流体输送设备

第二章流体输送设备

（Fluid-moving Machinery）

第一节概述

如果要将流体从一个地方输送到另一个地方或者将流体从低位能向高位能处输送，就必须采用为流体提供能量的输送设备。泵——用于液体输送；风机——用于气体输送。本章主要介绍常用输送设备的工作原理和特性，以便恰当地选择和使用这些流体输送设备。

第二节液体输送设备—泵（Pumps）

§ 2.1.1离心泵（Centrifugal Pumps）

一、离心泵的工作原理及主要部件

1、工作原理：离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。

启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s。

液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高。液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差的作用下，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，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。

由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。

气缚现象：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。

通常在吸入管路的进口处装有一单向底阀，以截留灌入泵体内的液体。另外，在单向阀下面装有滤网，作用是拦阻液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。

启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。

停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。

2、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：

①闭式：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前后有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔，以平衡一部分轴向推力。

②半闭式：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔,以平衡一部分轴向推力。

③敞式（开式）：叶轮内6～12片弯曲的叶片，前后无盖板。

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。

半闭式和开式效率较低，常用于输送浆料或悬浮液。

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。

2）泵壳（蜗壳形）：作用是汇集由叶轮抛出的液体，同时将高速液体的部分动能转化为静压能。原因是泵壳形状为蜗壳形，流道截面逐渐增大，u↓，p↑。

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。

二、离心泵的主要性能参数

1．流量Q（V）：单位时间内泵输送的液体体积,m3/s（或m3/h，l/s等）。Q取决于泵的结构、尺寸（叶轮直径与叶片的宽度）和转速。Q的大小可通过安装在排出管上的流量计测得。2．扬程H（压头）：泵对单位重量的液体所提供的有效能量，m液柱。

若在泵的吸入口和排出口分别装上真空表和压力表并取1-1'，2-2’截面作计算，则

3．轴功率及效率

轴功率Na——原动机（电动机或蒸汽透平等）传送给泵轴的功率，kW。

效率——泵轴通过叶轮传给液体能量的过程中的能量损失。

4．转速n

泵的叶轮每分钟的转数，即“r.p.m.”： rings per minute

三、离心泵的基本方程式（简单了解）

为简化液体在叶轮内的复杂运动，作两点假设：

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。

②输送的是理想液体，由此在叶轮内的流动阻力可忽略。

基本方程式的表达式

离心泵基本方程式的讨论

1）与n和D2的关系；2）

与叶片几何形状的关系

其它条件不变时，与叶片的形状（β2）有关。

四、离心泵的性能曲线（重点）

1．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△，导致泵的压头降低。

③液体具有粘性。

④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。

2．离心泵的特性曲线

当泵转速n一定时，由实验可测得H～Q，Na～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）Na～Q，Q↑→Na↑，当Q=0，Na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，Na值称为最佳工况参数，也是铭牌所标值。

泵的高效率区η=92%ηmax，这一区域定为泵的运转范围。

五、离心泵性能的改变与换算

泵的生产厂家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20℃的清水作为工质做实验的。若被输液的ρ，μ不同，或改变泵的n，叶轮直径，则性能要发生变化。1．密度的影响：

可知H，Q与ρ无关。

泵的效率也不随ρ而改变，所以H～Q与η～Q曲线保持不变。但

ρ变Na也变，ρ↑，Na↑，电机功率要↑。

2．粘度的影响

则H↓，Q↓，η↓和Na↑。

例2-3

3．转速的影响

n变化，导致速度△发生变化，H，Q和Na也发生变化，但η不变

4．叶轮直径的影响

当n一定时，H，Q与D2有关。

若对同一型号的泵，换用直径较小的叶轮，而其它几何尺寸不变（仅是出口处叶片的宽度稍有改变），这种现象称为叶轮的“切割”。

六、离心泵的汽蚀现象与允许汲上高度（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：

液体压强随着泵吸入口向叶轮入口而下降，叶片入口附近K—K面处的压强p K为最低，此后由于叶轮对液体作功，压强很快上升。

假如：p K≤p v(t)，p v(t)被输液温度t时的饱和蒸汽压，则液体发生汽化产生汽泡，汽泡随同液体从低压区流向高压区，在高压的作用下迅速凝聚或汽泡破裂，与此同时，汽泡周围的液体会以极高的速度冲向原汽泡所占据的空间，在冲击点处可形成高达几万kpa的压强，冲击频率可高达每秒几万次之多，若当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时，众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击叶片，侵蚀叶片和叶轮，这种不正常现象称为汽蚀现象。

汽蚀发生时，会产生噪音和震动，叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞，损坏叶片。泵的流量，压头和效率急剧下降，严重时甚至吸不上液体，所以为保证离心泵正常运转，应避免汽蚀现象的产生，即须使p K﹥p v(t)。2．最大汲上真空高度与允许汲上最大真空高度[H s]

定义：最大汲上真空高度

定义：允许汲上真空高度

由于p k位置不易确定，而泵入口处的压强p1易测得（p1由真空表测得），当p K=p v(t)时，则相应的p1记作为p1min。

为防止汽蚀产生，p1/ρg﹥p1min/ρg（一般提高0.3m或以上）

由此p1来定义[H s]，[H s]是离心泵的另一性能参数，一般[H s]与被输送液体的物性，泵的结构，流量及当地大气压等有关，泵制造厂在泵出厂前要标定，标定时实验条件为大气压10.33mH2O，20℃清水，测得的[H s]～Q曲线列于泵样本性能曲线中。

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：

3．允许汽蚀余量[△h] NPSH(Net Positive Suction Head)

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。4．离心泵的允许吸上高度（允许安装高度）Hg

Hg——泵的吸入口与贮槽液面间的允许到达的垂直距离，m液柱。

若对泵吸入管列B’s eg（在0—0'与1—1'面间）

实际安装高度应小于等于Hg。

由上两式可见，在一定流量下Q=定值，则Hg就直接与H f0-1有关，相应地：

H f0-1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H f0-1较小，以保证一定的Hg值。

若Hg值为负，例如Hg= -2.0m，则意味着泵应装在液面下方2m以下处为宜，对于输送饱和蒸汽压高的液体往往属于这种情况。

例2-4，例2-5

确定适宜的安装高度对泵的用户来说是很重要的，目的是正确地使用泵，保证泵正常运转，以防汽蚀产生。

七、离心泵的工作点与流量调节（重点）

1．管路特性曲线与工作点1）管路特性曲线

2）工作点：所谓离心泵的工作点是指离心泵的性能曲线（H～Q曲线）与管路特性曲线的交点，即在H～Q坐标上，分别描点作出两曲线的交点M点。

如果H～Q曲线方程可近似表示为H=A－BQ2管路特性曲线方程表示为H=K＋CQ2，则工作点对应的流量和扬程由这两个方程联立求解。