第三章 叶片式水泵的性能 第一讲

1、第三章第三章 叶片式水泵的性能叶片式水泵的性能 内容：主要介绍了叶片泵的工作参数、基本方程式、内容：主要介绍了叶片泵的工作参数、基本方程式、 性能曲线及叶轮相似定律性能曲线及叶轮相似定律 目的：重点掌握叶片泵的性能曲线。熟悉叶片泵的工目的：重点掌握叶片泵的性能曲线。熟悉叶片泵的工 作参数、基本方程式及相似定律作参数、基本方程式及相似定律 难点：叶片泵的基本性能参数、叶片泵基本方程式、难点：叶片泵的基本性能参数、叶片泵基本方程式、 叶片泵的特性曲线及相似定律叶片泵的特性曲线及相似定律3.1 工作参数工作参数工作参数：工作参数：流量、扬程、转速、功率、效率及允许吸上真流量、扬程、转速、功率、效率及

2、允许吸上真 空高度或汽蚀余量。空高度或汽蚀余量。1.1.流量流量 Q Q 定义：指水泵在单位时间内所输送液体的体积或质量。定义：指水泵在单位时间内所输送液体的体积或质量。 单位：单位：m m3 3/h/h、m m3 3/s/s、L/sL/s、Kg/sKg/s、T/hT/h2.2.扬程扬程 H H 定义：扬程是指水泵对单位重量的液体所做的功（即单位定义：扬程是指水泵对单位重量的液体所做的功（即单位 重量液体通过水泵后其能量的增值）。重量液体通过水泵后其能量的增值）。 单位单位 ： mH2O(简称简称m)、Pa、kPa、MPa 1mH2O=9800Pa=9.8KPa=0.0098MPa 根据水泵扬

3、程的定义：以吸水井水根据水泵扬程的定义：以吸水井水面面00为基准面为基准面,如图。则总扬程为：如图。则总扬程为： H = E2 - E1 = Z2+ + - (Z1+ + ) 泵的吸入口、压出口分别装有泵的吸入口、压出口分别装有真空表、压力表，表读数分别为真空表、压力表，表读数分别为相对压力。即相对压力。即： g2v21g2V222P1p Pv=Pa- P1 Pd=P2-Pa 式中式中P1、P2 分别为进口、压出口绝对压力。分别为进口、压出口绝对压力。 则：则： H=Hv + Hd + +Z (mH2O) 运行中由于运行中由于 +Z的值较小，可以的值较小，可以 省略。于省略。于是上式可简化是上

4、式可简化 为：为： H=Hv + Hd g2vv2122g2vv2122 对于自灌式水泵而言：水泵进水口与出水口都装有对于自灌式水泵而言：水泵进水口与出水口都装有压力表，扬程公式推倒如下：压力表，扬程公式推倒如下： H=E2 E1 = Z + + -（ + ）式中式中P1、P2 也可以是相对压力，则也可以是相对压力，则 = Hd = Hd （分别为水泵进水口与出水口的压力表（分别为水泵进水口与出水口的压力表读数）读数） 。 因此因此 ：H = Hd - Hd + + Z 当当Z=0，又可以忽略流速水头差（，又可以忽略流速水头差（ =0 ）时，则扬程公）时，则扬程公式简化为：式简化为：H = H

5、d - Hd 2PgV2221pg2v211p2pgvv22122gvv22122对于轴流泵：对于轴流泵： H = Hd + + Z gV2223.3.功率功率: :单位时间内水泵所做的功单位时间内水泵所做的功(KW). (KW). (1)(1)有效功率有效功率PePe：单位时间内流过水泵的液：单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量体从水泵那里得到的能量(泵泵输出功率输出功率)。 单位：单位：KW Pe = rQH/1000KW Pe = rQH/1000 - -水的重度（水的重度（kN/mkN/m3 3）水通常取）水通常取9.8kN/m9.8kN/m3 3 Q- Q-水泵流量水泵流量

6、(m(m3 3/s)/s) H- H-泵扬程泵扬程(m)(m) (2) (2)轴功率轴功率P P：原动机传送给泵轴的功率：原动机传送给泵轴的功率( (输入功率输入功率) )。 单位：单位：KW P = = = （ kgkg m/s） 或 P= （kw） ePQH102QH单位为单位为：kgkg m/s Pe=Q H=Q H式中式中-液体重度（液体重度（kg/mkg/m3 3）；）； Q-Q-水泵流量水泵流量 (m(m3 3/s)/s)； H-H-泵扬程泵扬程(m)(m)。4.4.效率效率 反映了泵内功率损失的大小，是一项技术经济指标。反映了泵内功率损失的大小，是一项技术经济指标。 效率是指有效

7、功率与轴功率比值，用效率是指有效功率与轴功率比值，用表示。表示。 水泵效率：水泵效率： = 水泵效率由机械效率、容积效率、水力效率组成水泵效率由机械效率、容积效率、水力效率组成.在泵运行在泵运行过程中过程中,泵内存在三种损失泵内存在三种损失:机械功率损失机械功率损失Pm、容积功率损失、容积功率损失Pv、水、水力功率损失力功率损失Ph。总功率。总功率P=Pe +（ Pm +Pv +Ph ）%100PPe （1）机械损失与机械效率）机械损失与机械效率 水泵在运行中还存在轴承内的摩擦损失、填料轴封装水泵在运行中还存在轴承内的摩擦损失、填料轴封装置内的摩擦损失以及叶轮盖板旋转时与水的摩擦损失等，置内的

8、摩擦损失以及叶轮盖板旋转时与水的摩擦损失等，这些机械损失同样消耗了一部分功率，使水泵的总效率下这些机械损失同样消耗了一部分功率，使水泵的总效率下降。可用机械效率降。可用机械效率M来度量：来度量： M = 式中式中 PT 叶轮传给水的全部功率，称为水功率。也即泵叶轮传给水的全部功率，称为水功率。也即泵轴上输入的功率只有在克服了机械摩阻以后，才把剩下的轴上输入的功率只有在克服了机械摩阻以后，才把剩下的功率传给了液体。（功率传给了液体。（PT= QT HT）%100PPT （2）容积损失与容积效率）容积损失与容积效率 泵工作过程存在泄漏和回流，所以水泵的出泵工作过程存在泄漏和回流，所以水泵的出水量总

9、比通过叶轮的流量小。即：水量总比通过叶轮的流量小。即： Q = QT- q 式中式中 q-漏渗损失量漏渗损失量 。 泄漏掉小部分流量就会消耗一部分功率。消泄漏掉小部分流量就会消耗一部分功率。消耗掉这部分功率可用容积效率耗掉这部分功率可用容积效率v来度量：来度量： v = %100TQQ （3）水力损失与水力效率）水力损失与水力效率 水泵内部水力损失是因所抽送的液体不是理想液体，存在着一定能量水泵内部水力损失是因所抽送的液体不是理想液体，存在着一定能量损失，泵内的水头损失可归纳为两大类：损失，泵内的水头损失可归纳为两大类： 1） 摩阻损失摩阻损失 指液流在吸水室、叶槽和压水室中产生的摩阻损失，其

10、中还包括转弯指液流在吸水室、叶槽和压水室中产生的摩阻损失，其中还包括转弯处的弯道损失和由流速水头转换为压头时的转换损失。处的弯道损失和由流速水头转换为压头时的转换损失。 2）冲击损失）冲击损失 当流量偏离设计流量时，在叶轮的进口导水器蜗壳压水室的进口等处当流量偏离设计流量时，在叶轮的进口导水器蜗壳压水室的进口等处发生水力冲击现象而引起的水头损失。发生水力冲击现象而引起的水头损失。 水泵的这两部分损失必然消耗一部分功率，使水泵的总效率下降。可水泵的这两部分损失必然消耗一部分功率，使水泵的总效率下降。可用水力效率来度量：用水力效率来度量： h = %100THH = 水泵总的效率水泵总的效率: =

11、 h v M 水泵的总效率是水泵的总效率是3个局部效率的乘积。尽量减少这三个局部效率的乘积。尽量减少这三部分的损失。部分的损失。 5.转速转速n 定义：泵叶轮的旋转速度，以每分钟转动次数表示。定义：泵叶轮的旋转速度，以每分钟转动次数表示。(往复泵转速以活塞往复次数表示往复泵转速以活塞往复次数表示)单位单位 ：r/min 当当n变化时，该水泵的其它性能参数也发生化。变化时，该水泵的其它性能参数也发生化。NHQHQQHQHQHTTTTTT6.允许吸上真空高度允许吸上真空高度Hs及汽蚀余量及汽蚀余量NPSHr （1） Hs -指水泵在标准况下运转时，水泵吸入口处所允指水泵在标准况下运转时，水泵吸入口

12、处所允许的最大吸上真空高度。许的最大吸上真空高度。 单位：单位：mH2O （2） NPSHr -指水泵吸入口处，单位重量液体必须具有指水泵吸入口处，单位重量液体必须具有的超过饱和蒸汽压力的富余能量（压头差）的超过饱和蒸汽压力的富余能量（压头差） 。 单位：单位： mH2O (3) Hs 与NPSHr 从不同角度反映泵吸水性能的参数。从不同角度反映泵吸水性能的参数。 Hs 值越大，水泵吸水性能越好。值越大，水泵吸水性能越好。 NPSHr值越小，水泵吸水性能越好。值越小，水泵吸水性能越好。3.2 基本方程式基本方程式3.2.1 水流在叶槽中的运动及速度三角形水流在叶槽中的运动及速度三角形 以离心泵

13、封闭式叶轮为例：以离心泵封闭式叶轮为例： 1. 叶槽中水流的运动叶槽中水流的运动 1）水流以绝对速度）水流以绝对速度 C0 沿泵轴线流入叶轮入口。沿泵轴线流入叶轮入口。 2）水流在叶槽中沿着叶片流动，质点相对于旋转着的）水流在叶槽中沿着叶片流动，质点相对于旋转着的叶轮作相对运动，其运动速度叶轮作相对运动，其运动速度w为相对度。为相对度。 3）水流质点同时随叶轮旋转做圆周运动，其速度用）水流质点同时随叶轮旋转做圆周运动，其速度用表示，表示，方向与圆周切线方向一致，也称牵连速度。方向与圆周切线方向一致，也称牵连速度。 （2）速度三角形）速度三角形 则质点的绝对速度则质点的绝对速度 C在切向和径向的

14、分量分别为在切向和径向的分量分别为（3）特征角与叶片分类）特征角与叶片分类 速度三角形中的特征角：速度三角形中的特征角： 1、2 分别是分别是C1与与u1 、 C2与与u2间夹角。间夹角。 1、 2 分别为分别为W1与与u1反向延长线反向延长线, W2与与u2 反向延反向延长线间夹角。长线间夹角。 1进水角进水角 2出水角出水角它们反映了叶轮进出口水流的情况，它们反映了叶轮进出口水流的情况， 2 大小反映了大小反映了叶片弯度，是叶片和叶槽形状的重要参数。叶片弯度，是叶片和叶槽形状的重要参数。叶片的分类：叶片的分类：按按2的大小，离心泵叶片分为三大类：的大小，离心泵叶片分为三大类： 2 90 为

15、前弯式为前弯式 2 =90 为径向式为径向式说明：后弯式说明：后弯式-它流道平缓，槽内水头损失小。它流道平缓，槽内水头损失小。 前弯式前弯式-它叶片流道短，弯度大，泵内水头损失大它叶片流道短，弯度大，泵内水头损失大 水力效率低，而且它的性能特性将使系统水力效率低，而且它的性能特性将使系统 不能稳定工作。不能稳定工作。 径向式径向式-这种叶片泵内水头损失较大。这种叶片泵内水头损失较大。 在离心泵中，一般取在离心泵中，一般取2 =2030 2=6153.2.2、基本方程式、基本方程式 1、假设：、假设： 为了简化分析推理，对叶轮的构造和液流性质作为了简化分析推理，对叶轮的构造和液流性质作3点假点假

16、设：设： 水流是水流是恒定流，槽内各点的流速不随时间变化。恒定流，槽内各点的流速不随时间变化。 叶槽中，叶槽中，液流均匀一致，叶轮同一半径处液流的同名液流均匀一致，叶轮同一半径处液流的同名速度相等。速度相等。 水流为水流为理想流体。理想流体。（2）方程式的推导）方程式的推导 根据流动均匀一致的假定，应用动量矩定理可写出：根据流动均匀一致的假定，应用动量矩定理可写出： (C2R2cos2 C1R1cos1)=M 式中式中M作用在叶槽内整股水流上的所有外力矩；作用在叶槽内整股水流上的所有外力矩； R1、R2 分别是叶轮进口和出口至轴中心的半径。分别是叶轮进口和出口至轴中心的半径。 组成组成M的外力

17、有：的外力有：1.叶片迎水面和背水面作用于水的压叶片迎水面和背水面作用于水的压力力F2和和F1；2.作用在作用在ab与与cd面上的水压力面上的水压力F3及及F4 ，它们，它们都沿着径向，所以对轴没有力矩；都沿着径向，所以对轴没有力矩；3.作用于水流的摩擦作用于水流的摩擦阻力阻力F5及及F6，但由于是理想液体，故不考虑。，但由于是理想液体，故不考虑。 单位时间里控制面内恒定总流的动量矩变化单位时间里控制面内恒定总流的动量矩变化( (流出液体的流出液体的动量矩与流入液体的动量矩之矢量差动量矩与流入液体的动量矩之矢量差) )等于作用于该控制等于作用于该控制面内所有液体质点的外力矩之和。面内所有液体质

18、点的外力矩之和。tmdd对于叶轮的全部叶槽中水流，则有：对于叶轮的全部叶槽中水流，则有： = (C2R2cos2 C1R1cos1)式中式中QT通过叶轮的理论流量。通过叶轮的理论流量。 根据假定（根据假定（3）知道，其水功功率）知道，其水功功率PT可以用外力矩（可以用外力矩（ ）和叶轮旋转角速度（和叶轮旋转角速度（ ）的乘积来表示。）的乘积来表示。 即即 PT= （kg m/s） 又知，水功功率又知，水功功率PT= QTHT ，故得：，故得： HT = MgQTMMTQM 根据以上式子可以得到离心泵的基本方程式：根据以上式子可以得到离心泵的基本方程式： HT (C2R2cos2 C1R1cos

19、1) (u2C2u u1C1u) 3.2.3 基本方程式的适应条件基本方程式的适应条件 1、基本方程式是根据三点假设推导出来的，因此方、基本方程式是根据三点假设推导出来的，因此方程式适用于恒定流、水流均匀一致的情况和理想液体。程式适用于恒定流、水流均匀一致的情况和理想液体。 2、基本方程只与叶片进、出口速度三角形有关，与叶片形、基本方程只与叶片进、出口速度三角形有关，与叶片形状无关。因此，基本方程式适用于一切叶片式水泵。状无关。因此，基本方程式适用于一切叶片式水泵。 gg1 3.2.4基本方程式的分析和讨论基本方程式的分析和讨论 1、提高水泵扬程和改善吸水性能的途径。、提高水泵扬程和改善吸水性

20、能的途径。 选择合适的特征角度、叶轮尺寸、转速，可提高选择合适的特征角度、叶轮尺寸、转速，可提高水泵扬水泵扬程和改善吸水性能。程和改善吸水性能。 当当190时时C1u=0 则则HT=(u2C2cos2)/g=(u2 C2rctg 2)/g 由上式可知由上式可知 190 26 15 合适合适 HT与与u2有关，而有关，而u2=nD2/60，当增加转速（，当增加转速（n）和增和增大叶轮出口直径（大叶轮出口直径（D2），可提高水泵扬程，但，可提高水泵扬程，但D2、n受材料受材料强度等的限制，不能任意取值。强度等的限制，不能任意取值。gCuHuT22 2、HT与被输送液体的重度无关与被输送液体的重度无

21、关 叶片泵基本方程式与液体重度无关，对于同一台水泵来叶片泵基本方程式与液体重度无关，对于同一台水泵来说，当抽送不同重度的流体时，说，当抽送不同重度的流体时， 所产生的理论扬程是相同的所产生的理论扬程是相同的但在同样流量和扬程下水泵消耗的功率是不同的但在同样流量和扬程下水泵消耗的功率是不同的, r越大所消越大所消耗的功率愈大。耗的功率愈大。 3、理论扬程、理论扬程HT是动扬程和势扬程之和：是动扬程和势扬程之和： 由叶轮出口速度三角形可得：由叶轮出口速度三角形可得： W1 u1+C1-2u1C1cos1 W2u2+C2-2u2C2cos2 将上式整理后可得：将上式整理后可得： (u2C2cos2-

22、u1C1cos1)/g = (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g+(C2-C1)/2g 即：即：HT= (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g+(C2-C1)/2g (C2-C1)/2g -叶轮所产生的动扬程叶轮所产生的动扬程H1 ，是单位重量液，是单位重量液体动能的增加。体动能的增加。 (u2-u1)/2g+(W1-W2)/2g-单位重量液体势能的增加单位重量液体势能的增加即势扬程即势扬程H2。 即叶片泵的理论扬程：即叶片泵的理论扬程：HT = H1 + H2 4、由于进出口速度四边形反映了叶轮内部水流情况，因而叶、由于进出口速度四边形反映了叶轮内部水流情况，因而叶 轮内部水流情况在量的方面影响着理论扬程轮内部水流情况在量的方面影响着理论扬程HT 。 3.2.5、基本方程式的修正、基本方程式的修正 推导基本方程式时，作过三点假设，与实际推导基本方程式时，作过三点假设，与实际有差距，现修正如下：有差距，现修正如下： (1)关于理想液体是恒定流问题。关于理想液体是恒定流问题。 在水泵启动一段时间以后，外届使用的条件不变在水泵启动一段时间以后，外届使用的条件不变时，可以认为叶轮外的绝对