耐酸泵的设计

PAGEPAGE89耐酸泵的设计摘要泵是一种可以提升液体，输送液体或是液体增加压力，也就是把原动的机械能变成液体能量的机器。而耐酸泵则是在泵的基础上应用具有耐酸性能的材料而研制生产的泵。大多数耐酸泵之所以可以耐酸的原因主要是泵的材质，一般耐酸泵均采用非金属材质做为泵的过流部件材料，如“聚乙烯、聚丙烯、聚全氟乙丙烯等”，其中聚全氟乙丙烯是最好的耐酸材质之一，基本上可以耐任何酸性介质的腐蚀，被称为塑料王。耐酸泵产品适用于-20℃～+120℃温度条件下输送各类腐蚀性介质，其过流部分全部采用塑料合金（聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯等多种材料）经过合理配方、模压、加工而成，耐酸泵集多种塑料之优点，具有特强的耐腐性能，并具有机械强度高，不老化、无毒素分解等优点，是输送各种强、弱酸的理想设备。一直以来，耐酸泵的选型就是化工从业者最头痛的问题之一，稍有不慎，轻则损坏设备，重则造成事故甚至引发灾难。据有关统计，化工设备的破坏约有60%是由于腐蚀引起的，因此在化工泵选型时首先要注意选材的科学性。通常有一种误区，认为不锈钢是“万能材料”，不论什么介质和环境条件都捧出不锈钢，这是很危险的。因此，合理的选择耐酸材料对于工厂作业和化工生产是很有必要的。今后，随着科学技术的飞速发展，耐酸泵将在化工、冶金、电力、造纸、食品、制药、合成纤维等工业中占有越来越重要的地位。同时，对泵设备将会有更高的要求。并且在设计方面要求更加合理，结构简单，使用方便。在未来将会有很好的应用和发展前景。关键词:耐酸泵，工作原理，材料选择，叶轮设计1绪论耐酸泵发展及其作用泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送液体的泵种类繁多，用途很广，如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。为了满足各种工作的不同需要，就要求有不同形式的泵。应当着重指出，化工生产用泵不仅数量大、种类多、而且因其输送的介质往往具有腐蚀性，或其工作条件要求高压、高温等，对泵有一些特殊的要求，这些泵往往比一般的水泵复杂一些。在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛，因为它的流量、扬程及性能范围均较大，并且有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等优点，并且耐酸泵属于离心泵，所以本文着重介绍耐酸泵的设计及其计算等方面的内容。耐酸泵的性能预测的现状及发展趋势离心泵性能预测的现状泵是一种通用机械，同时又是一种耗能设施。据资料统计显示，我国建国以来建起的数万座泵站的用电量约占全国总发电量的20%，耗电量巨大。然而大多数泵站因容量偏大，运行效率低，能源浪费也十分严重。装置效率普遍低于50%，远低于原水力部颁发的55%。无用功率达泵站装机容量的30%～50%。一方面通过新的水力模型或制造技术将效率从现有水平在提高1%也是困难的，另一方面泵在运行时其效率下降10%却是常事。目前，离心泵及泵站在运行方面及实际生产中存在的主要问题是：泵站中的水泵在多数情况下实际工况常偏离其设计工况，使运行效率大大降低。在我国大多数离心泵站中，尤其在水位变幅较大的泵站中，泵站经常在低效率工况下运行，造成了能量的大量浪费。一些大功率离心泵尚无法在实验室测试其性能为满足用水要求和经济运行的目的，往往需要改变流量、扬程使其工作点发生变化。叶轮机械内部流动分析一直是研究的热点问题，由于叶轮的旋转和表面曲率所引起的哥氏力和离心力，使叶轮内的流动相当复杂，且常伴有流动分离和尾迹流等。所以至今尚未见到完全应用三元理论设计出令人满意的离心泵。一直以来，国内外的泵制造厂家对于新泵的研制普遍采用以下程序：先设计几个叶轮、泵壳，然后建立模型，最后上实验台，通过修改、设计、再试验等程序，直到满足用户的要求。如此繁琐的过程造成了大量的时间、人力和财力的消耗。如果能依据设计出来的泵的叶轮、蜗壳（导叶）等水力参数预估泵的特性曲线，显然能减少泵的模型制作、试制、试验费用，缩短设计、制造周期，具有很现实的意义。据资料显示，在1998年清华大学主办的第三届国际泵与风机学术会议上，发表的论文有85%来自大专院校和科研单位，国内主要泵制造厂几乎无论文发表。与国外相比，德国、日本发表的论文比较注重实际，善于解决泵用户和制造厂的棘手问题，并且也很有学术价值。在我国发表的论文中，既有实用价值又有学术意义的高水平论文不多，论文普遍缺乏明确的实用性和指导意义。这是由我国校企合作现状和当前经济环境所决定的。目前泵技术中的几个重要研究方向：性能研究运行与故障诊断汽蚀研究设计与产品开发CFD泵的设计与产品开发、性能研究是泵产品中永无止境的研究方向与热点。这两方面的研究即属于应用研究范畴，又能够丰富泵的基础理论和技术，更容易出成果。离心泵性能预测的国内外动态和发展趋势性能预测的关键是对泵内各种损失的计算。离心泵内的水力损失主要是叶轮和泵壳（导叶）内的损失。性能预测采用的方法可归纳为两种：损失模型法。通过对本部分水力损失的物理本质及其影响因素的分析，寻求水力损失与结构参数的关系，对流场做一定的假设、简化，建立水力损失的计算模型。该方法的优点是可以全面考虑诸如二次流、进口回流、边界层分离、漩涡和危机等各种因素的影响，对实际的性能预测有很高的实用性和准确性。因此，大多数研究机构和学者都是采用这种方法进行水泵的性能预测。叶轮内水力损失的计算方法最初使用一元流动理论进行分析，结合经济来修正。但由于是用一元流动的方法来研究本质是三元流动的问题，自然限制了预测的精度。因此，为进一步提高预测精度，二维、三维的方法逐渐兴起。国外一般把叶轮内的损失分为摩擦损失、撞击损失以及混合损失等。数值方法，又称为数值试验或计算试验法。目前纯数值方法主要是基于计算流体力学对泵内流场进行数值模拟，得到泵内流场信息（速度场、压力场等），进而计算出泵的扬程、功率、效率和流量之间的关系（性能曲线），实现对水泵性能的预测。然而，由于计算软件功能的限制和流动的异常复杂性，如非定常、分离流动、漩涡流动等，使得在计算设计工况时过流部件的内部流场时比较准确，但在计算全流量范围内的流场，特别是小流量工况下的流场时误差较大。耐酸泵的发展现状及发展趋势概述为了适应全球化的竞争与合作,世界泵业都在发展自己的技术优势,扩大产品范围以适应世界大市场的多样性、个性化需求。产品规格向大型化、微型化发展,泵送介质由高纯度到强腐蚀、剧毒、易爆易燃。介质的温度可高达800,低至-260。其流量范围从每小时几十毫升到每小时几十万立方米。压力可达109Pa甚至更高。投入使用后,泵类机械往往一年以上无需维修。化学工业对泵的需求量很大。在美国,化工需泵量占泵市场的26%。在法国,化工用泵约占泵市场的16%。化工用泵大多是采用特殊材料制造。在4000年前人类开始使用泵。到1959年泵的大部分技术成型就基本上完成了。在泵的发展历史上,容积式及转子泵的出现是一个重大的进步。通过相互学习,蠕动泵、螺旋泵、叶片泵的功能都提高了。泵工业从区域化转变为全球化,世界各泵生产厂家通过合并、收购、破产,工业结构发生了很大变化。到2001年为止,ITT,IDP,Weir,SterlingFluidSystem,Grundfos,Wilo,ABS,KSB等公司结构都已发生了变化。泵的市场前景世界泵市场每年总销售额大约201010英镑,其中英国占7.8108英镑的份额。英国的市场商业部(MBD)的一份报告对英国的泵市场作了分析预测。从1996~2000年的不景气中恢复,2000年增长达14%。1996年以生产销售价格计算,泵的产值是7.436108英镑。1997年达最高峰是8.3108英镑,增幅为12%。1998年增幅下降到9%,而1999年增幅5%。2000年增长为14%,2001年为3%。预计2002年增幅为2%,总的销售额达6.06108英镑。离心泵销售在2001年增长1%,2002年预计增长也为1%,产值达2.202108英镑。容积式泵在2002到2003年间销售增长为2%,销售额达1.05108英镑。在2004年预计下降到1.048108英镑。其他类型泵在2002到2003年预计增长为2%,达2.77108英镑。MSB认为泵市场的一个特征是在增长。美国泵工业经过了低迷时期再次好转,有两种明显趋势:专业泵市场处于强势,发展泵的可靠性十分重要。化学过程(CPI)泵已经脱离了基本型,从工程泵转向专用泵。原因是化学物质的扩散涉及到每一个消费产品,受到工业和政府的关注。这些扩散的化学品往往是有污染的、有毒的、有的甚至很昂贵。它们大都危及到农产品。为了职业安全与环境要求,推广磁力传动与气封的结合可实现无泄漏、干运转,处理固体物质而不破坏。由于泵运转中要磨损,所以泵发展的重点是质量,如耐久性、可靠性、服务寿命、维护简单及备件的可用性。专业泵用户要求减少停工次数,因为停工的成本是昂贵的,因此要求长的运转周期,并且维护时能迅速恢复。买方与卖方都十分注意减少泵的成本及提高泵的效率。作为预测将来,新技术、新设计、新概念的泵将会出现,专业泵的制造是一个极好的发展机遇。泵的新的应用泵的使用领域主要集中在石油、化工、流体工业等行业,但是在国外近年来出现了很多新的应用。最近MicroPump公司的Ps80可变冲程的陶瓷活塞泵。这种泵采用步进电机驱动,能够调节流速的大小,使一次冲程的剂量准确度达到1%。活塞和汽缸均用惰性材料制造,不用阀门及密封。一次冲程的流量为5～80mL,转速为300r/min,压力为500kPa。在英国使用容积式泵的螺杆泵来输送新鲜鱼。原来用的泵中海水与鱼的比是70比30,鱼的死亡率在10%以上。现在由Moyono公司生产的泵,能够输送4到6英寸长的活鱼,海水与鱼的比率是30比70,鱼的死亡率仅为5%。它的转子是单头阳螺纹,定子是双头阴螺纹。当转子在定子中旋转时,能产生大的泵体的空间让鱼顺利通过,而仅受很少的损害。鱼在泵中以旋转路线前进,易于微量控。在半导体行业中,一种新型泵用来杜绝印制电路板中气泡的出现。它由FinishThompsonVertimagTM公司生产的立式磁力泵。用传统立式泵,会使电镀溶液中出现微小的气泡,这样使印制电路板上出现线路不连通,致使印制电路板失效。传统立式泵电机轴直接与悬臂中的叶轮相连,轴及叶轮都装在圆柱形的金属桶内。圆柱桶上有一些泄露小眼,用来防止液体攀升到内部的电机。这些小眼导致电镀溶液进入空气。FinishThompsonVertimag泵用一个完全不透气的密封好的圆筒防止空气进入电镀液,而且减少液体的散发、延长使用寿命。汽车的活动座对司机来说非常重要,最近由BMW公司与ASFThomas公司合作生产了一种新座椅,它能起到按摩作用。用叶片泵来提供适当流速的液体来按摩。美国明尼苏达洲的Kromer公司生产和维护运动设备及场地,原来他们使用手推带有涂料箱的车来划线,他们要紧张的培训他们的职员以最少的时间划完运动场地线。问题是泵要能传送定量的带有粘性的发光颗粒橡胶涂料,而且泵无须密封,易于维修。使用Flex-I-liner泵能泵出以橡胶为主的涂料5～6gal/min,压力2000kPa。能很好地完成划线。这种泵泵身材料是聚乙烯,腔内的衬套由可以替换的橡胶制成。耐酸泵的选型了解泵选用原则使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。必须满足介质特性的要求。对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料，如AFB不锈钢耐腐蚀泵，CQF工程塑料磁力驱动泵。对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封用采用清洁液体冲洗。机械方面可靠性高、噪声低、振动小。经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。

因此除以下情况外，应尽可能选用离心泵：

a、有计量要求时，选用计量泵。

b、扬程要求很高，流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时，可选用往复泵，如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵。

c、扬程很低,流量很大时,可选用轴流泵和混流泵。

d、介质粘度较大(大于650~1000mm2/s)时，可考虑选用转子泵或往复泵(齿轮泵、螺杆泵)。

e、介质含气量75%，流量较小且粘度小于37.4mm2/s时，可选用旋涡泵。

f、对启动频繁或灌泵不便的场合，应选用具有自吸性能的泵，如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动(电动)隔膜泵。知道泵选型的基本依据泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑，既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等。

1、流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的生产能力和输送能力。如设计院工艺设计中能算出泵正常、最小、最大三种流量。选择泵时，以最大流量为依据，兼顾正常流量，在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。

2、装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据，一般要用放大5%—10%余量后扬程来选型。

3、液体性质，包括液体介质名称，物理性质，化学性质和其它性质，物理性质有温度c密度d，粘度u，介质中固体颗粒直径和气体的含量等，这涉及到系统的扬程，有效气蚀余量计算和合适泵的类型：化学性质，主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性，是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。

4、装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向，吸如侧最低液面，排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等，以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。

5、操作条件的内容很多，如液体的操作T饱和蒸汽力P、吸入侧压力PS（绝对）、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置是固定的还是可移的。其他选型问题节能、高效、自动化是制冷方向的主题。对于小制冷设备如家用空调一类，用空气冷凝的方法，对于大型的制冷设备就会用到水冷方式，水泵为冷凝器的散热提供循环水源起到重要作用。循环水泵容量过大在我国是普遍存在的。原因：1.设计冷负荷偏大设计冷负荷是选择设备的主要依据，所以正确地计算建筑冷负荷对整个空调系统的设计十分重要。目前，教科书及设计手册中提供的空调负荷计算方法不论是计算围护结构的墙壁负荷，还是门窗负荷，其计算结果都是针对某一具体房间而言。然而，空调系统设备容量是依据整个建筑的冷负荷确定。由于建筑内各房间的朝向、位置、使用功能及其发热源等因素的不同，往往造成各房间最大冷负荷出现的时间并不相同。因此，建筑冷负荷的最大值应为每个房间逐时负荷叠加的最大值。据调查在我国有部分设计人员在计算建筑冷负荷时只是简单地将每个房间的最大冷负荷进行叠加，导致计算结果远大于实际需求负荷。所以我们必须对此给予足够的重视，使设计负荷的确定更加合理正确。2.系统循环阻力偏大在计算系统循环阻力时，由于设计人员经验不足，使得一些计算参数取值过于保守，造成循环阻力计算值偏大，更有甚者，在施工图设计阶段采用估算方法确定循环阻力，致使计算循环阻力比实际值大一倍以上。3.系统静压问题空调系统充满水才能运行，水泵的进、出口承受相同的静水压力。因此，所选水泵的扬程只克服管道系统阻力即可。然而，有的设计者却把静水压力也计入该循环阻力之内，这当然会使循环水泵的容量增大很多。4.系统水力平衡问题由于设计时不认真进行系统的水力平衡计算，工程竣工后又未按要求进行全面调试，往往造成系统水力失调，系统出现冷热不均的现象。有些技术人员错误地认为造成此现象的原因是循环水泵的容量太小，结果只简单地采用加大水泵的方法解决了之，自然也就使水泵容量增大。5.结论①在空调设计中应客观准确地计算冷负荷和系统阻力，避免因此而造成设备选型偏大；②选择循环水泵时，注意水泵工况点向右偏移现象，以保障水泵扬程变化在系统正常运行的允许范围之内；③工程寿命周期成本和价值工程都是工程经济评价的良好工具，在做技术经济分析时应充分运用它们。2泵的设计叶轮设计叶轮设计前言水泵叶轮的设计参数对性能有直接的影响，水泵的叶片数Z取5～6片、叶片出口角咫取35°～45°。时水泵性能较为理想，叶片出口直径D2从284mm切割到266mm时，实测性能大部分比计算的性能低，叶片出口宽度b2取决于额定流量，轮毅比Rb取决于泵的扬程和功率，水泵的转速n、叶轮入口直径及叶片入口宽度取决于泵的汽蚀性能，叶片入口端位置对泵的性能影响不大。欲获得较理想的水泵性能，必须综合考虑这些因素的影响，选择最佳的参数组合，以求设计出性能优越的离心泵。欲预测离心泵的工作性能，就必须了解其叶轮的设计参数，即转速、叶片数、叶片出口角、叶片出口宽度、叶轮入口直径等对泵性能的影响。这是因为上述这些技术参数选定如何，将会使泵的工作性能发生不同的变化（设计最高效率点除外）。因此，有必要充分研究泵的设计参数所引起的泵性能变化问题，尤其要注意与低流量区特性有关的问题。各设计参数对泵性能的影响转速（r/min）水泵进行选型时，首先要确定转速，而转速主要取决于泵的汽蚀性能。不过，还必须同时考虑比转数与泵性能之间的关系。比转数增大时，相对关闭（流量为零）总扬程（关闭总扬程与最高效率点总扬程之比）和因次轴功率（任意点轴功率与最高效率点轴功率之比）二者都随之增大，效率曲线也变陡，即高效范围缩小。叶片数就离心泵来说，一般情况下，增加叶片数可以改善液体流动情况，适当提高泵的扬程，但叶片数增加后增加叶片摩擦损失，减少流道过流面积，所以过多的增加叶片数，不但要降低效率，并使叶轮的汽蚀性能恶化，还能导致泵性能曲线出现驼峰。图1绘出了叶片数对离心泵性能的影响。从图中还可以看出，当叶片数减到最少时，对性能影响较大。叶片出口角叶片出口角对离心泵性能的影响示于图2。从图中看出，叶片出口角增大，关闭扬程几乎不变。当叶片出口角超过一定限度时，就会产生不稳定特性（总扬程曲线左侧出现上升段）。叶轮出口直径叶轮出口直径切割后引起的婚泵性能变化，如图3所示。随着叶轮外径的切小泵的最高效率值略有下降，最高效率的性能点基本上符合抛物线规律变化，切割后的抛物线提高了，在大流量区域效率的下降更明显一些。根据理论，叶轮出口直径切割后泵性能的计算方法为：而实测性能大部分比计算的性能低，特别是扬程偏低更多，也就是说．按公式计算的切割量偏大。现将切割叶轮出口直径后的实测结果列于表2-1。后斜切割叶轮出口，试验结果如图4所示。对小流量公兄效率影响不大，其它工况效率略有下降，关死点功率变化不大。叶轮后斜切割后，泵性能下降．但关死点及小流量工况下降较小，因此，性能曲线更加稳定陡降，还消除了性能曲线的拐点．听以这种切割方法是很有实用价值的，它可以改善性能曲线的拐点与驼峰，或者说．对出口边后斜的叶轮．可以适当增加叶片出口角来提高泵的性能，而仍保持性能曲线单调下降，以此来减少泵的体积和重量。前斜切割叶轮出口试验结果如图5。关于死点与其它工况点的性能普遍下降．因此，切割后并未改善性能曲线的稳定性，性能曲线拐点更明显了。对小流量工况点，泵的效率略有提高，但其它工况，泵的效率下降，而且比后斜切割时下降要多。因此，这种切割方式在生产中没什么实用价值。此外，切割后盖板的话，额定总扬程就会降低，而关闭总扬程不变，此时效率不变。相反，切割前盖板的话，总扬程曲线在整个流量范围内下降，效率也随之降低。叶片出口宽度离心式叶轮叶片出口宽度改变时，总扬程曲线的变化与叶片出口角的改变相类似。随着叶片出口宽度增大，关闭总扬程也随之略有增大，而额定流量则随着叶片出口宽度增大而增大；在关闭扬程比减小时，容易出现不稳定特性。轮毂比同一叶轮轮毅比Rb改变时的无因次性能曲线示于图6，在叶轮吸入侧不产生反向流的流量范围内，随着轮毅比的增大，扬程系数和效率系数均有些下降，但轴功率系数几乎不变。不过，在吸水侧产生反向流的低流量区，轮毅比对性能变化的影响很大。随着轮毅减小，扬程系数和功率系数增大比较显著。叶轮入口直径增大叶轮入口直径，可使叶轮入口速度减小，从而提高泵的抗汽蚀性能。而叶轮入口速度越低，叶轮人口直径越大，泵的效率也随之降低。因为，叶轮入口直径增加后，密封环处间隙面积增大，泄漏量增加，使泵的容积效率降低。另方面，叶轮入口直径增大后，相对地缩短了流道长度，影响水力效率。所以，确定叶轮入口直径时，除考虑泵的汽蚀性能外，还要兼顾泵的效率。叶片入口宽度增加叶片入口宽度可以使叶轮入口相对速度w1减小，从而提高泵的汽蚀性能。叶片入口端位置就离心式叶轮来说，除非叶片数极少，叶片数对泵性能影响不大，即使叶片入口端向吸入口延伸，叶片相应加长也不会使泵性能有很大变化。由于叶片加长，除了关闭扬程有所增加外，泵的工作性能几乎不变。性能的改变与预测上面阐述了关于离心泵叶轮的各设计参数对泵的工作性能的影响分析。为了获得较理想的性能，可以参考上述各设计参数对泵性能的影响来确定。但是，除上述分析二、三项外，都是讨论只改变单个或几个参数的性能变化。从结果来看，在改变有关参数时，泵的各工作点及其它特性也发生变化，这一点必须引起注意。

下面试以设计离心泵为例进行讨论，设计要求是关闭总扬程低，总扬程曲线尽可能平缓，并减少不稳定特性。在这种情况下，建议考虑以下几个方面：(1）加大叶片出口角，减小出口直径；

(2）进出口直径比增大，入口直径要相应加大，关闭总扬程降低；

(3）比转数较大时，叶轮出口不与轴平行，切割成斜面变成混流形。

再如，想要降低现有泵的关闭总扬程，在切割叶轮的同时，必须对叶片出口内侧进行加工，以保证额定总扬程不变。关于叶片内侧加工问题，本文未作详述，但叶片内侧加工对于扩大叶轮出口面积和加大叶片出口角都有作用。前者的作用可以使关闭总扬程又有增加，而后者对此影响无多大变化，但总的说来，关闭总扬程几乎不改变。泵轴的设计泵轴把原动机的转矩传递给离心泵的叶轮或旋转式容积泵的移动元件。对摆动式容积泵，泵轴采用曲轴的形式。泵轴是泵转子的中心部件，泵上装有叶轮、轴套（如叶轮之间的定位轴套或在轴密封部分的护套）、轴承（滚动轴承或滑动轴承套和推力轴承盘），有时还有平衡盘或平衡鼓和联轴器，以及组成转子的其他部件（甩油环、平衡盘、诱导叶轮、轴的螺母）；在直连泵组中没有联轴器。在螺旋桨泵的空心轴中，还装有用于驱动叶片节距调齿轮的调节杆。除传递能量外，在泵运转时，泵轴还能使泵转子在泵壳的轴孔内产生同心效应。因此即使泵轴下垂弯曲，也不会造成二者互相碰撞。为了减小流量损失和泄漏率，应尽量减小泵转子和泵壳之间的径向间隙（密封间隙）。多级离心泵在一定的运行状况下会在这些间隙内发生碰撞。因此在这些部位使用的材料必须具有一定的滑动性能。确定泵轴的尺寸时，不仅需要考虑所能传递的最大扭矩和允许的下垂弯曲，而且还要考虑可能产生的弯曲和扭转震动。由于在理论上还无法估计发生节流的间隙所产生的阻尼效应和不同的安装方式的刚度效应，因此确定泵轴的临界转速需要大量实践知识。最后，除干式运转轴外，还必须考虑腐蚀对泵轴的影响（干式运转轴与物料不接触），即必须采用耐腐蚀的材料。此外，在所有情况下必须采取措施以保证泵轴长期在温度波动下不致产生持久变形。轴的功用和类型轴是机器中的重要零件之一，用来支持旋转的机械零件和传递转矩。根据承受载荷的不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴三种。转轴即传递转矩又承受弯矩，如齿轮减速器中的轴；传动轴只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小。如汽车的传动轴；心轴则只承受弯矩而不传递转矩，如铁路车辆的轴、自行车的前轴。按轴线形状，轴还可分为：直轴、曲轴和挠性钢丝轴。曲轴常用于往复式机械中。挠性钢丝轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的，可以把转矩和旋转运动灵活地传到任何位置，常用于振捣器等设备中。轴的设计主要是根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合适的材料，进行结构设计，经过温度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸，必要时还要考虑震动稳定性。轴的材料轴的材料常采用碳素钢和合金钢。碳素钢35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，应用较多，其中以45号钢用的最为广泛。为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，则可以采用Q235、Q275等碳素结构钢。合金钢合金钢具有较高的力学性能与较好的热处理性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。例如：采用滑动轴承的高速轴，常采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢，经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性；汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作，必须具有良好的高温力学性能，常采用40CrNi、38CrMoAlA等合金结构钢。值得注意的是：刚才的种类和热处理对其弹性模量的影响甚小，因此，如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度并无实效。此外，合金钢对应力集中的敏感性较高，因此设计合金钢轴时，更应从结构上避免或减小应力集中，并减小其表面粗糙度。轴的毛坯一般用圆钢或锻件，有时也可采用铸钢或球墨铸铁。例如：用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感性较低、强度较好等优点。表2—2列出几种轴的常用材料及其主要力学性能。表2-2轴的常用材料及其主要力学性能轴的结构设计轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。其主要要求是：1）轴应便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）；2)轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；3）各零件要牢固而可靠的相对固定（固定）；4）改善受力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。制造安装要求为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯型。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图2-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。图2-7轴的结构轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽（图中⑥与⑦交界处）；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。轴上零件的定位安装在轴上的零件，必须有确定的轴向定位。阶梯轴上界面变化叫做轴肩，可起轴向定位作用。在图2-7中，④、⑤间的轴肩是齿轮在轴上定位；①、②间的轴肩使带轮定位；⑥、⑦间的轴肩使右端滚动轴承定位。有些零件依靠套筒定位，如图2-7中的左端滚动轴承。轴上零件的固定轴上零件的轴向固定，常采用轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈（又称压板）等形式。在图2-7中，齿轮能实现轴向双向固定。齿轮受轴向力时，向右是通过④、⑤间的轴肩，并由⑥、⑦间的轴肩顶在滚动轴承内圈上；向左侧通过套筒顶在滚动轴承内圈上。无法采用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定。带轮的轴向固定是靠①、②间的轴肩以及轴端挡圈。轴向力较小时，零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉。轴上零件的周向固定，大多采用键、花键或过盈配合等连接形式。采用键连接时，为了加工方便，各轴段的键槽宜设计在同一加工直线上，并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。轴的各段直径和长度的确定凡有配合要求的轴段，如图2-7的①段和④段，应尽量采用标准直径。安装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件的轴径，如②与⑦段，应符合各标准件内径系列的规定。套筒的内径，应与相配的周径相同并采用过渡配合。采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂短2～3mm，以确保套筒、螺母或轴端挡圈能靠近零件端面。改善轴的受力状况，减小应力集中合理布置轴上的零件可以改善轴的受力状况。改善轴的受力状况的另一重要方面就是减小应力集中。合金钢对应力集中比较敏感，尤须加以注意。零件界面发生突然变化的地方，都会产生应力集中现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，圆角半径不宜过小，并尽量避免在轴段（特别是应力大的部位）开横孔、切口或凹槽。必须开横孔时，孔边要倒圆。在重要的结构中，可采用卸载槽、过度肩环或凹切圆角增大轴肩圆角半径，以减小局部应力。在轮毂上做出卸载槽，也能减小过盈配合处的局部应力。其他零部件设计吸入室（泵盖）的设计进液室是靠近离心泵上游的一个装置，被输送的流体（一般为水），经过进液室流向水泵。进液室可使流向离心泵的来流能够做到在各侧都均衡并且无扰动。对于高比转数的螺旋桨式泵，由于它对来流的不规则及扰动会立即有反应，所以有这样的一个平稳地、无扰动的来流对他来说是非常重要的。只要设计采用一个非常简单的进液室，就可避免由于来流无规则而产生的后果，例如泵震动和汽蚀造成的破坏，以及可能的泵效率和输出功率的降低。图中列出了四种十分成熟的、最常用的进液室。进液室的深度决定于进液室的结构形式。结构Ⅰ、Ⅱ为开式进液室，适用于平行的轴向来流。进液室是一个地面平整的简单的矩形建筑物。用进液弯管也能得到无扰动的来流。然而进液弯管的结构要比进液室复杂得多，而且为了容纳进液弯管，通常挖掘的深度也需要深一些。决定采用进液室，还是进液弯管，是由经济可行计算结果决定的。进液室通常用于立式冷却水泵。从电站的有效运行来说，电站中泵的运行可靠性是最重要的。因此，其用于灌溉和排水泵站，此时它在整个土建结构设计中起着重要的作用。进液室还常被称为“泵坑”。（有图）图2-8四种不同类型的进液室压出室（泵壳）的设计泵壳用来以不洩漏和不洩压的形式浆泵内部空腔封闭起来与外面隔开。在离心泵中，泵壳包围着转子，即包围着通过转轴将能量传给流体的转子。在容积泵中泵壳是包围着转动或往复移动部件（如活塞）。泵壳的进、出管口（也经常称为吸入管口和排出管口）用来吸入和排除所输送的液体；通常是用某些连接件将他们与一定长度的管线连接起来（如法兰、丝扣活接头及管件）。对立式管壳泵，吸入管口是浸没在敞开的液面里，而潜水式电机泵则是连同整个泵壳一起浸没在液体中。倘若在结构上驱动轴需要穿过泵壳，那么就装有轴封来防止流体经泵壳而漏失。在泵壳的这个部位设计有密封箱座或填料函座。几乎每种类型的泵都有自己特定形状的泵壳，这使得他们很易识别（这与只有把泵拆开后才能看得见的叶轮形状正相反）。随着比转数的增加，泵体形状也在改变，由蜗壳开始（有时是双蜗壳，即由起点相差180°的两个蜗壳所组成，用以平衡径向推力），经螺旋式蜗壳（在垂直于中心的剖面图中蜗壳的截面是明显不对称的）和环形或圆形蜗壳（沿周线其截面不变），直到管形壳或肘管泵壳为止。管形壳引导流体沿轴向经扩压器流出，而肘管泵壳中的液体经扩压器引导后，不是沿轴线而是沿称为肘管泵壳的肘管流出压力的大小对泵体形状也有影响：低压泵要求采用与高压和超高压。泵不同的设计方案；随着压力的升高，蜗壳泵成为筒形、锥形或球星。这种设计的优点是有利于保证机械强度和安装，但相应的引起泵性能变坏（如效率降低）及泵体体积的增加（也就增加了费用）。此外，由于安装上了要求而造成的泵体剖分的方法（径向剖分或沿泵轴中心线的轴向剖分）进一步代表了设计上的不同特点。最后，甭管口的位置也会影响泵壳的形状。单级蜗壳泵的一个特征是吸入管口是轴向的（或在端部的），与此相反，管道泵的管口则在两侧，而炼厂泵的管口都在“顶部”，也就是两个管口都垂直向上。甚至悬着的泵轴轴承的支撑方法也可体现泵壳的结构分类特点，例如泵轴承支撑在轴承托架上，或支撑在轴承箱架上。环形分段式多级泵的壳体部件事按其作用命名的，如吸入端盖、级段泵壳（一般是几个这样的极端泵壳串联排列）和排出端盖。环形分段式多级泵完全装好后，各段泵体和紧固螺栓（用于将吸入端盖、各级段泵壳和排出端盖严密不漏的紧固在一起）通常用一钢板包裹起来，对于热水泵还充有隔热材料（如玻璃纤维或高度抛光的金属薄片），但对其他泵，它仅起装饰作用。如果泵壳采用沿轴泵中心线的轴向剖分方式，那么整个泵体及两个填料箱也要剖开。在剖分的箱体上各有一个连接法兰，采用一些双头螺栓将两个箱体法兰紧固在一起就可以防止壳体泄露。箱体的上部分较简单，下部分则由连接管线的两个管口和泵的支脚。在轴向剖分的立式泵中，泵转子的下部分往往支撑在由所输送物料来润滑的下部轴承上，从而省去了一个轴封。在这种情况下，泵体的两部分分别称为后半部和前半部。除上所述泵体部件外，泵壳有时还与一个热隔离层和一个冷却室（往往由一专用冷却罩封起来）组成一体。在输送热介质的泵中，这些部件用来减少从泵内传到轴承和轴封的热量（如有轴封的话）。相反，设置在泵内的加热夹套，是为了当泵静止不动时，通过连续供热，使泵体内部保持操作温度，防止所输送的介质产生不希望有的沉淀、结晶，甚至凝固。泵壳通常是铸造，很少采用组装、压制或冷拔方法。由于机器运行的安全性在很大程度上取决于泵壳的耐用性，因此在很多特殊的工业中，都制定了大量的规程，一规定所选用的泵体材料，甚至有时还规定了泵体的壁厚。常用的铸造金属材料有铸铁、球墨铸铁、铁素体刚或奥氏体铬钢、奥氏体铸铁及铸铜。耐酸泵的工作原理大多数耐酸泵之所以可以耐酸的原理主要是泵的材质，一般耐酸泵均采用非金属材质做为泵的过流部件材料，如“聚乙烯、聚丙烯、聚全氟乙丙烯等”，其中聚全氟乙丙烯是最好的耐酸材质之一，基本上可以耐任何酸性介质的腐蚀，被称为塑料王。工作原理：叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外周时，流速非常高。泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动，使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能量转换装置。液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。后盖板上的平衡孔消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区，减轻叶轮前后的压力差。但由此也会引起泵效率的降低。轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零——气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封。耐酸泵的工作原理耐酸泵在启动之前，应关闭出口阀门，泵内应灌满液体，此过程称为灌泵。工作时启动原动机使叶轮旋转，叶轮中的叶片驱动液体一起旋转从而产生离心力，使液体沿叶片流道甩向叶轮出口，经蜗壳送入打开出口阀门的排出管。液体从叶轮中获得机械能使压力能和动能增加，依靠此能量使液体到达工作地点。在液体不断被甩向叶轮出口的同时，叶轮入口处就形成了低压。在吸液罐和叶轮入口中心线处的液体之间就产生了压差，吸液罐中的液体在这个压差作用下，不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮之中，从而使耐酸泵连续地工作。工作特性离心泵的汽蚀及预防措施汽蚀发生机理汽蚀发生的机理离心泵运转时，液体在泵内的压力变化如图2-9所示。流体的压力随着从泵入口到叶轮入口而下降，在叶片入口附近的K点上，液体压力Pk最低。此后，由于轮对液体做功，压力很快上升。当叶轮叶片入口附近的压力Pk≤Pv（液体输送温度下的饱和蒸汽压力）时，液体就汽化。同时，还可能有溶解在液体内的气体溢出，他们形成许多气泡。如图2-10所示，当气泡随液体流到叶道内压力较高处时，外面的液体压力高于气泡内的气化压力，则气泡会凝结溃灭形成空穴。瞬间内周围的液体以极高的速度向空穴冲来，造成液体互相撞击，使局部的压力骤然剧增（有的可达数百大气压）。这不仅阻碍流体的正常流动，尤为严重的是，如果这些气泡在叶轮壁面附近溃灭，则液体就像无数小弹头一样，连续地打击金属表面，其撞击频率很高（有的可达2000～3000Hz），金属表面会因冲击疲劳而剥裂。若气泡内夹杂某些活性气体（如氧气等），他们借助气泡凝结时放出的热量（局部温度可达200～300℃），上述这种液体汽化、凝结、冲击，形成高压、高温、高频冲击载荷，造成金属材料机械剥裂与电化学腐蚀破坏的综合现象称为汽蚀。图2-9离心泵内的压力变化图2-10气泡的产生和溃灭汽蚀涉及许多复杂的物理、化学现象，是一个尚需深入研究的问题。当前多数人认为汽蚀对流道表面的破坏，主要是机械剥蚀造成的，而化学腐蚀则进一步加剧了材料的破坏。汽蚀的严重后果汽蚀使过流部件被剥蚀破坏通常离心泵受汽蚀破坏的部位，先在叶片入口附近，继而延至叶轮出口。起初是金属表面出现麻点，继而表面呈现沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状的裂痕，严重时造成叶片或叶轮前后盖板穿孔，甚至叶轮破裂，造成严重事故。因而汽蚀严重影响到泵的安全运行和使用寿命。汽蚀使泵的性能下降汽蚀破坏了泵内也留的连续性，使泵的扬程、功率和效率均会显著下降，出现“断裂”工况。汽蚀使叶轮和流体之间的能量转换遭到严重的干扰，使泵的性能下降，如图2-11中的虚线所示，严重时会使液流中断无法工作。应当指出，泵在汽蚀初始阶段，性能曲线尚无明显的变化，当性能曲线明显下降时，汽蚀已发展到一定程度了。该图还表示了混流泵、轴流泵汽蚀后的性能曲线。离心泵叶道窄而长，一旦发生汽蚀，气泡易充满整个流道，因而性能曲线成突然下降的形式。轴流泵的液道宽而短，气泡冲出生发展到充满整个液道需要一个过渡过程，因而性能曲线是缓慢下降的。混流泵由于其结构介于离心泵和轴流泵两者之间，因而汽蚀对泵性能的影响也介于两者之间。汽蚀使泵产生噪声和震动在汽蚀发生的过程中，气泡溃灭的液体微团互相冲击，会产生各种频率范围的噪声，一般频率为600～25000Hz，也有更高频率的超声波。汽蚀严重时，可听到泵内有噼噼啪啪的声音。汽蚀过程本身是一种反复冲击、凝结的过程，伴随着很大的脉动里。如果这些脉动力的某一频率与机组的固有频率相等，就会引起机组的振动，机组的振动又将促使更多的气泡发生和溃灭，两者互相激励，最后导致机组的强烈振动，称为汽蚀的共振现象，机组在这种情况下应该停止工作，否则会遭到破坏。汽蚀也是水力机械向高流速发展的巨大障碍因为液体流速愈高，会使压力变得愈低，更易汽化发生汽蚀。汽蚀的机理十分复杂，人们尚未完全认识清楚，因此研究汽蚀过程的客观规律，提高泵抗汽蚀的性能，是水力机械的研究和发展中的重要课题。图2-11因汽蚀泵性能曲线下降离心泵汽蚀的基本理论吸上真空高度泵的吸上真空高度的高、低，对于泵是否发生汽蚀是一个重要的因素。有些泵由于吸上高度较大，以至于泵内发生汽蚀，甚至吸上高度过大造成吸不上液体，使泵无法工作。所以，恰如其分地确定泵的吸上真空高度和吸上高度是必需的。其公式是：泵吸上真空高度Hs，与泵几何安装高度Hg、泵吸入口流速cs、吸入管路阻力损失hAs及吸入液面压力有关。倘若吸入液面压力不变，吸上真空高度Hs，随着几何安装高度Hg、泵进口流速cs、吸入管路内液体流动阻力的增大而降低。为保证泵的安全运行，需要规定泵的最大吸上真空高度Hsmax。为使泵运转时不产生气泡，同时又有尽可能大的吸上真空高度，一般规定留有一定的安全裕量K，即式中[Hs]——允许吸上真空高度，m。K——安全裕量，机械工业部门规定安全裕量K＝0.3～0.5m。允许吸上真空高度[Hs]也是泵的重要性能参数，用来说明离心泵吸入性能的好坏。泵在安装时的吸上真空高度，不能超过允许吸上真空高度[Hs]。最大吸上真空高度Hsmax。由制造厂试验求得，它是发生断裂工况时的吸上真空高度。泵安装时，根据制造厂样本规定的[Hs]值，计算泵允许几何安装高度[Hg]。为了获得足够的允许几何安装高度，吸入管路内液体的流速不能太高，吸入管路阻力损失不能太大，管路内产生局部阻力的装置尽可能保持最少。汽蚀余量离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置两个方面的影响,具体表现就是泵必需汽蚀余量NPSHr有效汽蚀余量NPSHa二者的关系。其中NPSHr表示泵不发生汽蚀,要求在泵进口处单位重量液体具有超过汽化压力水头的富余能量,NPSHa表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值。当NPSHa>NPSHr时,离心泵不会发生汽蚀。当NPSHa=NPSHr时,离心泵开始发生汽蚀。当NPSHa<NPSHr时,离心泵严重汽蚀。汽蚀刚发生时NPSHa＝NPSHr=NPSHc；pk＝pv。此时的汽蚀余量称为临界汽蚀余量NPSHc。为确保泵运转时不汽蚀，相对于NPSHc应该留有一个安全量。安全量的大小视系统及泵具体情况而定。一般取[NPSH]＝（1.1～1.3）NPSHc或[NPSH]＝NPSHc+K式中[NPSH]——允许汽蚀余量；K——汽蚀安全裕量。国际标准草案ISO／Dis9905：NPSHa必须超过10％NPSHr，各种情况下不得小于0.5m。离心泵运行的最小流量以上分析有效汽蚀余量NPSHa与必需汽蚀余量NPSHr的关系中，若NPSHa＝NPSHr，则所对应的流量Q，是泵运行的最大流量，泵在等于或超过最大流量时运行，必定会产生汽蚀。所以泵的工作点一定要限制在最大流量以内。但是，泵在小流量工况下工作，泵的运转亦会产生不稳定，乃至于汽蚀。如当泵工作的流量减小到大约额定流量的2／3以下时，叶轮的入口将产生二次回流，随着流量继续下降，回流范围迅速扩大。这股回流在主流的冲刷下，又重回叶轮内时往往引起泵体和管路的振动。有时还会在吸入侧引起强烈的液柱喘振。同样，此时在叶轮出口亦会产生二次流，形成出口不稳定的压力脉动，从而引起泵体与管路振动。泵在小流量工况下运转，由于流量低，c0与w0亦是小的，因而必需汽蚀余量NPSHr应该较小。但实际情况则不然。泵小流量工作时，入口的二次流占据较大的叶片入口通流面积，液流真正的过流截面积很小。所以c0与w0不是下降，反而增加。另外，压降系数l2在额定工况附近值最小，离开这个工况l2值反而升高。由此可见，泵小流量工作时，从必需汽蚀余量的公式分析，它是增加的。泵在小流量工况下运转，泵供给的扬程较大，而泵的效率却较低，所以泵内损失较大。泵内液流几乎在绝热下压缩，除了液流在泵中获得一定能量外，其余的耗功都转化为热能。当泵输送的流量较少，不能把热量带走时，就会导致液体的温度升高。首级叶轮密封环的泄漏返回叶轮入口，亦会引起叶轮入口液体温度升高。同时，液流通过轴向力平衡装置间隙处，压力降较大，放出热量亦大。而轴向力平衡装置的回流液体流入首级叶轮入口，又使液体温度升高，提高了饱和蒸汽压力，从而降低了有效汽蚀余量。把增大的必需汽蚀余量等于有效汽蚀余量时的流量称为最小流量。所以，最小流量是能连续保持而不使泵遭到汽蚀损害的最低流量。当泵的工作流量小于最小流量时，泵内液体汽化。对于火力发电厂的锅炉给水泵与凝结水泵，本身是输送饱和水，因为上述原因使水温升高，将使水泵的安全工作受到威胁，所以它们应该在大于最小流量值下工作。综上分析可知，泵的安全工作区，应该在最小流量与最大流量之间。如果是调速泵，用相似抛物线可给出泵安全工作的范围。如图2-13所示，泵在某转速下工作的性能曲线H－Q，B为该转速下泵的最大流量。过B点的相似抛物线OB，为泵在不同转速下的最大流量界限点。H—Q曲线上的A点，为该转速泵的最小流量。过A点的相似抛物线OA，为泵在不同转速下的最小流量界限点。泵的安全工作范围在OB与OA相似抛物线范围内。泵在变速运行时，如果工作点落在OB曲线以右区域，则一定要通过相应措施，使泵工作点移动至OB曲线以左。图2-13泵安全工作范围提高离心泵汽蚀性能的措施根据离心泵汽蚀的理论分析，由于离心泵发生汽蚀的临界点就是NPSHr=NPSHa,要使离心泵不发生汽蚀,必须增大NPSHa和减小NPSHr。提高离心泵汽蚀性能的措施主要从提高有效汽蚀余量NPSHa和必需汽蚀余量NPSHr两个方面进行。提高泵的有效汽蚀余量NPSHa根据有效汽蚀余量的公式，可以从如下五个方面考虑提高泵有效汽蚀余量：1）增加泵前储液罐中液面上的压力pA来提高NPSHa。在长距离输油管道中，可要求正压进泵或配备给油泵。2）降低泵的安装高度Hg，可以显著提高NPSHa。如果将吸上装置改为倒灌装置，此时的Hg为负值。3）减少泵前管路上的个损失hA-s，可以提高NPSHa。例如采取缩短管路，减小管路中的流速，尽量减少弯管或阀门（减小局部阻力损失），或尽可能加大吸入管路上阀门的开度等。4）通过降低输送液体的温度，使其饱和蒸汽压下降也可达到提高NPSHa的目的。5)在叶轮吸入口前加装诱导轮。诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的，叶片安装角较小。使液体通过诱导轮生压后流入主叶轮，因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量改善了泵的汽蚀性能。减小必须汽蚀余量NPSHr另一方面，从离心叶轮机械内流理论出发,深入研究汽蚀机理,将其应用于抗汽蚀叶轮的研制和开发中,对叶轮进行最优化设计,从而减小离心泵的必需汽蚀余量NPSHr。因此，根据泵汽蚀基本方程式：1——压降系数，一般情况下为1.0~1.2；2——液体绕流叶片头部的压降系数，液体无冲击流入叶片的情况下为0.3~0.4；c0、w0——分别为在叶片入口处稍前一点截面的液流绝对速度和相对速度。由汽蚀的理论公式可知,要减小NPSHr,必须通过减小υ0、w0、来实现。而这三者都与叶轮的结构形状有着密切的关系,叶轮结构的选择将直接影响水泵汽蚀性能,因此,采用合理的叶轮结构和形状,对提高叶轮自身的抗汽蚀性能具有特别重要的意义。根据本文理论分析，通过叶轮的优化设计来提高离心泵的汽蚀性能主要有以下几个方面:1）适当增大叶轮进口直径D1。流量不变的情况下,进口液流的绝对速度和相对速度都是吸入管径的函数,所以直径D1对泵汽蚀特性的影响可以利用方程来深入分析。从防止汽蚀的观点来看,分析结果表明在改善汽蚀性能上存在最佳的叶轮进口直径。当叶轮进口直径增大到此最佳值时,进口处的流速减小,使汽蚀性能得到提高。如果继续增大,则对于给定流量来说,进口直径过大了,在叶轮进口部分所形成的停滞区和反向流将会使汽蚀性能恶化。2）增加叶轮叶片进口宽度b1。在泵的工况不变的情况下,可以增大叶片进口边处流道宽度b1来增加泵叶轮中液流的实际进口面积。因为增大b1会使液流绝对速度的轴面分速度减小,所以汽蚀性能将得到改善,而水力效率和容积效率却并不减小。3）采用长短叶片形式的叶轮常规离心泵的叶轮叶片出口边节距较大,叶栅稠密度偏小,出水边处叶片对水流的导流作用减弱,使水流偏离叶片出水边工作面而产生汽蚀。由于这些原因,提出了采用长短叶片形式的叶轮来改善离心泵的汽蚀性能。其原则为:在不致造成叶片间的流道阻塞,保持良好的导流性能前提下,利用长短叶片的形式适当增大该出口部位的叶栅稠密度。短叶片的位置根据流线—流面优化导流特性决定,并非一定在两个长叶片的中间位置。由于增加了短叶片,出口部位的节距减小为原来的一半,叶栅稠密度相应增大,叶片对水流的导流能力明显提高,避免了出口液流偏离叶片的现象;同时叶片出口部位单位面积上的负载大为减轻。因此使叶轮的汽蚀性能得到有效改善。4）叶轮出口宽度适当增加在叶轮的设计过程中,叶轮出口宽度增加会导致流量增大。如果在计算中控制其它参数,使流量限制在设计要求中,则适当增大叶轮出口宽度可使流道中的流速相对减小,提高泵的汽蚀性能。5)采用适当的叶片数量流道内的流速大是造成汽蚀的一个主要原因,为减小叶轮内的相对流动速度,就必须加大叶片角,而叶片角加大后,必然使每个叶片上的载荷加大。为保证叶片作功符合需要,就必须适当减少叶片数。但过分的减少叶片数,会造成流道内分层效应,使叶轮出口流场畸变,影响叶轮与蜗壳中的流动效率。因此,叶片数有个最佳值,通常为5～6片。6）采用双吸式叶轮。此时单侧流量减小一半，从而使υ0减小，如果汽蚀比转速c、转数和流量相同时，采用双吸式叶轮，NPSHr相当于单级叶轮的0.63倍。因而提高了离心泵的抗汽蚀性能。如国产125MW和300MW机组的给水泵，首级叶轮都采用双吸式叶轮。另外还有增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径，减少局部阻力损失;使叶片进口边适当的前伸并倾斜,起到更好的导流作用；采用抗汽蚀材料，增加叶轮的机械强度，提高泵的汽蚀实性能。离心泵汽蚀的危害是严重的。因此我们应该很好的掌握泵的其实性能，正确地选择确定水泵安装高程，以及泵的合理运行流量，防止汽蚀及其危害的发生。泵的性能及调节离心泵的特性曲线离心泵的有效压头H，轴功率N及效率η均与输液流量Q有关，均是离心泵的主要性能参数。虽然离心泵的理论压头H∞与理论流量QT的关系已如式2-11所示，但由于泵的水力损失难以定量计算，因而泵的这些参数之间的关系只能通过实验测定。离心泵出厂前均由泵制造厂测定H―Q，η―Q，N―Q三条曲线，列于产品样本以供用户参考。图2-14为国产4B20型离心泵的特性曲线。各种型号的泵各有其特性曲线，形状基本上相同，它们都具有以下的共同点：图2-144B20型离心水泵的特性曲线（1）H－Q曲线表示泵的压头与流量的关系。离心泵的压头一般是随流量的增大而降低。例2-1附图1―流量计；2例2-1附图1―流量计；2―压强表；3―真空计；4―离心泵；5―贮槽（3）η－Q曲线表示泵的效率与流量的关系。从图2-14的特性曲线看出，当Q=0时，η=0；随着流量的增大，泵的效率随之上升，并达到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的流量及压头下工作最经济，所以与最高效率点对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的状况参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况点运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右，如图中波折号所示范围，选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。液体物理性质的影响泵生产部门所提供的特性曲线是用20℃时的清水作实验求得。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。（1）密度的影响由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，所以泵的效率也不随液体的密度而改变，故H―Q与η―Q曲线保持不变。但泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水不同时，该泵所提供的N－Q曲线不再适用，泵的轴功率需重新计算。（2）粘度的影响所输送的液体粘度越大，泵内能量损失越多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线发生改变。离心泵的转数对特性曲线的影响离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的，当转速由n1改变为n2时，与流量、压头及功率的近似关系为（2-14）式2-14称为离心泵的比例定律。当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式计算误差不大。叶轮直径对特性曲线的影响当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径与流量、压头及功率之间的近似关系为（2-15）式2-15称为离心泵的切割定律。离心泵的工作点与流量调节管路特性曲线当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。所以，在讨论泵的工作情况之前，应先了解与之相联系的管路状况。在图2-7所示的输送系统中，为完成从低能位1处向高能位2处输送，单位重量流体所需要的能量为He，则由柏努利方程可得：（2-16）一般情况下，动能差Δu2/2g项可以忽略，阻力损失（2-17）其中式中Qe——管路系统的输送量，m3/h故或（2-18）式中系数其数值由管路特性所决定。当管内流动已进入阻力平方区，系数K是一个与管内流量无关的常数。将式2-18代入式2-16，得（2-19）在特定的管路系统中，于一定的条件下操作时，ΔZ与Δp/ρg均为定值，上式可写成He=A+KQe2（2-20）由式2-20看出在特定管路中输送液体时，管路所需压头He随液体流量Qe的平方而变化。将此关系描绘在坐标纸上，即为图2-15的管路特性曲线。此线形状与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。泵的工作点离心泵安装在管路中工作时，泵的输液量Q即管路的流量Qe，在该流量下泵提供的压头必恰等于管路所要求的压头。因此，泵的实际工作情况是由泵特性曲线和管路特性曲线共同决定的。图2-15管路特性曲线与泵的工作点图2-16改变阀门开度调节流量示意图若将离心泵特性曲线H－Q与其所在管路特性曲线He－Qe绘于同一坐标纸上，如图2-16所示，此两线交点M称为泵的工作点。对所选定的离心泵在此特定管路系统运转时，只能在这一点工作。选泵时，要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又正好是离心泵所提供的，即Q=Q图2-15管路特性曲线与泵的工作点图2-16改变阀门开度调节流量示意图离心泵的流量调节如果工作点的流量大于或小于所需要的输送量，应设法改变工作点的位置，即进行流量调节。（1）改变阀门的开度改变离心泵出口管线上的阀门开关，实质是改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，如图2-16中曲线1所示，工作点由M移至M1，流量由QM减小到QM1。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，如图中曲线2所示，工作点移至M2，流量加大到QM2。用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，适合化工连续生产的特点。所以应用十分广泛。缺点是阀门关小时，阻力损失加大，能量消耗增多，不很经济。（2）改变泵的转速改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线。泵原来转数为n，工作点为M，如图2-17所示，若把泵的转速提高到n1，泵的特性曲线H－Q往上移，工作点由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的转速降至n2，工作点移至M2，流量降至QM2。这种调节方法能保持管路特性曲线不变。当流量随转速下降而减小时，阻力损失也相应降低，看来比较合理。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机，且难以做到连续调节流量，故化工生产中很少采用。此外，减小叶轮直径也可改变泵的特性曲线，使泵的流量减小，但可调节的范围不大，且直径减小不当还会降低泵的效率，故实际上很少采用。图2-17改变转速调节流量示意图例2－17例2－17附图图2-17改变转速调节流量示意图泵的启动与运行离心泵的启动步骤水泵的启动步骤应该是：首先将水泵进口阀全部打开，关闭出口阀，启动电机，待转速正常后，才能逐步打开出口阀，调整到所需工况。水泵正确的运行方法离心泵的运行可分为三个步骤，即启动、运行、停止。启动：启动前应做好如下准备工作：（1）检查水泵设备完好情况（2）轴承充油、油位正常、有秩合格。运行：运行期间，主要是巡回检查，检查的内容有四个方面：轴承的检查轴承温度不超过75℃。轴承室不能进水、进杂质，油脂不能乳化或变黑。滚动轴承稀油润滑时，油面应不低于油标中心线。是否有异音，滚动轴承损坏时一般会出现异常声音。真空表、压力表、电流表读数是否正常真空表指针不能摆动过大，过大可能使泵入口发生汽化，另外真空表读数也不能过高，过高可能是入口阀堵塞，卡住或吸水池水位降低等。出口压力表读数过低，可能是密封环、导叶套严重磨损。定、转子间隙过大，或者是出口阀开启太大，流量大、扬程低。电流表读数过大，可能是流量大，或者是定、转子之间产生摩擦。泵机组是否产生较大的振动，造成振动的原因有：水泵和电机轴心线不对中。水泵或电机底脚螺栓松动，或者基础不牢。转子质量不平衡。泵在小流量运行，产生径向力、回流、汽蚀。密封工作是否正常K形动力密封正常运行时不会有滴漏。有冷却水装置的，要检查水流是否正常。停泵水泵停泵应先关闭出口阀，以防逆止阀失灵致使出水压力使水倒灌进泵内，引起叶轮反转，造成泵损坏。停泵时如果惯性小，即断电后泵很快就停下来，说明泵内有摩卡或偏心现象。离心泵的启动、运行、停止三个步骤都很重要，但最重要的还是出口阀的调整。如果为吸上状态，出口阀开度可相对大一些，如果为倒灌状态，出口阀开度可相对小一些。出口阀调整的工作点越接近泵的设计点越好，这样使实际流动状态与理论设计接近吻合，泵的运行效率高，节约资源。因为泵的高效点都在设计点或设计点附近，当然最终还是要以电流不超载为前提。相似理论在泵中的应用相似理论在流体力学中有重要应用，因流体机械内的流动复杂性决定了很难用理论方法计算，用相似方法可得到满意的结果。1.相似设计中，利用已有的资料和试验结果，缩小模型,开发新型离心泵;2.改变工况条件，根据已知泵的性能曲线，计算流动相似的泵的性能曲线。相似设计、性能换算关系的理论依据一、相似原理(Affinitylaw)的基础知识1、相似条件：几何相似运动相似动力相似热力相似一元定常流讨论模型机原型机。（1）几何相似流道部分对应线性尺寸L之比相等，对应角度相等。模型机和原型机（2）运动相似对应点速度比值为常数，同名速度方向角相等。由λL、λc得加速度λa、λt几何相似为前提，再保证λa不变，λc才保持不变。（3）动力相似两机对应点上作用同名力的方向相同，作用力比值等于常数。重力Fg、粘滞力Fv、压力Fp、弹性力Fi、惯性力Fc即对应点上的各力F的方向相同，比值等于比例常数λf（4）热力相似流体在模型机和原型机内流动过程中，流体内部传热过程及热力过程相似。对泵，忽略流体与外界换热，热力过程不考虑。2、动力相似运动相似必须动力相似，动力相似用动力相似准数表示牛顿运动第二定律牛顿准数合外力与惯性力的比值两机的流动相似应满足动力相似，则它们的牛顿相似准数一定相等，若两机的牛顿相似准数相等；则它们也一定动力相似。流动中的合外力是指重力、粘性力、压力和弹性力组成，完全动力相似很难，研究流动中主要影响因素使之满足动力相似，忽略次要，简化问题。（1）流动中起重要作用的是重力时代替合外力佛鲁德准数惯性与重力比值对应点Fr相等，说明它们在重力上动力相似（2）流动中起重要作用的是粘性力运动粘度雷诺相似准数Re表示惯性力Fg与粘性力Fv的比值Re相等则在粘性力上动力相似流动中起主导作用的是压力欧拉准数压力与惯性力的比值Eu相等，在压力上重力相似起主导作用的是弹性力马赫数惯性力与弹性力比值倒过来则为M在粘性不可压缩的定常流中，Re、Eu和Fr表示流动相似。在Fg、Fv、Fc（惯性力）、Fp中Fg与重力有关，Fv与粘滞系数有关，Fc与ρ密度有关，三者大小、方向、可定。Fp不受物理性质制约，随其它各力大小而定，即Eu=f(Fr,Re)Fr=Fr′Re=Re′必有Eu=Eu′在强迫流动中，重力影响很小，可忽略，只考虑Re相等。两台泵流动相似条件：几何相似、进口运动相似、Re对应相等。二、相似原理在离心泵中的应用1、离心泵的相似条件（1）几何相似模型泵与原型泵对应的几何线性尺寸等于比例常数λL对应的βA、E、τ相等严格来说还包括表面粗糙度、装配间隙等，很难保证，影响较小，可忽略。（2）动力相似Re对应相等，两泵动力相似。摩阻系数λ是Re的函数，若，即使液道进口液流动相似，但λ不成比例，叶轮出口液流运动不相似。Re对应相等是困难的.若L=5L′，要保证Re′=Re，同一介质v=v′，要求c′=5c，很难达到。泵流到内Re＞105，这时惯性力起主导作用，粘滞力Fv相对于Fg可忽略。流动到自动模化区流动状态与速度分布不随Re而变。两泵Re虽不等，但Re在自动模化范围就可自动满足相似要求，即几何相似、进口运动相似，则出口运动也相似。对离心泵，只有几何相似与进口运动相似两条。2、相似定律（1）流量关系两泵相似模型与原型泵参数间关系因（2）扬程关系（3）功率关系材料选择泵的系列是指泵厂生产的同一类结构和用途的泵，如IS型清水泵，Y型油泵，ZA型化工流程泵，SJA型化工流程泵等。当泵的类型确定后，就可以根据工艺参数和介质特性来选择泵的系列和材料。如确定选用离心泵后，可进一步考虑如下项目：根据介质特性决定选用哪种特性泵，如清水泵，耐腐蚀泵，或化工流程泵和杂质泵等。介质为剧毒、贵重或有放射性等不允许泄露物质时，应考虑选用无泄漏泵（如屏蔽泵、磁力泵）或带有泄露夜收集和泄漏报警装置的双端面机械密封。如介质为液化烃等易挥发液体应选择低汽蚀余量泵，如简型泵。根据现场安装条件选择卧式泵、立式泵（含液下泵、管道泵）。根据流量大小选用单吸泵、双吸泵，或小流量离心泵。根据扬程高低选用单级泵、多级泵，或高速离心泵等。以上各项确定后即可根据各类泵中不同系列泵的特点及生产厂的条件，选择合适的泵系列及生产厂。如确定选用单级卧式化工流程泵，可考虑选用沈阳水泵厂的SJA型，大连耐酸泵厂的CZ型、ZA型，以及国内通用设计的IH型化工流程泵等等。最后根据装置的特点及泵的工业参数，决定选用哪一类制造、检验标准。如要求较高时，可选API610标准，要求一般时，可选用GB5656(ISO5199)或ANSIB73.1M标准。如确定选用计量泵后，可进一步考虑如下项目：当介质为易燃、易爆、剧毒及贵重液体时，常选用隔膜计量泵。为防止隔膜破裂时，介质与液压油混合引起事故，可选用双隔膜计量泵并带隔膜破裂报警装置。流量调节一般为手动，如需自动调节时可选用电动或气动调节方式。泵的安全操作规程（1）作业前1.检查轴承油室的油位应正常，手动盘车应转动灵活，无卡涩现象。使用前必须安装好联轴器。3.使用前必须安装好联轴器（2）使用中1.打开冷却水系统阀门，使冷却水畅通，打开泵入口截止阀及泵和机械密封的排气阀，缓慢车盘，当液位不带气泡时，关闭排气门，打开旁路管上的截止阀，调整节流至规定最小流量，打开辅助设备管道阀门后再启动，启动后，缓慢打开泵出口管上的阀门，使压力表建立起压力值。运行时，严密监视泵及机械密封应无超温现象，有异常立即停机。压差不可以低于设计点太多，也不能在设备中有压力表值，监视电流值。发现泵转动有异常声音时立即停泵。该机械的具体操作程序按照说明书的规定进行。（3）作业后a)关闭出口阀门后停机，将泵内及冷却腔内的液体排净泵用完应及时清洗泵腔并进行检修。存放和保养中，在长期停车情况下，应排除输送的液体，如有冷却小也应排出，检查泵内零件的磨损情况，必须保证良好的润滑性。耐酸泵的机械密封耐酸泵的机械密封结构型式：耐酸泵的密封淘汰了原有在泵轴填充填料进行密封的型式，采用双端面机械密封，机械密封主要由动环、静环、弹簧、轴套、水密封、O型圈几部分组成。为了防酸保护，采用水洗式机封，冲洗水同时带走运转时的机械密封温升，大大延长设备使用寿命。耐酸泵机械密封的工作原理：机械密封是通过与轴垂直并作相对转动的两个密封面进行密封，动环紧压在叶轮轴上，静环装在盖室密封座上，通过弹性元件使两端始终紧贴一起，从而达到密封的目的。耐酸泵机械密封特点：耐酸泵机械密封利用静环保持架调整静环与动环贴合来密封，径向密封由O型圈来完成，它弹性强、调节密封性能好、隔离密封可靠。耐酸泵机械密封不足：原装机械密封在设计上较为完美，无论是结构形式还是材质的选用，都是极其科学和先进的，完全适合酸泵的正常工作需要。但是，当设备运行过程