体中杂质进入泵体。
2.1.2 离心泵的基本方程
基本方程式：离心泵的理论压头与泵的结构、尺寸、转速及
流量等因素之间的定量关系。
静压头△p/ρg增加 ，原因有二： ①离心作用，接受外功 ——(u22-u12)/2g； ②通道截面积↑，ω↓； 即动能转换为静压能。 每kg液体静压能增加了 (w22- w 12)/2g
2 2 2 2 2 2 u2 u1 w1 w2 c2 c1 H 2g 2g 2g
液体从点 1 运动到点 2，静压头增加（ p2 – p1）/ρg的原因：
目的：1.理解并掌握常用输送机械的操作原理、结构与性能。
2.合理选型、定规格、计算功率、安排位置、日常管理。
重点： 操作原理
流体分为液体和气体。 通常，将输送液体的机械称为泵； 将输送气体的机械按所产生压强的高低分为 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。 流体输送机械按工作原理分为： 动力式（叶轮式）：离心式、轴流式
概 述
一、化工生产中为什么要流体输送机械？ 由低处送至高处 连续流动 由低压送至高压设备 的各种物 克服管道阻力 料或产品 …… 二、为什么要用不同结构和特性的输送机械 化工厂中输送的流体种类繁多： 流体输送机械 —为输送流体而 提供能量的机械
1、有强腐蚀性、高粘度、含有固体悬浮物、易挥发、 易燃易爆及有毒等等； 2、温度和压强又有高低之分； 3、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。
机械工程学院
苏
萍
2009.8
要求和重点：
1. 了解流体输送设备的分类； 2. 掌握离心泵的工作原理、主要部件、基本方程式、 性能参数和特性曲线、性能改变和换算、气蚀现象和 允许吸上高度、工作点与调节、类型与选择； 3. 了解其他泵的工作原理与应用； 4. 了解气体输送设备和压缩设备的工作原理与应用。
30 n＝2900r/min 26 22 18 14 10
4B20离心泵
η
H
12 8 4 0 80 100 120 140
80% 70% 60% 50%
H/m
40% 30%
20% 0