1.7　離心泵

1.7.1　離心泵工作原理

輸送流體所需的能量　圖1-43所示為一帶泵管路。為將流體從低能位1處向高能位2處輸送，單位重量流體需補(bǔ)加的能量為H，則

整理可得

　　（1-86）

式中

為管路兩端單位重量流體的勢能差，它包括了位能差和壓強(qiáng)能差。

通常情況下（如圖1-43所示），式（1-86）中的動能差一項可以略去，阻力損失∑H_f的數(shù)值與管路條件及流速大小有關(guān)

　　（1-87）

或

　　（1-88）

式中， 系數(shù)K為

其數(shù)值由管路特性決定。當(dāng)管內(nèi)流動已進(jìn)入阻力平方區(qū)，系數(shù)K是一個與管內(nèi)流量無關(guān)的常數(shù)。將式（1-88）代入式（1-86），有

　　（1-89）

式（1-89）稱為管路特性方程，它表明管路中流體的流量與所需補(bǔ)加能量的關(guān)系。管路特性方程可圖示表達(dá)成曲線，稱為管路特性曲線，如圖1-44所示。

由式（1-89）可知，需向流體提供的能量用于提高流體的勢能和克服管路的阻力損失；其中阻力損失項與被輸送的流量有關(guān)。顯然，低阻力管路系統(tǒng)的特性曲線較為平坦（曲線1），高阻管路的特性曲線較為陡峭（曲線2）。

流體輸送機(jī)械的主要技術(shù)指標(biāo)　壓頭和流量是流體輸送機(jī)械的主要技術(shù)指標(biāo)。輸送流體，必須達(dá)到規(guī)定的輸送量。為此，需補(bǔ)給單位重量輸送流體以足夠的能量，其數(shù)量應(yīng)與式（1-89）的H值相等。通常將輸送機(jī)械向單位重量流體提供的能量稱為該機(jī)械的壓頭或揚(yáng)程。

許多流體輸送機(jī)械在不同流量下其壓頭不同， 壓頭和流量的關(guān)系由輸送機(jī)械本身的特性決定。

離心泵的主要構(gòu)件——葉輪和蝸殼　離心泵的種類很多，但因工作原理相同，構(gòu)造大同小異，其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（見圖1-45）。葉輪是離心泵直接對液體做功的部件，其上有若干后彎葉片，一般為4～8片。離心泵在工作時，葉輪由電機(jī)驅(qū)動作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（1000～3000r/min），迫使葉片間的液體作近于等角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動。在葉輪中心處吸入低勢能、低動能的液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動過程中獲得能量，在葉輪外緣可獲得高勢能、高動能。液體進(jìn)入蝸殼后，由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)化為勢能，最后沿切向流入壓出管道（見圖1-46）。在液體受迫由葉輪中心流向外緣的同時，在葉輪中心形成低壓。液體在吸液口和葉輪中心處的勢能差的作用下源源不斷地吸入葉輪。

液體在葉片間的運(yùn)動　如圖1-47所示，當(dāng)離心泵輸送液體時，液體在葉輪內(nèi)部除以切向速度u隨葉輪旋轉(zhuǎn)外，還以相對速度w沿葉片之間的通道流動。液體在葉片之間任一點的絕對速度c等于該點的切向速度u和相對速度w的向量和。因此，液體在葉輪進(jìn)、出口處的絕對速度c₁和c₂應(yīng)滿足圖1-47所示的平行四邊形。

離心泵的理論壓頭　當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為n時，葉輪外緣的切向速度為u₂=2πr₂n。在理想流體、葉片無限薄、無限多等假定條件下，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到離心泵的理論壓頭為

　　（1-90）

式中，A₂=2πr₂b₂為葉輪出口處的流通面積；b₂為葉輪出口的寬度；β₂為葉輪出口處葉片的傾角。式（1-90）表示不同形狀的葉片在葉輪尺寸和轉(zhuǎn)速一定時，泵的理論壓頭和流量的關(guān)系。

根據(jù)葉片出口端傾角β₂ 的大小，葉片形狀可分為三種：徑向葉片（β₂=90°）；后彎葉片（β₂<90°）和前彎葉片（β₂>90°）。葉片形狀不同， 離心泵的理論壓頭H_T與流量q_V的關(guān)系也不同（見圖1-48）。后彎葉片的流體出口動能較小，在蝸殼中轉(zhuǎn)化成為勢能時的能量損失較小，能量利用率較高。因此，離心泵總是采用后彎葉片。

氣縛現(xiàn)象　理論壓頭的影響因素都已清楚地表示于式（1-90）中，式中并不含有液體密度這一重要性質(zhì)，表明理論壓頭與液體密度無關(guān)。這表明，無論輸送何種液體，同一臺泵所能提供的理論壓頭是相同的。但是，離心泵的壓頭是以被輸送流體的流體柱高度表示的。在同一壓頭下，泵進(jìn)、出口的壓差卻與流體的密度成正比。如果泵啟動時，泵體內(nèi)是空氣，而被輸送的是液體，則啟動后泵產(chǎn)生的壓頭雖為定值，但因空氣密度太小，造成的壓差或泵吸入口的真空度很小而不能將液體吸入泵內(nèi)。因此，離心泵啟動時須先使泵內(nèi)充滿液體，這一操作稱為灌泵。如果泵的位置處于吸入液面之下，液體可自動進(jìn)入泵內(nèi)，則毋須灌泵。

泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時吸入管路和泵的軸心處常處于負(fù)壓狀態(tài)，若管路及軸封密封不良，則因漏入空氣而使泵內(nèi)流體的平均密度下降。若平均密度下降嚴(yán)重，泵將無法吸上液體，此稱為“氣縛”現(xiàn)象。

1.7.2　離心泵特性曲線

泵的有效功率和效率　泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中由于存在各種機(jī)械能損失，使泵的實際（有效）壓頭和流量均較理論值為低，而輸入泵的功率較理論值為高。取H_e為泵的有效壓頭，即單位重量流體自泵處凈獲得的能量，m；q_V為泵的實際流量，m³/s；ρ為液體密度，kg/m³；P_e為泵的有效功率，即單位時間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W。

顯然

P_e=ρgq_VH_e　　（1-91）

由電機(jī)輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以P_a表示。定義有效功率與軸功率之比為泵的（總）效率η

　　（1-92）

離心泵內(nèi)的機(jī)械能損失主要有容積損失、水力損失和機(jī)械損失。容積損失是指葉輪出口處高壓液體因機(jī)械泄漏返回葉輪入口所造成的能量損失。

在圖1-49所示的三種葉輪中，敞式葉輪的容積損失較大，但在泵送含固體顆粒的懸浮體時，葉片通道不易堵塞。水力損失是由于實際流體在泵內(nèi)有限葉片作用下造成的各種摩擦阻力損失，包括液體與葉片、殼體的沖擊而產(chǎn)生旋渦，形成機(jī)械能損失。機(jī)械損失則包括旋轉(zhuǎn)葉輪盤面與液體間的摩擦以及軸承機(jī)械摩擦所造成的能量損失。

離心泵的特性曲線　離心泵的有效壓頭H_e（揚(yáng)程）、效率η、軸功率P_a均與輸液量q_V有關(guān)，其關(guān)系可用泵的特性曲線表示，其中尤以揚(yáng)程和流量的關(guān)系最為重要。圖1-50為離心泵的特性曲線。

離心泵的水力損失難以定量計算，因而泵的揚(yáng)程H_e與流量的關(guān)系只能通過實驗測定。離心泵出廠前均測定H_e～q_V、η～q_V、P_a～q_V三條曲線，列于產(chǎn)品樣本供用戶使用。

圖1-50中直線1為離心泵的理論壓頭，由圖可見，在額定流量q_VA下，壓頭損失最小，效率最高。

液體黏度對特性曲線的影響　泵制造廠所提供的特性曲線是用常溫清水進(jìn)行測定的， 若用于輸送黏度較大的實際工作介質(zhì)，特性曲線將有所變化。因此，選泵時應(yīng)先對原特性曲線進(jìn)行修正。

比例定律　同一臺離心泵在不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時其特性曲線不同。如轉(zhuǎn)速相差不大，轉(zhuǎn)速改變后的特性曲線可從已知的特性曲線近似地?fù)Q算求出，換算的條件是設(shè)轉(zhuǎn)速改變前后液體離開葉輪的速度三角形相似，則泵的效率相等。參見圖1-52，由速度三角形相似可得

　　（1-93）

式中，c_2r為葉片出口處液體絕對速度的徑向分速度，m/s。

式（1-93）是保持速度三角形相似的條件。當(dāng)調(diào)節(jié)離心泵的流量，使其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系滿足式（1-93）時，壓頭之比為

　　（1-94）

軸功率之比為

　　（1-95）

以上三式稱為比例定律。

據(jù)此可從某一轉(zhuǎn)速下的特性曲線換算出另一轉(zhuǎn)速下的特性曲線，但是僅以轉(zhuǎn)速變化±20%以內(nèi)為限。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化超出此范圍，則上述速度三角形相似、效率相等的假設(shè)將導(dǎo)致很大誤差，此時泵的特性曲線應(yīng)通過實驗重新測定。

1.7.3　離心泵工作點與流量調(diào)節(jié)

安裝在管路中的泵的輸液量即為管路的流量， 在該流量下泵提供的揚(yáng)程必等于管路所要求的壓頭。因此，離心泵的實際工作情況（流量、壓頭）是由泵特性和管路特性共同決定的。

離心泵的工作點　若管路內(nèi)的流動處于阻力平方區(qū)，管路中離心泵的工作點（揚(yáng)程和流量）必同時滿足：

管路特性方程

H=f（q_V）　　（1-96）

泵的特性方程

H_e=φ（q_V）　　（1-97）

聯(lián)立求解這兩個方程即得管路特性曲線和泵特性曲線的交點，見圖1-53。此交點為泵的工作點。

流量調(diào)節(jié)　如果工作點的流量大于或小于所需要的輸送量，應(yīng)設(shè)法改變工作點的位置， 即進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

最簡單的調(diào)節(jié)方法是在離心泵出口處的管路上安裝調(diào)節(jié)閥。 改變閥門的開度即改變管路阻力系數(shù)［（式（1-89）中的K值］可改變管路特性曲線的位置，使調(diào)節(jié)后管路特性曲線與泵特性曲線的交點移至適當(dāng)位置，滿足流量調(diào)節(jié)的要求。如圖1-53所示，關(guān)小閥門，管路特性曲線由a移至a'，工作點由1移至1'，流量由q_V減小為q'_V。

這種通過管路特性曲線的變化來改變工作點的調(diào)節(jié)方法，不僅增加了管路阻力損失（在閥門關(guān)小時），且使泵在低效率點工作，在經(jīng)濟(jì)上不合理。但用閥門調(diào)節(jié)流量的操作簡便、靈活， 故應(yīng)用很廣。當(dāng)調(diào)節(jié)幅度不大而常需改變流量時，此法尤為適用。

另一類調(diào)節(jié)方法是改變泵的特性曲線，如改變轉(zhuǎn)速（見圖1-54）、換不同直徑的葉輪。改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量不額外增加管路阻力，且在一定范圍內(nèi)可保持泵在高效率區(qū)工作，能量利用較為經(jīng)濟(jì)，但調(diào)節(jié)不方便，一般只有在調(diào)節(jié)幅度大、時間又長的季節(jié)性調(diào)節(jié)中才使用。

當(dāng)需較大幅度增加流量或壓頭時可用幾臺泵進(jìn)行組合操作。離心泵的組合方式原則上有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。下面以兩臺特性相同的泵為例，討論離心泵組合后的特性。

并聯(lián)泵的合成特性曲線　設(shè)有兩臺型號相同的離心泵并聯(lián)工作（見圖1-55），且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和壓頭必相同。因此，在同樣的壓頭下，并聯(lián)泵的流量為單臺泵的兩倍。這樣，將單臺泵特性曲線1的橫坐標(biāo)加倍，縱坐標(biāo)保持不變，便可求得兩泵并聯(lián)后的合成特性曲線2。

并聯(lián)泵的流量q_V并和壓頭H_并由合成特性曲線與管路特性曲線的交點a決定，并聯(lián)泵的總效率與每臺泵的效率（ 圖中b點的單泵效率 ）相同。由圖可見，由于管路阻力損失的增加， 兩臺泵并聯(lián)的總輸送量q_V并必小于原單泵輸送量q_V（c點）的兩倍。

串聯(lián)泵的合成特性曲線　兩臺相同型號的泵串聯(lián)工作時，每臺泵的壓頭和流量也是相同的。因此，在同樣的流量下，串聯(lián)泵的壓頭為單臺泵的兩倍。將單臺泵的特性曲線1的縱坐標(biāo)加倍，橫坐標(biāo)保持不變，可求出兩泵串聯(lián)后的合成特性曲線2（見圖1-56）。

同理，串聯(lián)泵的總流量和總壓頭也是由工作點a所決定。由于串聯(lián)后的總輸液量q_V串即是組合中的單泵輸液量q_V（b點），故總效率也為q_V串時的單泵效率。

組合方式的選擇　如果管路兩端的勢能差大于單泵所能提供的最大揚(yáng)程，則必須采用串聯(lián)操作。許多情況下，小于單泵所能提供的最大揚(yáng)程，單泵可以輸液，只是流量達(dá)不到指定要求。此時可針對管路的特性選擇適當(dāng)?shù)慕M合方式，以增大流量。

由圖1-57可見，對于低阻輸送管路a，并聯(lián)組合輸送的流量大于串聯(lián)組合；而對于高阻輸送管路b，則串聯(lián)組合的流量大于并聯(lián)組合。對于壓頭也有類似的情況。因此，對于低阻輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)組合；對于高阻輸送管路，則適用串聯(lián)組合。

1.7.4　離心泵安裝高度

汽蝕現(xiàn)象　見圖1-58，在液面0-0與泵進(jìn)口截面1-1之間無外加機(jī)械能，液體借勢能差流動。隨著泵的安裝位置提高，葉輪進(jìn)口處的壓強(qiáng)可能降至被輸送液體的飽和蒸氣壓，引起液體部分汽化。

實際上，泵中壓強(qiáng)最低處位于葉輪內(nèi)緣葉片的背面（圖中K-K面）。泵的安裝高度至一定值，首先在該處發(fā)生汽化現(xiàn)象。含氣泡的液體進(jìn)入葉輪后，因壓強(qiáng)升高，氣泡立即凝聚。氣泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體以高速涌向氣泡中心，造成沖擊和振動。尤其當(dāng)氣泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時，眾多液體質(zhì)點猶如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片；另外氣泡中還可能帶有一些氧氣等對金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài)下長期運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致葉片的過早損壞。這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。

離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵體振動并發(fā)生噪聲，流量、揚(yáng)程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時甚至吸不上液體。為避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪入口處壓強(qiáng)高于液體的飽和蒸氣壓。

臨界汽蝕余量（NPSH）_c與必需汽蝕余量（NPSH）_r　在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，泵入口截面1-1的壓強(qiáng)p₁和葉輪入口截面K-K的壓強(qiáng)p_K密切相關(guān)，從截面1-1至K-K列機(jī)械能衡算式

　　（1-98）

由式（1-98）可見，在一定流量下，p₁降低，p_K也相應(yīng)地減小。當(dāng)泵內(nèi)剛發(fā)生汽蝕時，p_K等于被輸送液體的飽和蒸氣壓p_v，此時的p₁為最小值p_1，min。在此條件下，式（1-98）可寫為

或

　　（1-99）

式（1-99）表明，在泵內(nèi)剛發(fā)生汽蝕的臨界條件下，泵入口處液體的機(jī)械能比液體飽和蒸氣壓強(qiáng)能超出。此超出量稱為離心泵的臨界汽蝕余量，并以符號（NPSH）_c表示，即

　　（1-100）

為使泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，泵入口處的壓強(qiáng)p₁必須高于p_1，min，即實際汽蝕余量（亦稱裝置汽蝕余量）

　　（1-101）

必須大于臨界汽蝕余量（NPSH）_c一定的量。

不難看出，當(dāng)流量一定而且流動已進(jìn)入阻力平方區(qū)時，臨界汽蝕余量（NPSH）_c 只與泵的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。

臨界汽蝕余量作為泵的一個特性，須由泵制造廠通過實驗測定。式（1-100）是實驗測定（NPSH）_c的基礎(chǔ)。實驗時可設(shè)法在泵流量不變的條件下逐漸降低p₁ （例如關(guān)小吸入管路中的閥），當(dāng)泵內(nèi)剛好發(fā)生汽蝕（按有關(guān)規(guī)定，以泵的揚(yáng)程較正常值下降3%作為發(fā)生汽蝕的標(biāo)志） 時測取壓強(qiáng)p_1，min，然后由式（1-100）算出該流量下離心泵的臨界汽蝕余量（NPSH）_c。

為確保離心泵工作正常，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將所測定的（NPSH）_c加上一定的安全量作為必需汽蝕余量（NPSH）_r，并列入泵產(chǎn)品樣本。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定實際汽蝕余量NPSH要比（NPSH）_r 大0.5m以上。

最大允許安裝高度［H_g］　在一定流量下，泵的安裝位置越高，泵的入口處壓強(qiáng)p₁越低， 葉輪入口處的壓強(qiáng)p_K也越低。當(dāng)泵的安裝位置達(dá)到某一極限高度時，則p₁ =p_1，min， p_K=p_v， 汽蝕現(xiàn)象遂將發(fā)生。從吸入液面0-0和葉輪入口截面K-K之間（見圖1-58）列機(jī)械能衡算式， 可求得最大安裝高度

　　（1-102）

在一定流量下，上式中的∑H_f（0-1）可根據(jù)吸入管的具體情況求出。實際使用（NPSH）_r +0.5代替（NPSH）_c，相應(yīng)可得最大允許安裝高度［H_g］，即

　　（1-103）

式中，（NPSH）_r即泵產(chǎn)品樣本提供的必需汽蝕余量。

必須指出，（NPSH）_r與流量有關(guān)，流量大時（NPSH）_r較大。因此在計算泵的最大允許安裝高度［H_g］時，必須使用可能達(dá)到的最大流量進(jìn)行計算。

1.7.5　離心泵類型與選用

離心泵的類型　離心泵的種類很多，我國原第一機(jī)械工業(yè)部匯編的泵樣本中列有各類離心泵的性能和規(guī)格。

化工生產(chǎn)中常用的離心泵有：清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管道泵和低溫用泵等。以下僅對幾種主要類型作簡要介紹。

（1）清水泵　清水泵是應(yīng)用最廣的離心泵，在化工生產(chǎn)中用來輸送各種工業(yè)用水以及物理化學(xué)性質(zhì)類似于水的其他液體。最普通的清水泵是單級單吸式，其系列代號為“IS”， 結(jié)構(gòu)如圖1-59所示。如果要求的壓頭較高，可采用多級離心泵，其系列代號為“D”，結(jié)構(gòu)示意于圖1-60。如要求的流量很大，可采用雙吸式離心泵，其系列代號為“Sh”。

（2）耐腐蝕泵　輸送酸堿和濃氨水等腐蝕性液體時，必須用耐腐蝕泵，耐腐蝕泵中所有與腐蝕性液體接觸的各種部件都需用耐腐蝕材料制造，其系列代號為“F”。

（3）油泵　輸送石油產(chǎn)品的泵稱為油泵。因油品易爆易燃，因此要求油泵必須有良好的密封性能。 輸送高溫油品（200℃以上）的熱油泵還應(yīng)具有良好的冷卻措施，其軸承和軸封裝置都帶有冷卻水夾套，運(yùn)轉(zhuǎn)時通冷水冷卻。油泵的系列代號為“AY”，雙吸式為“AYS”。

（4）液下泵　液下泵安裝在液體貯槽內(nèi)（見圖1-61），對軸封要求不高，適于輸送化工過程中各種腐蝕性液體，既節(jié)省了空間又改善了操作環(huán)境，無須灌泵。其缺點是效率不高。液下泵系列代號為“FY”。

（5）屏蔽泵　屏蔽泵是一種無泄漏泵，它的葉輪和電機(jī)聯(lián)為一個整體并密封在同一泵殼內(nèi)， 不需要軸封裝置，又稱無密封泵（見圖1-62）。在工業(yè)生產(chǎn)中屏蔽泵常用以輸送易燃、易爆以及具有放射性的液體。其缺點是效率較低。

離心泵的選用　離心泵的選用原則有兩條：

①根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型；

②根據(jù)具體管路對泵提出的流量和壓頭要求確定泵的型號。

在泵樣本中，各種類型的離心泵都附有系列特性曲線（又稱型譜圖），以便于泵的選用。圖1-63 為IS型離心泵系列特性曲線。此圖以H～q_V標(biāo)繪，圖中每一小塊面積，表示某型號離心泵的最佳（即效率較高的）工作范圍。利用此圖，根據(jù)管路要求的流量q_V和壓頭H，可方便地確定泵的具體型號。例如，當(dāng)輸送水時，要求H=45m，q_V=10m³/h，選用一清水泵。則可按圖1-63選用IS50-32-200離心泵。