任務三 離心泵工作點的測定
【任務引入】
離心泵是常用的液體輸送設備，送料過程中，不僅要考慮泵本身的性能，還要考慮輸送管路的要求。為此，下面對生產工藝用水的輸送管路中離心泵的性能和管路的性能進行測定，確定離心泵的工作點，判斷該泵是否適合。
【任務實施】
一、工藝流程
本任務的工藝流程圖見圖1-19。
圖1-19 離心泵工作點測定工藝流程圖
二、泵的型號
泵的型號見表1-8。
表1-8 單級懸臂離心清水泵
三、操作規程
1.離心泵性能測定實驗
①設置參數：選泵型號、設置離心泵電機頻率、泵進出口管路內徑。點“參數記錄”記錄到實驗報表中。
②將離心泵的灌泵閥V01打開，再將放氣閥V02打開，待放氣動畫消失后，關閉灌泵閥和放氣閥。
③打開離心泵電源開關。
④稍微打開主管路的球閥V06，待真空表和壓力表讀數穩定后，在離心泵實驗數據界面記錄數據。
⑤調節主管路調節閥的開度，重復步驟④，記錄10組數據。
⑥在實驗報表里的“離心泵性能測定數據”查看實驗結果數據，可選中某行刪出不合理數據，點擊實驗報告查看數據和離心泵的性能曲線。
2.管路特性測定實驗
在上面操作的基礎上，繼續如下操作：
①將主管路調節閥開度控制在50%～100%之間。待真空表和壓力表穩定后，到界面調節離心泵電機頻率。
②回到裝置界面和儀表面板界面查看，等待壓力和流量穩定后，到管路特性數據界面記錄數據。
③調節離心泵電機頻率，重復步驟②，共記錄10組數據。
④在實驗報表里的“管路特性曲線數據頁”中查看實驗結果數據，可選中某行刪除不合理數據，點擊實驗報告查看數據和管路特性曲線。
⑤關閉主管路球閥、調節閥，關閉離心泵電源開關。
【任務評價】
①熟悉離心泵的型號、結構、工作原理與操作方法；
②掌握離心泵的性能測定方法；
③能根據生產任務確定離心泵的工作點；
④能根據生產要求對工作點能夠進行調節。
【知識鏈接】
知識點一 離心泵的工作原理
一、離心泵的結構
離心泵是依靠高速旋轉的葉輪對液體做功的機械，結構如圖1-20所示。
圖1-20 離心泵結構圖
泵的吸入口在泵殼中心，與吸入管路連接，吸入管路的末端裝有底閥，用以開車前灌泵或停車時防止泵內液體倒流回貯槽，也可防止雜物進入管道和泵殼。泵的排出口在泵殼的切線方向，與排出管路相連接，排出管上裝有調節閥，用以調節泵的流量。
離心泵的主要部件：一是包括葉輪和泵軸等的旋轉部件，二是由泵殼、填料函和軸承組成的靜止部件。其中最主要的構件是泵殼和葉輪。
1.葉輪
葉輪是離心泵的重要部件，對它的要求是在流體能量損失最小的情況下，使單位重量流體獲得較高的能量。葉輪一般有6～12片后彎形葉片，后彎目的是便于液體進入泵殼與葉輪縫隙間的流道。按機械結構可分為閉式、半閉式和敞開式三種，如圖1-21所示。
圖1-21 葉輪
敞開式和半閉式葉輪由于流道不易堵塞，適用于輸送含有固體顆粒的液體懸浮液（如砂漿泵、雜質泵）。但敞開式由于沒有蓋板，液體易從泵殼和葉片的高壓區側通過間隙流回低壓區和葉輪進口處，即產生回泄，故其效率較低。閉式或半閉式葉輪由于離開葉輪的高壓液體可進入葉輪后蓋板與泵體間的空隙處，使蓋板后側也受到較高壓力作用，而葉輪前蓋板的吸入口附近為低壓，故液體作用于葉輪前后兩側的壓力不等，會使葉輪推向吸入側與泵體接觸而產生摩擦，嚴重時會引起泵的震動與運轉不正常。為減小軸向推力，可在葉輪后蓋板上鉆一些小孔（稱為平衡孔），使一部分高壓液體漏向低壓區，以減小葉輪兩側的壓力差，但泵的效率也會有所降低。
按吸液方式，葉輪可分為單吸式和雙吸式。單吸式葉輪結構簡單，液體只能從葉輪一側被吸入；雙吸式葉輪可同時從葉輪兩側對稱地吸入液體，不僅具有較大的吸液能力，也可消除軸向推力。
2.泵殼
泵殼內有一個截面逐漸擴大的蝸殼形狀的通道。泵內的流體從葉輪邊緣高速流出后在泵殼內作慣性運動，越接近出口，流道截面積越大，流速逐漸降低，根據機械能守恒原理，減少的動能轉化為靜壓能，從而使液體獲得高壓，并因流速的減小降低了流動能量損失。所以泵殼不僅是一個匯集由葉輪流出的液體的部件，而且也是一個能量轉換構件。
在葉輪與泵殼之間有時還裝有一個固定不動并帶有葉片的圓盤，這個圓盤稱為導輪，由于導輪具有很多逐漸轉向的流道，使高速液體流過時，均勻而緩和地將動能轉變為靜壓能，減少能量損失。
3.軸封裝置
泵軸與泵殼之間的密封稱為軸封，其作用是防止高壓液體從泵殼內沿軸而外漏，或者空氣以相反方向漏入泵內低壓區。常見軸封裝置有填料密封和機械密封兩種。填料密封的結構簡單，加工方便，但功率損耗較大，且沿軸仍會有一定量的泄漏，需要定期更換維修。對于輸送易燃、易爆或有毒、有腐蝕性的液體時，軸封要求嚴格，一般采用機械密封裝置，其密封性能好，結構緊湊，使用壽命長，功率消耗少，應用廣泛。但其加工精度要求高，安裝技術要求嚴，價格較高，維修比較麻煩。
二、離心泵的工作原理
在泵啟動前，先用被輸送的液體把泵灌滿（稱為灌泵）。啟動后，泵軸帶動葉輪高速旋轉，充滿葉片之間的液體也跟著旋轉，在離心力作用下，液體從葉輪中心被拋向葉輪邊緣，使液體靜壓能、動能均提高。
液體從葉輪外緣進入泵殼后，由于泵殼中流道逐步加寬，液體流速變慢，又將部分動能轉化為靜壓能，至泵出口處液體的壓強進一步提高，于是液體以較高的壓強從泵的排出口進入排出管路，輸送到所需場所。
當泵內液體從葉輪中心被拋向外緣時，在中心處形成低壓區，由于貯槽液面上方的壓強大于吸入口處的壓強，在壓強差的作用下，液體便經吸入管路連續地被吸入泵內，以補充被排出的液體。
離心泵啟動時，如果泵殼與吸入管路沒有充滿液體，則泵殼內存有空氣，由于空氣的密度遠小于液體的密度，產生的離心力小，葉輪旋轉時從葉輪中心甩出的液體少，因而葉輪中心處所形成的低壓不足以將貯槽內的液體吸入泵內，此時雖啟動離心泵也不能輸送液體，此種現象稱為氣縛。
知識點二 離心泵的特性曲線
一、離心泵的主要性能參數
離心泵的主要性能參數包括流量、揚程、軸功率、效率等參數，掌握這些參數的含義及其相互關系，對正確地選擇和使用離心泵有重要意義。為便于人們了解，制造廠在每臺泵上都附有一塊銘牌，所列出的各種參數值，都是以20℃的清水為介質、在一定轉速下測定的且效率為最高條件下的參數。當使用條件與實驗條件不同時，某些參數需進行必要的修正。
1.流量Q
流量是指泵在單位時間里排出液體的體積流量，又稱泵的送液能力，單位m3/s或m3/h。流量的大小取決于泵的結構（如單吸或雙吸等）、尺寸（主要是葉輪的直徑D和寬度B）、轉速n及密封裝置的可靠程度等。
2.揚程H
揚程是指泵對單位重量流體所提供的有效機械能量，單位J/N或m。揚程的大小取決于泵的結構（如葉輪的直徑D、葉片的彎曲情況等）、轉速n和流量Q。對于一定的泵而言，在轉速一定和正常工作范圍內，流量越大，揚程越小。
泵的揚程與管路無關，目前只能用實驗測定得到。離心泵的揚程與伯努利方程中的外加壓頭是有區別的，外加壓頭是系統在流量一定的條件下對輸送設備提出的做功能力要求，而揚程是輸送設備在流量一定的條件下對流體的實際做功能力。
在泵的吸入口和壓出口之間列伯努利方程（所選的兩截面很接近泵體）后整理可得：
（1-20）
3.軸功率N
軸功率是泵軸所需的功率。當泵直接由電機帶動時，即為電動機傳給泵軸的功率，單位J/s或W。
有效功率Ne是輸送到管道的液體從葉輪處獲得的功率。由于有能量損失，所以泵的軸功率大于有效功率，即
Ne=QHρg （1-21）
式中 Q——泵的流量，m3/s；
H——泵的揚程，m；
ρ——被送液體的密度，kg/m3 ；
g——重力加速度，m/s2。
由于泵在啟動中會出現電機啟動電流增大的情況，因此制造廠用來配套的電動機功率Nd往往是按軸功率N的1.1～1.2倍計算的。但由于電動機的功率是標準化的，因此實際電機的功率往往比計算的要大得多。
4.效率η
在離心泵運轉過程中有一部分高壓液體流回到泵的入口，甚至漏到泵外，必然要消耗一部分能量。液體流經葉輪和泵殼時，流體流動方向和速度的變化以及流體間的相互撞擊等，也要消耗一部分能量；此外，泵軸與軸承和軸封之間的機械摩擦等還要消耗一部分能量。因此，要求泵軸所提供的軸功率N必須大于有效功率Ne，換句話說，軸功率不可能全部傳給流體而成為流體的有效功率。工程上通常用總效率η反映能量損失的程度，即
（1-22）
離心泵效率的高低與泵的大小、類型以及加工的狀況、流量等有關，一般小型泵為50%～70%，大泵可達90%左右。每一種泵的具體數據由實驗測定。
二、離心泵的特性曲線
1.特性曲線
離心泵是最常見的液體輸送設備。在一定的型號和轉速下，離心泵的揚程H、軸功率N及效率η均隨流量Q的變化而改變。通常通過實驗測出H-Q、N-Q及η-Q關系，并用曲線表示，稱為特性曲線，如圖1-22所示，它是確定泵的適宜操作條件和選用泵的重要依據。不同形式的離心泵，特性曲線不同，對于同一泵，當葉輪直徑和轉速不同時，性能曲線也是不同的，故特性曲線圖左上角通常注明泵的形式和轉速。盡管不同泵的特性曲線不同，但它們具有以下的共同規律：
圖1-22 離心泵特性曲線
（1）H-Q曲線 因流體流動速度增大，系統中的能量損失加大，所以流量越大，揚程越小。
（2）N-Q曲線 流量越大，泵所需功率越大。當Q=0時，所需功率最小。因此，離心泵啟動時應將出口閥關閉，使電機功率最小，待完全啟動后再逐漸打開閥門，這樣可避免因啟動功率過大而燒壞電機。
（3）η-Q曲線 該曲線表明泵的效率開始隨流量增大而升高，達到最高之后，則隨流量的增大而降低。泵在最高效率相對應的流量及揚程下工作最為經濟，所以與最高效率點對應的Q、H、N值稱為最佳工況參數。但實際生產條件下，離心泵往往不可能正好在最佳工況下運轉，只能規定一個工作范圍，稱為泵的最佳工況區，通常為最高效率的92%左右。
2.離心泵的工作點
對于給定的管路系統，通過運用伯努利方程和阻力計算式，可得：
（1-23）
上式中只有兩項與速度有關，進而與流量有關，將流量方程式代入可得：
圖1-23 離心泵的工作點
（1-24）
式（1-24）表明，對于給定的輸送系統，輸送任務Qe與完成任務需要的外加壓頭He之間存在特定關系，稱為管路特性方程，它所描述的曲線稱為管路特性曲線。
如果把泵的特性曲線H-Q和管路特性曲線He-Qe描繪在同一坐標系中，如圖1-23所示，可看出兩條曲線相交于一點，泵在該點狀態下工作時，可以滿足管路系統的需要，因此該點被稱為離心泵的工作點。
3.離心泵的流量調節
在實際生產中，當工作點流量和壓頭不符合生產任務要求時，必須進行工作點調節。顯然，改變管路特性和改變泵的特性都能達到改變工作點的目的。
（1）改變管路特性 在實際操作中改變離心泵出口管路上的流量調節閥門開度就可改變管路中的局部阻力，進而改變泵的流量。此法方便靈活、應用廣泛，對于流量調節幅度不大且需要經常調節的系統是較為適宜的。其缺點是當用關小閥門開度來減小流量時，增加了管路中的機械能損失，并有可能使工作點移至低效率區，也會使電機的效率降低。
（2）改變泵的特性 對同一離心泵改變其轉速或葉輪直徑可使泵的特性曲線發生變化，從而使其與管路特性曲線的交點移動。此法不會額外增加管路阻力，并在一定范圍內仍可使泵處于高效率區工作。一般來說，改變葉輪直徑顯然不如改變轉速簡便，且當葉輪直徑變小時，泵和電機的效率也會降低，可調節幅度也有限，所以常用改變轉速來調節流量。
三、影響離心泵性能的主要因素
1.液體性質的影響
（1）密度的影響 離心泵的揚程、流量、機械效率均與液體的密度無關，但泵的軸功率與輸送液體的密度有關，隨液體密度而改變，所以當輸送液體的密度與水不同時，需要重新計算。
（2）黏度的影響 若被輸送液體的黏度大于常溫下清水的黏度，則泵體內部液體的能量損失增大，因此泵的揚程、流量都要減小，效率下降，而軸功率增加。
2.轉速的影響
離心泵的特性曲線是在一定轉速下測定的，但在實際使用時常遇到要改變轉速的情況，此時泵的揚程、流量、效率和軸功率也隨之改變。當液體的黏度與實驗流體的黏度相差不大，且泵的機械效率可視為不變時，不同轉速下泵的流量、揚程、軸功率與轉速的近似關系為：
（1-25）
式中，Q1、H1、N1及Q2、H2、N2分別為轉速為n1、n2時泵的性能參數。
3.葉輪直徑的影響
當泵的轉速一定時，其揚程、流量與葉輪之間有關，近似關系為：
（1-26）
式中，Q1、H1、N1及Q2、H2、N2分別為葉輪直徑為D1、D2時泵的性能參數。
知識點三 離心泵的選用
一、離心泵的類型
由于化工生產中被輸送液體的性質、壓力、流量等差異很大，為了適應各種不同生產要求，離心泵的類型是多樣的。按液體的性質可分為水泵、耐腐蝕泵、油泵、雜質泵等；按葉輪吸入方式可分為單吸泵與雙吸泵；按葉輪數目又可分為單級泵與多級泵。各種類型的離心泵按照其結構特點各自成為一個系列，并以一個或幾個漢語拼音字母作為系列代號，在每一系列中，由于有各種不同的規格，因而附以不同的字母和數字來區別。
1.水泵
凡是輸送清水以及物理、化學性質類似于水的清潔液體，都可以用水泵。
IS型（原B型）水泵為單級單吸懸臂式離心水泵的代號，應用最為廣泛，其結構如圖1-24所示。它只有一個葉輪，從泵的一側吸液，葉輪裝在伸出軸承的軸端處，具有結構可靠、震動小、噪聲小等顯著特點。IS型泵的型號以字母加數字所組成的代號等表示。例如IS50-32-200型泵，IS表示單級單吸離心泵的形式；50代表吸入口徑，mm；32代表排出口徑，mm；200為葉輪的直徑，mm。
若所要求的揚程較高而流量并不太大時，可采用多級泵，如圖1-25所示。在一根軸上串聯多個葉輪，從一個葉輪流出的液體通過泵殼內的導輪，引導液體改變流向，同時將一部分動能轉變為靜壓能，然后進入下一個葉輪入口，因液體從幾個葉輪中多次接受能量，故可達到較高的揚程。國產的多級泵系列代號為D，稱為D型離心泵，一般自2級到9級，最多可到12級。D型離心泵的型號表示方法以D12-25×3型泵為例：D表示多級離心泵型號；12表示公稱流量（最高效率時流量的整數值），m3/h；25表示該泵在效率最高時的單級揚程，m；3表示級數，即該泵在效率最高時的總揚程為75m。
若輸送液體的流量較大而所需的揚程并不高時，則可采用雙吸泵。雙吸泵的葉輪有兩個入口，如圖1-26所示。由于雙吸泵葉輪的厚度與直徑之比加大，且有兩個吸入口，故輸液量較大。我國生產的雙吸離心泵系列代號為Sh。Sh型泵的編制以100Sh90型泵為例，100表示吸入口的直徑，mm；Sh表示泵的類型為雙吸式離心泵；90表示最高效率時的揚程，m。
圖1-24 IS型離心泵
圖1-25 多級離心泵
圖1-26 雙吸式離心泵
2.耐腐蝕泵（F型）
當輸送酸、堿等腐蝕性液體時應采用耐腐蝕泵，其主要特點是和液體接觸的部件用耐腐蝕材料制成。各種材料制造的耐腐蝕泵在結構上基本相同，因此都用F作為耐腐蝕泵的系列代號。在F后面再加一個字母表示材料代號，以作區別，代號如表1-9所示。
表1-9 不同材料耐腐蝕泵的代號
耐腐蝕泵的另一個特點是密封要求高。由于填料本身被腐蝕的問題也難徹底解決，所以F型泵根據需要采用機械密封裝置。
F型泵的型號表示方法以25FB-16A型泵為例：25表示吸入口的直徑，mm；F代表耐腐蝕泵；B代表所用材料為1Cr18Ni9的不銹鋼；16代表泵在最高效率時的揚程，m；A為葉輪切割序號，表示該泵裝配的是比標準直徑小一號的葉輪。
3.油泵（Y型）
輸送石油產品等低沸點料液的泵稱為油泵。油品的特點是易燃、易爆，因此對油泵的基本要求是密封好。當輸送200℃以上的熱油時，還要求對軸封裝置和軸承等進行良好的冷卻，故這些部件常裝有冷卻水夾套。國產的油泵系列代號為Y，型號的表示方法以50Y-60A型泵為例：50表示泵的吸入口直徑為50mm；Y表示離心式油泵；60表示揚程，m；A為葉輪切割序號。
4.雜質泵（P型）
輸送懸浮液及稠厚的漿液等常用雜質泵。系列代號為P，又細分為污水泵PW、砂泵PS、泥漿泵PN等。對這類泵的要求是：不易被雜質堵塞、耐磨、容易拆洗，所以它的特點是葉輪流道寬，葉片數目少，常采用半閉式或敞開式葉輪，有些泵殼內襯以耐磨的鑄鋼護板。
二、離心泵的選用
離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進行：
（1）確定輸送系統的流量與揚程 液體的輸送量一般為生產任務所規定，如果流量在一定范圍內變動，選泵時應按最大流量考慮。根據輸送系統管路的安排，用伯努利方程式計算在最大流量下管路所需的揚程。
（2）選擇泵的類型與型號 根據被輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型。按已確定的流量Qe和壓頭He從泵樣本或產品目錄中選出合適的型號。選出的泵所能提供的流量Q和壓頭H要考慮到操作條件的變化和備有一定的余量，應略大于管路所要求的流量Qe和壓頭He，但在該條件下泵的效率應處在泵的最高效率范圍內。泵的型號選出后，應列出該泵的各種性能參數。
（3）核算泵的軸功率 若輸送液體的密度大于水的密度時，需要核算泵的軸功率，以指導合理選用電機。
【自測練習】
一、問題思考
1.離心泵的氣縛現象是怎么產生的？為防止氣縛現象發生應采取什么措施？
2.離心泵的泵體是蝸殼形的，其作用是什么？
3.離心泵的銘牌上有哪些參數？是在什么條件下得到的？
4.離心泵的工作點是怎樣確定的？改變工作點的方法有哪些？是如何改變工作點的？
5.離心泵有哪幾種調節流量的方法？
6.試說明以下幾種泵的規格和各組字符的含義：
IS50-32-125 D12-25×3 120Sh80 65Y-60A 100F-92A
二、工藝計算
1.某離心泵在轉速為1450r/min下測得流量為65m3/h、揚程為30m。若將轉速調至1200r/min，試估算此時泵的流量和揚程。
2.用內徑為100mm的鋼管將河水送至一蓄水池中，要求輸送量為30m3/h。水由池底部進入，池中水面高出河面20m。管路的總長度為60m（包括所有局部阻力的當量長度），設摩擦系數λ為0.035。今庫房有以下四臺離心泵，性能如下表。試從中選用一臺合適的泵。
工藝計算題2附表
