離心泵的工作原理

2.2離心泵2.2.1離心泵的工作原理離心泵的主要構(gòu)件一葉輪和蝸殼葉輪是離心泵直接對(duì)液體作功的部件，其上有若干后彎葉片，一般為4?8片。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(1000?3000r/min)，迫使葉片間的液體作近似等角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液體在葉片間的運(yùn)動(dòng)由圖2—5可以導(dǎo)出液體質(zhì)點(diǎn)的切向速度u,相對(duì)速度⑺和絕對(duì)速度c之間的關(guān)系為(2—5)(2—6)W2=C2+(2—5)(2—6)W2=C2+U2-2cUCOSa如不計(jì)葉片的厚度，離心泵的流量qv可表示為q=2冗rbcsina=2冗rbwsinp小、v 222 2 222 2 (2—7)q=2冗rbcsina=2冗rbwsinp小c、v 222 2 222 2 (2—8)式中b、?一葉輪進(jìn)、出口的寬度；"、尸2—葉輪進(jìn)、出口的半徑p「p2一葉輪進(jìn)、出口處葉片的傾角;在同一流量下，因外緣處葉片間的流道較內(nèi)緣處為寬，其相對(duì)速度3將低于內(nèi)緣3。2 1等角速度旋狀運(yùn)動(dòng)的考察方法1以靜止坐標(biāo)為參考系；2以與流體一起作等角速度運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為參照系。離心力場(chǎng)中的機(jī)械能守恒設(shè)有一離心泵葉輪如圖2—6所示，此葉輪具有無(wú)限多葉片并繞軸以角速度3旋轉(zhuǎn).當(dāng)離心泵正常工作時(shí)，流體在作等角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還將沿葉片通道由內(nèi)緣流向外緣。若以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為參照系，并假定：液體是理想流體，無(wú)摩擦阻力損失；流動(dòng)是定態(tài)的。則流體質(zhì)點(diǎn)在葉片通道內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度3應(yīng)滿足Xdx+Ydy+Zdz-蟲=/些PI2^ (2-9)----為方便分析，假設(shè)葉輪水平放置，并取旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸向上。在葉輪內(nèi)半徑為r處取單位質(zhì)量流體，作用在此單位質(zhì)量流體上的體積力為：重力Z=-g慣性離心力F=W

此離心力在x和y方向的投影是將X、Y、Z但入式（2—9）中，并積分得,P U2、32(—+z——)+—=cPg 2g 2g此式表明，理想流體在無(wú)限多葉片構(gòu)成的葉片通道內(nèi)作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，其總機(jī)械能守恒。這樣可對(duì)葉輪進(jìn)、出口截面列出機(jī)械能守恒式:'P U2)W2(p U2)W2(2—10)岳+丁疝「五"[PT(2—10)P—PU2—U2 W2—W2(2—11)Pg(2—11)離心泵的理論壓頭若以靜止物體為參照系，具有徑向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流體所具有的機(jī)械能應(yīng)是勢(shì)能pg和以絕對(duì)速度計(jì)的動(dòng)能艾。離心泵葉輪對(duì)單位重量流體所提供的能量等于流體在進(jìn)、出口截面的總機(jī)械能之差，即PP—P+c2—C2

Pg 2g(2—12)將式（2—11）代入上式，可得離心泵的理論壓頭為由上式可以看出，為得到較大的壓頭在離心泵設(shè)計(jì)時(shí)，通常使液體不產(chǎn)生預(yù)旋，從徑向進(jìn)入葉輪，即a=90。。于是泵的理論壓頭〃uccosaH— 2.T由上式可以看出，為得到較大的壓頭在離心泵設(shè)計(jì)時(shí)，通常使液體不產(chǎn)生預(yù)旋，從徑向進(jìn)入葉輪，即a=90。。于是泵的理論壓頭〃uccosaH— 2.T(2—15)流量對(duì)理論壓頭的影響由圖2—5可知:ccosa=u—wcosP(2—16)由式（2—7）qv2兀rbsin_q—vPAsinP將上兩式代入式(2—15，可得泵的理論壓頭%和泵的流量之U2—U2 W2—W2 C2—C2(2—13(2—13)將式（2—5）、（2—6）代入上式得H_uccosa—uccosa(2(2—14)間的關(guān)系為u(2—18)幺 (2—18)2葉片形狀對(duì)理論壓頭的影響根據(jù)葉片出口端傾角a°的大小，葉片形狀可分為三種：徑向葉片（P2=9。。）；后彎葉片（02<90。）和前彎葉片M2>9。。）.圖2一7表示了三種葉片的形狀.由式（2—18）可知，對(duì)徑向葉片，，泵的理論壓頭與流量無(wú)關(guān)；對(duì)于前彎葉片，泵的理論壓頭隨流量增加而增大；對(duì)于后彎葉片，泵的理論壓頭隨流量增加而減少。液體密度的影響由式（2—18）可知理論壓頭與液體密度無(wú)關(guān)。但是，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(dòng)時(shí)，泵體內(nèi)是空氣，而被輸送的是液體，則啟動(dòng)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(dòng)時(shí)須先使泵內(nèi)充滿液體，這一操作稱為灌泵。泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(wú)法吸上液體，此稱為“氣縛”現(xiàn)象。2.2.2離心泵的特性曲線泵的有效功率和效率泵的有效功率可由下式表示。

式中P式中P=PgqvH(2—19)H一泵的有效壓頭，即單位重量流體自泵處凈獲得的能量，m；q—泵的實(shí)際流量m3s；V... 、p—液體的密度，kgm3;P一泵的有效功率，既單位時(shí)間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W.由電機(jī)輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以Pa表示。有效功率與軸功率之比值定義為泵的效率門，即P門=r(2(2—20)a離心泵內(nèi)的容積損失、水力損失和機(jī)械損失是構(gòu)成泵的效率的主要因素。離心泵的特性曲線離心泵的有效壓頭He（揚(yáng)程）、效率門、軸功率pa均與輸液量4有關(guān)，其間關(guān)系可用泵的特性曲線表示，下圖為離心泵的特性曲線。

液體粘度對(duì)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(cè)定的。因此，選泵時(shí)應(yīng)先對(duì)原特性曲線進(jìn)行修正，然后根據(jù)修正后的特性曲線進(jìn)行選擇。轉(zhuǎn)速對(duì)特性曲線的影響如轉(zhuǎn)速相差不大，轉(zhuǎn)速改變后的特向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2-12,由速度三角形相似可得:q2兀rbC/n—V= 2—2—2r七2兀為2rU2〃 (2-21)

使其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系滿足式（2-21）時(shí)，泵內(nèi)液體的速度三角形相似。H' u'c'cosa (n'\2?—cc c—b =~~= h(2-22)Huccos(2-22)軸功率之比為:(2-23)綜上所述可得離心泵的比例定律如下:如果流量之比攵=C（為速度三角形相似條件）如果流量之比4/n （2-24）則揚(yáng)程之比軸功率之比H_=fH則揚(yáng)程之比軸功率之比H_=fHkn)(2-25)P_(n，—a Pkn)a(2-26)2.2.3離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作安裝在管路中的泵其輸液量即為管路的流量，在該流量下泵提供的揚(yáng)程必恰等于管路所要求的壓頭。因此，離心泵的實(shí)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(diǎn)若管路內(nèi)的流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，安裝在管路中的離心泵其工作點(diǎn)必同時(shí)滿足：管路特性方程H=f匕）（2—27）泵的特性方程He=^（2—28）聯(lián)立求解此兩方程即得管路特性曲線和泵特性曲線的交點(diǎn)，參見圖2—13。此交點(diǎn)為泵的工作點(diǎn)。流量調(diào)節(jié)最簡(jiǎn)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2—4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(diǎn)移至適當(dāng)位置，滿足流量調(diào)節(jié)的要求.另一類調(diào)節(jié)方法是改變泵的特性曲線，如改變轉(zhuǎn)速等.并聯(lián)泵的合成特性曲線設(shè)有兩臺(tái)型號(hào)相同的離心泵并聯(lián)工作（圖2—15），并且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和壓頭必相同。其特性曲線可由單臺(tái)泵特性曲線橫坐標(biāo)加倍，縱坐標(biāo)保持不變得到。并聯(lián)泵的流量七并和壓頭H并由合成特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)a決定，并聯(lián)泵的總效率與每臺(tái)泵的效率（圖中b點(diǎn)的單泵效率）相同。由圖可見，由于管路阻力損失的增加，兩臺(tái)泵并聯(lián)的總輸送量七并必小于原單泵輸送量九的兩倍。串聯(lián)泵的合成特性曲線其特性曲線可由單臺(tái)泵特性曲線橫坐標(biāo)保持不變，縱坐標(biāo)加倍得出。同理，串聯(lián)泵的總流量和總壓頭也是由工作點(diǎn)a所決定。由于串聯(lián)后的總輸液量七串即是組合中的單泵輸液量九，故總效率也為七串時(shí)的單泵效率。組合方式的選擇如果管路兩端的勢(shì)能差'P/pg大于單泵所能提供的最大揚(yáng)程，則必須采用串聯(lián)操作。由圖可見，對(duì)于低阻輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)組合；對(duì)于高阻傳輸管路，則采用串聯(lián)組合更為合適。2.2.4離心泵的安裝高度氣蝕現(xiàn)象葉輪內(nèi)原葉片的背面壓強(qiáng)最低，但安裝位置高至離頁(yè)面0-0一定距離，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(dòng)。這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。泵在這種狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致葉片的過(guò)早損壞。故泵的安裝位置不能太高。臨界氣蝕余量（*SH）c與必需汽蝕余量（*SH）r截面1-1至K-K之間的機(jī)械能衡算式p+U2=p+性+ZH（、Pg 2g pg 2g fG-K） （2_29）當(dāng)泵內(nèi)剛發(fā)生氣蝕時(shí)，PK等于被輸送液體的飽和蒸氣壓〃“而々必等于某確定的最小值P1mn。在此條件下，上式可寫為Pmn+U2=P+氏+ZH（、Pg 2gpg2gPmn+虬-P=氏+ZH,、或 pg 2gpg2g f（1-K） （2—30）式（2—30）表明，在泵內(nèi)剛發(fā)生汽蝕的臨界條件下，泵入口處液體pu2 u2（1,min+i） （k+￡H ）的機(jī)械能Pg2g比液體汽化時(shí)的勢(shì)能超出2g f（1-k）此超出量稱為離心泵的臨界汽蝕余量，并以符號(hào)油SH）c表示，即（NPSH）=lpm^+2g一乙=2g+EH同為使泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，泵入口處的壓強(qiáng)P1必須高于P1mn，即實(shí)際氣蝕余量（亦稱裝置汽蝕余量）：NPSH=p+^2-4(2—32)Pg(2—32)必須大于臨界汽蝕余量（NPSH）c一定的量。最大安裝高度Hg,max與最大允許安裝高度［Hg］從吸入液面0-0至葉輪入口截面K-K之間（參見圖2—18）列機(jī)械能衡算式，可求得最大安裝高度Hg,max=Pg噫-Hf（0-1）-_務(wù)+2Hf（1-K）_=鳥-乙-￡H,、-（NPSH）PgPg f（0-1） c為安全起見，通常是將最大安裝高度Hgmax減去一定量作為安裝高度的上限，稱為最大允許安裝高度［Hg］，可由下式計(jì)算HLp—p-ZH（0）-KnPSH）+0.5〕g PgPg f0-1 ' （2—34）式中（NPS