離心泵
離心泵的構造與工作原理及選用
（1）離心泵的構造與工作原理；
（2）離心泵的特性曲線及主要影響因素；離心泵的工作點；
（3）離心泵的選用、安裝、操作和調節。
【本節難點】
離心泵的理論壓頭推導。
１ 離心泵的構造及工作原理
離心泵結構簡單，操作容易，流量易于調節，且能適用于多種特殊性質物料，因此在工業生產中普遍被采用。
（1）離心泵的構造
①葉輪：作用是將能量傳給液體。按有無蓋板分為開式、閉式和半開式；
②泵殼：作用是收集被葉輪拋出的液體，并將部分動能轉換成壓強能；
③泵軸：作用是將電機的輸出功傳給葉輪。
（2）離心泵的工作原理
①葉輪被泵軸帶動旋轉，對位于葉片間的流體做功，流體受離心力的作用，由葉輪中心被拋向外圍；
②泵殼匯集從各葉片間被拋出的液體，這些液體在殼內順著蝸殼形通道逐漸擴大的方向流動，使流體的部分動能轉化為壓強能，以減小輸送過程中的能量損失；
③葉輪高速旋轉，迫使葉輪中心的液體以很高的速度被拋開，從而在葉輪中心形成低壓，低位槽中的液體因此被源源不斷地吸上。
“氣縛現象”：如果離心泵在啟動前殼內充滿的是氣體，則啟動后葉輪中心氣體被拋時不能在該處形成足夠大的真空度，這樣槽內液體便不能被吸上。這一現象稱為氣縛。為防止氣縛現象的發生，離心泵啟動前要用外來的液體將泵殼內空間灌滿。這一步操作稱為灌泵。為防止灌入泵殼內的液體因重力流入低位槽內，在泵吸入管路的入口處裝有止逆閥（底閥）；如果泵的位置低于槽內液面，則啟動時無需灌泵。
④泵內液體能量轉換效率高葉輪外周安裝導輪，使。導輪是位于葉輪外周的固定的帶葉片的環。這此葉片的彎曲方向與葉輪葉片的彎曲方向相反，其彎曲角度正好與液體從葉輪流出的方向相適應，引導液體在泵殼通道內平穩地改變方向，使能量損耗*小，動壓能轉換為靜壓能的效率高。
⑤后蓋板上的平衡孔消除軸向推力。離開葉輪周邊的液體壓力已經較高，有一部分會滲到葉輪后蓋板后側，而葉輪前側液體入口處為低壓，因而產生了將葉輪推向泵入口一側的軸向推力。這容易引起葉輪與泵殼接觸處的磨損，嚴重時還會產生振動。平衡孔使一部分高壓液體泄露到低壓區，減輕葉輪前后的壓力差。但由此也會此起泵效率的降低。
２ 離心泵的理論壓頭
（1）離心泵的理論壓頭
假定條件：①葉輪內葉片數目無限多，葉片的厚度無限薄，無任何環流現象；
②液體為粘度等于零的理想流體，液體在流動中沒有阻力。
在葉輪的進、出口截面列機械能衡算式，從而導出
離心泵理論壓頭為HT：
（2）流量對理論壓頭的影響
其中：；
r2—葉輪外半徑；
ω—葉輪旋轉角速度；
qV—泵的體積流量；
b2—葉片寬度；
β—葉片裝置角。
（3）葉片形狀對理論壓頭的影響
當泵轉速n、葉輪直徑D2、葉輪出口處葉片寬度b2、流量qV一定時，HT隨葉片形狀β2而變。
①徑向葉片，β2=90，Ctgβ2=0，HT=與qV無關；
②后彎葉片，
③前彎葉片，
討論：
①裝置角β是葉片的一個重要設計參數。當其值小于90度時稱為后彎葉片，此時液體流動能量損失小，所以一般都采用后彎葉片；
②當采用后彎片時，Ctgβ為正，理論壓頭HT隨葉輪直徑、轉速及葉輪周邊寬度的增加而增加，隨流量的增加呈線性規律下降；
③理論壓頭與流體的性質無關。
３離心泵的特性曲線
（1）離心泵的主要性能參數
離心泵的性能參數是用以描述一臺離心泵的一組物理量。
①流量（qV）：以體積流量來表示的泵的輸液能力，與葉輪結構、尺寸和轉速有關。
②揚程（H）：泵向單位重量流體提供的機械能。與流量、葉輪結構、尺寸和轉速有關。
③軸功率（Pa）：單位時間內由電機輸入離心泵的能量。有效功率(Pe)：離心泵單位時間內對流體做的功：Pe=qVHρg；
④效率（η）：，由于以下三方面的原因，電機傳給泵的能量不可能100%地傳給液體，（A）容積損失；（B）水力損失；（C）機械損失。
（2）離心泵的性能曲線
從前面的討論可以看出，對一臺離心泵，在轉速固定的情況下，其壓頭、軸功率和效率都與其流量有一一對應的關系。這些關系的圖形表示就稱為離心泵的性能曲線，包括qV-H曲線、qV-Pa曲線和qV-η曲線,這些關系一般都通過實驗來測定。
離心泵的特性曲線一般由離心泵的生產廠家提供，標繪于泵產品說明書中，其測定條件一般是20℃清水，轉速也固定。典型的離心泵性能曲線如圖所示。
討論：
①從qV-H曲線中可以看出，隨著流量的增加，壓頭是下降
的，即流量越大，泵向單位重量流體提供的機械能越小。
②軸功率隨著流量的增加而上升，所以大流量輸送一定對應著大的配套電機。另外，這一規
律還提示我們，離心泵應在關閉出口閥的情況下啟動，這樣可以使電機的啟動電流*小。
③泵的效率先隨著流量的增加而上升，達到一*大值后便下降，根據生產任務選泵時，應使
泵在*高效率點附近工作，其范圍內的效率一般不低于*高效率點的92%。
④離心泵的銘牌上標有一組性能參數，它們都是與*高效率點對應的性能參數。
（3）離心泵特性的影響因素
①流體的性質：
（A）液體的密度：H、qV、η均與密度無關；Pa和Pe隨密度的增加而增加。
（B）液體的粘度：μ增加，H、qV、η都下降，但Pa上升。
②轉速:
離心泵的轉速變化率<20%，效率不變時，其H、qV和Pa都要發生變化：
； ； ——比例定律
③葉輪直徑：
前已述及，葉輪尺寸對離心泵的性能也有影響。當切割量小于20%時：
——切割定律
【例2-1】右圖為測定離心泵特性曲線的實驗裝置，實驗中已測出如下一組數據：泵進口處真空表讀數p1=2.67×104Pa(真空度)，泵出口處壓力表讀數p2=2.55×105Pa(表壓)，泵的流量qV=12.5×10-3m3/s，功率表測得軸功率為6.2kW，吸入管直徑d1=80mm，壓出管直徑d2=60mm，兩測壓點間垂直距離Z2-Z1=0.5m，實驗介質為20℃的清水，試計算在此流量下泵的揚程He、有效功率Pe和效率η。
解：（1）泵的揚程：在真空表及壓力表所在截面1-1與2-2間列柏努利方程：
式中:Z2－Z1=0.5m，p1=－2.67×104Pa（表壓）
p2=2.55×105Pa（表壓）
u1=
u2=
兩測壓口間的管路很短，其間阻力損失可忽略不計，故：
He=0.5+=29.88（mH2O）
（2）有效軸功率：（W）
（3）泵的效率：
在實驗中，如果改變出口閥門的開度，測出不同流量下的有關數據，計算出相應的H、N和η值，并將這些數據繪于坐標紙上，即得該泵在固定轉速下的特性曲線。
４離心泵的工作點與流量調節
在泵葉輪轉速一定時，一臺泵在具體操作條件下所提供的液體流量和壓頭可用qV-H曲線上的一點來表示。至于這一點的具體位置，應視泵前后的管路情況而定，討論泵的工作情況，不應脫離管路的具體情況。
（1）離心泵的工作點
將泵的qV-H特性曲線與管路的qV-He特性曲線繪在同一坐標系中，兩曲線的交點稱為泵的工作點。
說明：
①泵的工作點由泵的特性和管路的特性共同決定，可通過聯立泵的特性方程和管路的特性方程得到；
②安裝在管路中的泵，其輸液量即為管路的流量；在該流量下泵提供的揚程也就是管路所需要的外加壓頭。因此，泵的工作點對應的泵壓頭既是泵提供的，也是管路需要的；
③工作點對應的各性能參數（qV、H、Pa和η）反映了一臺泵的實際工作狀態。特性由泵本身的特性和管路的特性共同決定。
（2）離心泵的流量調節
由于生產任務的變化，管路需要的流量有時是需要改變的，這實際上就是要改變泵的工作點。由于泵的工作點由管路特性和泵的特性共同決定，因此改變泵的特性和管路特性均能改變工作點，從而達到調節流量的目的。
①改變出口閥開度
出口閥開度與管路局部阻力有關，改變出口閥開度實際上是改變管路的特性。
關小出口閥，局部阻力增大，曲線變陡，工作點由M變為M'，流量下降，泵所提供的壓頭上升；開大出口閥，局部阻力減小，曲線變緩，工作點由M變為M"，流量上升，泵所提供的壓頭下降。此種調節方法雖不經濟，是人為增加管路阻力來適應泵的特性，但由于其簡單方便，在實際生產中被廣泛采用。
②改變葉輪轉速
如圖所示，轉速增加，實際上是改變泵的特性，流量和壓頭均能增加。
這種調節方法合理、經濟，但曾被認為是操作不方便，并且不能實現連續調節。但隨著的現代工業技術的發展，無級變速設備在工業中的應用克服了上述缺點。是該種調節方法能夠使泵在高效區工作，這對大型泵的節能尤為重要。
③車削葉輪直徑：
這種調節方法實施起來不方便，且調節范圍有限。
（3）離心泵的組合操作
在實際生產中，有時需要幾臺組合運行。組合方式可以有串聯和并聯兩種方式。下面的討論限于性能相同的泵的組合。泵的組合聯實際上是改變泵的特性。。
①泵的串聯特性曲線
兩臺完全相同的泵串聯前后特性曲線見右圖（請點擊泵的串聯）。
討論：
在管路特性不變的條件下，串聯泵與單臺泵相比，工作點處揚程并未加倍，但流量卻有所增加。
關小出口閥（改變管路特性），使流量與原先相同，則串聯泵的揚程是原先單泵的2倍。
②泵的并聯特性曲線
兩臺完全相同的泵并聯后特性曲線如右圖所示（請點擊泵的并聯）。
討論：
管路特性一定時，采用兩臺泵并聯組合，工作點處流量并未加倍，但壓頭卻有所增加。
開大出口閥（改變管路特性），使壓頭與原先相同，則流量加倍。
③組合方式的選擇
單臺不能完成輸送任務可以分為兩種情況：①揚程不夠，即：；②揚程合格，但流量不夠。對于情形①，必須采用串聯操作；對于情形②，應根據管路的特性來決定采用何種組合方式。如右圖所示（請點擊管阻），對于高阻管路，串聯比并聯組合效果好；但對于低阻管路，則是并聯比串聯的效果好。
５離心泵的安裝高度
離心泵的安裝高度是指被輸送液體液面到離心泵入口處的垂直距離，即右圖中的Hg。
（1）汽蝕現象
對如右圖所示的入口管線，在0-0（位能基準面）和K-K間列柏努利方程，得：
在貯槽液面上方壓力p0一定的情況下，若增加泵的安裝高度ZK(即Hg)，則葉輪中心K處的壓力pK必然下降。當ZK增加到使pK下降至被輸送液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓時，則被輸送流體在葉輪中心處發生汽化，產生大量汽泡；汽泡在由葉片中心向周邊運動時，由于壓力增加而急劇凝結，產生局部真空，周圍液體以很高的流速沖向真空區域；當汽泡的冷凝發生在葉片表面附近時，眾多液滴尤如細小的高頻水錘撞擊葉片。此種現象稱作“汽蝕現象”。
離心泵在汽蝕狀態下工作時，泵體振動并發出噪音；壓頭、流量大幅下降，嚴重時不能輸送液體；時間長久，在水錘沖擊和液體中微量溶解氧對金屬化學腐蝕的雙重作用下，葉片表面出現斑痕和裂縫，甚至呈海綿狀逐漸脫落（見右圖）。
通過以上討論可以看出，安裝高度過高將會導致葉輪中心處的壓力過低，從而發生汽蝕。只要泵的實際安裝高度低于允許安裝高度，則操作時就可避免發生汽蝕現象。
（2）汽蝕余量與允許安裝高度
①汽蝕余量（NPSH）：
泵入口處（1-1截面）的動壓頭與靜壓頭之和與以液柱高度表示的被輸送液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓之差稱作汽蝕余量，即：
（NPSH）的物理意義：（NPSH）越小，表明泵入口處的壓力p1或葉輪中心處的壓力pK越低，離心泵的操作狀態越接近汽蝕。
②必需汽蝕余量（NPSH）r：
為避免發生汽蝕現象，離心泵入口處壓力不能過低，而應有一*低允許值p1r，此時所對應的汽蝕余量稱為必需汽蝕余量，以（NPSH）r表示。（NPSH）r一般由泵制造廠通過汽蝕實驗測定，并作為離心泵的性能列于泵產品樣本中（見教材附錄八）。泵正常操作時，實際汽蝕余量必須大于（NPSH）r，我國標準中規定應大于0.5m以上。
③由（NPSH）r計算泵的*大允許安裝高度[Hg]
一臺泵的必需汽蝕余量（NPSH）r數值由泵的生產廠家提供，供用戶計算泵的*大允許安裝高度[Hg]：
（m）
離心泵的實際安裝高度只要低于*大允許安裝高度[Hg]就不會發生汽蝕。
（3）討論
①引起汽蝕現象的原因：a.離心泵的安裝高度太高；b.被輸送流體的溫度太高；c.吸入管路的阻力或壓頭損失太高。由此，一個原先操作正常的泵也可能由于操作條件的變化而產生汽蝕，如被輸送物料的溫度升高，或吸入管線部分堵塞。
②有時，計算出的允許安裝高度為負值，這說明該泵應該安裝在液體貯槽液面以下。
③*大允許安裝高度[Hg]的大小與泵的流量有關。流量越大，計算出的[Hg]越小,因此用可能使用的*大流量來計算是必要的。
【例2-2】如圖所示，用離心泵將循環冷卻水由水池送入一敞口水槽，水槽水面比水池水面高52m，要求的流量為90m3/h，輸送管路規格Φ159×4.5mm，管路總阻力損失為14m（包括所有局部阻力損失），水的密度ρ=1000kg/m3。現有一臺IS100-65-250型離心泵，在高效區其揚程與流量的關系可近似地用直線：He=124.5-0.392qV表示（式中qV的單位：m3/h），必須汽蝕余量（NPSH）r=3.8m。試求：
(1)管路需要的外加能量（J/N）?
(2)該泵是否滿足要求?
(3)工作點泵的軸功率（效率η=72%）Pa（W）?
(4)夏季水池水溫*高35℃（pv=5.6 kPa），若離心泵的吸入管段流動阻力與平均流速的關系為(m)，則該泵可否于水池水面之上3m處正常工作？
解：(1)管路中單位重量流體需要的外加能量：
（J/N）
(2)在要求的流量下，泵所提供的揚程：
（m）
因為在規定流量下泵所提供的揚程大于管路要求的揚程，故該泵能滿足要求。
(3)有效功率：?(W)
故軸功率：(W)
(4)因為吸入管內平均流速：（m/s）
所以吸入管段阻力：（m）
*大允許安裝高度
（m）
因為泵的*大安裝高度為3.9m，故該泵可以安裝于水池液面之上3m處。
６離心泵的類型與選用
（1）離心泵的類型：
①清水泵：適用于輸送清水或物性與水相近、無腐蝕性且雜質較少的液體。例如：IS型離心泵；
②耐腐蝕泵：用于輸送具有腐蝕性的液體，接觸液體的部件用耐腐蝕的材料制成，要求密封可靠；
③油泵：輸送石油產品的泵，要求有良好的密封性；
④雜質泵：輸送含固體顆粒的液體、稠厚的漿液，葉輪流道寬，葉片數少。
此外，按吸入方式可分為單吸泵、雙吸泵；按葉輪個數可分為單級泵；多級泵等。
（2）離心泵的選用
①根據被輸送液體的性質確定泵的類型；
②根據生產任務定流量，所需壓頭由管路的特性方程定；
③根據所需流量和壓頭確定泵的型號：
－查性能表或特性曲線，要求流量和壓頭與管路所需相適應（或稍大一點）；
－若幾個型號都滿足，應選一個在操作條件下效率*高的。
