| 【本節重點】 |
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（1）離心泵（bèng）的構造與工作原理；
（2）離心泵的特性曲（qǔ）線及主要影響因（yīn）素；離心泵的工作點；
（3）離心泵的選用（yòng）、安裝、操作和調節。 |
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【本節難點】 |
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離心泵的理論壓頭（tóu）推導。 |
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１ 離心泵的構造（zào）及工作原理 |
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離心泵結構簡單，操作容易，流量（liàng）易於調節，且（qiě）能適用於多種特殊性（xìng）質物料，因此在工業生產中普遍被采用。 （1）離心泵的（de）構造
①葉輪：作用是將能量傳給液（yè）體。按有無蓋板分為開（kāi）式、閉式和半開式；
②泵殼：作用是收集被葉輪拋出的液體，並將（jiāng）部分動能轉換成壓強（qiáng）能；
③泵軸：作用是將（jiāng）電機的輸出功傳給葉（yè）輪。
 
（2）離心泵的工作原理（lǐ）
①葉輪被泵軸帶動旋轉，對位於葉片間的流體做功，流體受離心（xīn）力的作用，由葉輪中心被拋向外圍（wéi）；
②泵殼（ké）匯集從各葉片間被拋出的液體，這些液體（tǐ）在殼內順著蝸（wō）殼（ké）形（xíng）通（tōng）道逐漸擴大的方向流動（dòng），使流體的部分動（dòng）能轉化為壓強能，以減小輸送過（guò）程中的（de）能量損（sǔn）失；
③葉輪高速旋轉，迫使葉輪中心的液體以很高的速度被拋開，從而在葉輪中（zhōng）心形成低壓，低位槽中的液（yè）體因此（cǐ）被源源不斷（duàn）地吸上。
“氣縛現象”：如果離心泵在啟動前殼內充滿（mǎn）的是氣（qì）體（tǐ），則啟動後葉輪中心氣體被拋時不（bú）能在該處形成（chéng）足夠大的真（zhēn）空度，這樣槽（cáo）內液體便（biàn）不能被吸（xī）上。這一現（xiàn）象（xiàng）稱為氣縛（fù）。為防止氣縛現象的發生，離心泵啟動前要用外來的液體將泵殼內空間灌（guàn）滿。這一步操作稱為灌泵。為防止灌入泵（bèng）殼內（nèi）的液（yè）體因（yīn）重力流入低位槽內，在泵吸入管路的入口處裝有止（zhǐ）逆閥（底閥）；如果泵的位置低於槽內液麵，則啟動時無需灌泵。
④泵（bèng）內液體（tǐ）能量轉換效率高葉輪（lún）外（wài）周安裝導輪，使。導輪是位於葉輪外周的固定的帶葉片的環。這（zhè）此葉片的彎曲方向與葉輪葉片的彎曲方向相反，其彎曲角度正好與（yǔ）液體從葉輪流出（chū）的方向相適應，引導液體在泵殼通道內平穩地改變（biàn）方向（xiàng），使（shǐ）能量損耗小，動壓能轉換為靜壓能的效（xiào）率高（gāo）。
⑤後蓋板上的（de）平衡孔消除軸向推力。離開葉輪周邊（biān）的液體（tǐ）壓力已經較高，有一部分（fèn）會滲到葉輪後蓋板後側，而葉輪前側液體入口（kǒu）處為低壓，因而產生了將葉輪推向泵入口一側的軸向（xiàng）推力。這容易引起葉輪與泵殼接觸處的磨損，嚴重時還會產生振動。平（píng）衡孔使一部分（fèn）高壓液體泄露到低壓區，減輕葉輪前後的壓力差。但由此也會此起泵效率的降低。 |
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２ 離心泵的理論壓頭 |
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（1）離心泵的理論壓（yā）頭
假（jiǎ）定（dìng）條件：①葉輪內葉片數目無限多，葉片的（de）厚度無限薄，無（wú）任何環流現象；
②液體為（wéi）粘度等於零的理想（xiǎng）流體，液體在流動中沒有阻（zǔ）力。
在葉輪的（de）進、出口截麵列機械能衡算式，從（cóng）而導出
離心泵理論壓頭為HT：
（2）流量對理論壓頭的影響
其中： ；
r2—葉輪外半徑；
ω—葉輪旋轉角速度（dù）；
qV—泵（bèng）的體積流量；
b2—葉片（piàn）寬度（dù）；
β—葉片裝置（zhì）角。
（3）葉片形狀對理論壓（yā）頭（tóu）的影響
當泵轉速n、葉輪直徑（jìng）D2、葉輪出口處葉片寬度b2、流量qV一定時（shí），HT隨葉片形狀β2而變。
①徑向葉片，β2=90，Ctgβ2=0，HT= 與qV無關（guān）；
②後彎（wān）葉片，
③前彎葉片，
討論：
①裝（zhuāng）置角β是（shì）葉（yè）片的一（yī）個重（chóng）要設（shè）計參數。當其值小於90度時稱為後彎葉片，此時液體流動能量損失小，所以一般都采用後（hòu）彎葉片；
②當采用後彎片時，Ctgβ為（wéi）正，理論壓頭（tóu）HT隨（suí）葉輪直徑、轉速及葉輪周邊寬度的增加而（ér）增加，隨流量的增加（jiā）呈線性規律下降；
③理論壓頭與流體的性質無（wú）關。 |
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３離心泵的特性曲線 |
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（1）離心泵的主要性能參數
離心泵的性能參數是（shì）用以描述一台離心泵的（de）一組（zǔ）物理量（liàng）。
①流（liú）量（qV）：以體（tǐ）積流（liú）量來表示的泵的輸液能力，與葉輪結構、尺寸和轉速有關。
②揚（yáng）程（H）：泵向（xiàng）單（dān）位重量流體提（tí）供的機械能。與流量、葉輪結構、尺寸和轉速有（yǒu）關。
③軸功率（Pa）：單位時間內由電機輸入離心泵的能量。有效功率(Pe)：離心（xīn）泵單位（wèi）時（shí）間內對流體做的功：Pe=qVHρg；
④效率（η）： ，由於以下三方麵的原因，電機傳給泵的能（néng）量不可（kě）能100%地（dì）傳給液體，（A）容積損失；（B）水力損失；（C）機械損失。
（2）離心泵的性能曲（qǔ）線
從前麵的討論（lùn）可以看出，對一（yī）台離心泵，在轉速固定 的情況下，其壓頭、軸（zhóu）功率和效率都與其流（liú）量有一一對應的關（guān）係（xì）。這些關係的圖形表示就稱為離（lí）心泵的性能曲線（xiàn），包括（kuò）qV-H曲線、qV-Pa曲線和qV-η曲線（xiàn）,這些關係一般都通過實驗來測定。
離心泵的特性曲線一般由離心泵的生產廠家提供，標繪於泵（bèng）產品說明書（shū）中，其測定條（tiáo）件一般是20℃清水，轉速（sù）也固定。典型的離心泵性能曲線如圖所示。
討論：
①從（cóng）qV-H曲線中可（kě）以看出，隨著流量的增加，壓頭是下降
的，即流量越大，泵向單位重量流體提供的機械（xiè）能越小。
②軸功率隨著流（liú）量的增加而上升，所以大流量輸送一定對應著大（dà）的配套電機。另外，這一規
律還提示我們，離心泵應在關閉（bì）出口閥的情況下啟動，這樣（yàng）可以使電機（jī）的啟動電流小。
③泵的效率先隨著流量的增加而上升，達到一大值後便下降，根據（jù）生產任（rèn）務選泵時，應（yīng）使
泵在高效率點（diǎn）附（fù）近工作，其範（fàn）圍內（nèi）的效（xiào）率一般不低於（yú）高效率點（diǎn）的92%。
④離心泵的銘牌上標有一組性能參數，它們都是與高效率點對應的性能（néng）參數。
（3）離心泵特性的影響（xiǎng）因素
①流體的性（xìng）質：
（A）液體的密度：H、qV、η均與密度無關；Pa和Pe隨密度的增（zēng）加而增加。
（B）液體的（de）粘度：μ增加，H、qV、η都下降，但Pa上升。
②轉速:
離心泵的轉速變化率<20%，效率不變時（shí），其H、qV和Pa都要發生變化：
 ；  ；  ——比例定（dìng）律
③葉（yè）輪直徑：
前已述（shù）及，葉輪尺寸對離心泵的性能也有影響。當（dāng）切割量（liàng）小於20%時：
 ——切割定律 |
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【例2-1】右圖為測定離心泵特性曲線的實驗裝置，實驗中已測出如下一組數據：泵進口處真空表（biǎo）讀數（shù）p1=2.67×104Pa(真空度)，泵出口處壓（yā）力（lì）表讀數p2=2.55×105Pa(表（biǎo）壓)，泵的流量qV=12.5×10-3m3/s，功率表測得軸功率（lǜ）為6.2kW， 吸入管直徑d1=80mm，壓（yā）出（chū）管直徑d2=60mm，兩（liǎng）測壓（yā）點間垂直距離Z2-Z1=0.5m，實驗介質（zhì）為20℃的清水，試計算在此流量下泵的揚程He、有效功率Pe和效率η。
解：（1）泵的揚（yáng）程：在真空表及壓（yā）力表所在截麵1-1與2-2間列柏努利（lì）方（fāng）程： 
式中:Z2－Z1=0.5m，p1=－2.67×104Pa（表壓）
p2=2.55×105Pa（表壓）
u1=
u2=
兩測（cè）壓口間的管路很短，其間阻力損失可忽略不（bú）計，故：
He=0.5+ =29.88（mH2O）
（2）有效軸功率： （W）
（3）泵的效（xiào）率：
在實（shí）驗中（zhōng），如果改變出口閥門（mén）的開度，測出不同（tóng）流量下（xià）的有關數據，計算出相應的H、N和η值，並將這些數據繪於坐（zuò）標紙上，即得該泵在固（gù）定轉速下的特性曲（qǔ）線。 |
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４離心泵的工作點與流量調節 |
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在泵葉輪轉速一定時（shí），一台泵在具（jù）體操作條件下所提供的液體流量（liàng）和壓頭可（kě）用qV-H曲線上的一點來表示。至（zhì）於這一點的具體位置，應視泵前後的管路情況而定，討論泵的工作（zuò）情況，不應脫離管路的具（jù）體情況。 |
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（1）離心（xīn）泵的工作點
 將泵的qV-H特性曲線與管路的qV-He特性曲線繪在同一（yī）坐標係（xì）中，兩（liǎng）曲線的交點（diǎn）稱為泵的工作點。
說明：
①泵的工作點由泵的特性和管路的特性共同決定，可通過聯立泵的特性方（fāng）程（chéng）和管路的特性方程（chéng）得到；
②安（ān）裝在管路中的（de）泵，其輸液量即為管路的流量；在該流量下泵提供的揚程也就是管路所需要的外加壓頭。因此，泵的工作點（diǎn）對應的泵壓頭（tóu）既是泵提供的，也是管路需要的；
③工作（zuò）點對應（yīng）的（de）各性能參數（qV、H、Pa和η）反（fǎn）映了一台泵的實際工作狀態。特性由泵本身的特性和管路的特性共同決定。
（2）離心（xīn）泵的流量調節
由於生產任（rèn）務的變化，管路需要的流量有時是需要改變的，這實際（jì）上就是要改變泵的工作點。由於泵的工作點由管路特性和泵的特性共同決定，因此改變泵的（de）特性和管路特性均能改變工作（zuò）點，從（cóng）而（ér）達到調節流量的（de）目的（de）。
①改變出口閥開度
出口閥開度（dù）與管路局部阻力有關，改變出口閥開度實（shí）際上是改變管路的（de）特性。
關（guān）小出口閥，局部阻力增大，曲線變陡，工作點由M變為M'，流量下降，泵所提供的壓（yā）頭上升；開大出口閥，局（jú）部阻力（lì）減小，曲線變緩，工作點由M變為M"，流（liú）量上升，泵所提供的（de）壓頭下降。此種調節方法雖不經濟，是人為（wéi）增加管路阻力來適應泵的特性，但由於其簡（jiǎn）單（dān）方便，在實（shí）際生產中（zhōng）被廣泛采用。
②改變（biàn）葉輪（lún）轉速
如圖所示，轉（zhuǎn）速增加，實際上是改變（biàn）泵的特性，流量和壓頭均（jun1）能增加。
這種調節方法合理、經濟，但曾被認為是操作不方（fāng）便，並且不能實現連續調（diào）節。但隨著的現代工業技術的發展，無級變速設備在工業（yè）中的應用克服了上述缺點。是該種調節方法能夠使泵在高效區（qū）工作，這對大型泵（bèng）的節能尤為重要。
③車削葉輪直徑：
這種調節方法（fǎ）實施起（qǐ）來不方便（biàn），且調節範圍有限（xiàn）。
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（3）離心泵的組合操作
在實際生產中（zhōng），有時需要幾台組合運行。組合方（fāng）式可以有串（chuàn）聯和並聯（lián）兩種方式。下麵的討論限於性能相同的泵的組合。泵的組合（hé）聯實際上是改變泵的特性。。
①泵的（de）串聯特性曲線
兩台完全相同的泵串聯（lián）前後特性曲線見右圖（請點擊（jī）泵的串聯）。
討論：
在管路特性不變的條件下，串聯泵與單台（tái）泵相比，工作點處揚程並未加倍，但流量卻有所增加。
關小出（chū）口閥（改變管路特性（xìng）），使流量與原先相同，則串聯泵的揚（yáng）程是原先單泵的2倍。
②泵的並聯特性（xìng）曲線
兩台完全（quán）相同的泵並（bìng）聯（lián）後特性曲線如右圖（tú）所（suǒ）示（請點擊泵的並聯）。
討論：
管路特性一定時（shí），采用兩台泵並聯組（zǔ）合，工作點處流量並未加倍，但壓頭卻有所（suǒ）增加。
開大出口閥（改（gǎi）變管路特性（xìng）），使壓頭與原先相（xiàng）同，則流量加倍。
③組合方式的選擇
單台不能完成輸送任務（wù）可以分為兩（liǎng）種情況：①揚程不夠，即： ；②揚程合格，但流量（liàng）不夠。對於情形①，必（bì）須采用串聯操作（zuò）；對於情形②，應根據管路的特性來決定采用何種（zhǒng）組合方式。如右圖所示（請點擊（jī）管阻），對於（yú）高（gāo）阻管路，串聯比並聯組合效果好；但對於低阻管路，則是並聯比串聯的效果好。 |
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５離心泵的安裝高度 |
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離心泵的安裝高度是指被輸送液體液麵到離心泵入口處的垂直距離，即右圖中的Hg。
（1）汽（qì）蝕現象
對如右圖所示的入口管線，在0-0（位能基準麵）和K-K間列柏努利方程（chéng），得（dé）：
在貯槽液麵上（shàng）方壓力p0一定的情況（kuàng）下，若增加泵的（de）安裝高度ZK(即（jí）Hg)，則（zé）葉輪中心K處的壓力pK必然下降。當ZK增（zēng）加到使pK下降至被輸送（sòng）液體在操作溫度下的飽（bǎo）和蒸汽壓時，則被輸送流體在葉輪中心處（chù）發生汽化，產生大量汽泡；汽泡在由葉片中心（xīn）向周邊運動時，由於壓力增加（jiā）而急（jí）劇凝結，產生局部真空（kōng），周圍液體以（yǐ）很高的流速衝向真空區（qū）域；當汽泡的冷凝發（fā）生在葉片表麵（miàn）附（fù）近時，眾多液滴尤如細小的高頻水錘撞擊葉片。此種現象稱作“汽蝕現象”。
離（lí）心泵在汽蝕狀態下工作時，泵體振動（dòng）並發出噪音；壓頭（tóu）、 流量大幅下降，嚴重時不（bú）能輸送液體（tǐ）；時間長久，在水錘衝擊和液（yè）體中（zhōng）微量溶解氧對金屬化學（xué）腐蝕的雙重作（zuò）用下，葉片（piàn）表麵出現斑痕和裂縫，甚至呈（chéng）海綿狀逐漸脫落（見右圖）。
通過以上討論可以看出，安裝高度過高（gāo）將會導致葉輪中心處的壓力（lì）過低，從而發生汽蝕。隻要泵的實際（jì）安裝高度低於允（yǔn）許安裝高度（dù），則操（cāo）作時就（jiù）可避免發生汽蝕現象。
（2）汽蝕餘量與允許安裝高度
①汽蝕餘量（NPSH）：
泵入口處（1-1截麵）的動壓頭與靜壓頭之和與以液柱高度表示的被輸送液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓之差稱作汽蝕餘量，即：
（NPSH）的（de）物理（lǐ）意義：（NPSH）越小，表明泵入口處的壓力p1或葉輪（lún）中心（xīn）處的壓力pK越低，離心泵（bèng）的操作狀態越接近汽蝕。
②必需汽（qì）蝕餘量（NPSH）r：
為避免（miǎn）發生汽蝕現象，離心泵入口處壓力不能過低，而應有一低允許值p1r，此時所對應的汽（qì）蝕餘量稱為必需汽蝕餘（yú）量，以（yǐ）（NPSH）r表示。（NPSH）r一般由泵製造（zào）廠（chǎng）通（tōng）過汽蝕實驗測定，並作為離心泵的性能列於泵產品樣本中（見教材附錄（lù）八）。泵正常操作時，實際汽蝕餘量必須大於（NPSH）r，我國標準中規（guī）定應大於0.5m以上。
③由（NPSH）r計（jì）算泵的大允許安裝高度[Hg]
一台泵的必需汽蝕餘量（NPSH）r數值由泵的生（shēng）產廠家提供，供用戶計算泵的（de）大允許安裝高度[Hg]：
 （m）
離心泵的（de）實際安裝高度隻要低於大允許安裝高度[Hg]就不會（huì）發生（shēng）汽蝕。
（3）討論
①引起汽蝕現象的原因：a.離心泵的安裝（zhuāng）高度太高；b.被輸送（sòng）流體的溫度太高；c.吸入管路的阻力或壓頭損失太高。由此，一個原先操作正常（cháng）的泵也可能由於操作條件（jiàn）的（de）變化而產生汽蝕，如被輸送物料的溫度升高（gāo），或吸入管線部分堵塞。
②有（yǒu）時，計算出（chū）的允許安裝高度為負值，這說明該泵應該安裝在液體貯（zhù）槽（cáo）液麵以下。
③大允許安裝高度[Hg]的大（dà）小與泵的流（liú）量（liàng）有關。流量越（yuè）大，計算出的[Hg]越小,因此用可能（néng）使用的大流量來計算是必要的。
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【例2-2】如圖所（suǒ）示，用離心泵將循環冷卻水（shuǐ）由水池送入一敞口水（shuǐ）槽，水槽水麵比水（shuǐ）池水（shuǐ）麵高52m，要求的流量為90m3/h，輸送管路規格Φ159×4.5mm，管路總阻力損失為14m（包括所（suǒ）有局（jú）部阻力損失），水的密度ρ=1000kg/m3。現有一台IS100-65-250型離心泵，在高效（xiào）區其揚程與流量（liàng）的關係可近似地用（yòng）直線：He=124.5-0.392qV表示（式中qV的單位：m3/h），必（bì）須汽蝕餘量（NPSH）r=3.8m。 試求：
(1)管路需要的外加能量（J/N）?
(2)該泵是否滿足要求?
(3)工作點泵的軸功率（效率η=72%）Pa（W）?
(4)夏季水池水溫高35℃（pv=5.6 kPa），若（ruò）離心泵的吸入管段流動阻力與平均流速的關係為（wéi） (m)，則該泵可否（fǒu）於水池水麵之上3m處正常工作？
解（jiě）：(1)管路中單（dān）位重量流體需要的外加能量：
 （J/N）
(2)在要求（qiú）的流量下，泵所提供的揚程（chéng）：
 （m）
因為在規定流量下泵所提供的揚程大於管路要求的揚程，故該泵能滿足要求。
(3)有效（xiào）功率： ?(W)
故軸功率： (W)
(4)因為吸入管內平均流（liú）速： （m/s）
所以吸入管段阻力： （m）
大允許安裝高度（dù）
 （m）
因為泵的大安裝高度為3.9m，故該（gāi）泵可以安裝於水池液麵之上3m處。 |
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６離心泵（bèng）的類型與選（xuǎn）用 |
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（1）離心泵的類型：
①清水泵：適用於輸送清水或物性與水相近、無腐蝕性且雜質較少的液體。例如：IS型離心泵；
②耐腐蝕泵：用於輸送具有腐蝕性（xìng）的液體，接觸液體的（de）部（bù）件（jiàn）用耐腐蝕的材料製成，要求密封可（kě）靠；
③油泵：輸送石油產品的泵，要求有良好的密封性；
④雜質泵：輸送含固體顆粒的液體、稠厚的漿液，葉輪（lún）流道寬，葉片數少。 |
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此（cǐ）外，按吸入方式可分為單吸泵、雙吸泵；按葉輪個數可分為單級泵；多級泵等。
（2）離心泵的選用
①根據被輸送液體的性質確定泵的（de）類型；
②根（gēn）據生產任務定流量，所需壓頭由管路（lù）的特性方程定（dìng）；
③根據（jù）所需流（liú）量和壓頭（tóu）確定泵的型號：
－查（chá）性能表或特性曲線，要求流量和壓頭與管路所需相適應（或稍大一點）；
－若幾個型號都（dōu）滿足，應選一（yī）個在操作條（tiáo）件下效率高的（de）。 |
