第四章 離心泵3

離心泵的工作特性過程流體機械機械設備4.3離心泵的工作特性4.3.1離心泵的汽蝕及預防措施4.3.2離心泵的性能及調(diào)節(jié)4.3.3離心泵的啟動與運行4.3.4相似理論在泵中的應用4.3.1離心泵的汽蝕(1)離心泵汽蝕產(chǎn)生機理、危害(2)汽蝕余量與汽蝕判別式(3)吸上真空度(4)離心泵的允許幾何安裝高度(5)提高離心泵抗汽蝕性能的措施水的飽和蒸汽壓力溫度低時飽和蒸汽壓低溫度對應飽和蒸汽壓力溫度對應飽和蒸汽壓力沸騰水20oC0,0238bar沸騰水100oC1,0bar溫度高時飽和蒸汽壓高(1)產(chǎn)生汽蝕的機理及危害飽和蒸汽壓（汽化壓力）如水，水開始沸騰，有蒸汽泡出現(xiàn)（開始汽化），此時溫度不變叫飽和溫度；此時的水叫飽和水；此時的蒸汽叫飽和蒸汽；此時的壓力叫飽和蒸汽壓力。

不同水溫的汽化壓頭Pv水溫（℃）

020406080100飽和蒸汽壓（kPa）Pv0.592.357.3619.8247.28101.34汽化壓頭

（m）

0.060.240.752.024.8210.33Δp=pA-pk

離心泵汽蝕的產(chǎn)生泵的吸入：pA一定：pk↓→Δp↑→吸入能力增強pk↓≤pv→冷沸現(xiàn)象：液體汽化；p↑≥pv→汽泡潰滅：高頻、高強沖擊溶解氣析出，形成大量氣泡高壓：達30~40MPa高頻：達(2~3)×105Hz電化學腐蝕：氧等活潑氣體作用

機械剝離：高頻、高強水擊汽蝕現(xiàn)象：汽泡形成、發(fā)展和破裂以及材料受到破壞的全過程。液體汽化、凝結、沖擊，形成高壓、高溫、高頻沖擊載荷，造成金屬材料的機械剝裂與電化學腐蝕破壞的綜合現(xiàn)象叫氣蝕。氣蝕時的性能曲線汽泡形成和發(fā)展的影響因素：

飽和蒸汽壓：pv

液流的速度：v

液體的密度：ρ

液體粘滯性：μ

氣體溶解量：q汽蝕的危害汽蝕是水力機械所特有的現(xiàn)象，它帶來許多嚴重后果。

葉輪由于汽蝕而破壞汽蝕的危害氣蝕的嚴重后果使過流部件剝蝕破壞，起初出現(xiàn)麻點，繼而表面呈現(xiàn)槽溝狀、蜂窩狀、魚鱗狀的裂痕，嚴重時造成葉片或葉輪前后蓋板穿孔，甚至葉輪斷裂，造成嚴重事故；氣蝕使泵的性能下降；氣蝕使泵產(chǎn)生噪音和振動，是水力機械向高流速發(fā)展的巨大障礙。(2)汽蝕余量與汽蝕判別式汽蝕基本條件：pk≤pv問題的關鍵：pk的影響因素不發(fā)生汽蝕的前提：pk>pv必須pk>pv要避免汽蝕：ps-pv=富裕能頭首先應有：而且：ps>pvNPSH(Δh)汽蝕余量Δh汽蝕余量凈正吸上水頭NPSHNetPositiveSuctionHead有效汽蝕余量Δha必須汽蝕余量Δhr有效汽蝕余量液體在吸入法蘭處截面上所具有的推動和加速液體進入葉道時高出汽化壓力的能頭。

能頭—m液柱；壓力—Pa；速度—m/s顯然：Δha越大，越不容易發(fā)生汽蝕。由伯努利方程：A—A截面s—s截面安裝高度：注意定義，有可能是負值有效汽蝕余量有效汽蝕余量吸入液罐液面壓力能頭位差流動損失汽蝕余量大小與泵吸入裝置的參數(shù)（Hgl、pA、hA-s、介質(zhì)、溫度等）有關，與泵本身無關，故稱“泵裝置有效汽蝕余量”

泵必須的汽蝕余量液流從入口（S截面）到泵內(nèi)壓力最低點（K截面）的全部能頭損失。為絕對流速及流動損失引起的壓降能頭系數(shù)為液體繞流葉片的壓降能頭系數(shù)結果：分析：⑴Δhr是液流到達泵吸入口后、未從葉輪獲得能量之前，因流動損失（過流面積變化、相對運動）所引起的壓力能頭降低的數(shù)值；⑵Δhr由離心泵的結構參數(shù)、轉(zhuǎn)速和流量決定，與吸入管路系統(tǒng)無關。汽蝕判別式則汽蝕判別式為：比較兩汽蝕余量的定義：泵吸入裝置的有效汽蝕余量，愈大愈不發(fā)生汽蝕。泵本身所必須的汽蝕余量，愈小愈不容易發(fā)生汽蝕。富余能頭所需能頭當pk=pvΔha=Δhrpk>pvΔha>Δhrpk<pvΔha<Δhr發(fā)生汽蝕臨界值不發(fā)生汽蝕嚴重汽蝕重點則允許汽蝕余量[ΔhC](3)吸上真空度定義：吸入罐液面上大氣壓力能頭與泵入口壓力能頭的差。Hs↑，ps↓

，Δha↓為保證泵不發(fā)生汽蝕，一般取“允許吸上真空度”[Hs]作為泵的汽蝕特性參數(shù)。安全裕量=0.3~0.5離心泵的基本性能參數(shù)一般都標注在泵的銘牌上。

例：

離心式清水泵

型號12SH—28A轉(zhuǎn)速1450r/min

揚程10米效率78%

流量684m3/h軸功率28KW

允許吸上真空高度4.5米重量66Kg[Hs]’的計算1.通常泵樣本上的[Hs]值，是在標準大氣壓下，抽送20℃清水時測得的。2.如果泵的運行條件（如大氣壓、密度、介質(zhì)等）與上述條件不同，則不能直接采用樣本上提供的[Hs]3.而應將其換算成現(xiàn)場條件下的[Hs]’，然后用來計算其他參數(shù)。4.換算關系如下……5.[Hs]’—換算后的允許吸上真空度；

pa’—當?shù)卮髿鈮和ǔ１脴颖旧系腫Hs]值，是在標準大氣壓下，抽送20℃清水時測得的。式中

:[H]S’—操作條件下輸送液體時的允許吸上真空度，m液柱;Hs—水泵性能表上查得的數(shù)值，mH20；Pa’—泵安裝地區(qū)的大氣壓強，mH20，其值隨海拔高度不同而異，可查資料；pv’－操作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa；10－實驗條件下大氣壓強，mH20；0.24－20℃下水的飽和蒸氣壓，mH20；1000－實驗溫度下水的密度，kg／m3；—操作溫度下液體的密度，kg／m3。(4)離心泵的允許幾何安裝高度整理整理(5)提高離心泵抗汽蝕性能的措施a.改進泵進口的結構參數(shù)，降低Δhr。1.泵本身因素2.吸入裝置特性兩個方面：提高Δha、降低Δhr。b.采用抗汽蝕材料，提高泵的壽命?？紤]管路尺寸、安裝高度等以提高Δha

。Δha>Δhr1.提高泵本身抗汽蝕性能，降低Δhr⑴適當加大入口直徑D0、b1，降低λ1、λ2

、c0

、和w1。⑵采用雙吸式葉輪，降低c0。雙吸葉輪每側(cè)流量為1/2⑶采用合理的葉片進口位置及前蓋板形狀，葉片向進口延伸。⑷采用誘導葉輪：在葉輪前裝一個軸流式螺旋型葉輪，誘導輪對液流作功增加能頭，提高了泵的吸入性能。(5)采用超汽蝕葉型的誘導輪。加裝誘導輪2.提高吸入裝置的有效汽蝕余量⑴↑pA⑵↓Hgl⑶↓hA-s⑷↓pv3）運行中可才采取的措施根據(jù)汽蝕相似定律知，必需汽蝕余量(NPSH)r與轉(zhuǎn)速的平方成正比。因此，泵在運行中，轉(zhuǎn)速不應高于規(guī)定轉(zhuǎn)速。泵在運行時，不要用吸入系統(tǒng)上的閥門調(diào)節(jié)流量，因為這樣會導致局部阻力增大，而降低(NPSH)a。在汽蝕不可避免的情況下，對葉輪或容易被汽蝕破壞的地方采用耐汽蝕的材料，以提高泵的使用壽命。脆性材料是最不耐汽蝕的，所以用鑄鐵作為泵流道的材料，一旦發(fā)生汽蝕就很快損壞；較細密和具有韌性的材料，如青銅、不銹鋼等，抗汽蝕性能較好4）采用耐汽蝕材料4.3.2離心泵的性能與調(diào)節(jié)（1）泵的特性曲線（2）管道及裝置的特性曲線（3）泵在不穩(wěn)定工況下工作（4）離心泵的喘振現(xiàn)象（5）離心泵的串并聯(lián)（6）離心泵運行工況調(diào)節(jié)（1）離心泵的特性曲線離心泵的性能曲線H-Q曲線N-Q曲線效率-Q曲線NPSHr-Q曲線（1）離心泵的特性曲線離心泵的性能曲線是選擇和使用泵的主要依據(jù)，有“平坦”和“駝峰”狀之分，“駝峰”狀易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。離心泵的性能曲線是合理選擇原動機功率和操作起動泵的依據(jù)，按需流量變化范圍中的最大規(guī)律再加上一定的安全余量，選擇原動機功率。起動泵應關閉排出管路上的調(diào)節(jié)閥，可以減小啟動電流，保護電機（1）離心泵的特性曲線離心泵的性能曲線是檢查泵工作經(jīng)濟性的依據(jù)，盡可能在高效區(qū)工作。通常效率最高點為額定點，也是設計工況點。目前取最高效率以下5%-8%范圍內(nèi)所對應的工況為高效工作區(qū)（1）離心泵的特性曲線離心泵的性能曲線是檢查泵工作是否發(fā)生氣蝕的依據(jù)。通常是按最大流量下的NPSHr，考慮安全余量及吸入裝置的有關參數(shù)確定泵的安裝高度。（1）離心泵的特性曲線（2）管道及裝置特性曲線圖

離心泵的一般裝置示意圖由伯努利方程，管路所需能頭：Const、與Q無關沿程阻力損失+局部阻力損失靜特性：一、單根管路特性單根管路特性和工作點流道橫截面積管路特性系數(shù)，與管路長度、流道橫截面積、各種阻力系數(shù)有關。式（1-58）管路特性方程圖1-58管路特性二、裝置特性—工作點裝置：

泵和管路系統(tǒng)的總稱穩(wěn)定工作狀態(tài)質(zhì)量守恒：能量守恒：泵排出流量=管路中輸送流量泵提供揚程H=管路所需能頭h泵揚程性能曲線H—Q管路特性曲線h—Q+裝置特性（3）泵在不穩(wěn)定工況下工作K點：不穩(wěn)定；qv1:L1>H1,qv,離2點遠;L3<H3,qv，離2遠N點穩(wěn)定；a.不穩(wěn)定工作點的判別Hpipe為管網(wǎng)所需揚程。b.不穩(wěn)定工作示例穩(wěn)定不穩(wěn)定圖

裝置特性工作點⑴泵在M‘點工作時液體能頭不足v↓，Q↓穩(wěn)定工作點分析圖

裝置特性⑵泵在M”點工作時液體能頭富裕，V↑，Q↑工作點：流量平衡、能量平衡的唯一點1-72（4）

離心泵的喘振現(xiàn)象液面3—3時：Ⅲ與H-Q特性相切于O點；液面繼續(xù)上升：管路特性上移，Ⅲˊ高出H-Q特性，無交點，H任何情況下小于管路所需能頭。如圖泵特性H-Q罐中液面：1—12—23—3管路特性：ⅠⅡⅢ工作點：MNO流量：QMQNQoQ→0Q>Qa時Qa>Q時⑴液面下降，到達3—3液面，因Hp<h，Q=0，仍不能供流。⑵液面下降，到達2—2液面，因Hp=Hpot，泵工作，此時流量猛增到QN過程⑶Qa〈QN

，液面上升，重復以上過程。泵的喘振工況罐中液面：1—12—23—3管路特性：ⅠⅡⅢ工作點：MNO流量：QMQNQo發(fā)生喘振工況的兩個條件：H-Q性能曲線呈駝峰狀；管路裝置中設有能自由升降的液面或其他能儲存和釋放能量的部分。（5）離心泵的串并聯(lián)一、

并聯(lián)工作⑴相同性能泵的并聯(lián)泵并聯(lián)，同一H下的Q相加泵并聯(lián)，管路特性（h-Q）未變泵并聯(lián)前：單泵工作點在M1。泵并聯(lián)后：單泵工作點在A1。？泵并聯(lián)后：1.管路特性越平坦，并聯(lián)后QⅠ+Ⅱ愈接近2QM12.泵的特性愈陡峭，并聯(lián)后QⅠ+Ⅱ愈接近2QM1

兩泵并聯(lián)工作時，應選單泵性能曲線稍陡！并聯(lián)臺數(shù)過多并不經(jīng)濟！3.并聯(lián)后泵揚程大于單泵工作揚程。⑵不同性能泵的并聯(lián)泵并聯(lián)，同一H下的Q相加。泵并聯(lián)，管路特性（h-Q）未變一、并聯(lián)工作1.管路特性越平坦，并聯(lián)后QⅠ+Ⅱ愈接近QⅠ+QⅡ2.泵的特性愈陡峭，并聯(lián)后QⅠ+Ⅱ愈接近QⅠ+QⅡ

兩泵并聯(lián)工作時，應選單泵性能曲線稍陡！并聯(lián)臺數(shù)過多并不經(jīng)濟！3.并聯(lián)后泵揚程大于單泵工作揚程。一、并聯(lián)工作用于提高揚程，增加輸送距離、儲運減少泵站數(shù)量，提高H以增加Q。⑴相同性能泵的串聯(lián)⑵不同性能泵的串聯(lián)二、串聯(lián)工作⑴相同性能泵的串聯(lián)泵串聯(lián)，同一Q下的H相加。泵串聯(lián)，管路特性（h-Q）未變！泵工作點的確定：自M點作垂線，交單泵性能曲線于A1點。A1點即為單泵工作點。二、串聯(lián)工作特點：兩泵特性（H-Q）Ⅰ、Ⅱ串聯(lián)特性（H-Q）Ⅰ+Ⅱ管路特性（h-Q）單泵串聯(lián)前工況點：M1二、串聯(lián)工作注意若后一臺泵壓力高，應考慮后一臺泵的強度及密封問題。啟動停車順序：關閉兩泵出口閥，先起第一臺，開第一臺出口閥，再啟動第二臺，開第二臺出口閥；停車時……。④串聯(lián)相當于多級泵，多級泵在結構上比串聯(lián)更湊緊，應選用多級泵代替串聯(lián)工作。③管路特性陡降，串聯(lián)后增加的揚程多；泵特性平坦，串聯(lián)增加的揚程多。二、串聯(lián)工作圖

不同性能泵串聯(lián)工作⑵不同性能泵的串聯(lián)泵串聯(lián)，同一Q下的H相加。泵串聯(lián)，管路特性（h-Q）未變！泵工作點的確定：自M點作垂線，交單泵性能曲線于A1、A2點。A1、A2點即為單泵工作點。二、串聯(lián)工作特點：圖

不同性能泵串聯(lián)工作二、串聯(lián)工作工況調(diào)節(jié)：改變離心泵的工作點。一、改變管路特性泵性能曲線不變！改變管路局部損失→改變管路特性曲線斜率→交點（工作點）改變。⑵旁路調(diào)節(jié)⑴出口管路節(jié)流調(diào)節(jié)（6）離心泵的工況調(diào)節(jié)H—Q曲線與

h—Q曲線交點圖1-67出口節(jié)流調(diào)節(jié)圖1-68旁路調(diào)節(jié)一、改變管路特性⑶串聯(lián)、并聯(lián)改變泵特性曲線（前面所講）二、改變泵的性能⑴改變工作轉(zhuǎn)速n比例定律。特點⑵切割葉輪外徑D2切割定律。特點二、改變泵的性能4.3.3離心泵的啟動與運行啟動前的準備工作啟動前檢查潤滑油的名稱、型號、主要功能和加注數(shù)量是否符合技術文件規(guī)定的要求；軸承潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是否完好，軸承的油路、水路是否暢通；盤動泵的轉(zhuǎn)子1～2轉(zhuǎn)，檢查轉(zhuǎn)子是否有摩擦或卡住現(xiàn)象；在聯(lián)軸器附近或皮帶防護裝置處，是否有妨礙轉(zhuǎn)動的雜物；泵、軸承座、電動機的基礎地腳螺栓是否松動；泵工作系統(tǒng)的閥門或輔助裝置均應處于泵運轉(zhuǎn)時負荷最小的位置，應關閉出口調(diào)節(jié)閥；點動泵，看其葉輪轉(zhuǎn)向是否與設計轉(zhuǎn)向一致，若不一致，必需使葉輪完全停止轉(zhuǎn)動后，調(diào)整電動機接線后，方可再啟動。充水

水泵在啟動以前，泵殼和吸水管內(nèi)必須先充滿水，這是因為有空氣存在的情況下，泵吸入口的真空無法形成和保持。暖泵

輸送高溫液體的泵，如電廠的鍋爐給水泵，在啟動前必須先暖泵。這是因為給水泵在啟動時，高溫給水流過泵內(nèi)，使泵體溫度從常溫很快上升到100～200℃，這會引起泵內(nèi)外和各部件之間的溫差，若沒有足夠長的傳熱時間和適當控制溫升的措施，會使泵各處膨脹不均，造成泵體各部分變形、磨損、振動等。啟動程序離心泵泵腔和吸水管內(nèi)全部充滿水并無空氣，出口閥關閉。給水泵暖泵完畢。對于強制潤滑的泵，啟動油泵向各軸承供油。啟動冷卻水泵或打開冷卻水閥。合閘啟動，啟動后泵空轉(zhuǎn)時間不允許超過2～4min，使轉(zhuǎn)速達到額定值后，逐漸打開離心泵的出口閥，增加流量，并達到要求的負荷。4.3.4相似理論在泵中的應用（1）

泵的相似條件（2）

相似定律和比例定律（3）

比轉(zhuǎn)數(shù)（4）

切割定律（5）

泵的系列型譜（1）泵的相似條件學習相似理論的目的新的水力機械實驗實驗結果修改設計巨型水力機械？實驗花費太大無法做實驗是否滿足要求？給定設計參數(shù)(q,H,n)

2003年，合肥三益電機電泵股份有限公司專門為福建大學城泵站研制，高5米、重16噸，出水口徑1.6米，電壓高達10千伏，排水量超過2萬立方米/小時，是目前世界最大的潛水電泵。德國凱士比公司生產(chǎn)的重13噸巨型泵巨型水力機械（原型）縮小為模型實驗結果相似理論相似理論已有的性能良好的泵中挑選相似換算設計符合要求的泵相似定律是葉片泵理論中的一個非常重要的理論，是建立在泵的相似條件基礎上的。給定設計參數(shù)相似條件流體機械的相似條件幾何相似三大相似條件：運動相似動力相似

泵輸送的是液體，為不可壓縮體，溫度、密度可認為不變化。所以，只要滿足幾何相似和運動相似，則動力相似自然滿足。幾何相似

幾何相似是指模型泵和實物泵對應點的幾何尺寸成比例，比值相等，各對應角相等（包括葉片數(shù)z、葉片安裝角和阻塞系數(shù)都相等）。即兩個泵的式樣完全一樣，只是大小不同運動相似

又稱流動相似，它是指模型泵和實物泵各對應點的速度方向相同，大小成比例，比值相等，對應角相等。即流體在各對應點的速度三角形相似，即兩泵對應點上同名速度的比值相等、方向角相等。同名速度：方向角：1.流量相似定律

相似定律是研究來兩臺相似泵的性能參數(shù)（H、Q、N、η、Δhr）之間的關系。幾何相似：運動相似：（2）相似定律和比例定律2.揚程相似定律

兩泵運動相似代入相似定律3.功率相似定律

（1-23）相似定律注意：介質(zhì)相同、轉(zhuǎn)速、幾何尺寸相差不大。相似定律相似定律離心泵的比例定律是相似定律的延伸，是相似定律在同一臺泵上轉(zhuǎn)速改變后的應用。1.比例定律

比例定律表達式相似定律的特殊形式比例定律（3）比轉(zhuǎn)速兩泵能否進行性能換算，關鍵看兩泵是否工況相似，如何判斷呢？一是利用相似條件（幾何相似、進口速度三角形相似）。二是用與性能參數(shù)有關的一個綜合參數(shù)，即比轉(zhuǎn)數(shù)來判斷。只要兩泵比轉(zhuǎn)數(shù)相等，則兩泵相似。由相似定律，兩相似泵在相似工況下，性能參數(shù)間的關系為：將前式兩邊平方，將后式兩邊立方，然后相除，可消去D′／D項，得下式：再將上式兩邊開４次方，得下式：式中ns′為比轉(zhuǎn)速的初始定義式。

由于比轉(zhuǎn)數(shù)是在完全相似條件下由相似定律變換而來的相似準數(shù)，該式表明，只要兩泵工況相似，則比轉(zhuǎn)數(shù)相等。令為了和水輪機相一致，再將上式中ns′乘以3.65倍，就成為習慣所說的比轉(zhuǎn)速ns

即：ns和ns′只是數(shù)值上的差別，實質(zhì)是一樣的。注意ns是有量綱的相似準數(shù)，各國因Q、H單位制的不同而數(shù)值不同，但物理意義是相同的2.ns是針對泵的最高效率的工況點而言