yong第二章-流体输送设备

第二章流体输送设备2.1概述

流体从

低处→高处；

低压处→高压处；

所在地→较远处；需要对流体做功，增加流体的机械能。流体输送设备（通用机械）：液体输送设备——泵；气体输送设备——通风机、鼓风机、压缩机或真空泵；根据泵的工作原理和结构分类离心泵漩涡泵

混流泵轴流泵往复泵

转子泵齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、滑片泵

喷射泵、空气升液泵、电磁泵单吸泵、双吸泵单级泵、多级泵蜗壳式泵、分段式泵立式泵、卧式泵屏蔽泵、磁力驱动泵高速泵单级泵、多级泵离心漩涡泵电动泵蒸汽泵柱塞泵隔膜泵计量泵叶片式泵容积式泵其他类型泵泵蜗壳（外壳）；叶轮：开式,半闭式,闭式单吸式、双吸式。

附属装置：底阀、滤网、调节阀、平衡孔(平衡管)、排气孔、轴封。2.2离心泵一、离心泵的基本结构，工作原理及性能参数

1、离心泵的结构主要结构：

离心泵外形：

2、工作原理

(a)排出阶段叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）→流体流入涡壳(动能→静压能)→流向输出管路。

(b)吸入阶段

液体自叶轮中心甩向外缘

→叶轮中心形成低压区

→贮槽液面与泵入口形成压差→液体吸入泵内。气缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。

离心泵结构示意图(c)主要部件作用泵壳：动能→静压能，提高液体压力,不仅是液体的汇集器，而且还是一个能量转换装置。

叶轮：把原动机(电机)的机械能，传递给液体，提高液体的动能和静压能。

叶轮形式：叶轮由6～12片叶片组成。按叶片两侧有无盖板:敞（开）式、半蔽（闭）式、蔽（闭）式。

叶轮的类型

哪种形式的叶轮做功效率高？闭式叶轮效率最高，半闭式叶轮效率次之，开式叶轮效率最低；原因在于叶片间的流体倒流（外缘压力高，叶轮中心压力低）回叶轮中心，做了无用功；增加了前后盖板，使倒流的可能性减小。(a)后盖板平衡孔单吸式双吸式按吸液方式：单吸式、双吸式。闭式叶轮：适用于输送清洁液体开式和半闭式叶轮：流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液，效率低。单吸式：结构简单，液体从叶轮一侧被吸入。双吸式：吸液能力大，基本上消除轴向推力。单吸式与双吸式叶轮轴封装置泵启动后在叶轮中心产生负压（吸入口在泵体一侧），故其会吸入外界的空气；液体经过叶轮的做功，获得机械能经过泵壳的汇集，能量转换成静压能较高的流体进入排出管，对半闭式，与闭式叶轮，叶轮四周的高压流体可能泄漏到盖板与泵体间的空隙（叶轮可旋转，泵体相对固定，叶轮轴与泵体间必有间隙），故其会向外界漏液。密封方式有：填料密封与机械密封，填料密封适用于一般液体，而机械密封适用于有腐蚀性易燃、易爆液体。填料密封：简单易行，维修工作量大，有一定的泄漏，对燃、易爆、有毒流体不适用；机械密封：液体泄漏量小，寿命长，功率小密封性能好，加工要求高。

以上三个构造是离心泵的基本构造，为使泵更有效地工作，还需其它的辅助部件：

导轮：液体经叶轮做功后直接进入泵体，与泵体产生较大冲击，并产生噪音。为减少冲击损失，设置导轮，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。

底阀（单向阀）：当泵体安装位置高于贮槽液面时，常装有底阀，它是一个单向阀，可防止灌泵后，泵内液体倒流到贮槽中。若泵安装于液面之下，底阀是否有必要？启动前是否也要灌泵？

滤网：防止液体中杂质进入泵体。

3、离心泵的主要性能参数bch0真空表压力表测定离心泵性能参数的装置由于两截面间的管长很短，其阻力损失通常可以忽略，两截面间的动压头差一般也可以略去，则可得（1）流量Q：（2）压头H：由b、c两截面间的柏努利方程：（3）有效功率Ne、轴功率N和效率η

有效功率Ne：离心泵单位时间内对流体做的功Ne=HQρg，W轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的能量，W。Ne<N泵的效率η：泵对外加能量的利用程度，η<100%。为什么？泵运转过程中存在以下三种损失：①容积损失该损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。在三种叶轮中，开式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮液时，叶片通道不易堵塞；闭式叶轮的渗漏量较小，但在磨损后渗漏便严重。②水力损失该损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦损失（即前述环流损失、摩擦损失、冲击损失）。③机械损失该损失包括旋转叶轮盖板外表面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。离心泵的轴功率N可直接用效率来计算：一般小型离心泵的效率50~70%，大型离心泵效率可达90%。泵的轴功率，W泵的压头，m泵的流量，m3/s流体密度，kg/m3泵的效率（4）叶轮转速n1000~3000转/min（或r.p.m）；2900转/min最常见。泵在出厂前，必须确定其各项性能参数，即以上各参数值，并把它标在铭牌上；这些参数是在最高效率条件下用20℃的水测定的。4、离心泵特性曲线（Characteristiccurves）（1）离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线由H～Q、P～Q、η～Q三条线组成。它们的关系只能靠实验测定。标准测定条件：常压、20℃清水为工质；由厂家提供，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。右图所示为4B20型离心泵在转速n＝2900r/min时的特性曲线。若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。

4B20离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWQ/(m3/h)4B型离心泵的特性曲线由图2－12可知：

1）H～Q曲线：Q↑，H↓(Q很小时

可能例外)。当Q＝0时，H也只能达到一定值，这是离心泵的一个重要特性。

2）N～

Q曲线：Q↑，N

↑。当Q＝0时，N最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损。

3）η～Q曲线：有极值点(最大值)，于此点下操作效率最高，能量损失最小。在此点对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92％ηmax

。选用离心泵，尽可能在高效区内工作。

4B20离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWQ/(m3/h)4B型离心泵的特性曲线FI-03FI-01FI-02离心泵性能曲线测定装置图（2）离心泵性能曲线实验测定①测定原理

②测定数据

数据：不同流量下的泵进、出口处压强、轴功率③绘制特性曲线计算H、η：（3）离心泵性能的改变和换算１）液体物性对离心泵特性曲线的影响

①密度对泵特性曲线的影响

说明：流体密度变化时，应校正N-Q

曲线。所选泵用于输送比水的ρ大的液体应先按N’=

ρ’N/ρ核算轴功率，若N’≥性能表中的电机功率，应更换功率大的电机，否则电机会烧掉。②流体粘度μ对特性曲线的影响μ↑、∑hf↑、Q↓、H↓、η↓、N↑(η↓的幅度超过QH↓的幅度，N↑)。泵厂家提供的特性曲线是用清水测定的，若实际输送流体μ比清水μ大得较多，特性曲线将有所变化，应校正后再用。校正方法可参阅有关书刊。若液体的运动粘度(μ/ρ)小于2×10-5m2/s，如汽油、煤油、轻柴油等，则对粘度的影响可不进行修正。2）叶轮转数对特性曲线的影响

同一台离心泵，转速改变，特性曲线也发生变化。

若转速改变后，叶轮出口速度三角形、泵的效率近似保持不变，则有：适用：叶轮转数变化不超过20%比例定律：3）叶轮直径D2对特性曲线的影响泵的特性曲线是针对某一型号的泵(D2一定)而言的。一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使D2变小，可以降低Q和H而节省N。若D2变化<20%，可以认为液体离开叶轮时的速度三角形相似，α2不变，η不变，πD2b2不变，则可得离心泵的切割定律如下：，，5、离心泵的安装高度zspsKe离心泵的安装高度s如图所示，液面较低的液体能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中央甩向外周，在叶轮中心进口处形成负压（真空），从而在液面与叶轮进口之间形成一定的压差，液体籍此压差被吸入泵内。现在的问题是离心泵的安装高度zs（zs即叶轮进口与液面间的垂直距离）是否可以取任意值？在液面1与泵内压强最低处即叶轮中心进口处K-K面之间列机械能衡算式，得z1psKe离心泵的安装高度1若液面压强p1一定，吸入管路流量一定（即uk一定），安装高度z1↑，∑hf(1-k)↑，pk↓，当pk↓至等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压pv时（即pk＝pv），液体将发生什么现象？又会使泵产生什么现象？

(1)离心泵的汽蚀现象

①汽蚀现象（空蚀）

吸入管段:

无外加机械能，液体靠势能差，吸入离心泵。至泵内压力最低点K处，若离心泵的汽蚀1100z②泵汽蚀时的特征泵体振动、噪声大；泵流量、压头、效率都显著下降。③主要危害造成叶片损坏，离心泵不能正常操作。④汽蚀发生的位置叶轮内压力最低处(叶轮内缘,叶片背面K处)。⑤衡量泵抗汽蚀能力的参数汽蚀余量、吸上真空高度。汽蚀时叶轮内缘叶片背面示意图容易发生气蚀的K处从前面的分析可知，泵的安装高度Hg受到汽蚀现象的限制，为壁面汽蚀现象的发生:①泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压pv;②可采取ps↑；③∑Hf(s-k)↓。我国的离心泵规格中采用两种指标——允许汽蚀余量(也称为必需汽蚀余量)和允许吸上高度来表示泵的吸上性能,如何利用它们来确定泵的安装高度不至于发生汽蚀现象?(2)离心泵的抗汽蚀性能1)汽蚀余量列1-1(泵入口)及K-K间的机械能衡算式：离心泵的汽蚀1100z

关于NPSH（NetPositiveSuctionHead）

泵抗汽蚀能力的参数

NPSH↓，则泵抗汽蚀能力↑。

NPSH=f(泵结构、流体种类、流量)

流量↑，则NPSH↑，泵抗汽蚀能力↓

由泵样本提供，工程上常用。*必需(允许)汽蚀余量(NPSH)r

即将所测得的临界气蚀余量加上一定的安全量。

(NPSH)r=（NPSH)e+安全量厂家提供，泵样本中给出

实验条件：常压，200C的清水若输送其它液体时必须校正。2）允许吸上高度H's定义当pk=pv，p1=p1min时刚好发生汽蚀现象，此时的吸上高度为不会发生汽蚀现象的最大值：

为了安全允许吸上高度为：泵入口处压力p1所允许的最大真空度。mH2O讨论：①H's只能由实验测定，不同型号的泵其允许吸上真空度不同，由厂家出厂前由实验测定；测定条件为：液面压力为98.1kPa（10mH2O），流体为水，水温20℃

，饱和蒸汽压为0.24mH2O。

②若输送其他液体，且操作条件与上述实验条件不同时，应进行校正Hs=H's＋(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；

H's

—泵样本中给出的允许吸上真空高度，H2O；

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。

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。不同海拔高度时大气压力值可查表再考虑操作条件下输送流体密度与测定条件下流体密度的差异：

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。（3）、离心泵安装高度Hgp01100如何用允许吸上真空高度确定泵的安装高度？Hg—泵的安装高度；u12/2g—进口管动能；Hf—进口管阻力;Hs’

—允许吸上真空高度，由泵的生产厂家给出。提高Hg的方法取截面0-0，1-1，并以截面0-0为基准面，在两截面间柏努利方程，可得若贮槽为敞口，则p0为大气压pa，则有（2-26）（2-23）提高Hg的方法：改变结构(另选一Hs大的泵)；降低进口管段流速；降低进口管阻力(选择较大的进口管径、减少进口管路程、尽量少安装管件、阀等)。将式（2-18）与（2-23）合并可导出汽蚀余量Δh与允许安装高度Hg之间关系为上式中p0为液面上方的压力，若为敞口液面则p0=pa。(2-25)如何利用必须气蚀余量确定泵的安装高度？实际生产过程中，管路的流量有可能发生变化，那么此时吸入管路的阻力也发生变化；若流量增大则允许安装高度减小，所以为避免在实际操作中由于流量的提高或其他参数（如液体温度，液面压力等）的变化而出现汽蚀现象，允许安装高度按可能出现的最大流量计算并且实际安装高度应低于允许安装高度：(2-18)式中h—汽蚀余量，m；

pv

—操作温度下液体饱和蒸汽压，N/m2。（2-23）6离心泵的工作点与流量调节（1）管路特性曲线方程令而（2）离心泵的工作点将泵的H~Q线和管路的He~Q线画在一张图上，得到交点A如图2-13所示，该点称为泵在管路上的工作点，此时H=He。在工作点处泵的输液量即为管路的流量Q，泵提供的压头（扬程）H必恰等于管路所要求的压头He。当工作点是在高效区（η不低于92％ηmax

），则该工作点是适宜工作点，说明泵选择的较好。OQQHH1管路He～Q图2-13离心泵的工作点泵H～Q泵～QA注意：①管路特性曲线He=K+BQ2为开口向上的抛物线，它在纵轴截距反映了管路上下游总势能差；B反映了管路阻力的大小；B↑，同样流量下管路的阻力越大，B较大的管路称为高阻管路，反之则称为低阻管路；②泵特性曲线中流量的单位可能是m3/s或m3/h；求工作点时，管路特性曲线的整理应注意保持单位一致；③离心泵工作点的求法：解析法即当泵的特性曲线已知，可与管路特性曲线联立求工作点；若泵特性曲线未知，只有特性曲线图，则用图解法即将管路特性曲线画在泵特性曲线图上，两线的交点即为工作点。OQQHH1管路He～Q图2-19离心泵的工作点泵H～Q泵～QA（3）流量调节流量调节就是设法改变工作点的位置，有以下两种方法：①改变管路特性曲线在离心泵出口处的管路上安装调节阀。改变出口阀门的开度即改变管路阻力系数，可改变管路特性曲线的位置，达到调节流量的目的。

OQ2Q1QHe2H221低阻高阻H1

优点：操作简便、灵活，应用范围广。对于调节幅度不大而经常需要改变流量的场合，此法尤为适用。

缺点：不仅增加了管路阻力损失（在阀门关小时），且使泵在低效率点工作，在经济上很不合理。因阀门关小多消耗的功率为②改变泵的特性曲线由前述比例定律、切削定律可知，改变泵的转速、切削叶轮都可以达到改变泵的特性曲线的目的。如图2－21所示，泵的转速由n1减小至n2时，泵的H～Q线下移，工作点由点M1移至点M2，流量由Q1减小至Q2。

优点：不额外增加管路阻力，在一定范围内可保持泵在高效率区工作（n改变<20％时，可基本保持效率η不变，如图中两种转速下的效率曲线所示），能量利用较为经济，这对大功率泵是重要的。

缺点：调节不方便，一般只有在调节幅度大、时间又长的季节性调节中才使用。OQ1H1M1n2n1H2n1>n2图2-21改变泵的特性曲线M2Q27离心泵的类型

离心泵类型的划分按输送流体的性质：清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按叶轮的吸入方式：单吸泵、双吸泵；按叶论数目：单级泵、多级泵；（1）清水泵（Cleanwaterpumps）

输送清水或物性与水相近且无腐蚀、杂质少的液体。单级单吸泵：IS（或B）型，中小型水泵，结构简单操作容易；扬程8~98m，流量4.5~360m3/h

多级泵：D型，扬程高，14~351m，10.8~850m3/h

双吸泵：Sh型，流量大，9~140m，120~12500m3/h

型号：IS100-65-250（或2B312B31A2B31B）意义：为泵吸入口直径，英寸基本型号在最高效率下的扬程，m；泵类型叶轮直径在基本型号基础上切削一圈2B31AIS100-65-250为泵排出直径，mm叶轮公称直径，mm为泵吸入口直径，mm（2）耐腐蚀泵（Corrosionresistantpumps）与液体接触的部件由耐腐蚀材料（铸铁、高硅铁、合金钢、玻璃、塑料等）制成且更换容易，密封可靠，适用于输送具有腐蚀性的液体。扬程15~105m，流量2~400m3/h

型号：50F-10350F-103A50F-103B

意义：50为吸入口直径，mm；F为泵类型；103为基本型号在最高效率下的扬程，m。（3）油泵（Oilpumps）

用于输送石油产品，由于油品易燃易爆，密封要求高。适用温度-45℃~400℃

，扬程60~603m，流量6.25~500m3/h。

型号：50Y-6050Y-60A50Y-60×250Y-60A×2

意义：50为吸入口直径，mm；Y为泵类型；60为基本型号在最高效率下的扬程，m；×2为叶轮级数。（4）杂质泵输送液体中含有固体颗粒杂质，粘度大的液体如泥浆等；杂质泵不易堵塞，耐磨，叶轮流道宽（2~3片）。（5）液下泵（Submergedpumps）安装于贮槽内液面下，适用于输送各种腐蚀性流体，密封要求不高（泵内外均为输送的流体，无泄漏问题）。（6）屏蔽泵（Cannedmotorpumps）叶轮与轴相连固定，密封性能高，根本上消除了泄漏，适用于输送易燃易爆、有毒、具有放射性或贵重的液体。扬程16~95m，流量0.65~200m3/h，温度-35℃~400℃

。（7）管道泵（Pipelinepumps）适用于长距离管道输送的中途加压，24~150m，6.25~360。（8）低温用泵（Cryogenicpumps）8离心泵的选用、安装与运转（1）选用①根据被输送液体的性质确定泵的类型；②根据管路系统的性质和工艺要求确定流量和压头（应以生产中可能出现的最大流量计算）；③根据所需流量和压头确定泵的型号（所选泵的流量与扬程应比工艺要求略高，有一定的余量；但余量又不宜太大，否则回远离高效区，效率低；对多台泵都合适的情况下选择操作条件下效率最高的）；④对泵所配电机的功率进行校核确定是否更换电机。

（2）安装①对关键管道用泵或容易损坏的泵应安装备用泵（并联一台工作，一台备用）；②安装高度不能太高，应小于允许安装高度；③设法尽量减少吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件；调节阀应装于出口管路。

④把泵安装在贮罐液面下,使液体利用位差自动灌入泵体内,即倒灌。（3）离心泵操作

①启动前应灌泵（泵装在液面以下则为自然灌泵），并排气，防止出现气缚现象；②应在出口阀关闭的情况下启动泵，使启动功率、电流最小，避免烧毁电机；③停泵前先关闭出口阀，避免管道中的液体倒流，带动叶轮倒转，以免损坏叶轮和电机，尤其对没有安装底阀的情况；④多台泵组合操作（以两台同型号泵的串、并联操作为例）双泵联合操作其特性有如何呢？与单泵特性有何区别？不论是串联还是并联操作，均能一定程度上提高管路的流量和扬程；但是哪种操作方式更为有效、合理，就要看管路的特性。如图所示p108，对于低阻管路a，Q并>Q串，H并>H串，所以并联组合优于串联组合；对于高阻管路b，Q串>Q并，H串>H并，所以串联组合优于并联组合。所以串联操作适用于压头大、流量小的管路；并联操作适用于压头小、流量大的管路。

02468101214161820051015202530354045H/mQ/m3/hba2.３其他类型的泵

除了离心泵外，为适应工业不同工艺的要求，还需要其他类型的用泵。对输送液体的机械（泵）主要分为两大类：正位移泵和非正位移泵。2.３.１正位移泵（Positive-displacementpumps）

连续或间歇地改变工作室的容积来压送液体，此类泵吸入的液体不能倒流，只能从排出口流出，故称之为正位移泵；其中往复泵为典型的正位移泵。

容积式泵(正位移泵)1往复泵

(1)结构和工作原理①结构:泵缸、活塞、阀门。冲程：活塞在两端点间移动的距离。冲程容积：活塞往复一次的容积排量。12345往复泵装置简图1—泵缸2—活塞3—活塞杆4—吸入阀5—排出阀②工作原理

●

活塞右移时，排出阀关闭，吸液阀开启，开始吸液，当活塞移至右端点时，吸液行程结束；

●活塞由右端点向左移时，吸液阀关闭，排出阀开启，开始排液，当活塞移至左端点时，排液行程结束。12345往复泵装置简图1—泵缸2—活塞3—活塞杆4—吸入阀5—排出阀由此可见，往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的。２其它类型的正位移泵

①隔膜泵

实际上是一种往复泵

隔

膜泵1-吸入活门；2-压出活门；3-活柱4-水（或油）缸；5-隔膜②计量泵也是往复泵的一种多股进料，按比例输送

③齿轮泵（Gearpumps）齿轮泵可用于输送粘稠液体以至膏状物齿轮泵齿轮泵是靠齿轮的旋转实现流体输送

④螺杆泵

属容积式转子泵

双螺杆泵螺杆泵（Screwpumps）：靠螺杆的旋转实现流体输送2.３.2非正位移泵1旋涡泵（Vortexpumps）一种特殊类型的离心泵，由泵壳和叶轮组成。

2管道泵管道泵安装在管道中，其吸入口与排出口在同一中心线上，适用于长距离管道输送的中途加压。(1)结构(2)特性：流量↑时，功率↓，压头↓（3）适用于：要求输送量小、压头高而粘度不大的液体。（4）启动：①启动前要灌满液体。②启