第四章 离心泵3

离心泵的工作特性过程流体机械机械设备4.3离心泵的工作特性4.3.1离心泵的汽蚀及预防措施4.3.2离心泵的性能及调节4.3.3离心泵的启动与运行4.3.4相似理论在泵中的应用4.3.1离心泵的汽蚀(1)离心泵汽蚀产生机理、危害(2)汽蚀余量与汽蚀判别式(3)吸上真空度(4)离心泵的允许几何安装高度(5)提高离心泵抗汽蚀性能的措施水的饱和蒸汽压力温度低时饱和蒸汽压低温度对应饱和蒸汽压力温度对应饱和蒸汽压力沸腾水20oC0,0238bar沸腾水100oC1,0bar温度高时饱和蒸汽压高(1)产生汽蚀的机理及危害饱和蒸汽压（汽化压力）如水，水开始沸腾，有蒸汽泡出现（开始汽化），此时温度不变叫饱和温度；此时的水叫饱和水；此时的蒸汽叫饱和蒸汽；此时的压力叫饱和蒸汽压力。

不同水温的汽化压头Pv水温（℃）

020406080100饱和蒸汽压（kPa）Pv0.592.357.3619.8247.28101.34汽化压头

（m）

0.060.240.752.024.8210.33Δp=pA-pk

离心泵汽蚀的产生泵的吸入：pA一定：pk↓→Δp↑→吸入能力增强pk↓≤pv→冷沸现象：液体汽化；p↑≥pv→汽泡溃灭：高频、高强冲击溶解气析出，形成大量气泡高压：达30~40MPa高频：达(2~3)×105Hz电化学腐蚀：氧等活泼气体作用

机械剥离：高频、高强水击汽蚀现象：汽泡形成、发展和破裂以及材料受到破坏的全过程。液体汽化、凝结、冲击，形成高压、高温、高频冲击载荷，造成金属材料的机械剥裂与电化学腐蚀破坏的综合现象叫气蚀。气蚀时的性能曲线汽泡形成和发展的影响因素：

饱和蒸汽压：pv

液流的速度：v

液体的密度：ρ

液体粘滞性：μ

气体溶解量：q汽蚀的危害汽蚀是水力机械所特有的现象，它带来许多严重后果。

叶轮由于汽蚀而破坏汽蚀的危害气蚀的严重后果使过流部件剥蚀破坏，起初出现麻点，继而表面呈现槽沟状、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，甚至叶轮断裂，造成严重事故；气蚀使泵的性能下降；气蚀使泵产生噪音和振动，是水力机械向高流速发展的巨大障碍。(2)汽蚀余量与汽蚀判别式汽蚀基本条件：pk≤pv问题的关键：pk的影响因素不发生汽蚀的前提：pk>pv必须pk>pv要避免汽蚀：ps-pv=富裕能头首先应有：而且：ps>pvNPSH(Δh)汽蚀余量Δh汽蚀余量净正吸上水头NPSHNetPositiveSuctionHead有效汽蚀余量Δha必须汽蚀余量Δhr有效汽蚀余量液体在吸入法兰处截面上所具有的推动和加速液体进入叶道时高出汽化压力的能头。

能头—m液柱；压力—Pa；速度—m/s显然：Δha越大，越不容易发生汽蚀。由伯努利方程：A—A截面s—s截面安装高度：注意定义，有可能是负值有效汽蚀余量有效汽蚀余量吸入液罐液面压力能头位差流动损失汽蚀余量大小与泵吸入装置的参数（Hgl、pA、hA-s、介质、温度等）有关，与泵本身无关，故称“泵装置有效汽蚀余量”

泵必须的汽蚀余量液流从入口（S截面）到泵内压力最低点（K截面）的全部能头损失。为绝对流速及流动损失引起的压降能头系数为液体绕流叶片的压降能头系数结果：分析：⑴Δhr是液流到达泵吸入口后、未从叶轮获得能量之前，因流动损失（过流面积变化、相对运动）所引起的压力能头降低的数值；⑵Δhr由离心泵的结构参数、转速和流量决定，与吸入管路系统无关。汽蚀判别式则汽蚀判别式为：比较两汽蚀余量的定义：泵吸入装置的有效汽蚀余量，愈大愈不发生汽蚀。泵本身所必须的汽蚀余量，愈小愈不容易发生汽蚀。富余能头所需能头当pk=pvΔha=Δhrpk>pvΔha>Δhrpk<pvΔha<Δhr发生汽蚀临界值不发生汽蚀严重汽蚀重点则允许汽蚀余量[ΔhC](3)吸上真空度定义：吸入罐液面上大气压力能头与泵入口压力能头的差。Hs↑，ps↓

，Δha↓为保证泵不发生汽蚀，一般取“允许吸上真空度”[Hs]作为泵的汽蚀特性参数。安全裕量=0.3~0.5离心泵的基本性能参数一般都标注在泵的铭牌上。

例：

离心式清水泵

型号12SH—28A转速1450r/min

扬程10米效率78%

流量684m3/h轴功率28KW

允许吸上真空高度4.5米重量66Kg[Hs]’的计算1.通常泵样本上的[Hs]值，是在标准大气压下，抽送20℃清水时测得的。2.如果泵的运行条件（如大气压、密度、介质等）与上述条件不同，则不能直接采用样本上提供的[Hs]3.而应将其换算成现场条件下的[Hs]’，然后用来计算其他参数。4.换算关系如下……5.[Hs]’—换算后的允许吸上真空度；

pa’—当地大气压通常泵样本上的[Hs]值，是在标准大气压下，抽送20℃清水时测得的。式中

:[H]S’—操作条件下输送液体时的允许吸上真空度，m液柱;Hs—水泵性能表上查得的数值，mH20；Pa’—泵安装地区的大气压强，mH20，其值随海拔高度不同而异，可查资料；pv’－操作温度下液体的饱和蒸气压，Pa；10－实验条件下大气压强，mH20；0.24－20℃下水的饱和蒸气压，mH20；1000－实验温度下水的密度，kg／m3；—操作温度下液体的密度，kg／m3。(4)离心泵的允许几何安装高度整理整理(5)提高离心泵抗汽蚀性能的措施a.改进泵进口的结构参数，降低Δhr。1.泵本身因素2.吸入装置特性两个方面：提高Δha、降低Δhr。b.采用抗汽蚀材料，提高泵的寿命。考虑管路尺寸、安装高度等以提高Δha

。Δha>Δhr1.提高泵本身抗汽蚀性能，降低Δhr⑴适当加大入口直径D0、b1，降低λ1、λ2

、c0

、和w1。⑵采用双吸式叶轮，降低c0。双吸叶轮每侧流量为1/2⑶采用合理的叶片进口位置及前盖板形状，叶片向进口延伸。⑷采用诱导叶轮：在叶轮前装一个轴流式螺旋型叶轮，诱导轮对液流作功增加能头，提高了泵的吸入性能。(5)采用超汽蚀叶型的诱导轮。加装诱导轮2.提高吸入装置的有效汽蚀余量⑴↑pA⑵↓Hgl⑶↓hA-s⑷↓pv3）运行中可才采取的措施根据汽蚀相似定律知，必需汽蚀余量(NPSH)r与转速的平方成正比。因此，泵在运行中，转速不应高于规定转速。泵在运行时，不要用吸入系统上的阀门调节流量，因为这样会导致局部阻力增大，而降低(NPSH)a。在汽蚀不可避免的情况下，对叶轮或容易被汽蚀破坏的地方采用耐汽蚀的材料，以提高泵的使用寿命。脆性材料是最不耐汽蚀的，所以用铸铁作为泵流道的材料，一旦发生汽蚀就很快损坏；较细密和具有韧性的材料，如青铜、不锈钢等，抗汽蚀性能较好4）采用耐汽蚀材料4.3.2离心泵的性能与调节（1）泵的特性曲线（2）管道及装置的特性曲线（3）泵在不稳定工况下工作（4）离心泵的喘振现象（5）离心泵的串并联（6）离心泵运行工况调节（1）离心泵的特性曲线离心泵的性能曲线H-Q曲线N-Q曲线效率-Q曲线NPSHr-Q曲线（1）离心泵的特性曲线离心泵的性能曲线是选择和使用泵的主要依据，有“平坦”和“驼峰”状之分，“驼峰”状易产生不稳定现象。离心泵的性能曲线是合理选择原动机功率和操作起动泵的依据，按需流量变化范围中的最大规律再加上一定的安全余量，选择原动机功率。起动泵应关闭排出管路上的调节阀，可以减小启动电流，保护电机（1）离心泵的特性曲线离心泵的性能曲线是检查泵工作经济性的依据，尽可能在高效区工作。通常效率最高点为额定点，也是设计工况点。目前取最高效率以下5%-8%范围内所对应的工况为高效工作区（1）离心泵的特性曲线离心泵的性能曲线是检查泵工作是否发生气蚀的依据。通常是按最大流量下的NPSHr，考虑安全余量及吸入装置的有关参数确定泵的安装高度。（1）离心泵的特性曲线（2）管道及装置特性曲线图

离心泵的一般装置示意图由伯努利方程，管路所需能头：Const、与Q无关沿程阻力损失+局部阻力损失静特性：一、单根管路特性单根管路特性和工作点流道横截面积管路特性系数，与管路长度、流道横截面积、各种阻力系数有关。式（1-58）管路特性方程图1-58管路特性二、装置特性—工作点装置：

泵和管路系统的总称稳定工作状态质量守恒：能量守恒：泵排出流量=管路中输送流量泵提供扬程H=管路所需能头h泵扬程性能曲线H—Q管路特性曲线h—Q+装置特性（3）泵在不稳定工况下工作K点：不稳定；qv1:L1>H1,qv,离2点远;L3<H3,qv，离2远N点稳定；a.不稳定工作点的判别Hpipe为管网所需扬程。b.不稳定工作示例稳定不稳定图

装置特性工作点⑴泵在M‘点工作时液体能头不足v↓，Q↓稳定工作点分析图

装置特性⑵泵在M”点工作时液体能头富裕，V↑，Q↑工作点：流量平衡、能量平衡的唯一点1-72（4）

离心泵的喘振现象液面3—3时：Ⅲ与H-Q特性相切于O点；液面继续上升：管路特性上移，Ⅲˊ高出H-Q特性，无交点，H任何情况下小于管路所需能头。如图泵特性H-Q罐中液面：1—12—23—3管路特性：ⅠⅡⅢ工作点：MNO流量：QMQNQoQ→0Q>Qa时Qa>Q时⑴液面下降，到达3—3液面，因Hp<h，Q=0，仍不能供流。⑵液面下降，到达2—2液面，因Hp=Hpot，泵工作，此时流量猛增到QN过程⑶Qa〈QN

，液面上升，重复以上过程。泵的喘振工况罐中液面：1—12—23—3管路特性：ⅠⅡⅢ工作点：MNO流量：QMQNQo发生喘振工况的两个条件：H-Q性能曲线呈驼峰状；管路装置中设有能自由升降的液面或其他能储存和释放能量的部分。（5）离心泵的串并联一、

并联工作⑴相同性能泵的并联泵并联，同一H下的Q相加泵并联，管路特性（h-Q）未变泵并联前：单泵工作点在M1。泵并联后：单泵工作点在A1。？泵并联后：1.管路特性越平坦，并联后QⅠ+Ⅱ愈接近2QM12.泵的特性愈陡峭，并联后QⅠ+Ⅱ愈接近2QM1

两泵并联工作时，应选单泵性能曲线稍陡！并联台数过多并不经济！3.并联后泵扬程大于单泵工作扬程。⑵不同性能泵的并联泵并联，同一H下的Q相加。泵并联，管路特性（h-Q）未变一、并联工作1.管路特性越平坦，并联后QⅠ+Ⅱ愈接近QⅠ+QⅡ2.泵的特性愈陡峭，并联后QⅠ+Ⅱ愈接近QⅠ+QⅡ

两泵并联工作时，应选单泵性能曲线稍陡！并联台数过多并不经济！3.并联后泵扬程大于单泵工作扬程。一、并联工作用于提高扬程，增加输送距离、储运减少泵站数量，提高H以增加Q。⑴相同性能泵的串联⑵不同性能泵的串联二、串联工作⑴相同性能泵的串联泵串联，同一Q下的H相加。泵串联，管路特性（h-Q）未变！泵工作点的确定：自M点作垂线，交单泵性能曲线于A1点。A1点即为单泵工作点。二、串联工作特点：两泵特性（H-Q）Ⅰ、Ⅱ串联特性（H-Q）Ⅰ+Ⅱ管路特性（h-Q）单泵串联前工况点：M1二、串联工作注意若后一台泵压力高，应考虑后一台泵的强度及密封问题。启动停车顺序：关闭两泵出口阀，先起第一台，开第一台出口阀，再启动第二台，开第二台出口阀；停车时……。④串联相当于多级泵，多级泵在结构上比串联更凑紧，应选用多级泵代替串联工作。③管路特性陡降，串联后增加的扬程多；泵特性平坦，串联增加的扬程多。二、串联工作图

不同性能泵串联工作⑵不同性能泵的串联泵串联，同一Q下的H相加。泵串联，管路特性（h-Q）未变！泵工作点的确定：自M点作垂线，交单泵性能曲线于A1、A2点。A1、A2点即为单泵工作点。二、串联工作特点：图

不同性能泵串联工作二、串联工作工况调节：改变离心泵的工作点。一、改变管路特性泵性能曲线不变！改变管路局部损失→改变管路特性曲线斜率→交点（工作点）改变。⑵旁路调节⑴出口管路节流调节（6）离心泵的工况调节H—Q曲线与

h—Q曲线交点图1-67出口节流调节图1-68旁路调节一、改变管路特性⑶串联、并联改变泵特性曲线（前面所讲）二、改变泵的性能⑴改变工作转速n比例定律。特点⑵切割叶轮外径D2切割定律。特点二、改变泵的性能4.3.3离心泵的启动与运行启动前的准备工作启动前检查润滑油的名称、型号、主要功能和加注数量是否符合技术文件规定的要求；轴承润滑系统、密封系统和冷却系统是否完好，轴承的油路、水路是否畅通；盘动泵的转子1～2转，检查转子是否有摩擦或卡住现象；在联轴器附近或皮带防护装置处，是否有妨碍转动的杂物；泵、轴承座、电动机的基础地脚螺栓是否松动；泵工作系统的阀门或辅助装置均应处于泵运转时负荷最小的位置，应关闭出口调节阀；点动泵，看其叶轮转向是否与设计转向一致，若不一致，必需使叶轮完全停止转动后，调整电动机接线后，方可再启动。充水

水泵在启动以前，泵壳和吸水管内必须先充满水，这是因为有空气存在的情况下，泵吸入口的真空无法形成和保持。暖泵

输送高温液体的泵，如电厂的锅炉给水泵，在启动前必须先暖泵。这是因为给水泵在启动时，高温给水流过泵内，使泵体温度从常温很快上升到100～200℃，这会引起泵内外和各部件之间的温差，若没有足够长的传热时间和适当控制温升的措施，会使泵各处膨胀不均，造成泵体各部分变形、磨损、振动等。启动程序离心泵泵腔和吸水管内全部充满水并无空气，出口阀关闭。给水泵暖泵完毕。对于强制润滑的泵，启动油泵向各轴承供油。启动冷却水泵或打开冷却水阀。合闸启动，启动后泵空转时间不允许超过2～4min，使转速达到额定值后，逐渐打开离心泵的出口阀，增加流量，并达到要求的负荷。4.3.4相似理论在泵中的应用（1）

泵的相似条件（2）

相似定律和比例定律（3）

比转数（4）

切割定律（5）

泵的系列型谱（1）泵的相似条件学习相似理论的目的新的水力机械实验实验结果修改设计巨型水力机械？实验花费太大无法做实验是否满足要求？给定设计参数(q,H,n)

2003年，合肥三益电机电泵股份有限公司专门为福建大学城泵站研制，高5米、重16吨，出水口径1.6米，电压高达10千伏，排水量超过2万立方米/小时，是目前世界最大的潜水电泵。德国凯士比公司生产的重13吨巨型泵巨型水力机械（原型）缩小为模型实验结果相似理论相似理论已有的性能良好的泵中挑选相似换算设计符合要求的泵相似定律是叶片泵理论中的一个非常重要的理论，是建立在泵的相似条件基础上的。给定设计参数相似条件流体机械的相似条件几何相似三大相似条件：运动相似动力相似

泵输送的是液体，为不可压缩体，温度、密度可认为不变化。所以，只要满足几何相似和运动相似，则动力相似自然满足。几何相似

几何相似是指模型泵和实物泵对应点的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角相等（包括叶片数z、叶片安装角和阻塞系数都相等）。即两个泵的式样完全一样，只是大小不同运动相似

又称流动相似，它是指模型泵和实物泵各对应点的速度方向相同，大小成比例，比值相等，对应角相等。即流体在各对应点的速度三角形相似，即两泵对应点上同名速度的比值相等、方向角相等。同名速度：方向角：1.流量相似定律

相似定律是研究来两台相似泵的性能参数（H、Q、N、η、Δhr）之间的关系。几何相似：运动相似：（2）相似定律和比例定律2.扬程相似定律

两泵运动相似代入相似定律3.功率相似定律

（1-23）相似定律注意：介质相同、转速、几何尺寸相差不大。相似定律相似定律离心泵的比例定律是相似定律的延伸，是相似定律在同一台泵上转速改变后的应用。1.比例定律

比例定律表达式相似定律的特殊形式比例定律（3）比转速两泵能否进行性能换算，关键看两泵是否工况相似，如何判断呢？一是利用相似条件（几何相似、进口速度三角形相似）。二是用与性能参数有关的一个综合参数，即比转数来判断。只要两泵比转数相等，则两泵相似。由相似定律，两相似泵在相似工况下，性能参数间的关系为：将前式两边平方，将后式两边立方，然后相除，可消去D′／D项，得下式：再将上式两边开４次方，得下式：式中ns′为比转速的初始定义式。

由于比转数是在完全相似条件下由相似定律变换而来的相似准数，该式表明，只要两泵工况相似，则比转数相等。令为了和水轮机相一致，再将上式中ns′乘以3.65倍，就成为习惯所说的比转速ns

即：ns和ns′只是数值上的差别，实质是一样的。注意ns是有量纲的相似准数，各国因Q、H单位制的不同而数值不同，但物理意义是相同的2.ns是针对泵的最高效率的工况点而言