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1、传热第二章 流体输送机械 2第一节 离心泵 2一、离心泵的工作原理和主要部件 2二、离心泵的主要性能参数 4三、离心泵的特性曲线 5四、离心泵特性曲线的换算 7五、离心泵的工作点与流量调节 9六、离心泵的安装高度 12七、离心泵的类型及选用 16第二节 其他液体输送机械 19一、往复泵 19二、旋转泵 21三、旋涡泵 22四、化工中常用泵的性能比较 23第三节 气体输送机械 23一、离心式通风机、鼓风机及压缩机 23二、旋转式鼓风机与压缩机 25三、往复式压缩机 26四、真空泵 27习 题 28参考书目 29第二章 流体输送机械知识目标：通过本章的学习，了解流体输送设备在生产中的应用及分类；熟

2、悉压缩机、鼓风机、通风机的工作原理、特点及选用方及计真空泵的主要性能；理解往复泵、漩涡泵等的工作原理、特性、流量调节方法、安装要点及适应范围等和离心通风机的特性参数；掌握离心泵的工作原理、基本结构、主要性能参数、选型的依据及使用注意事项；能力目标：具备根据生产任务的要求和管路特性选择合适的输送设备，并能正确安装和使用的能力。化工生产中，往往会遇到将流体从低位能输送到高位能、从低压设备输送到高压设备的问题，而且流体在流动的过程中总会存在阻力损失。因此必须有机械能的补充，才能完成输送任务。我们把提高流体机械能的设备称为流体输送机械。输送液体的机械统称为泵，输送气体的机械按产生压强的高低分为通风机、

3、鼓风机、压缩机和真空泵。按工作原理不同可把流体输送机械分为：(1) 动力式（叶轮式）是通过高速旋转的叶轮使流体获得能量的，包括离心式、轴流式输送机械。(2) 容积式（正位移式） 是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量的，包括往复式、旋转式输送机械。(3) 其他类型 如喷射式、浮升式（如烟囱）等。由于离心泵具有结构简单、操作容易、便于调节和控制；流量均匀、效率较高、流量和压头的适用范围较广且适宜于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体等优点，以致于离心泵在化工生产中的应用最为广泛。本章将重点介绍离心泵的结构、工作原理、特性曲线及其安装选用，其他流体输送机械仅作一般介绍。第一节 离心泵一、离心泵的工作原

4、理和主要部件（一）离心泵的工作原理离心泵的装置简图如图2-1所示，包括吸入管路、泵体和排出管路。它的基本部件是叶轮和泵壳，泵壳中央有液体吸入口与吸入管路相连，泵壳侧面有排出口与排出管路相连。吸入管路底部装有单向底阀，排出管路上装有调节阀。离心泵的工作原理可按两个过程说明。1.排液过程 启动前泵内灌满液体，叶轮带动液体高速旋转并产生离心力，在离心力的作用下液体从叶片间排出并在泵壳内汇聚，由于壳体内流道渐宽，液体的部分动压头转换为静压头，在泵的出口处，获得较高的静压头并由此排出。2.吸液过程 依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成负压，低位槽中的液体在压差的作用

5、下被源源不断地吸上。 离心泵启动前，若不向泵壳内灌满液体，则叶轮旋转带动气体旋转所产生的低压不足以将槽中液体吸入叶轮中心，离心泵就不能完成液体输送。这种现象叫做气缚。气缚现象说明离心泵没有自吸能力。由此看出，单向底阀的作用主要是防止启动前灌入泵壳的液体从底部流出，从而避免气缚现象的发生，确保离心泵正常启动。（二）离心泵的主要部件离心泵主要由旋转部件（包括叶轮和泵轴）和静止部件（泵壳、填料函）两部分构成。1叶轮叶轮安装于泵壳内并紧固在泵轴上，常由48片后弯叶片组成。它的作用是将从泵轴获得的能量传给液体，使液体的机械能提高。叶轮按机械结构可以分成以下三种：（1）开式叶轮 如图2-2（a)，指前后两

6、侧都没有盖板的叶轮，这种叶轮制造简单，清洗方便。但是这种叶轮与壳体之间密合不好，液体易造成环流损失，效率不高，它适用于输送含有杂质的悬浮液。（2）半闭式叶轮 如图2-2(b)，只有后盖板的叶轮，适用于输送悬浮液体。（3）闭式叶轮 如图2-2(c)，叶轮前后两侧都有盖板，液体在叶片间流动时不会产生环流现象，因此这种叶轮效率较高，应用最广，但只适用于输送清洁液体。闭式或半闭式叶轮的后盖板与泵壳之间的缝隙内，液体的压强比入口侧高，这样就会导致盖板会受到指向叶轮吸入口方向的轴向推动力。该推动力使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮和泵壳接触处的磨擦。为此，可在后盖板上钻几个小孔，以平衡轴向推动力，这些小孔称为

7、平衡孔。它的作用是让一部分高压液体漏到低压区以降低叶轮两侧的压力差，从而平衡掉一部分轴向推动力，但由于液体通过平衡孔短路回流，因而降低了泵的效率。按吸液方式的不同，离心泵又可以分为单吸泵和双吸泵两种。单吸式构造简单，液体从叶轮一侧被吸入。双吸式比较复杂，液体从叶轮两侧吸入，具有较大的吸液能力，且可以基本上消除轴向推动力。2泵壳（a）单吸式 （b）双吸式 图2-3 离心泵的吸液方式离心泵的泵壳大多制成一个截面逐渐扩大的蜗牛壳形的通道，又称为蜗壳。其作用有二：一是汇集从叶轮抛出的液体；二是将部分动压能转换成静压能，减少能量损失。有的离心泵为了减少液体进入蜗壳时的水力冲击损失，在叶轮和泵壳之间还装有

8、导轮。导轮的叶片是固定的，其弯曲方向与叶轮的叶片相反，弯曲角度与液流方向适应。3轴封装置轴封装置的作用是密封泵轴和泵壳之间的缝隙，以防止泵内高压液体漏出及外界空气漏入。常用的有填料密封和机械密封两种。（1）填料密封 填料密封又称填料函，一般用浸油或涂石墨的石棉绳做填料，用压盖将填料压紧在填料壳与泵轴之间，从而达到密封的作用。其特点是结构简单、造价低,但需经常检修、且密封效果差。因此它不宜用于输送易燃、易爆、有毒和有腐蚀性的液体。（2）机械密封 机械密封又称端面密封，它是由一个装在泵轴的动环（合金硬材料）和另一个装在泵壳上的静环（非金属软材料）所构成。两环的端面之间形成一层薄薄的液膜起密封和润滑

9、作用，其特点是性能优良、使用寿命长、功率消耗较少，但价格较高，适用于输送酸碱及易燃、易爆和有毒的液体。思考题2-1 何谓 “气缚”现象，产生此现象的主要原因是什么？如何防止“气缚”？二、离心泵的主要性能参数为了更好地认识离心泵，正确合理地选择和使用离心泵，必须了解其主要的性能参数。（一）流量流量又称为泵的送液能力，是泵在单位时间内排到管路的液体体积，用符号“Q”表示，常用的单位有L/s、m3/h和m3/s。它的大小受到泵的转速、结构尺寸的影响。（二） 扬程扬程是指泵对单位重量流体所提供的有效能量，以符号“H”表示，单位为m，也可以叫做压头。扬程的高低与泵的转速、结构、尺寸及流量有关。（三）轴功

10、率和效率1轴功率离心泵轴功率是指泵轴所需的功率。若泵轴直接与转动机械相连，传动机械给予泵轴的功率即为泵的轴功率，用符号“”表示，单位为kJ/s或Kw。离心泵的轴功率主要受泵的尺寸、流体的粘度及流量等影响，其只可有功率表测量。流过泵的液体从叶轮实际获得的功率称为泵的有效功率，用符号“Ne”表示。效率离心泵的效率是用于反映泵对其轴功率利用程度的一个特性参数，符号为“”。离心泵工作时，泵内存在各种功率损失，因此从电机上获得的轴功率N不能全部转化为液体的有效功率Ne，二者之差即为泵内损失功率，其大小用泵效率来衡量，泵的效率等于有效功率与轴功率之比，其表达式为 （2-1） （2-2）式中 Q 泵的流量，

11、m3/s； H 泵的扬程，m； 输送液体的密度，kg/m3； g 重力加速度，m/s2。离心泵的效率与泵的类型、尺寸、制造精密程度、液体的流量和性质等有关。一般小型泵的效率为5070，大型泵可高达90。泵内造成功率损失的原因有：（1）容积损失（v） 指由泵的泄漏所造成的能量损失。如密封环、平衡孔及密封压盖等处的泄漏。（2）机械损失（m） 指由泵轴和轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生摩擦而引起的能量损失。（3）水力损失（h） 指由流体流动过程中产生的摩擦阻力、环流和流体冲击所造成的能量损失。效率是上述三项能量损失的综合反映，又称总效率。可用下式计算： = v m h （2

12、-3）思考题2-2 为什么闭式叶轮的效率最高？离心泵的叶轮为什么采用后弯叶片？三、离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线是反映转速一定时离心泵性能参数之间关系的曲线，一般由HQ、NQ和Q三条曲线组成，可由实验测得。测定装置如图2-4所示。通过调节出口阀，改变流量，可得到不同的压力表和真空计读数。取真空计和压强表处的截面分别为11 和22 面，在两截面间列柏努利方程 z2z1、p2p均为已知量，Q由流量计读得，由此可求出u1、u2，可忽略不计，由此可求出He。由公式可求出Ne，N由功率表读得，由公式可求出效率。通过多次改变流量，可得到如表1-1所示结果。表1-1 实验结果表流量扬程轴功率Q1He1 N

13、e1N11Q2He2Ne2N22Q3He3Ne3N33QnHenNenNnn以Q为横坐标，He、Ne、分别为纵坐标绘图可得到离心泵的特性曲线，如图2-5所示。1. HQ曲线离心泵的扬程一般是随着流量的增大而下降，当流量为零时，其扬程最大。2. NQ曲线离心泵轴功率随流量的增加而增加，流量为零时，轴功率最低。因此离心泵启动时应关闭出口阀，减小启动功率，保护电机。（故离心泵的启动步骤为：灌液关阀启动开阀）3. Q曲线由图可以看出，Q曲线存在极值点。当Q=0时，=0；随Q增大，上升，并达到最大值；流量再增大，效率反而会下降。这说明离心泵有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。铭牌上的Q、H、N、值即

14、为该点的参数。泵在设计应在该参数下工作最为经济，但在实际输送过程中根据输送任务的需要，离心泵往往不可能在最佳工况下工作，因此规定92max为离心泵的高效率区，在选泵时要尽可能使泵在该范围内工作。不同型号的离心泵特性曲线由泵的制造厂提供，并附于泵的样本或说明书中，供使用部门选泵和使用时参考。例2-1 如图24所示，用20清水测定某台离心泵性能时，在转速为2900r/min下，得到的试验数据为：流量12.5L/s，泵出口处压强表读数为255Kpa，泵入口处真空表读数为26.66Kpa，两测压点的垂直距离为0.5m，功率表测得电机所耗功率为6.2Kw，泵由电机直接带动，传动效率可视为1，电机效率为0

15、.93，泵的吸入管路与排出管路的管径相同。求：(1)该泵的效率；（2）列出泵在该效率下的性能。 解：（1）求：求泵的压头H 以真空表和压强表所在的截面为1-1和2-2，列出柏努力方程式，得 已知z2z10.5m，u1=u2，p1=-26.66Kpa（表压），p2=255Kpa（表压），因两测压口距离短，故Hf1-20。 各量代入后可求出H0.5+029.21m求泵的轴功率N已知N电机6.2Kw，电机0.93，传1N轴 求泵的效率 （2）列出该泵的主要性能：n2900r/min，Q12.5L/s，H29.21m，N5.77Kw，62.1。 四、离心泵特性曲线的换算泵的生产部门所提供的特性曲线一般

16、都是在一定转速下以常温（20）的清水为介质实验测得的。若输送与清水物性（如密度和粘度）不同的液体时，泵的性能就会发生变化；若改变泵的转速或叶轮的直径，泵的性能也会发生变化。因此，生产部门所提供的特性曲线应根据输送任务重新进行换算。（一）密度变化时的换算离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，泵的效率也不随其而改变，即HQ和Q的曲线均不变。但泵的轴功率随液体密度而变，可按下式变换： （2-4） （2-5）式中 ， 分别为20清水与被输送液体的密度； N，N 分别为输送清水时与输送实际液体的轴功率。（二）粘度变化时的换算当要输送的液体的粘度大于清水的粘度时，液体通过泵时摩擦阻力增大，使泵的扬程H、流

17、量Q和效率均减小，而轴功率N却增大。此时，工作效率偏离高效区，离心泵不适宜输送高粘度液体。若输送粘度较大的液体（如运动粘度210-5m2/s）时，需要对泵的特性曲线进行换算。泵的性能需按下式进行换算：， ， （2-6）式中 Q，H， 分别为离心泵输送清水时的流量、压头和效率；Q，H， 分别为离心泵输送其他粘性液体时的流量、压头和效率；CQ、CH、C 分别为离心泵的流量、压头和效率的换算系数，可由有关手册查取，其值通常小于1。（三）转速变化时的换算同一离心泵在不同转速时其特性曲线不同，当液体粘度不大，泵的效率不变时，泵的转速对性能的影响可近似用比例定律表示：， （2-6）式中 Q，H，N 转速为

18、n 时泵的性能参数； Q，H，N 转速为时的泵的性能参数。根据以上公式，可以从某转速下的特性曲线换算到另一转速下的特性曲线，但要求转速的变化不超过20。（四）叶轮直径变化时的换算对同一型号的泵，换一个直径较小的叶轮（其他几何尺寸不变，转速不变）时，叶轮直径对泵性能的影响可用切割定律来描述：， （2-7）式中 Q，H，N 叶轮直径为D2 时泵的流量、扬程、轴功率；Q，H，N 叶轮直径为D2时的流量、扬程、轴功率。根据上式，可以从切割前叶轮直径D2下的特性曲线换算到切割后叶轮直径D2下的特性曲线，要求叶轮切割不能超过5%。思考题2-3 影响离心泵特性曲线的主要因素有哪些？五、离心泵的工作点与流量调

19、节离心泵安装在特定的管路系统中工作时，泵所能提供的流量和扬程与管路系统数值一致，即实际工作情况是由泵和管路特性共同决定的。（一）离心泵的工作点1管路特性曲线在图2-6所示的输送系统中，液体要求泵供给的压头可由柏努利方程求得，即： （2-8）在特定的管路系统中，在一定的条件下进行操作时，上式的与均为定值，即与流量无关，可用常数A表示；若两个贮槽的截面都很大，则；若输送管路的直径均一，则管路系统的压头损失可表示为： （2-9）式中 Qe管路系统的输送量，m3/s。对特定的管路，式2-9中等号右边除了和Qe以外均为定值；若流体在该管路中已进入阻力平方区，可视为常量，故可令： （2-10）则有 （2-

20、11）上式称为管路特性方程式，将此关系描绘在坐标图上，即得图2-7中的HeQe曲线，此线的形状与管路布置及操作条件有关，与泵的性能无关，且随着流量的增加，管路所需要的扬程也增加，故称其为管路特性曲线。2离心泵的工作点将泵的特性曲线和管路的特性曲线绘到同一张图上，如图2-7所示，两曲线的交点所对应的流量和扬程就是泵在此管路系统工作的实际流量与扬程，所以M点称为离心泵的工作点。泵的工作点有两种求解方法：（1）图解法 即直接从两线的交点坐标值读取H和Q。（2）解析法 联立两方程，通过解方程法来确定H和Q，此法需注意的是，两曲线方程中流量Q的单位必须一致，且符合两曲线中单位的推导要求。（二）流量调节流

21、量调节的过程实质上就是改变工作点的位置，使之达到输送任务要求的过程。工作点是由泵及管路特性共同决定的，因此，改变两条曲线中的任何一条都能达到流量调节的目的。1改变管路特性曲线改变离心泵出口阀门的开度，即可改变管路特性曲线，原因是改变了式（2-11）中B值的大小。阀门开大，B值减小，该曲线变得平缓，工作点由M移至M2，流量由QM增至QM2；阀门减小，B值增大，该曲线变陡，工作点移至M1，流量减至QM1。这种调节方法的优点是：操作简单、灵活，可做到流量连续调节。缺点是：阀门关小时，阀门阻力增大，能耗增加，并可能使泵偏离高效区工作。因此，该调节方法多用于流量调节幅度不大，且经常需要调节的场合。2改变

22、泵的特性曲线由比例定律和切割定律可知，改变泵的转速或车削叶轮都可以达到改变泵的特性曲线的目的。如图 2-9所示：原转速为n，工作点为M，当转速降为n1时，泵的特性曲线下移，工作点由M移至M1，流量由Q变为Q1；同理转速增至n2，曲线上移，工作点移至M2，流量由Q变为Q2。车削叶轮直径的情况与转速减小类似。用这些方法调节流量，在一定范围内可保持泵在高效区工作，不增加阀门阻力。但改变转速要求使用价格较贵的变速装置，或变速原动机，且难以做到流量连续调节，故至今化工生产中较少采用；车削叶轮直径虽可使泵的流量变小，但可调节的流量范围不大，且叶轮直径减小会降低泵的效率，故实际应用也较少。例2-2 某离心泵

23、的特性曲线可用以下方程表示：H252.0Q2（式中H的单位为m，Q的单位为m3/min）。若用该泵将20水从贮槽输送到设备，已知管路系统调节阀全开时管路特性方程可用下式表示：He 20 +1.86Q2e（He的单位为m，Qe的单位为m3/min）。试求：（1）离心泵运行时的流量和压头；（2）关小阀门使工作点的流量变至56 m3/h时需多消耗的压头（m）；（3）关小阀门后的管路特性方程。解：（1）离心泵运行时的流量和压头实际上是求泵在该管路上的工作点，泵的工作点可由泵的特性方程和管路特性方程联解求得，即H252.0Q2 He20 +1.86Qe2联立以上两方程，可求得泵运行时的流量和压头为QQe

24、1.138 m3/min68.3 m3/hHHe22.41 m（2）关小阀门多消耗的压头由离心泵特性方程求得工作点下的压头，即H252.0 Q2 25(56/60)2 = 23.26 m在流量为56 m3/h时原管路所要求的压头为He20 +1.86Qe220 + 1.86(56/60)2 21.62 m故关小阀门时多消耗压头为HHHe23.2621.621.64 m（3）关小阀门后的管路特性方程设管路的特性方程通式为HeK +B Qe2在本例条件下，K（即Z + p/g）不发生变化，而B值因关小阀门而变大。关小阀门后泵的特性不变。前已求得流量为56 m3/h时泵的压头为23.26 m，将此Q

25、、H值及K值代入管路特征方程，即23.2620 + B(56/60)2解得 B3.742故关小阀门后管路特性方程变为He20 +3.742Q2e（He的单位为m，Qe的单位为m3/min）3泵的联用如果单台泵不能满足输送任务的要求，有时可将几台泵加以组合。组合方式有串连和并联两种。（1）并联操作并联操作下要求两台泵型号相同，吸入管径相同，每台泵的流量和压头也必须相同。将两台泵并联后，根据单台泵的特性曲线上的一系列坐标点，保持其纵坐标（H）不变，横坐标（Q）加倍，由此可得到一系列对应的坐标点，即可绘得两台泵并联操作的特性曲线，如图2-10所示。当管路特性曲线不变时，单泵工作点为M，并联泵工作点为

26、N。，两泵并联的总输送量Q并必定小于两倍的单泵输送量Q单。并联泵适用于流量需大幅度调节的场合(低扬程，高流量），当并联操作的泵超过两台时，流量和扬程增大的效果不再明显，因此实际操作中多采用两泵并联。（2）串联操作两台相同型号的泵串联工作时，也要求每台泵的压头和流量是相同的。两泵串联后，串联泵的特性曲线也可以通过单泵的特性曲线得到，依照单泵特性曲线上的一系列点，保持其横坐标（Q）不变，纵坐标（H）加倍，由此得到一系列对应的坐标点，用平滑曲线连接各点即可绘得串联泵的特性曲线。如图2-11所示：当管路特性曲线不变时，单泵工作点为C，串联泵的工作点为D，且串联泵的扬程小于单泵扬程的两倍。串联泵适用于扬

27、程需大幅度调节的场合（高扬程，低流量），且多泵串联，扬程的增加依然明显，故实际操作中可采用多泵串联。多泵串联往往采用多叶轮串联，泵壳一体的形式，这种形式的离心泵又叫多级泵。思考题2-4离心泵的工作点是如何确定的？有哪些调节流量的方法？离心泵要进行正常的输送液体的工作，必须在管路系统中有一个合适的位置。泵的吸入口和吸入贮槽液面之间的垂直距离称作离心泵的安装高度，以Hg表示。如图2-12所示，在0-0与1-1截面之间列柏努利方程 （2-12）上式即为安装高度的计算公式。若贮槽与大气相通，则有p0= pa(外界大气压强)，对于一定的管路输送系统，和都与输送要求有关，与安装高度无关，若增加安装高度，则

28、吸入口处的压力p1必减小。（一）汽蚀现象 被输送液体具有一定的饱和蒸气压pv，液体压强沿泵吸入口向叶轮入口降低，叶轮入口处压强pk最低。当泵吸入口处的压力p1减小到某值时，使得pvpk，液体在叶轮吸入口处会发生部分气化，产生气泡。液体携带气泡进入泵的叶片间压强急剧升高，气泡又急剧凝结或破裂，形成局部真空，此时周围高压液体以极高的速度抢占原气泡的空间，当气泡凝聚在叶片和泵壳表面时，液体质点如高频水锤撞击叶片和泵壳，使泵体震动，发出噪音，泵的流量、扬程和效率均降低，并损坏叶轮和泵壳，降低泵的使用寿命，这种现象叫做汽蚀现象。 发生汽蚀的原因是叶轮吸入口处的压强pk低于输送温度下液体的饱和蒸气压pv，

29、若要避免汽蚀，须通过增加泵吸入口处的压力p1使得pkpv。由（2-12）式可知，p1的大小和安装高度Hg及吸入管路的特性有关。可以通过减小吸入管路的阻力损失和降低安装高度Hg来提高吸入口处的压力。一般情况下吸入管路的内径要略大于排出管路的内径，泵的安装要尽量靠近液源，缩短管路长度，减少不必要的管件和阀门，这样可以在一定程度上避免汽蚀现象。通常，根据离心泵的抗汽蚀性能合理地确定泵的安装高度是防止发生汽蚀现象的有效措施。（二）离心泵的允许安装高度离心泵的吸入口与吸入贮槽液面间，保证不发生汽蚀现象可允许达到的最大垂直距离称为离心泵的允许安装高度Hg，又叫允许吸上高度。当pkpv时，p1p1，min，

30、根据式（2-12），Hg的表达式可描述为： （2-13）式中：Hg 泵的允许安装高度，m； Hf，0-1 液体流经吸入管路的压头损失，m；P1，min 泵吸入口处可允许的最小压强，pa。当离心泵的安装高度小于允许安装高度Hg时，离心泵将不再发生汽蚀现象。离心泵允许安装高度的计算方法有两种：一是根据泵的允许吸上真空高度来计算，称为吸上真空高度法；另一种是根据泵的允许汽蚀余量来计算，称为允许汽蚀余量法。1允许吸上真空高度法令式（2-12）中 （2-14） 当p0pa（大气压力）时，Hs就是泵吸入口截面处的真空度，称为泵的吸上真空高度。当pkpv时，p1p1，min，因p1p1，min故泵发生汽蚀现象时测得的吸上真空高度为最大吸上真空高度Hs，max。为彻底防止汽蚀现象，有关部门规定允许吸上真空高度Hs需比最大吸上真空高度 Hs，max至少降低0.3 m。即： （2-15）用允许吸上真空高度来计算允许安装高度的计算公式为： 中： 点，有盖