第二章 化工原理

离心泵——生产中应用最为广
泛，着重介绍。
泵 往复泵
旋转泵
漩涡泵
...
（1）结构简单、操作容易， 便于调节和自控
离心泵的优点
（2）流量均匀，效率较高
（3）流量和压头的适用范 围较广
（4）适用于输送腐蚀性或含 有悬浮物的液体
§ 2.1.1 离心泵 （Centrifugal Pumps）
一． 离心泵的工作 原理及主要部件
p0 p1 u Hg H f , 01 g 2g
2 1
实际安装高度应小于等于Hg。
说明：由上式可见，在一定流量下Q一定值， 则Hg就直接与Hf0-1有关，相应地：Hf0-1值大， Hg值就小，反之亦然。 所以，对泵的吸入管路而言，宜短而粗，尽 量不装阀门和少装管件，这样Hf0-1较小，以 保证一定的Hg值。
二．离心泵的主要部件 1）叶轮：作用是将原动机的机械能传给液 体，使液体的静压能和动能均有所提高。
叶轮按其结构形状分有三种：
闭式 半闭式 效率最高，适用于输送洁净的液体， 不适于输送浆料或含悬浮物的液体。 效率较低，常用于输送浆料 或悬浮液。
开式
叶轮上平衡孔的作用？
由于流体输送过程中，会有少部分高压流体返 回叶轮内，从而是叶轮两侧流体的压强存在较 大的差异，在输送过程中，叶轮左右晃动。因 此为了平衡叶轮两侧的压力在叶轮上开有平衡 孔，以使两侧流体均匀混合。避免泵体振动 叶轮按吸液方式分有二种： ① 单吸：液体只有一侧被吸入。 ② 双吸：液体可同时从两侧吸入，具有较大的 吸液能力。而且基本上可以消除轴向推力。
叶轮直径和叶轮的其它尺寸发生改变时， 有： / / / / / /
H D2 2 Q D2 3 N D2 5 ( ) ; ( ) ; ( ) H D2 Q D2 N D2
五． 离心泵的气蚀现象与允许吸上高度 （安装高度） 1． 离心泵的汽蚀现象（Cavitation）
离心泵运转时，液体
在泵内压强的变化如 图所示： pK≤pv(t)，pv(t)被输 液温度t时的饱和蒸 汽压
u Hg Hs H f , 01 2g
离心泵的安 装高度计算 式
2 1
p0 pv Hg h H f ,01 g g
说明：为安全起见，离心泵的实际吸上高度， 即实际安装高度应比允许吸上高度小0.5~1m.
H，Q与ρ无关。
H～Q,η～Q曲线保持不变。
N HQg /
ρ变N也变，ρ↑，N↑，电机功率要↑。 所以：N～Q曲线发生变化。
2． 粘度的影响 泵内液体的能量损失增大
H↓，Q↓，η↓和N↑。
（二） 转速的影响
n变化，导致速度△发生变化，H，Q和 N也发生变化，但η不变。
（三）、 叶轮直径的影响 当n一定时，H，Q与D2有关。 即叶轮直径变化时，有：
原因：对于离心泵，希望获得的是HP， 而不是Hc ，虽有一部分Hc会在蜗壳中 转换为静压头，但此过程中会导致较大 的能量损失，因液体质点流速过大。
现在来分析Hc项:
H
H T , 2
Hc
Hp
20OC 90OC
H p 2
2
H T , H p与 2关系曲线
2 90 0时，Hp在 2 90 0时， p在 H
N
Ne

N e HQg
二、离心泵的特性曲线
当泵转速n一定时，由实验可测得H～Q， N～Q，η～Q，这三条曲线称为性能曲线， 由泵制造厂提供。供泵用户使用。泵厂以 20℃清水作为工质做实验测定性能曲线。
ⅰ）H～Q，Q↑→H↓， 呈抛物线H=A－BQ2
ⅱ）N～Q，Q↑→N↑， 当Q=0，N最小 ⅲ）η～Q，Q↑→η先↑后↓， 存在一最高效率点，此点 称为设计点。与ηmax对应的 H，Q，N值称为最佳工况 参数，也是铭牌所标值。
/
离心泵的安装高度计算式
u Hg Hs H f , 01 2g
一般情况下 Q H
/ s
2 1
*在确定Hg时，用最大流量下的HS来进行计 算
HS ~ Q
h ~ Q
Q
3．允许汽蚀余量[△h] NPSH(Net Positive Suction Head) 定义：为防止气蚀现象的发生，在离心泵入口处 液体的静压头和动压头之和必需大于液体在操作 温度下的饱和蒸气压头的某一最小值。即：
的压头降低。
③
④
液体具有粘性。
泵内有各种泄漏现象，实际的Q小于
～
所以，实际的H～Q线应在
线的下方，
实际的H～Q曲线由实验测定。
小结：
（1）离心泵的工作原理、结构
（2）气缚、气蚀现象、工作注意事项 （3）离心泵基本方程式
（4）理论流量与理论压头关系
实际流量与实际压头关系
三、离心泵的性能参数与特性曲线
H T ,
中占有较大的比例；
H T , 中所占比例大致相当；
2 90 0时，Hp和Hc 在
H T ,
中占比例较小；
从能量损失方面考虑，宜采用后弯叶片
3）理论流量的影响
若离心泵的几何尺寸和转速一定，则
可表示为： 其中
结论：H T , 与QT呈直线关系
理论流量与理论压头呈直线关系
（电机功率增加） （电机功率不变）
（电机功率变化不大， 这是采用后弯叶片原 因之二，电机容易匹 配。）
理论流量与理论压头 关系曲线
实际的H～Q线
实际情况为: ① 叶轮上的叶片数目是有限的6～12片， 叶片间的流道较宽，这样叶片对液体流束的 约束就减小了，使有所降低。 ② 液体在叶片间流道内
流动时存在轴向涡流，其
直接影响速度△，导致泵
二． 离心泵的基本方程式 从理论上表达了泵的压头与其结构、尺寸、 转速及流量等因素之间的关系，它是用来计 算离心泵理论压头的基本公式。 离心泵的理论压头—— 在理想情况下离心 泵可能达到的最大压头。
所谓理想情况是做如下假设：
① 叶轮内叶片的数目为无穷多，即叶片的 厚度为无限薄，从而可以认为液体质点完全沿 着叶片的形状而运动，亦即液体质点的运动轨 迹与叶片的外形相重合。
现分析液体从叶片进口“1”处流到出口 “2”的过程中单位时间内动量矩的增量：
所以，叶片进口“1”处液体在单位 时间内动量矩(WVR)1为 叶片进口“2”处液体的单位时间 内动量矩(WVR)2为
下标T表示理想液体，∞表示叶片数目无穷多。
所以力矩增量为：
其中
又由流体力学知，单位时间内叶轮对液体所 作的功等于同一时间内叶片进口处流到叶片 出口处的力矩增量和叶轮旋转角速度的乘积
2）泵壳（蜗壳形）：
汇集由叶轮抛出的液体
作用
原因是泵壳形状 为蜗壳形， 流道截面逐渐增 大，u↓p↑。
转能装置: 将高速液体的部分动能转化 为静压能。
3）轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称 为轴封。作用是防止高压液体从泵壳内沿 轴的四周面漏出，或者外界空气以相反方 向漏入泵壳内。 填料密封—用于普通离心泵 轴封装置 机械密封—用于输送易燃，有 毒液体等密封要求高的泵内
1-叶轮；2－泵壳；3－泵 轴；4－吸入口；5－吸入 管；6－底阀；7－滤网； 8－排出口；9－排出管； 10－调节阀
什么是离心泵的气缚现象？
气缚现象直观表现：吸不上液体 产生原因:不灌液，则泵体内存有空气，由 于 ρ空气<<ρ液， 所以产生的离心力很小， 因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽 内的液体吸入泵内，达不到输液目的。 解决方法:泵启动前,泵壳内应充满所输送的 液体
p1 u12 pv h g 2 g g
h f (泵的结构，尺寸）
所以
离心泵的安装高度计算式
p0 pv Hg h H f ,01 g g
一般[△h]与泵的结构和尺寸有关，由实验 测定，并同标绘于性能曲线图上。 *△h随Q增大而增大，因此计算允许安装 高度时应取高流量下的△h值。
Hp（静压头）
叶轮旋转 所增加的 静压头 叶片间的道截面 逐渐扩大、致使 液体相对速度减 少所增加的静压 头
Hc(动压头)
3． 离心泵基本方程式的讨论
理论流量可表示为在叶轮出口处的液体径向速度 和叶片末端圆周出口 面积之乘积，即：
QT cr 2D2b2
离心泵基本方程式的又一表达式
1）
与n和D2的关系
当 QT , 和 b2 , 2 一定时， H T , 随n和D2的 增加而加大。
2)
与叶片几何形状的关系 与叶片的形状（β2）有关。
其它条件不变时，
ⅰ）后弯叶片（叶片弯曲方向与叶轮旋转 方向相反）
ⅱ）径向叶片
ⅲ）前弯叶片
由此可见，前弯叶片所产生的
最大，
似乎前弯叶片最为有利，但实际并不如 此，由⑥式可知：
表示具有无限多叶片的离心泵对 理想液体所提供的理论压头。 整理上式得：
离心泵基本方程式 说明：
（1）
仅与u和c有关，而与流动过程无关
与被输送液体的种类（密度）无关，
（2）
只要叶片进、出口处的速度相同，都可以得到 相同的
为了更好地说明操作原理，对上式作进一步地 处理，得： 由叶片进出口速度△得：
所以离心泵基本方程式式可改写为：
若输液的物性与水不同，且操作条件与 标定条件不符时，则需换算：
pv 1000 H S [ H S ( H a 10） ( 0.24 )] 3 9.81 10
/
H S — —操作条件下输送液体时的允许吸上真空度，m液柱 H S — —实验条件下输送水时的允许吸上真空度，即在水 泵性能表上查得的数值。 H a — —泵安装地区的大气压强，mH 2O pv — —操作条件下大气压强，mH 2O 10 — —实验件下大气压强，mH 2O 0.24 — —20 C下水的饱和蒸汽压，mH 2O