第二章流体输送机械 第一节概述 如果说管路是设备与设备之间、车间与车间之间、工厂与工厂之间联系的通道的话，则 流体输送机械是这种联系的动力所在。以供料点和需料点为截面列柏努利方程： 其中，是流体输送机械对单位重量流体所做的功。从上式可以看出，采用流体输送机械操 作的目的可能是为了提高流体的动能、位能或静压能，或用于克服沿程的阻力，也可能几种 目的兼而有之。 流体输送机械分类 介质： 液体一一泵 气体一一风机、压缩机 工作原理： 离心式 正位移式（容积式：往复式、旋转式 其它（如喷射式） 第二节离心泵 离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工 业生产中普遍被采用。 一离心泵的主要部件和工作原理 .半蔽
第二章 流体输送机械 第一节 概 述 如果说管路是设备与设备之间、车间与车间之间、工厂与工厂之间联系的通道的话，则 流体输送机械是这种联系的动力所在。以供料点和需料点为截面列柏努利方程： e h f g u g p h z + + = + 2 2 其中 he 是流体输送机械对单位重量流体所做的功。从上式可以看出，采用流体输送机械操 作的目的可能是为了提高流体的动能、位能或静压能，或用于克服沿程的阻力，也可能几种 目的兼而有之。 流体输送机械分类： 介质： 液体——泵 气体——风机、压缩机 工作原理： 离心式 正位移式（容积式）：往复式、旋转式 其它（如喷射式） 第二节 离心泵 离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工 业生产中普遍被采用。 一 离心泵的主要部件和工作原理
1.离心泵的主要部件 (1)叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由4-8片的叶片组成，构成了数目相同的液体 通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式（其作用见教材）。 (2)桑毫：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳 形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。 (3)桑釉：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带 动叶轮旋转。 2.离心泵的工作原理 (1)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。 (2)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。 (3)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。（通过第一章的一个例题加以 类比说明)。 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。这一步操作称为潮 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》 离心泵装置简图 如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。 1一叶轮2-系壳3一系轴 (4)叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转 4一吸入管：5一底阀6一压出管 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。 (5)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。但由此也会此起泵效率的降低。 (6)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 的环隙如果不加以封或密封不好，则外界的空气会参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
1．离心泵的主要部件 （1）叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由 4-8 片的叶片组成，构成了数目相同的液体 通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式（其作用见教材）。 （2）泵壳：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳 形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。 （3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带 动叶轮旋转。 2．离心泵的工作原理 （1）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。 （2）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。 （3）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。（通过第一章的一个例题加以 类比说明）。 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。 （4）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。 （5）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。但由此也会此起泵效率的降低。 （6）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
二离心泵的性能参数与特性曲线 性能参数表征离心泵性能的好坏，其中最重要的性能参数是压头。离心泵的压头是指泵 对单位重量流体提供的机械能。以下首先从理论上分析其影响因素。 0.离心泵的理论压头 离心泵的理论压头与如下几个假定条件相对应：①叶轮内叶片数目无限多，液体完全沿 着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象：②液体为粘度等于零的理想流体，液体在流动中 没有阻力。在这两个假定条件下，离心泵的理论压头可以表示为： 其中：r一叶轮半径：0一叶轮旋转角速度：Q一泵的体积流量：b2一叶片宽度：B一一叶 片装置角。 讨论①装置角B是叶片的一个重要设计参数。当其值小于90度时称为后弯叶片：等于90 度时称为径向叶片：大于90度时称为前弯叶片。叶片后弯时液体流动能量损失小，所以 般都采用后弯叶片。 ②当采用后弯片时，gB为正，可知理论压头随叶轮直径、转速及叶轮周边宽度的增 加而增加，随流量的增加呈线性规律下降。 ③理论压头与流体的性质无关 ④前式给出的是理论压头的表达式。实际操作中，由于以下三方面的原因，使得单位重 量液体实际获得的能量，即实际压头，与离心泵的理论压头有一定的差距： (A)叶片间环流：(B)阻力损失：(C)冲击损失。 考虑以上三方面之后，压头与流量之间的线性关系也将发生变化。、围所示 1.离心泵的主要性能参数 离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量 (1)(叶轮)转速n:1000^3000rpm:2900rpm最常见。 (2)流量Q:以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。 (3)压头（扬程）：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转 速有关。扬程并不代表升举高度。 (4)功率：(A)有效功率N。:离心泵单位时间内对流体做的功一 -N。=H0pg
二 离心泵的性能参数与特性曲线 性能参数表征离心泵性能的好坏，其中最重要的性能参数是压头。离心泵的压头是指泵 对单位重量流体提供的机械能。以下首先从理论上分析其影响因素。 0．离心泵的理论压头 离心泵的理论压头与如下几个假定条件相对应：①叶轮内叶片数目无限多，液体完全沿 着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体为粘度等于零的理想流体，液体在流动中 没有阻力。在这两个假定条件下，离心泵的理论压头可以表示为： ( ) ctg b g Q r g H 2 2 2 1 = − 其中： r —叶轮半径； —叶轮旋转角速度； Q —泵的体积流量； b2 —叶片宽度； ——叶 片装置角。 讨论①装置角 是叶片的一个重要设计参数。当其值小于 90 度时称为后弯叶片；等于 90 度时称为径向叶片；大于 90 度时称为前弯叶片。叶片后弯时液体流动能量损失小，所以一 般都采用后弯叶片。 ②当采用后弯片时， ctg 为正，可知理论压头随叶轮直径、转速及叶轮周边宽度的增 加而增加，随流量的增加呈线性规律下降。 ③理论压头与流体的性质无关。 ④前式给出的是理论压头的表达式。实际操作中，由于以下三方面的原因，使得单位重 量液体实际获得的能量，即实际压头，与离心泵的理论压头有一定的差距： （A）叶片间环流；（B）阻力损失；（C）冲击损失。 考虑以上三方面之后，压头与流量之间的线性关系也将发生变化。如图所示。 1．离心泵的主要性能参数 离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量 （1）（叶轮）转速 n：1000~3000rpm；2900rpm 最常见。 （2）流量 Q：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。 （3）压头（扬程）H：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转 速有关。扬程并不代表升举高度。 （4）功率：（A）有效功率 Ne ：离心泵单位时间内对流体做的功—— Ne = HQg ；
(B)轴功率N:单位时间内由电机输入离心泵的能量。 (5)效率：由于以下三方面的原因，由H 电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因 H-O 此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对 n-Q 外加能量的利用程度：刀=N。1N (A)容积损失：(B)水力损失：(C)机械 损失。 2，离心泵的性能曲线 N-Q 从前面的讨论可以看出，对一台特定的离 心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功* 和效率都与其流量有 一对应的关系，其中以 压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形表示就称为离心泵的性能曲线。由于压头 受水力损失影响的复杂性，这些关系一般都通过实验来测定。包括HO曲线、NO曲线和 Q曲线。 离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵产品说明书中，其刷定条件 般是20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图所示。 讨论①从HQ特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大， 系向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。 ②轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这 规律还提示我们.离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使申机的启动电流最小。 ③泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降，根据生产任务选泵时 应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的9%。 ④离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数 3.离心泵特性的影响因素 (1)流体的性质： (A)液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密 度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。 (B)液体的粘度：粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以 当被输送流体的粘度有较大变化时，系的特性曲线也要发生变化。 (2)转速 离心泵的转速发生变化时，其流量、压头和轴功率都要发生变化 一比例定使 (3)叶轮直径 前己述及，叶轮尺寸对离心系的性能也有影响。当切割量小于20%时： 一切割定律
（B）轴功率 N ：单位时间内由电机输入离心泵的能量。 （5）效率 ：由于以下三方面的原因，由 电机传给泵的能量不可能 100%地传给液体，因 此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对 外加能量的利用程度： = Ne / N （A）容积损失；（B）水力损失；（C）机械 损失。 2．离心泵的性能曲线 从前面的讨论可以看出，对一台特定的离 心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功率 和效率都与其流量有一一对应的关系，其中以 压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形表示就称为离心泵的性能曲线。由于压头 受水力损失影响的复杂性，这些关系一般都通过实验来测定。包括 H~Q 曲线、N~Q 曲线和 ~Q 曲线。 离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵产品说明书中，其测定条件 一般是 20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图所示。 讨论①从 H~Q 特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大， 泵向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。 ②轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这 一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小。 ③泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降，根据生产任务选泵时， 应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的 92%。 ④离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数。 3．离心泵特性的影响因素 （1）流体的性质： （A）液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密 度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。 （B）液体的粘度：粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以， 当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。 （2）转速 离心泵的转速发生变化时，其流量、压头和轴功率都要发生变化： 1 2 1 2 n n Q Q = ； 2 1 2 1 2 = n n H H ； 3 1 2 1 2 = n n N N ——比例定律 （3）叶轮直径 前已述及，叶轮尺寸对离心泵的性能也有影响。当切割量小于 20%时： 1 2 1 2 D D Q Q = ； 2 1 2 1 2 = D D H H ； 3 1 2 1 2 = D D N N ——切割定律 Q N~Q H~Q N H Q
三离心泵的工作点和流量调节 在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和压头可用HQ 特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的 工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。 1.管路的特性曲线 考虑由柏努利方程导出的外加压头计算式： =4++ +h Q越大，则Σ，越大，则流动系统所需要的外加压头越大，。将通过某一特定管路的 流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。 考能上式的压头损夫2，=学)后（学 忽路上、下海技国的动压头运，则A心老兴学}p, 当管路和流体一定时，是流最的函数。令A=上+史，则上式变为： h.=A+f(O) 称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在HQ坐标 中对应的曲线称为管路特性曲线。 说明①A=△+2为管路特性曲线在H轴上的截距，表示管路系统所需要的最小外加压头。 ②当流动处于阻力平方区，摩擦因数与流量无关，管路特性方程可以表示为： he=A+BQ: 其中B=8I+} π2gd3 ③高阻管路，其特性曲线较陡：低阻管路其特性曲线较平缓。 2.离心泵的工作点 将泵的HQ曲线与管路的hQ曲线绘在同一坐标 H 系中，两曲线的交点称为泵的工作点。 说明①泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决 定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程 得到： ②安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流 量：在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外 加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供 的，也是管路需要的： ③工作点对应的各性能参数(Q,H,n,N)反映了一台泵的实际工作状态。 3.离心泵的流量调节 由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工 作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能
三 离心泵的工作点和流量调节 在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和压头可用 H~Q 特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的 工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。 1．管路的特性曲线 考虑由柏努利方程导出的外加压头计算式： e h f g u g p h z + + = + 2 2 Q 越大，则 h f 越大，则流动系统所需要的外加压头越大 he 。将通过某一特定管路的 流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。 考虑上式中的压头损失： 2 2 5 2 8 2 Q d l l g g u d l l h e e f + = + = 忽略上、下游截面的动压头差，则 2 2 5 8 Q d l l g g p h z e e + + = + 。 当管路和流体一定时， 是流量的函数。令 g p A z = + ，则上式变为： h A f (Q) e = + 称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在 H~Q 坐标 中对应的曲线称为管路特性曲线。 说明① g p A z = + 为管路特性曲线在 H 轴上的截距，表示管路系统所需要的最小外加压头。 ②当流动处于阻力平方区，摩擦因数与流量无关，管路特性方程可以表示为： 2 he = A+ BQ ； 其中 + = 2 5 8 d l l g B e ③高阻管路，其特性曲线较陡；低阻管路其特性曲线较平缓。 2．离心泵的工作点 将泵的H~Q曲线与管路的 he ~Q曲线绘在同一坐标 系中，两曲线的交点称为泵的工作点。 说明①泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决 定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程 得到； ②安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流 量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外 加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供 的，也是管路需要的； ③工作点对应的各性能参数（ Q, H,, N ）反映了一台泵的实际工作状态。 3．离心泵的流量调节 由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工 作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能 H Q