离心泵设计讲解

4泵

（Pump）

主讲内容

4 泵

4.1 泵的分类、特点、结构、工作原理

4.2 泵叶轮上能量计算、伯努利方程应用

4.3 离心泵的吸入特性、气蚀原理、相似理论4.4 其他泵类结构、工作原理、选泵

4.泵

Pump

4.1 概述

?泵——用来输送液体的叶轮机械。即把机械能转换为液体能的叶轮机械。

?（一）泵的种类

离心式 centrifugal pump

vane pump 轴流式 axial-fiow pump

叶轮式——混流式 mixed-flow pump

(透平式) 旋涡式 turbulence pump

turbine 往复式：活塞泵；柱塞泵；隔膜泵

泵容积式——回转式：齿轮泵；螺杆泵；滑片泵；罗茨泵；

滚动活塞泵；摇摆转子泵；…….

其他类型：喷射泵；震动泵；水锤泵；真空泵；酸蛋……

泵的种类很多，应用面很广，属于通用机械，各部门都离不开泵，特别是离心泵。如：水利、农业、化工、石油、采矿、造船、城市、环保、医药、卫生、军事、交通、各类厂矿等。其中离心泵占95%以上。

?一.离心泵的工作原理

?与离心式压缩机工作原理相同。

?靠叶轮的高速旋转，由叶片拨动液体旋转，使液体产生离心力，离心力使液体产生动能和压能，实现机械能向液压能（液力能）的转化。

?吸入原理：叶轮中心被吸空后，形成真空，液体在外界大气压力的作用下，推动液体沿吸入管进入泵轮。

?二.离心泵的特点

优点：⑴排量大、平稳均匀。

⑵结构简单、紧凑，尺寸小，重量轻。制造安装成本低。

⑶易损件少，检修、管理和使用方便。

⑷可与高速电机直接驱动，速度越高，压头越高。

⑸容易实现多级，满足高压头。

缺点：⑴不适应小流量工况。

⑵同功率下没有往复式泵的压力高。

⑶输送高粘度、含砂、杂质液体的问题多。

⑷泵吸入管与泵腔内需要灌满液体后启动。

如：高压水泵：11级，H=2300 m

电动潜油离心泵：180、201、330、453、526级，H=2000~3500 m。

高速泵： n=10000 r/min , 单级扬程：H=1150 m

n=25000 r/min , 单级扬程： H=1760 m

（三）离心泵的分类

1. 按叶轮数目分：

⑴单级泵：悬臂式单叶轮结构。

⑵多级泵：2~526个叶轮。

2. 按吸入方式分：

⑴ 单吸式：一个吸入口。 ⑵ 双吸式：二个吸入口。 3. 按扬程分（压力分）：

⑴ 低压泵： H < 20 m 水柱 （p<0.2Mpa)。

⑵ 中压泵： H = 20~160 m 水柱 （p=0.2~1.6Mpa)。 ⑶ 高压泵： H > 160 m 水柱 （p > 1.6 Mpa)。

4. 按用途分：

清水泵、污水泵、酸泵、减泵、热油泵、稠油泵……

5. 其他：卧式泵、立式泵、斜式泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵、潜水泵等。

（四） 离心泵的主要结构

普通离心泵结构：

泵壳—蜗壳—轴—叶轮—盘根密封—吸入管—排出管—轴支架等。 （1）.叶轮：

闭式叶轮——清水泵

半开式叶轮——污水泵、稠油泵、砂泵、高速泵、部分流泵。 开式叶轮——轴流泵。 双吸叶轮——双吸清水泵。 （2）. 密封装置：

① 叶轮与壳体吸入口之间： 平接密封环式 （属于内泄漏） 迷宫式密封环式

② 泵壳与轴之间： 填料密封式。石棉绳填料；石墨浸石棉填料。 （属于外泄漏） 机械密封。端面动、静环接触式密封。 分：内装式；外装式 （3）.轴向力平衡装置

轴向力的产生：由于吸入口压力p1 与叶轮出口压力p2 不同。 p1 << p2 叶轮盖板前后形成一个轴向力：

轴向力会引起轴窜动、叶轮磨损。 常见轴向力平衡方式：

单级泵：⑴ 平衡孔：叶轮后盖钻几个孔，使中心处压力相等。

⑵ 平衡管：叶轮背部中心与泵吸入口用管子联同，使压力相等。 ⑶叶轮后盖径向筋板（小叶片）：把背部液体打走，形成真空。 多级泵：⑴叶轮背靠背排列：如双吸式叶轮。

⑵自动平衡盘：自动调节轴向压力，达到平衡。 ⑶平衡鼓： 无磨损，有泄漏。

⑷平衡盘与平衡鼓组合：泄漏少，能自动平衡轴向力。 （4）. 离心泵的命名

()

()

()为级数。：多级泵的轴向力：单轴Z F Z F kg p p d D 4

F 122021?=--=π

如：250 IS 30 A 150 D 60×5 5 Y 57A ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↑ ↑ ↑ ↑↑↑

4.2.2 . 离心泵的主要性能参数

? 主要参数：q 、H 、N 、η、n （1） 流量 q ：

定义：泵在单位时间内输送出去的液体量。),min (s

l m

s

m

3

3

体积流量： 有效流量（排出流量） 单位： 理论流量（吸入流量） 单位：

质量流量: v m q q ?=ρ 单位：h

t kg s kg ,min ,

吸入流量： q q q v t ∑+=

式中：∑q ——单位时间内泵的泄漏量（内、外泄漏）。 （2）扬程 H

定义：每单位重量液体从叶轮上所获得的有效能量。 用液柱高度表示的称扬程：H 单位：米，m

用压力表示的称为压头（能量头）：p 单位：MPa ，??

? ??2mm N γ

γp H H

p =?=

液体重度：)(1000)

(81.93

3

m kgf

m

kgf

g =?==γρργ水：

泵的出口扬程，即泵的实际扬程为：H

由伯努利方程：()()m g

2c c z z g p p H 2

1

221212-+

-+-=ρ

理论扬程：Ht = H + ∑h hyd

式中：∑h hyd ——泵内液体摩擦阻力损失和冲击损失的总和。 （3）功率 N

泵的功率 N 通常指泵轴上的输入功率，即：轴功率、铭牌功率、额定功率。 ① 轴功率 N

定义：单位时间内原动机传递给泵主轴上的功。 N=Ni +Nm = Ne /η

式中：Nm —机械损失功率，包括机械摩擦损失和轮阻损失。 ② 有效功率：Ne

泵的输出功率，即单位时间内泵出口液体所获得的能量。

v

q t q

)

(PS 735pq N kW 10gHq 10pq N v

e 3

v

3v e 马力===

ρ

上式中各参数：扬程：H — m ， 流量： qv — , 压力： p — MPa

密度： ρ— ， 重力加速度：g=9.81

③ 内功率 Ni ：

也叫：水力功率、叶轮功率。单位时间内叶轮传给液体的能量。

kW 10q gH N 3

t

t i ρ=

（4） 效率

泵内效率分为：容积效率ηv 、水力效率ηhyd 、机械效率ηmec 。 泵的总效率：

N

N

e m hyd v =??=ηηηη

① 容积效率ηv ：衡量泵泄漏所造成的能量损失。 ② 水力效率ηhyd ：衡量泵内液体沿程摩擦和冲击所造成的能力损失。

t

hyd t hyd

H h 1H H

∑η-

== ③ 机械效率ηm ：衡量泵内机械摩擦和轮阻所造成的能量损失。 N

N 1N N m i m -==η

（5） 转速 n

泵主轴转速，即叶轮的转速。

直联电机时，泵转速及为电机转速。

常用电机：n=1800~2900 r/min (转/分，rpm ）

（6）允许汽蚀余量〔NPSH 〕

衡量泵吸入性能的抗汽蚀能力，用来标定泵的安装高度。

4.2.3 离心泵的基本方程式

一 . 泵叶轮进、出口速度三角形 1 . 进出口速度三角形 c 1=u 1+w 1

s m 3

3m

kg 2

s m t

t v v

q q 1q q ∑η-==

60

n

D u b D q

F q c con c c c c c c c 11111t r 11

1u 11

1r 12u 12r 121π?

παα=

=

===+=圆周速度：径向分速度：分速度：绝对速度：sin

式中： ——叶片厚度对断面影响系数。取 =0.9~0.95。

q ——理论流量（设计流量）。

2. 叶轮出口速度三角形 c2=u2+w2

2

222

222222222222222222222222222

222222

222222sin 1

sin 60sin ββ?πβββπα?

πβ?

πααcon w u w u c b D q c w n

D u ctg b D q

ctg c u c b D q

F q c con c c c c c c c A

r A

r u r u r u

r -+=∴=

===

=-==

=

==+=相对速度：圆周速度：周向分速度：径向分速度：分速度：绝对速度：

二. 离心泵的基本方程

——欧拉方程式

利用动量矩定理推导出基本方程式——欧拉方程式。

m

g

2c c g 2w w g 2u u H m

g

c u c u H kg

J c u c u L 212222212122T u

11u 22T u 11u 22T -+

-+-=-=-=∞

∞∞物理方程：理论扬程：理论能量头：

欧拉涡轮方程表述了叶轮对单位重量液体所作的功。

1.理论流量下无限多叶片扬程： （额定流量下）

液体进入叶轮无预旋、无冲击，沿叶道径向进入叶轮。

m

g

c u H con c c c c u T u r ∞

∞=

==∴=22111110理论扬程：此时：α

由出口速度三角形：

??

m

ctg u c 1g

u

H ctg u c 1u ctg c u con c u c 22r 222

T 22r 222r 2222

r 22u 2???

? ??-=

???

? ??-=-=-=∴∞∞

βββββ理论扬程：sin

2.有限叶片的理论扬程

考虑叶片厚度造成叶道内产生轴向涡流，使周向分速度减小。 根据斯陀道拉公式得：

???

? ??--=A 2A 22r 2u 2Z ctg u c 1βπ

β?sin 能量头系数： 泵出口扬程（有效扬程）：m h H H hyd

t -=

泵内流动损失：

局部阻力损失

摩擦阻力损失

式中：----?=+=sh m 2

sh m hyd h h m

q a h h h

水力效率：

t

hyd t

hyd

t t hyd H H m

H h H H H ηη=∴-==

三. 工程中测定泵有效扬程

泵的理论扬程 Ht 是叶轮上的扬程，即叶轮实际输给液体的能量。

泵出口扬程（泵有效扬程）：H =Ht - h hyd h hyd ——泵内流动阻力损失。

当水力效率和泵内流动阻力损失h hyd 不知道或无法测定时，可在泵的进出口安装压力表，用压力表读书来计算出泵的有效扬程。 由伯努利方程：

m C C g

21Z g p p H 2c 2

D c D )(-++-=

?ρ

式中：

泵进、出口液体流速。

。泵进、出口压力表高差泵进、出口绝对压力。

---------D c D c C C Z p p ,,? 出口压力 为实测值，内包含了h hyd 内容。 上式变换：

()

m

C C g

21Z g p p H m

C C g

21Z g p p p p H 2

C

2D 2

C 2

D c a a D -+++=-++-+-=

?ρ?ρ真表)

(

式中：

大气压力）。

皆为表的实际读数（泵进口真空表压力数。泵出口表压力数。真真表表a C a a

D p p p p p p p p p -=----=---

若泵的进出口流速取相等：C C =C D (如进出口流道直径相同) 则：m Z g

p p H ?ρ++=

真

表

四。泵管路系统扬程计算

管路与泵组成一个输液系统，进出口管路中存在较大的流动阻力损失。 管路中总的流动损失：

m g 2C g 2C d L h B A 2j

j

2i i i B

A

i AB

∑∑+=ξλ∑

伯努利方程：()

m h C C g

21Z g p p H AB

2A 2B A B ∑?ρ+-++-=

式中：

（1）液面上皆为大气压时：

()

m

h C C g

21Z H p p p AB 2

A 2

B a B A ∑?+-+

===

（2）吸排液面较大，液面升降速度很小时：

D

p

m

h Z H 0C C AB

B A ∑?+===

(3) 进出口高差较小，如长距离输水：

m

h H 0Z AB

∑?==

（4）无泵系统

()

m

h C C g

21Z g p p 00H AB

2A 2B A B ∑?ρ+-++-==

如某一段压力输液管路：

()

m h C C g

21Z g p p AB

2A 2B B A ∑?ρ+-+=-

如水电站、虹吸管：

()

m h C C g

21Z AB 2

A 2

B ∑?+-=

4.3 离心泵的吸入特性

离心泵叶轮吸入口的吸入压力一般低于一个大气压，即吸入真空度。 吸入压力最低不得小于所吸液体的饱和蒸汽压（汽化压力），否则，泵吸入口会发生汽蚀现象。 泵的吸入特性就是研究泵的允许吸入真空度，用来确定泵的安装高度。 饱和蒸汽压（汽化压力）：

如水，水开始沸腾，有蒸汽泡出现（开始汽化），此时温度不变叫饱和温度；此时的水叫饱和水；此时的蒸汽叫饱和蒸汽；此时的压力叫饱和蒸汽压力。 一. 离心泵的汽蚀

离心泵叶轮吸入口压力最低为： p k 吸液面上压力为： p A ( pa) 叶轮进口的吸入真空度：

皆为绝对压力）

真(K

A P p p -= 某温度下液体的饱和蒸汽压（汽化压力）为： pv

当吸入口最低压力小于此液体的饱和蒸汽压时，便出现汽蚀。

⑴ 发生汽蚀的条件：

⑵ 汽蚀特征：离心泵工作时出现特殊的噪音、震动、伴随排量和压头

下降，严重时排量中断。这种现象通常是泵内出现了汽蚀现象。 ⑶ 汽蚀过程（原理）：当 时，部分液体发生汽化，形成气泡；小气泡凝结在一起形成大气泡。气泡随液流进入高压区，液体压缩气泡产生气泡击溃现象（水击现象），水击时的瞬时压力能达到几十个兆帕（30MPa)，对金属表面产生很大的爆炸冲击作用；同时伴随电化学腐蚀。这一综合过程为汽蚀过程。

v K p p ≤v K p p ≤

即：液体汽化→气泡凝结→高压水击→电化学腐蚀。 ⑷ 造成汽蚀的主要原因：

① 泵的安装高度过高，即吸入高度过高。

② 吸入管汇不合理，阻力太大。如管路太细、弯头、闸阀多等。 ③ 液面压力太低。

④ 液体温度高或易挥发液体。 ⑸ 防止汽蚀的充要条件：v K p p > 泵吸液的必要条件：A K p p <

泵正常工作的充分和必要条件：A K v p p P <<

二. 泵的汽蚀余量、安装高度

液体被吸入泵内是由于：)(压力液面压力大于叶轮进口A K p p <

即： 真p p

p p K A =?=-

克服吸入管阻力损失，推动液体进入泵内。

从液面A 到泵叶轮吸入口S 建立伯努利方程：

,

,,0H 0c Z Z Z h g

2c Z g p H g 2c Z g p A A s AS AS

2s s s 2

A

A A ==-=+++=+++其中：∑ρρ AS 2s AS s

A h g

2c Z g p g p ∑ρρ+++=即：

式中：Cs 、ps ——泵叶轮吸口处液体流速和此处压力。

Zsu —— 泵吸入高度（即泵安装高度）。 ∑hsu —— 泵吸入管内流动阻力损失。

上式可写为：a 2

s v s AS AS v A NPSH g

2c g p p h Z g p p =+-=---ρ∑ρ

汽蚀余量（有效汽蚀余量）：从叶轮吸入口压力Ps 到饱和蒸汽压 Pv 之间的范围宽度加上流动动能影响，被称为汽蚀余量或有效汽蚀余量，用：NPSHa 表示。即：

m g

2c g p p NPSH 2

s v s a +

-=ρ

汽蚀余量的意义：标志泵抗汽蚀性能的好坏，它与吸入管特性和液体的汽化压力有关；与泵本身无关。

最小汽蚀余量：泵本身所具有的抗汽蚀能力叫最小汽蚀余量。用：NPSHr

它与泵的结构和液体流动状态有关；与管路特性无关。它是一个泵的特性参数，NPSHr 越小表

示泵抗汽蚀性能越好。 NPSHr 值由泵厂家给出。K k K

r r H h g

c h NPSH ?-∑+=?=22 式中：

处的阻力损失。力点—泵叶轮进口到最低压—处所得到的能量头。压力点低—液体从叶轮进口到最—K h K H K K ∑?'

严重汽蚀

开始发生汽蚀泵不汽蚀r

a r a r a NPSH NPSH NPSH NPSH NPSH NPSH <=> 安全系数：n=1.1~1.3

许用汽蚀余量：〔NPSH 〕=（1.1~1.3）NPSHr 离心泵不发生汽蚀的条件：NPSHa ≥〔NPSH 〕 泵的允许安装高度：由伯努利变换方程式得AS a v

A AS h NPSH g

p p Z ∑ρ---<

∴ []m h NPSH g

p p Z AS

v

A AS ∑ρ---≤

或：

式中：〔NPSH 〕——许用汽蚀余量由泵铭牌上标出。

a

v 0a v 0

a v 0a v 0kp 0047p C 80kp 3757p C 40kp 244p C 30kp 3372p C 20....====清水：清水：清水：清水：

（6）防止汽蚀的措施

两种方法：改进泵的结构形式或尺寸。 设计吸入管及吸入条件。

（一）改进泵的结构形式或尺寸

⑴ 增大泵吸入口直径及叶轮叶片入口宽度和结构。 ⑵ 采用前置诱导轮，提高叶轮进口处吸入压力。 ⑶ 采用双吸式叶轮，使进口截面增大，流速减小。 ⑷ 合理设计叶片进口角度，减小流动损失。

⑸ 采用抗汽蚀的材料，如不锈钢、稀土合金铸铁、高镍铬合金等。 （二）.合理设计吸入管及吸入条件

⑴ 降低泵安装高度，缩短吸入管线。

⑵ 用大直径吸入管，去掉闸阀、弯头等，减少吸入管阻力。 ⑶ 增大液面压力，采用倒灌方式或其它灌注形式。