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1、第二节 泵的工作原理与性能一、泵的工作原理泵按工作原理与性能可分为离心泵、轴流泵、容积泵、混流泵、旋涡式泵、 真空泵、射水泵、水击泵等。一）离心泵离心泵主要是靠叶轮旋转时带动周围的水一起旋转，使液体产生惯性离心力而工作的。所以叫离心泵，离心力与物体的质量m旋转半径R,旋转角度3 有关，若用F代表离心力，它们有这样的关系：F二m3 2RO泵的主要工作部件有叶轮，其上有一定数目的叶片，叶轮固定于轴上，由 轴带动旋转；泵壳为一螺壳形扩散室，称为蜗壳，它静止不动，泵吸入口与吸入 管相连，排出口与排出阀相连接。离心泵工作之前首先要在吸入管路和泵内充满所输送的液体，当叶轮旋转 时，拔动叶轮内的液体一起旋转
2、，液体就获得了能量，因离心力而从叶轮内甩出。 甩出的液体经过蜗壳，扩散管，再从排出管排走。与此同时，叶轮内产生真空， 而吸入液面的液体在外压（大气压或其他压力）下，经过吸入管路被压入叶轮内。 由于叶轮是连续而均匀地旋转的，所以液体连续而均匀地被甩出和吸入。离心泵工作时泵内不能有空气存在。因为气体重度小，旋转时产生的离心 力就小，在叶轮中难以造成必要的真空，也就无法将重度大液体吸入泵中。因此 在泵启动前，必须使泵和吸入系统充满液体，工作中吸入系统也不能漏空气，这 是离心泵正常工作必须具备的条件。离心泵按叶轮吸入方式可分为单吸式和双吸式。前者为液体从一侧进入叶 轮。该泵结构简单，制造容易，但叶轮两
3、边所受液体的总压力及受力面不等，存 在轴向推力。如电厂中常用的给水泵就属于这一类。后者为液体从两侧进入叶轮。 该泵构造复杂，制造困难，且固叶轮两面吸入，在汇合处有冲击现象。离心泵按叶轮数目来分可分为单级和多级高心泵，前置泵只有一个叶轮， 属单级泵，其扬程较低。给水泵由六级叶轮串联工作，属多级泵，它可获得较高 扬程。二）轴流泵轴流泵主要是利用叶轮旋转时产生的推力来工作的。叶片转动，使空气向 前推的力叫推力。当流体绕过翼型时，在翼型的头部 A 点处分离成两股，分别绕过翼型的上 下表面后在尾部 B 点汇合后流出去。由于沿翼型下表面的路程要以沿翼形上表面 的路程长一些。因此流体沿着翼型下表面的流动速度
4、要比沿翼型上表面的流动速 度快些。根据伯诺利定理，流速大的地方压力必然小，流速小的地方压力必然大， 因此上表面的压力大，下表面的压力小，结果在翼型上产生了一个向下的压力 P， 这个力就是推力。当流体对翼型产生一个推力时，由于作用力和反作用力大小相 等方向相反的原理，翼型相对地给流体一个反推力P。轴流泵在工作时，叶轮在水中旋转，水流相对于叶片就产生了急速的绕流， 这样叶片的水流就产生一个反推力P,不断地把水沿轴向往上推，水流得到叶 轮的推力就产生了能量，通过导叶和出口弯管送到高处。三）混流泵的工作原理混流泵的叶轮形状介于离心泵和轴流泵之间，因此叶轮在旋转时，它的叶片对水既产生离心压力，又产生推压
5、力。水流在进出叶轮时的方向是斜向的，故 又称斜流泵。离心力或推力所占比例的大小取决于叶片的设计方法，当叶片用升 力法设计时，则主要为推力。水离开叶轮后，通过出口导叶使部分速度能变成压 力能。压力水再由水管流出去。另外，由于叶轮中的水在叶片上被压至导叶，叶 轮进口附近形成了相对的低压区，在进水池液面上大气压力作用下，水源源不断 地被压入叶轮，周而复始，水就被连续地送到需要的地方去。二、泵的分类一）泵的种类：1、叶片泵：离心泵、轴流泵、混流泵等2、容积泵：齿轮泵、螺杆泵、活塞泵等3、其他类型：喷射泵、真空泵等二）离心泵的种类：1、按工作叶轮的数目分：单级泵、多级泵。2、按工作压力分：低压泵、中压泵
6、、高压泵。3、按叶轮的进水方式分：单吸泵、双吸泵。4、按泵轴的位置分：卧式泵、立式泵5、按泵的转速是否可变分：定速泵、调速泵。三、泵的性能参数 泵的性能参数包括流量、扬程（压头）、转速、功率、效率等。用它们就可 以表征台泵的的整体性能。一）流量 流量是指泵在单位时间内输送流体的何种或质量。体积流量常用符号 Q 表 示，单位为米3/时，立升/秒或米3/秒。重量流量常用符号G表示，单位为千牛/ 时、牛/秒。它们之间的关系为：G=RQ牛/秒式中R流体高度，牛/米3。Q体积流量，米3/秒。二）压头 压头是指单位物量（重量或体积）的流体通过泵所获得的能量。泵的压头 也叫扬程。它仅仅与泵本身有关，而与进出
7、口管路无关。换名话说是泵在理论上 所能提升的液体高度，它不是实际的扬水高度。通常用符号 H 表示，单位是 液 柱。通常所指的泵的扬程是指它的全扬程。所谓全扬程是吸上扬程（泵能将液 体吸上的高度）与压出扬程（泵能将液体压出的高度）之和，但是，水泵在管路 系统中工作时，由于液体克服吸入管路阻力要损失一部分能量 hw ，克服压出管1 路阻力也要损失一部分能量 hw ，同时考虑到吸水池液于至压水池液面的静水头2Ht,两液面之间的压力水头差Hp,如果考虑到进出水管的直径不同时，在进出 口之间还有速度水头差v 2 v 2H = =1。d2 g由此，水泵的扬程应为上述各项之和，即：H=Ht+Hp+Hd+Hw
8、m 液柱（4-1）式中Ht静压水头，Ht =HjHg m，当吸水池在泵轴中心线以上时，Hg 取“一”号，在轴中心线以下时，Hg取“ + ”号;Hj静压出水头， m；Hg静吸入水头（几何安装高度）， m；Hw管路阻力损失水头， Hw= Hw+ Hw ， m； 12Hp压力水头差，P 一 PmHe2el， m；pV其中Pe2排水池液面压力，Pa （绝对压力）;Pel吸水池液面压力，Pa （绝对压力）;V流体重度，N/m3；通常在水泵的进出口法兰处分别装有真空表和压力表（如果进口压力高于 大气压力时，如给水泵那样，进口也装压力表）。将它们的读数换算成水柱高度， 就可以根据其值和速度水头算出水泵的扬程
9、。当泵入口压力P小于大气压力Pa时，称为真空，可用下式表示：P 一 pH = p msV三）功率功率是指单位时间内作功的大小。 泵的输入功率是指从原动机侧通过轴传送过来的功率，通常称为轴功率， 以符号N表示，单位为千瓦。考虑到运转过程中可能会起负荷，因此与泵配套的 原动机的功率应比轴功率大。泵的输出功率是指单位时间内通过泵的流体所获得的能量，也称有效功率。 用符合Ne表示。若泵的扬程为H米水柱，泵的容积流量是Q米3/秒，则泵的有 效功率可用下式计算：N = V Q -HKW（4-2）e 1000由于泵运转过程中内部有各种损失，它们包括轴承，密封填料与轴间的摩 擦损失，叶轮与泵壳密封环间不正常的
10、摩擦损失。叶轮前后盖板与液体的摩擦损 失，液体通过密封环之间的泄漏损失，液体流经吸入口、叶轮、壳体等沿程摩擦 阻力和局部阻力损失等。所以输入的轴功率不可能全部转换成流体的能量，也即 有效功率始终小于轴功率。如果与泵配套的原动机的功率用符号 Ng 表示，则它 们之间有如下关系：NgNNe四）效率 效率是衡量水泵性能好坏的一项重要技术经济指标。如前所述，由于存在 各种损失，要消耗一部分能量，辅功率不可能全部变为有效功率。泵的有效功率 与轴功率的比值为总数率，用符号H表示，即n = n xioo%（43）N五）转速转速是指泵的转子在每分钟内旋转的转数，用符号 n 表示，单位为转/分， 对同一台泵而言
11、，转速改变后，流量、压头、功率都要随之变化，它们有如下的 变化关系：流量与转速的一次方成正比，压头与转速的平方成正比，功率与转速 的三次方成正比。在流量与压头相同的前提下，若采用高转速，则可以缩小水泵 叶轮尺寸或减少叶轮级数。现代大型电厂给水泵就是利用这一关系来达到减少叶 轮级数，缩短长度的目的。六）泵的性能曲线泵的性能曲线是指在一定的转速下压头H,功率N （般指轴功率），效率 H与流量Q的关系曲线，另外还有表示泵的汽蚀性能的允许汽蚀余量（Ah）或 允许吸上真空高度（Hs）与流量Q的关系性曲线，这些曲线指明了各参数随流量 变化的关系，从而确定了泵的工作范围。泵在设计时是在给定的一组参数下进行
12、的，这一组参数所组成的工况称为设计工况。当泵在设计工况下运行时，应该具 有最高效率。但随着外界条件的改变，泵的工况也要相应的变化，即泵的工况点 会偏离设计工况，造成效率下降。为了不使水泵的效率下降太多，所以对各种型 式的泵都确定了一个工作范围。掌握这些性能曲线就能够正确地选择，经济合理 地使用水泵。泵的性能曲线主要有：流量与扬程（Q-H）曲线，流量与功率（Q-N）曲线， 流量与效率（Q-H）曲线，流量与允许汽蚀余量（或允许吸上真空高度）（Q-A h）曲线。泵的工作性能曲线都是通过试验的方法求得的。试验时是在一定的转 速下改变流量，则可在不同的流量下测出不同的扬程、功率，并可根据式（4-3） 计
13、算出效率。整理这些数据可绘制出Q-H、Q-N、Q-q等关系曲线。其中Q-H最 主要，Q-H曲线的形状反映了水泵运行的稳定性。Q曲线为平坦的性能曲线，这 种性能曲线适应于流量调节范围较大，而压力要求变化较小的系统中，b曲线为 陡降的性能曲线，这种性能曲线适用于在流量变化不大时，要求压力变化较大的 系统中。曲线C是有驼峰的性能曲线，若具有这种曲线的泵在极大值A点以左工 作，则会出现不稳定工况。因此，泵在工作时应该避免在A点以左工作。泵工作 点的扬程一般应该小于流量为零时的扬程。需指出的是，以上讨论的性能曲线是对一定的转速而言。对变转速水泵， 如小汽轮机带动的给水泵或通过液力联轴器带动的给水泵，当泵
14、的转速由n变为 n1时，流量、扬程和功率都相应地变为Q、H、N，它们有如下的关系：111Q = Qni, H = H (2)2, N = N (ni)3(4-4)1 n 1 n 1 n 按照上述关系，就可以根据某一转速下的特性曲线求出变转速下的特性曲 线。已知转速n时的Q-H曲线，要求n时的Q-H曲线，可在Q-H曲线上选取若1 1 1干点a、b、c、d，将每个点上的Q、H值换算成相应的Q、H值，就得到a、b、11c、d，将它们连成光滑曲线便得到Q H曲线。同理也可得出Q、一N曲线。1 1 1 1在电厂有时需要改变泵的性能来满足实际的需要，可以采取将泵叶轮外径 由 D 车小至 D ，而其他几何尺
15、寸和转速保持不变的情况下来达到。若原来的22流量为Q，扬程为H，轴功率为N，叶轮直径改变后，泵的流量将变为Q，扬程1 1 1为H，轴功率为N，它们之间有如下关系：11fffQ = Q(D2 丿,H = H( D)2,N = N( D )3(4-5)1 D 1 D 1 D2 2 2根据上述公式，用同样方法可作出改变叶轮直径后的性能曲线，如图 4-22 所示(阳逻教材 P284， 7-7 图)。第三节 泵的汽蚀现象一、汽蚀现象 液、汽在一定的温度和压力下可以互相转化，这是液体所固有的物理特性。例如将水在一个大气压下加热至100C，水就开始汽化，或者保持水的温度为一 定值，而逐渐减小水面上的压力，当降低到某一值时，水同样也会汽化，这个压 力叫做水在该温度下的汽化压力，用符号Pv表示。如20C的水，其汽化压力为 2.4KPa,如果水在该流动过程中，某一局部地区等于或低于该水温所对应的汽化 压力时，水就在该处发生汽化。此时就有大量的蒸汽及溶解于水中的气体逸出， 形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡。当汽泡随着流体从低压区流向高压区时，汽 泡在高压作用下迅速凝结而破裂，与此同时，汽泡周围的液体以极高的速度流向 原汽泡所有的空间，形成一个冲击力。由于汽泡中部分气体和蒸
