第二章 流体输送机械

本章学习指导

1 本章学习的目的 本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最

常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。

2 本章应掌握的内容 本章应重点掌握离心泵的工作原理、操作特性及其选型。 3 本章学习中应注意的问题 在学习过程中，加深对流体力学原理的理解，并从工程

应用的角度出发，达到经济、高效、安全地实现流体输送。

流体输送机械是指为流体提供机械能的机械设备

分类：（ 1）动力式：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能 量。包括离心式、轴流式输送机械

（ 2）容积式：利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量。包括往复式、旋转式输送机械

（ 3）流体作用式：依靠能量转换原理以实现输送流体任务。如喷射泵

第一节 液体输送机械——离心泵

离心泵的主要部件离心泵的工作原理离心泵的性能参数离心泵的特性曲线影响离心泵性能的因素和性能换算离心泵的气蚀现象与安装高度离心泵的工作点与流量调节离心泵的类型与选择

（一）离心泵的主要部件

包括叶轮和泵轴的旋转部件

由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件离心泵由两个主要部分构成：

（二）离心泵的工作原理

液体随叶轮旋转，在惯性离心力的作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢，液体的部分动能转换成静压能。于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。

1

23

4

5

6

离心泵的性能参数

1. 流量（ Q ） : 离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为 L/s 或 m3/h ；

2. 压头（ H ） ：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为 m ；

3. 效率（） ：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；

4. 轴功率（ N ）： [ 指离心泵的泵轴所需的功率，单位为 W 或 kW

离心泵的能量损失

反映离心泵能量损失，包括： 容积损失：由于崩的泄漏所造成的损失。一部份已获

得能量的高压液体由叶轮出口处通过叶轮与泵壳间的缝隙或从平衡孔漏返回到叶轮入口处的低压区造成的能量损失。

水力损失：进入离心泵的粘性液体产生的摩擦阻力以及在泵的局部处因流速与方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力。

机械损失：由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的机械摩擦引起的能量损失。

离心泵的特性曲线

通常，离心泵的特性曲线由制造厂附于泵的样本或说明书中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。

1. H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系 2. N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系 3.η-Q曲线：表示泵的效率与流量的关系

0 20 40 60 80 100 120 1400

4

8

12

16

20

24

28

32

36

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

4

8

12

n=2900r/minIS00-80-160B 离心泵

H [m

]

Q/ m3/h

[%

]

N [k

W]

离心泵的压头 H 一般是随流量 Q 的增大而下降，这是离心泵的一个重要特性。

离心泵的有效功率是指液体从叶轮获得的实际能量，通常用 Ne表示，其可由泵的流量和扬程求得

有效功率与轴功率的比值为离心泵的效率

gHQN e

N

Ne

102

QHN

影响离心泵性能的因素和性能换算

1. 液体物性的影响 （ a ）密度的影响 （ b ）黏度的影响 2. 离心泵转速的影响 3. 离心泵叶轮直径的影响

泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测定的。若所输送的液体性质与此相差较大时，泵的特性曲线将发生变化，应当重新进行换算。

由离心泵的基本方程可看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，说明 离心泵特性曲线中的 H—Q 及— Q 曲线保持不变。但离心泵所需的轴功率则随液体密度的增加而增加，即 N—Q 曲线要变，此时泵的轴功率可按式（ 2-14 ）重新计算。

a. 流体密度的影响

b. 黏度的影响

液体粘度的改变将直接改变其在离心泵内的能量损失，因此，H—Q 、 N—Q 、— Q 曲线都将随之而变。当液体运动粘度 γ> 2010-8 m2/s 时，离心泵的性能则需按下式进行换算，即 Qˊ = CQQ Hˊ = CHH ηˊ = Cη η

转速变化特性曲线变化， 在转速变化小于±20% 范围内

转速的影响—比例定律

叶轮直径的影响—切割定律2

1

2

1

n

n

Q

Q 2

2

1

2

1 )(n

n

H

H 3

2

1

2

1 )(n

n

N

N

2

'2

'

D

D

Q

Q 2

2

'2

'

)(D

D

H

H

3

2

'2

'

)(D

D

N

N

减小叶轮直径特性参数随之而变，对叶轮圆周进行少量车削

在叶轮直径变化小于±20%当泵的叶轮直径和其他尺寸均发生变化

2

2

'2

'

)(D

D

H

H 2

2

'2

'

)(D

D

Q

Q

5

2

'2

'

)(D

D

N

N

例：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如附图所示。当调节出口阀使管路流量为 25m3/h 时，泵出口处压力表读数为 0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为 0.025MPa ，测得泵的轴功率为 3.35kW ，电机转速为 2900 转 /分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为 0.5m 。试由该组实验测定数据确定出与泵的特性曲线相关的其它性能参数。

1z

2z

真空表

压力表解：与泵的特性曲线相关的性能参数有泵的转速 n 、流量 Q 、压头 H 、轴功率 N 和效率。其中流量和轴功率已由实验直接测出，压头和效率则需进行计算。 以真空表和压力表两测点为 1， 2截面，对单位重量流体列柏努力方程

2 22 12 1

2 1 1 22f

p p u uH Hz zg g

62 1

2 1 2

0.28 0.025 100.5 31.6mH O

1000 9.81

p pH z z

g

%2.6435.3

15.2

N

Ne

把数据代入，得

在工作流量下泵的有效功率为

泵轴功率为

kW15.2W21503600

81.91000256.31

HQgN e

1. 离心泵的气蚀现象 2. 离心泵的抗气蚀性能 a. 离心泵的气蚀余量 b. 离心泵的允许吸上真空度 3. 离心泵的允许安装（吸上）高度

离心泵的气蚀现象与安装高度

当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸 汽压时，部分液体将在该处汽化并产生的汽泡，被液流带入叶轮内压力较高处凝结或破裂。由于凝结点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。

Hg

1

1 K

K

0 0

0p

气蚀现

象

现象：噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。严重时，泵不 能正常工作防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。

原

因

离心泵的气蚀余量

在泵入口 1-1ˊ和叶轮入口 k-kˊ两截面间列柏努利方程式，可得

为了避免发生气蚀现象，在离心泵的入口处液体的静压头 p1/ρg 与动压头 u1

2/2g之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头 pv/ρg某一数值，此数值即为离心泵的气蚀余量（ NPSH) ，即

g

u

g

p

g

pNPSH

2

211

kfk Hg

u

g

p

g

u

g

p 1,

221min,1

22

离心泵的临界气蚀余量（ NPSH)c

变形可得

kfk

c Hg

u

g

u

g

ppNPSH

1,

221min,1

22)(

离心泵的允许吸上真空度

Hsˊ值的大小与泵的结构、流量、被输送液体的性质及当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂在 98.1kPa 下，用 20 ℃为介质进行测定。若输送其他液体，或操作条件与上述的实验条件不同时，应按下式进行换算，即

若以输送液体的液柱高度来计算离心泵入口处的最高真空度，则此真空度称为离心泵的允许吸上真空度，以 Hsˊ来表示，即

g

ppH a

S 1'

1000

)24.01081.9

()10(3

'

pHHH aSS

假设离心泵在可允许的安装高度下操作，于储槽液面0-0ˊ与泵入口处1-1ˊ两截面间列柏努利方程式，可得避免发生汽蚀离心泵的允许安装高度允许安装高度 Hg,

泵入口允许的最小压强 p1 应满足

离心泵的允许安装（吸上）高度

10,

2110

2

fg Hg

u

g

ppH

若储槽上方与大气相通，则 p0 即为大气压强 pa，上式可表示为

10,

211

2

fa

g Hg

u

g

ppH

g

u

g

p

g

pNPSH

2

211

离心泵的工作点与流量调节管路特性曲线

离心泵的流量调节

表示在特定管路系统中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需的压头与流量的关系

泵的特性曲线 H-Q 线与所在管路特性曲线 He~Qe 线的交点（ M 点 )。

离心泵的工作点

离心泵流量的调节就是改变泵的工作点。方法有二：1. 改变阀门的开度 即改变离心泵出口管路上调节阀门开度改变管路特性曲线，灵活方便，耗能大；2. 改变泵的转速 改变泵转速实质上是改变泵特性曲线，节能，投资大。

离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为设计点，设计点对应的流量、压头和轴功率称为额定流量、额定压头和额定轴功率，标注在泵的铭牌上。一般将最高效率值的 92%的范围称为泵的高效区，泵应尽量在该范围内操作。

设计点

改变阀门开度时流量变化

改变泵的转速时流量变化

离心泵的并联与串联离心泵并联和串联，将组合安装的两台型号相同离心泵视为一个泵组，泵组的特性曲线或称合成特性曲线，据此确定泵组工作点。

离心泵并联操作时，泵在同一压头下工作，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍。据此，并联离心泵组的 H-Q特性曲线。

离心泵串联操作时，泵送流量相同，两台串联泵的扬程为该流量下单台泵的扬程两倍。离心泵串连工作时的合成特性曲线

离心泵的并联

离心泵的串联

清水泵 用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸

式，系列代号为“ IS”，结构简图如图，若需要的扬程较高，则可选 D系列多级离心泵。若需要流量很大，则可选用双吸式离心泵，其系列代号为“ Sh” 。

防腐蚀泵 当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。离心耐腐蚀泵有多种系列，其中常用的系列代号为 F。

油泵 用于输送石油产品，油泵系列代号为 Y。因油类液体具有易燃、易爆的特点，

因此对此类泵密封性能要求较高。输送 200℃以上的热油时，还需设冷却装置。

杂质泵 用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，其系列代号为 P，又可分为污水泵、砂泵、泥浆泵等。这类泵的主要结构特点是叶轮上叶片数目少，叶片间流道宽，有的型号泵壳内还衬有耐磨材料。

离心泵的类型与选择

离心泵的类型

1-泵体； 2-泵盖； 3-叶轮； 4-轴； 5- 密封环； 6-叶轮螺母； 7-止动垫圈；8-轴盖； 9-填料压盖； 10-填料环； 11-填料； 12- 悬架轴承部件

（ 1）确定输送系统的流量与压头 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内波动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用柏努力方程计算在最大流量下管路所需的压头。

（ 2）选择泵的类型与型号 首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后按

已确定的流量 Qe和压头 He 从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。显然，选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量 Qe和压头 He完全相符，且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量，所选泵的流量和压头可稍大一点，但在该条件下对应泵的效率应比较高，即点（ Qe、 He）坐标位置应靠在泵的高效率范围所对应的 H-Q 曲线下方。型号选出后，应列出该泵的各种性能参数。

（ 3）核算泵的轴功率

离心泵的选择

若输送液体的密度大于水的密度时，可按核算泵的轴功率。

,102

QHN kW