流体输送机械

流体输送机械第二章1为流体提供能量的机械称为流体输送机械。

在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处；从低压送至高压；沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。第一节概述

2泵输送液体风机压缩机真空泵输送气体常用的流体输送机械3泵的分类1按工作原理分离心式泵有高速旋转的叶轮。如离心泵、轴流泵、涡流泵。往复泵靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵。旋转式泵靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。流体作用动力式4清水泵油泵杂质泵2按用途分5离心泵（centrifugalpump）的特点：结构简单；流量大而且均匀；操作方便。

第二节离心泵6

1结构2工作原理

叶轮轴

6~12片叶片机壳等。蜗牛形通道；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动能转化为静压能。叶轮机壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)由于离心力的作用，泵的进出口处产生压力差，从而使流体流动。一、

离心泵的工作原理73工作过程启动前，将泵灌满水(叶片间充满水)。启动时，电动机的转动，使得泵轴带动叶轮旋转，充满叶轮的液体在离心力下，沿着叶片间的通道从叶轮中心向叶轮四周抛出，以很高的速度(15～25m/s)流入泵壳，获得了较大的动能。流体进入蜗形通道后：∵叶片间流道随Ｒ而渐宽，∴大部分动能静压能。于是液体以较高的压力从压出口进入排出管路。同时，随着叶轮中心液体被甩出以后，吸入口处就形成负压区，贮槽的液体在压差作用下被压入泵内。叶片不断转动，液体不断被吸入、排出，形成连续流动。84.气缚现象：离心泵借助离心力的作用输送液体。液大→离心力大；若启动前有空气存在，气小→离心力很小→负压不足，虽然叶轮高速旋转，但形成的“压强差”不足以使液体进入叶轮—气缚现象(对泵无伤害)。

启动前注满液体；吸入管底部装带吸滤网底阀（止逆阀）。9离心泵实际安装示意图10

泵壳：蜗牛壳形通道。有利于将叶轮抛出液体的动能转变成静压能；有利于减少能耗。

叶轮：二、离心泵的主要工作部件开式半开式闭式11离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。三、离心泵的主要性能参数

离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。

１流量qv

，Ｌ/ｓ或m3/ｈ

泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。

２扬程Ｈ，m液柱

泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。

12如右图所示，在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努利方程式，即实验：泵压头的测定真空计压强表离心泵储槽式中：pM—压力表读出压力（表压），N/m2；

pV—真空表读出的真空度，N/m2；

u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s；

ΣHf—两截面间的压头损失，m。流量计13两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计(2-2)简化上式，得若以HM及HV分别表示压力表真空表上的读数，以米液柱（表压）计。（2-1）14泵的有效功率Ne

：单位时间内，液体流经泵后实际得到的功率。

已知g=9.81m/s2，则式（2-4）可用kW单位表示，即

(2-4a)3功率(2-4)15选配电动机时，要根据泵的轴功率进行；但要考虑机械联结方式和泵可能发生的超负荷运转即要考虑传动效率t

，电动机效率m和安全系数，因此，泵所配的电动机的功率要比其轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。轴功率指泵轴所获得的功率。若电机与泵轴间无传动损失，电机的输出功率也为泵的轴功率N。注意：4轴功率N165效率η反映泵对液体提供的有效能量与原动机提供给泵的能量(轴功率N)之比。离心泵的总效率一般为0.6～0.85左右。(2-5)17离心泵运转过程中的内部能量损失：容积损失：泵内液体泄漏造成，高压低压区水力损失：液体流经叶轮、泵壳时，因流速大小和方向的改变，且发生冲击而产生的。机械损失：泵轴与轴承之间的机械摩擦而引起的等。18例２-１某离心泵以20℃水进行性能实验，测得体积流量为720m3/h，泵出口压力表读数为3.82kgf/cm2，吸入口真空表读数为210mmHg，压力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm。试求泵的压头。解：根据泵压头的计算公式，则有19查得水在20℃时密度为ρ＝998kg/m3，则

HM=3.82×10.0=38.2mH2O

HV=0.210×13.6=2.86ｍH2O计算进出口的平均流速将已知数据代入，则

20特性曲线（characteristiccurves）：在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。图上绘有三种曲线Ｈ－qv曲线Ｎ－qv曲线η－qv曲线四、离心泵的特性曲线2102040608010012010121416182022242602468010203040506070804B20n=2900r/minNHη离心泵的特性曲线m3/h22

变化趋势：离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，Ｈ－qv曲线的形状有所不同。较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。1Ｈ－qv曲线N~qv~qvH~qvqv23N~qv~qvH~qvqv

变化趋势：Ｎ－qv曲线表示泵的流量qv和轴功率Ｎ的关系，Ｎ随qv的增大而增大。显然，当qv时，泵轴消耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。2Ｎ－qv曲线24N~qv~qvH~qvqv

变化趋势：开始η随qv的增大而增大，达到最大值后，又随qv的增大而下降。

η—qv曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。3η－qv曲线25

泵在最高效率点条件下操作最为经济合理，但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。强调：泵在铭牌上所标明的都是最高效率点下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。泵的高效率区N~qv~qvH~qvqv高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。

26

式（2-6）称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为：

4离心泵的转数对特性曲线的影响(2-6)27

式（2-7）称为切割定律。

当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为：5叶轮直径对特性曲线的影响(2-7)28

泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。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。6物理性质对特性曲线的影响

29μ↑→叶轮前、后盖板与液体之间的摩擦引起的能量损失↑→使所需要的轴功率N↑→η↓。所以特性曲线改变。6.1粘度的影响30离心泵的压头与密度无关。注：当被输送液体的密度与水不同时，不能使用该泵所提供的Ｎ－qv曲线，而应按（2-4a）及（2-5）重新计算。泵的轴功率随液体密度而改变。6.2密度的影响31Hgpa1100p1<pa,p1

有一定真空度，真空度越高，吸力越大,Hg

越大。

当p1

小于一定值后(p1<pv,pv

为环境温度下液体的饱和蒸汽压)，将发生气蚀现象。

pv100℃=760mmHg,pv40℃=55.32mmHg五、离心泵的安装高度和气蚀现象

1气蚀现象32当p1<pv时，部分液体会汽化，形成许多小气泡，体积突然膨胀。汽化量与成正比。当含有大量气泡的液体由泵中心的低压区流进叶轮的高压区时，气泡在高压作用下迅速凝结，形成局部真空，周围的液体以极高速度冲向原气泡处，产生极大的冲击压力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使其震动并产生噪音。尤其是气泡凝结发生在叶片上时，液体象许多细小的高频冲击“水”(600~25000Hz)那样撞击叶片，时间一长，叶轮将被冲蚀成海绵状，这种现象称为气蚀(cavitation)。气蚀现象：33如果离心泵在气蚀条件下工作，泵体将振动发出噪声，液体流量明显下降，同时He、也大幅度降低，严重时会吸不上液体。为避免气蚀现象，要求叶轮入口处的绝对压强p1>输送液体温度下的饱和蒸气压pv.34为避免发生气蚀现象，应限制p1不能太低，或Hg不能太大，即泵的安装高度不能太高。安装高度Hg的计算方法一般有两种：允许吸上真空高度法；气蚀余量法。2安装高度35（1）允许吸上真空高度Hs泵入口处压力p1所允许的最大真空度。mH2OHs与泵的结构、液体的物化特性、当地大气压强等因素有关。一般，Hs<5~7mH2O.（2-8）式中pa—大气压，N/m2

ρ—被输送液体密度，kg/m336Hgp01100如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？37将代入下式：可得离心泵允许吸上高度的计算式：可根据管路具体情况计算提高Hg的方法38

泵制造厂只能给出Hs值，而不能直接给出Hg值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的u2/2g

和∑Hf

值，所以，只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定Hg。问题：泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗？39Hs’=Hs＋(Ha－10)－(Hv－0.24)(2-11)式中Hs’—操作条件下输送水时允许吸上真空高度，mH2O；

Hs

—

泵样本中给出的允许吸上真空高度，mH2O；

Ha

—

泵工作处的大气压，mH2O；

Hv

—

泵工作温度下水的饱和蒸汽压，mH2O；

0.24

—

实验条件下水的饱和蒸汽压，mH2O。

原因：在泵的说明书中所给出的Hs是大气压为10mH2O，水温为20℃状态下的数值。如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的Hs值，按下式换算成操作条件下的Hs’值。

泵允许吸上真空高度的换算40泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空高度就越小。输送液体的温度越高，所对应的饱和蒸汽压就越高，这时，泵的允许吸上真空高度也就越小。海拔高度↑，液体温度↑→Hg↓不同海拔高度时大气压力值可查表。41（2）有效气蚀余量h(多为油泵用)

(availableNPSH)为防止气蚀现象发生，离心泵入口附近的液体静压头与动压头之和必须大于操作温度下液体的饱和蒸气压头某一最小值，这一最小值称为气蚀余量。42将上式代入可导出汽蚀余量h与安装高度Hg之间的关系：由工厂实验