離心泵性能實驗裝置簡圖

A. 石油開採的輸油泵和閥門的作用是什麼

泵是用來提升流體壓力並輸送流體的通用水力機械。油庫主要用泵來收發和輸轉油品。在長距離管道輸送中，泵是輸油的心臟設備。含油污水處理系統、給水系統和消防系統也離不開泵。

泵按工作原理和結構特點可分為兩大類。葉片式泵主要包括各種離心泵，是靠葉輪的葉片高速運轉把能量連續傳遞給流體，提高輸送壓力以實現輸送的。其體積小、結構簡單、易於製造、流量穩定、運轉方便。容積式泵是利用泵工作腔容積的周期性變化把能量傳遞給流體的，常用的有往復泵、齒輪泵和螺桿泵等。

一、離心泵1.離心泵的工作原理雨天，如果我們急速旋轉傘柄，傘上的雨點會沿著傘的邊緣飛濺出去，如圖8-15所示。傘越大或旋轉得越快，雨點就飛濺得越遠。離心泵的工作原理與此類似，其工作過程就是能量的轉化過程。泵軸將動能傳遞給葉輪，驅使液體高速旋轉，產生的離心力使泵內流體沿葉輪流道向葉輪出口甩出。甩出的高速流體在蝸殼流道內減速、壓力升高並從出口排出。產生的壓力能將液體送至高處，就產生了揚程。同時，被甩出去的液體原來占據的空間變成了局部真空，葉輪入口處壓力降低，在壓差作用下不斷將液體吸進葉輪入口。

圖8-15離心泵的工作原理

離心泵是靠離心力工作的，泵內不能有氣體。因氣體密度小，旋轉時產生的離心力小，葉輪入口不能形成真空，就無法將液體吸入泵內。故離心泵啟動前必須使泵內和吸入管段充滿液體，即需要灌泵。

離心泵主要由葉輪、吸入室、蝸殼和泵軸等構成，如圖8-16所示。吸入室位於葉輪進口前，其作用是把液體吸入葉輪。根據形狀，吸入室可分為錐形管吸入室、圓環形吸入室和螺旋形吸入室。葉輪是離心泵的重要部件，用於傳遞能量，有開式、半開式及閉式三類，油庫常用閉式葉輪離心泵。蝸殼又叫壓出室，位於葉輪出口之後，作用是匯集葉輪甩出的流體，並將流體送入壓出管道或下級葉輪。

圖8-18往復泵工作原理簡圖

1—泵缸；2—活塞；3—活塞桿；4—泵缸蓋；5—進液閥；6—出液閥；7—進口管；8—排出管；9—進液罐活塞往復一次稱為一個行程，左死點與右死點之間的活塞運行距離稱為沖程。單作用往復泵每個行程只吸入和排出一次液體。雙缸或三缸往復泵可充分利用活塞兩端的空間。活塞每往復一次便可吸入和排出液體兩次或三次，在吸入期間流量不會間斷。

油庫中常採用雙缸電動活塞往復泵輸送潤滑油。小型往復泵可為離心泵引油灌泵，還用於抽吸車底油。

三、閥門用來開啟、關閉或控制管道內介質流動的機械裝置稱為閥門。常用閥門有閘閥、截止閥、旋塞閥、球閥、止回閥、安全閥、蝶閥、防爆型電磁閥和疏水閥等。

1.閘閥閘閥是在閥桿的帶動下，閘板沿閥座密封面作相對運動而達到開閉的目的。閘閥用於接通或截斷管路中的介質。主要作切斷用，不作節流用，所以必須全開或全關。閘閥由閥體、閥蓋、閘板、閥桿和手輪等零件組成。

閘板是閘閥的關鍵部件。平行式閘板的兩密封面都與閥桿的軸線平行，與通道中心線垂直，易製造、好修理、不易變形。楔式閘閥的密封面與閥桿的軸線對稱成一定角度，兩密封面成楔形。

閘閥的密封性能比截止閥好，且流動阻力小，開閉較省力。閘閥全開時密封面受介質沖蝕小，具有雙流向、結構長度較小、適用范圍廣等特點。閘閥的缺點是外形尺寸高，開啟需要一定的空間，開閉時間長，開閉時密封面容易沖蝕和擦傷。閘閥用量在各類閥門中約占絕大多數。

2.截止閥截止閥的閥瓣在閥桿帶動下升降而啟閉閥門。截止閥主要由閥體、閥蓋、閥瓣、閥桿和手輪等組成。閥體有直通式、直流式及角式。截止閥使用極為普遍，用量較大，常用於蒸汽管、水管及小口徑輸油管上。全開或全閉，一般不做調節或節流用。由於流動阻力大，截止閥不適用於帶顆粒和粘度較大的介質。

截止閥的特點有：(1)開閉時，閥瓣行程小、關閉時間短；(2)高度小、結構長度大、結構簡單，製造和維修方便，成本低；(3)密封性能好，使用壽命長；(4)介質只能單方向流動。

3.旋塞閥旋塞閥也叫考克，其塞子繞軸線旋轉從而達到開閉通道的目的。主要由閥體、塞子、填料、壓蓋和閥桿組成。旋塞閥按結構形式分為緊定式、自封式、填料式和油封式；按通道形式可分為直通式、三通式和四通式。旋塞閥結構簡單、尺寸小、啟閉迅速、操作方便、流動阻力小，可作分配換向用，但密封面易磨損、開關力較大，易卡死。油庫中一般用在收發油比較頻繁的場合。旋塞閥不適合輸送高溫、高壓介質，不宜作調節流量用。

4.球閥球閥來自於旋塞閥，具有旋塞閥的優點，比旋塞閥體積小、密封性能好、開閉更輕便、維修更方便。球閥的閥芯是一個中間開孔的球體，繞垂直於通道的軸線旋轉而控制閥門的開啟和關閉。球閥主要由閥體、球體、密封圈、閥桿和驅動裝置組成。球閥發展很快，新結構不斷出現。

5.止回閥止回閥又稱單向閥，主要由閥體、閥蓋和閥瓣組成。其閥瓣能靠自身重力自動關閉，防止介質倒流。升降式止回閥密封性能好，適用於小管道；旋啟式止回閥流動阻力小，適用於大管道。油庫止回閥一般安裝在離心泵出口的第一個閥位上。

6.安全閥對管道或設備起保護作用的閥門叫做安全閥。由閥體、閥蓋、閥座、閥瓣、閥桿、彈簧和扳手等組成。介質壓力超過規定值時閥瓣自動開啟，排放到低於規定值時又自動關閉。安全閥按結構特點可分為封閉式和非封閉式；按閥瓣開啟高度可分為微啟式和全啟式。安全閥主要用於鍋爐、壓縮機、高壓容器及管路等因介質壓力過高而可能引起爆炸的設施。

7.防爆型電磁閥防爆型電磁閥是採用電力操縱的一種直通閥門。主要由主閥、電磁控制器和閥位器組成。主閥利用介質的壓力和彈簧的彈力開閉。電磁控制器包括兩個常開和常閉電磁閥及兩個調節閥，用來控制主閥活塞腔內的壓力和主閥的開閉速度。閥位器用來控制主閥的開啟度。由於電磁閥的電氣部分與閥腔內介質嚴格隔離，可保證電磁閥在爆炸性場所安全使用。防爆型電磁閥多用於原油和其他無腐蝕性液體發放的出口管道上，與計算機、數控儀表等電器控制設備配合，能夠實現自動控制，是目前油庫應用較廣的發油管道自動控制閥。

8.節流閥和減壓閥節流閥通過改變流道截面積來調節介質的流量和壓力，有針形閥、截止型節流閥和旋塞型節流閥等。減壓閥通過節流使閥後壓力降低到某一確定范圍，並且在閥前壓力不斷變化時仍能保持閥後壓力穩定在該范圍內。兩者都利用節流效應降壓，但節流閥的出口壓力隨進口壓力變化；減壓閥卻能保持閥後壓力穩定。

9.疏水閥疏水閥又稱疏水器或阻汽排水閥，能自動排泄凝結水並阻止蒸汽泄漏、提高蒸汽熱效率、防止水擊現象產生。

B. 　離心泵

一、離心泵的工作原理

圖2-1所示為一個安裝在管路上的離心泵。主要部件有葉輪1與泵殼2等。具有若干彎曲葉片的葉輪安裝在泵殼內，並緊固於泵軸3上。泵殼中央的吸水口4與吸水管路5相連接，側旁的排出口8與排出管路9相連接。

離心泵一般用電動機帶動，在啟動前需向殼內灌滿被輸送的液體。啟動電動機後，泵軸帶動葉輪一起旋轉，充滿葉片之間的液體也隨著轉動，在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣的過程中便獲得了能量，使葉輪外緣的液體靜壓強提高，同時也增大了流速，一般可達15～25m/s，即液體的動能也有所增加。液體離開葉輪進入泵殼後，由於泵殼中流道逐漸加寬，液體的流速逐漸降低，又將一部分動能轉變為靜壓能，使泵出口處液體的壓強進一步提高，於是液體以較高的壓強，從泵的排出口進入排出管路，輸送至所需的場所。

當泵內液體從葉輪中心被拋向外緣時，在中心處形成了低壓區，由於貯槽液面上方的壓強大於泵吸入口處的壓強，在壓強差的作用下，液體便經吸入管路連續地被吸入泵內，以補充被排出液體的位置。只要葉輪不斷地轉動，液體便不斷地被吸入和排出。由此可見，離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉的葉輪。液體在離心力的作用下獲得了能量以提高壓強。

離心泵啟動時，如果泵殼與吸入管路內沒有充滿液體，則泵殼內存有空氣，由於空氣的密度遠小於液體的密度，產生的離心力小，因而葉輪中心處所形成的低壓不足以將貯槽內的液體吸入泵內，此時雖啟動離心泵也不能輸送液體，此種現象稱為氣縛，表示離心泵無自吸能力，所以啟動前必須向殼體內灌滿液體。若離心泵的吸入口位於吸液貯槽液面的上方，在吸入管路的進口處應裝一單向底閥6和濾網7。底閥是防止啟動前所灌入的液體從泵內漏失，濾網可以阻攔液體中的固體物質被吸入而堵塞管道和泵殼。靠近泵出口處的排出管路上裝有調節閥10，以供開車、停車及調節流量時使用。

圖2-1離心泵裝置簡圖

1-葉輪；2-泵殼；3-泵軸；4-吸入口；5-吸入管；6-底閥；7-濾網；8-排出口；9-排出管；10-調節閥

二、離心泵的主要部件

離心泵最主要的部件為葉輪、泵殼與軸封裝置，下面分別簡述其結構和作用。

（1）葉輪葉輪的作用是將原動機的機械能傳給液體，使液體的靜壓能和動能均有所提高。

離心泵的葉輪如圖2-2所示，葉輪內有6～12片彎曲的葉片1。圖中（a）所示的葉片兩側有前蓋板2及後蓋板3的葉輪，稱為閉式葉輪。液體從葉輪中央的入口進入後，經兩蓋板與葉片之間的流道流向葉輪外緣，在這過程中液體從旋轉葉輪獲得了能量，並由於葉片間流道的逐漸擴大，故也有一部分動能轉變為靜壓能。有些吸入口側無前蓋的葉輪，稱為半閉式葉輪，如圖中（b）所示。沒有前、後蓋板的葉輪，稱為開式葉輪，如圖中（c）所示，半閉式與開式葉輪可用於輸送漿料或含有固體懸浮物的液體，因取消蓋板後葉輪流道不容易堵塞，但也由於沒有蓋板，液體在葉片間運動時容易產生倒流，故效率也較低。

圖2-2離心泵的葉輪

（a）閉式；（b）半閉式；（c）開式

閉式或半閉式葉輪在工作時，有一部分離開葉輪的高壓液體漏入葉輪與泵殼之間的兩側空腔中去，而葉輪前側液體吸入口處為低壓，故液體作用於葉輪前、後兩側的壓力不等，便產生了指向葉輪吸入口方向的軸向推力，使葉輪向吸入口側竄動，引起葉輪與泵殼接觸處磨損，嚴重時造成泵的振動。為此，可在葉輪後蓋板上鑽一些小孔（見圖2-3（a）中的1）。這些小孔稱為平衡孔，它的作用是使後蓋板與泵殼之間的空腔中一部分高壓液體漏到低壓區，以減少葉輪兩側的壓力差，從而起到平衡一部分軸向推力的作用，但同時也會降低泵的效率。平衡孔是離心泵中最簡單的一種平衡軸向推力的方法。

按吸液方式的不同，葉輪還有單吸和雙吸兩種。單吸式葉輪的結構簡單，如圖2-3（a）所示，液體只能從葉輪一側被吸入。雙吸式葉輪如圖2-3（b）所示，液體可同時從葉輪兩側吸入。顯然，雙吸式葉輪具有較大的吸液能力，而且基本上可以消除軸向推力。

圖2-3吸液方式（a）單吸式；（b）雙吸式

（2）泵殼離心泵的泵殼又稱蝸殼，因殼內有一個截面逐漸擴大的蝸牛殼形通道，如圖2-4的1所示。葉輪在殼內順著蝸形通道逐漸擴大的方向旋轉，愈接近液體出口，通道截面積愈大。因此，液體從葉輪外緣以高速度被拋出後，沿泵殼的蝸牛形通道向排出口流動，流速便逐漸降低，減少了能量損失，且使部分動能有效地轉變為靜壓能。所以泵殼不僅作為一個匯集由葉輪拋出液體的部件，而且本身又是一個轉能裝置。

為了減少液體直接進入蝸殼時的碰撞，在葉輪與泵殼之間有時還裝有一個固定不動而帶有葉片的圓盤。這個圓盤稱為導輪，如圖2-4中的3所示。導輪具有很多逐漸轉向的流道，使高速液體流過時能均勻而緩和地將動能轉變為靜壓能，從而減少能量損失。

圖2-4泵殼與導輪1-泵殼；2-葉輪；3-導輪

（3）軸封裝置泵軸與泵殼之間的密封稱為軸封。軸封的作用是防止高壓液體從泵殼內沿軸的四周漏出，或者防止外界空氣以相反方向漏入泵殼內。常用的軸封裝置有填料密封和機械密封兩種。

普通離心泵所採用的軸封裝置是填料函，俗稱盤根箱，如圖2-5所示。圖中1是和泵殼連在一起的填料函殼；2是軟填料，一般為浸油或塗石墨的石棉繩；4是填料壓蓋，可用螺釘擰緊，使填料壓緊在填料函殼與轉軸之間，以達到密封的目的；5是內襯套，用來防止填料擠入泵內。由於泵殼與轉軸接觸處可能是泵內的低壓區，為了更好地防止空氣從填料函不嚴密處漏入泵內，故在填料函內裝有液封圈3。如圖2-6所示，液封圈是一個金屬環，環上開了一些徑向的小孔，通過填料函殼上的小管可以和泵的排出口相通，使泵內高壓液體順小管流入液封圈內，以防止空氣漏入泵內，所流入的液體還起到潤滑、冷卻填料和軸的作用。

圖2-5填料函

1-填料函殼；2-軟填料；3-液封圈；4-填料壓蓋；5-內襯套

圖2-6液封圈

對於輸送酸、鹼以及易燃、易爆、有毒的液體，密封的要求就比較高，既不允許漏入空氣，又力求不讓液體滲出。近年來已廣泛採用稱為機械密封的軸封裝置。它由一個裝在轉軸上的動環和另一個固定在泵殼上的靜環所組成，兩環的端面借彈簧力互相貼緊而作相對運動，起到了密封的作用，故又稱為端面密封。圖2-7是國產AX型機械密封裝置的結構，該裝置的左側連接泵殼。螺釘1把傳動座2固定於轉軸上。傳動座內裝有彈簧3、推環4、動環密封圈5與動環6，所有這些部件都隨軸一起轉動。靜環7和靜環密封圈8裝在密封端蓋上，並由防轉銷9加以固定，所有這些部件都是靜止不動的。這樣，當軸轉動時，動環6轉動而靜環7不動，兩環間借彈簧的彈力作用而貼緊。由於兩環端面的加工非常光滑，故液體在兩環端面的泄漏量極少。此外，動環6和泵軸之間的間隙有動環密封圈5堵住，靜環7和密封端蓋之間的間隙有靜環密封圈8堵住，這兩處間隙並無相對運動，故很不易發生泄漏。動環一般用硬材料，如高硅鑄鐵或由堆焊硬質合金製成。靜環用非金屬材料，一般由浸漬石墨、酚醛塑料等製成。這樣，在動環與靜環的相互摩擦中，靜環較易磨損，但從機械密封裝置的結構看來，靜環易於更換。動環與靜環的密封圈常用合成橡膠或塑料製成。

圖2-7機械密封裝置

1-螺釘；2-傳動座；3-彈簧；4-推環；5-動環密封圈；6-動環；7-靜環；8-靜環密封圈；9-防轉銷

機械密封裝置安裝時，要求動環與靜環嚴格地與軸中心線垂直，摩擦面很好地研合，並通過調整彈簧壓力，使端面密封機構能在正常工作時，於兩摩擦面間形成一薄層液膜，以造成較好地密封和潤滑作用。

機械密封與填料密封相比較，有以下優點：密封性能好，使用壽命長，軸不易摩損，功率消耗小。其缺點是零件加工精度高，機械加工較復雜，對安裝的技術條件要求比較嚴格，裝卸和更換零件較麻煩，價格也比填料函的高得多。

三、離心泵的主要性能參數與特性曲線

1.離心泵的主要性能參數

為了正確選擇和使用離心泵，需要了解泵的性能。離心泵的主要性能參數有排量、工作壓力（壓頭）效率和輸入功率，這些參數標注在泵的銘牌上，現將各項意義分述於下。

（1）排量離心泵的排量，是指泵的送液數量能力，是指離心泵在單位時間內所排送的液體體積，以qv表示，單位常為1/s或m³/h。離心泵的排量取決於泵的結構、尺寸（主要為葉輪的直徑與葉片的寬度）和轉速。

（2）工作壓力離心泵的工作壓力又可用壓頭或泵的揚程表示，是指泵對單位重量的液體所能提供的有效能量，工作壓力用kPa或MPa表示，壓頭用水柱高m表示。離心泵的工作壓力取決於泵的結構（如葉輪的直徑、葉片的變曲情況等）、轉速和流量。對於一定的泵，在指定的轉速下，工作壓力與排量之間具有一定的關系。

泵工作時壓力可用實驗方法測定，如圖2-8所示。在泵的進出口處分別安裝真空表和壓力表，真空表與壓力表之間列柏努利方程式，即

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或

式中p_M——壓力表讀出的壓力（表壓）（N／m²）；

pv——真空表讀出的真空度（N／m²）；

v₁、v₂——吸入管、壓出管中液體的流速（m/s）；

∑h_f——兩截面的壓頭損失（m）。

圖2-8泵壓測定安裝圖

1-流量計；2-壓強表；3-真空計；4-離心泵；5-貯槽

由於兩截面之間管路很短，其壓頭損失∑h_f可忽略不計。若以h_M及h_v分別表示壓力表和真空表上的讀數，以液柱高m作計算，則（2-1）可改寫為

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（3）效率在輸送液體過程中，外界能量通過葉輪傳給液體時，不可避免地會有能量損失，故泵軸轉動所做的功不能全部都為液體所獲得，通常用效率η來反映能量損失。這些能量損失包括容積損失、水力損失及機械損失，現將其產生原因分述如下：

容積損失容積損失是由於泵的泄漏造成的。離心泵在運轉過程中，有一部分獲得能量的高壓液體，通過葉輪與泵殼之間的縫隙漏回吸入口，或從填料函處漏至泵殼外，因此，從泵排出的實際流量要比理論排出量為低，其比值稱為容積效率η₁。

水力損失水力損失是當流體流過葉輪、泵殼時，由於流速大小和方向要改變等原因，流體在泵體內產生沖擊而損失能量，所以泵的實際壓力要比泵理論上所能提供的壓力為低，其比值稱為水力效率η₂。

機械損失機械損失是泵在運轉時，泵軸與軸承之間、泵軸與填料函之間、葉輪蓋板外表面與液體之間均產生摩擦，從而引起的能量損失。可用機械效率η₃表示。

泵的總效率η（又稱效率）等於上述三種效率的乘積，即

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對離心泵來說，一般小型泵的效率為50%～70%，大型泵可達90%。

（4）軸功率離心泵的功率是泵軸所需的功率。當泵直接由電動機帶動時，也就是電動機傳給軸的輸出功率，以N表示，單位為W或kW。有效功率是排送到管道的液體從葉輪所獲得的功率，以Ne表示。由於有容積損失、水力損失與機械損失，所以泵的軸功率大於有效功率，即

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而有效功率可寫成

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式中qv——泵的排量（m³/s）；

h——泵的壓頭（m）；

ρ——被輸送液體的密度（kg/m³）；

g——重力加速度（m/s²）。

若式（2-5）中Ne用kW來計量，則

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泵的功率為

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p為泵的工作壓力。

2.離心泵的特性曲線

前已述及離心泵的主要性能參數是排量、工作壓力（壓頭）、泵功率及效率，其間的關系由實驗測得，測出的一組關系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線，此曲線由泵的製造廠提供，並附於泵樣本或說明書中，供使用部門選泵和操作時參考。

圖2-9為國產4B20型離心水泵在n＝2900r/min時的特性曲線，由h-qv、N-qv及η-qv三條曲線所組成。特性曲線是在固定的轉速下測出的，只適用於該轉速，故特性曲線圖上都標明轉速n的數值。

（1）h-qv曲線表示泵的壓頭與排量的關系。離心泵的工作壓力普遍是隨排量的增大而下降（在排量極小時可能有例外）。

（2）N-qv曲線表示泵的軸功率與排量的關系。離心泵的功率隨排量的增大而上升，排量為零時軸功率最小。所以離心泵啟動時，應關閉泵的出口閥門，使啟動電流減少，以保護電機。

（3）η-qv曲線表示泵的效率與排量的關系。從圖2-9所示的特性曲線看出，當qv＝0時η＝0，隨著排量的增大，泵的效率隨之而上升並達到一最大值；以後排量再增，效率便下降。說明離心泵在一定轉速下有一最高效率點，稱為設計點。泵在與最高效率相對應的排量及壓頭下工作最為經濟，所以與最高效率點對應的qv、h、N值稱為最佳工況參數。離心泵的銘牌上標出的性能參數就是指該泵在運行時效率最高點的狀況參數。但實際上離心泵往往不可能正好在該條件下運轉，因此一般只能規定一個工作范圍，稱為泵的高效率區，通常為最高效率的92%左右。選用離心泵時，應盡可能使泵在此范圍內工作。

圖2-94B20型離心水泵的特性曲線

3.離心泵的轉速對特性曲線的影響

離心泵的特性曲線都是在一定轉速下測定的，但在實際使用時常遇到要改變轉速的情況，這時速度三角形將發生變化，泵壓、排量、效率及泵功率也隨之改變。當液體的粘度不大且泵的效率不變時，泵排量、泵壓頭、軸功率與轉速的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——轉速為n₁時泵的性能參數；

qv₂、h₂、N₂——轉速為n₂時泵的性能參數。

當轉速變化小於20%時，可以認為效率不變，用上式進行計算誤差不大。

4.葉輪直徑對特性曲線的影響

如果只將葉輪切削而使直徑變小，且變化不大，效率可視為基本上不變，則qv與D成正比。在固定轉速之下，h與D²成正比，於是N與D³成正比。葉輪直徑和泵排量、泵壓頭、軸功率之間的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——葉輪直徑為D₁時泵的性能參數；

qv₂、h₂、N₂——葉輪直徑為D₂時泵的性能參數。

上述關系只有在直徑的變化不超過20%時才是可用的。

屬於同一系列的泵，其幾何形狀完全相似，葉輪的直徑與厚度之比是固定的。這種幾何形狀相似的泵，因直徑不同而引起的性能變化，qv與D³成正比，h與D²成正比，於是N與D⁵成正比。葉輪直徑和排量、壓頭、功率之間的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——葉輪直徑為D₁時泵的性能；

qv₂、h₂、N₂——葉輪直徑為D₂時泵的性能。

5.液體物理性質的影響

泵生產部門所提供的離心泵特性曲線一般都是在一定轉速和常壓下，以常溫的清水為工質做實驗測得的。當所輸送的液體性能與水相差較大時，要考慮粘度及密度對特性曲線的影響。

（1）粘度的影響離心泵所輸送的液體粘度愈大，泵體內能量損失愈多。結果泵的工作壓力、排量都要減少，效率下降，而功率則要增大，所以特性曲線改變。

（2）密度的影響由離心泵的基本方程式看出，離心泵的壓頭、排量均與液體的密度無關，則泵的效率亦不隨液體的密度而改變，所以，h-qv與η-qv曲線保持不變。但是泵的軸功率隨液體密度而改變。因此，當被輸送的密度與水不同時，原產品目錄中對該泵所提供的N-qv曲線不再適用，此時泵的軸功率可按式（2-9）重新計算。

（3）溶質的影響如果輸送的液體是水溶液，濃度的改變必然影響液體的粘度和密度。濃度越高，與清水差別越大。濃度對離心泵特性曲線的影響，同樣反映在粘度和密度上。如果輸送液體中含有懸浮物等固體物質，則泵特性曲線除受濃度影響外，還受到固體物質的種類以及粒度分布的影響。

四、離心泵的安裝高度和氣蝕現象

（一）氣蝕現象

離心泵通過旋轉的葉輪對液體作功，使液體能量（包括動能和靜壓能）增加，在葉輪運動的過程中，液體的速度和壓力隨之變化。通常離心泵葉輪入口處是壓力最低的地方。如果這個地方液體的壓力等於或低於在該溫度下液體的飽和蒸汽壓力pv，就會有蒸汽從液體中大量逸出，形成許多蒸汽和氣體相混合的小氣泡。這些小氣泡隨液體流到高壓區時，由於氣泡內為飽和蒸汽壓，而氣泡周圍大於飽和蒸汽壓，因而產生了壓差。在這個壓差作用下，氣泡受壓破裂而重新凝結。在凝結過程中，液體質點從四周向氣泡中心加速運動，在急劇凝結的一瞬間，質點互相撞擊，產生很高的局部壓力。這些氣泡如果在金屬表面附近破裂而凝結，則液體就像無數小彈頭一樣，連續打擊在金屬表面上。在壓力很大（幾百大氣壓）頻率很高（每秒幾萬次之多）的連續打擊下，金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種現象叫做汽蝕現象。離心泵在嚴重的汽蝕狀態下運轉時，發生汽蝕的部位很快就被破壞成蜂窩或海綿狀，使泵的壽命大大地縮短。同時，因汽蝕引起泵體振動，泵的吸液能力和效率也大大下降。為了保證離心泵的正常操作，避免發生汽蝕，泵安裝的吸水高度絕對不能超過規定，以保證泵入口處的壓力大於液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓。

（二）離心泵的安裝高度

我國的離心泵規格中，採用兩種指標對泵的安裝高度加以限制，以免發生汽蝕，現將這兩個指標介紹如下。

1.允許吸上真空高度

允許吸上真空高度h_s是指泵入口處壓力p₁可允許達到的最高真空度，其表達式為

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式中h_s——離心泵的允許吸上真空高度，m液柱；

p_a——大氣壓（N/m²）；

ρ——被輸送液體的密度（kg/m³）。

要確定允許吸上真空度與允許安裝高度h_g之間關系，可設離心泵吸液裝置如圖2-10所示。以貯槽液面為基準面，列出槽面0-0與泵入口1-1截面的柏努利方程式，則

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式中，∑h_f為液體流經吸入管路時所損失的壓頭（m）。由於貯槽是敞口的，則p₀為大氣壓p_a。

上式可寫成

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將式（2-10）代入上式，則

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此式可用於計算泵的安裝高度。

圖2-10離心泵吸液示意圖

由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應該盡量減少

和∑h_f。為了減少

，在同一流量下，應選用直徑稍大的吸入管以外，吸入管應盡可能地短，並且盡量減少彎頭和不安裝截止閥等。

泵製造廠只能給出h_s值，而不能直接給出h_g值。因為每台泵使用條件不同，吸入管路的布置情況也各異，有不同的

和∑h_f值，所以只能由使用單位根據吸入管路具體的布置情況，由計算確定h_g。

在泵樣本或說明書中所給出的h_s是指大氣壓力為10mH₂O，水溫為20℃狀態下的數值，如果泵的使用條件與該狀態不同時，則應把樣本上所給出的h_s值，換算成操作條件下的h′_s值，其換算公式為

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式中h′_s——操作條件下輸送液體時的允許上真空高度（mH₂O）；

h_s——泵樣本中給出的允許吸上真空度高（mH₂O）；

h_a——泵工作處的大氣壓（mH₂O）；

h_r——操作溫度下液體的飽和蒸汽壓（mH₂O）。

泵安裝地點的海拔越高，大氣壓力就越低，允許吸上真空度就小，若輸送液體的溫度越高，或液體越易揮發所對應的飽和蒸汽壓就越高，這時，泵的允許吸上真空度也就越小。不同海拔高度時大氣壓如表2-1。

表2-1不同海拔高度的大氣壓力

2.汽蝕餘量

汽蝕餘量△h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭

與動壓頭

之和超過液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓頭

的某一最小指定值，即

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式中△h——汽蝕餘量（m）；

p_r——操作溫度下液體飽和蒸汽壓（N/m²）。

將式（2-11）與（2-14）合並可導出汽蝕餘量△h與允許安裝高度h_g之間關系為

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式中p₀為液面上方的壓力，若為敞口液面，則

p₀＝p_a

應當注意，泵性能表上△h值也是按輸送20℃水而規定的。當輸送其它液體時，需進行校正。

由上可知，只要已知允許吸上真空高度h_s與汽蝕餘量△h中的任一個參數，均可確定泵的安裝高度。

五、離心泵的類型與選擇

1.離心泵的類型

工業生產中被輸送液體的性質、壓強、流量等差異很大，為了適應各種不同要求，離心泵的類型也是多種多樣的。按液體的性質可分為水泵、耐腐蝕泵、油泵、雜質泵等；按葉輪吸入方式可分為單吸泵與雙吸泵；按葉輪數目又可分為單級泵與多級泵。各種類型的離心泵按照其結構特點各自成為一個系列，並以一個或幾個漢語拼音字母作為系列代號，在每一系列中，由於有各種不同的規格，因而附以不同的字母和數字來區別。現對工廠中常用離心泵的類型作簡要說明。

（1）水泵（B型、D型、Sh型）凡是輸送清水以及物理、化學性質類似於水的清潔液體，都可以用水泵。

應用最廣泛的為單級單吸懸臂式離心水泵，其系列代號為B，稱B型水泵，其結構如圖2-11所示。泵體和泵蓋都是用鑄鐵製成，全系列揚程范圍為8～98m，排量范圍為4.5～360m³/h。

若所要求的壓頭較高而流量並不太大時，可採用多級泵，如圖2-12所示，在一根軸上串聯多個葉輪，從一個葉輪流出的液體通過泵殼內的導輪，引導液體改變流向，同時將一部分動能轉變為靜壓能，然後進入下一個葉輪入口，液體從幾個葉輪多次接受能量，故可達到較高的壓頭。我國生產的多級泵系列代號D，稱為D型離心泵，一般自2級到9級，最多可到12級，全系列揚程范圍為14～351m，排量范圍為10.8～850m³/h。

若輸送液體的流量較大而所需的壓頭並不高時，則可採用雙吸泵。雙吸泵的葉輪有兩個入口，如圖2-13所示。由於雙吸泵葉輪的厚度與直徑之比加大，且有兩個吸入口，故輸液量較大。我國生產的雙吸離心泵系列代號為Sh，全系列揚程范圍為9～140m，排量范圍為120～12500m³/h。

（2）耐腐蝕泵（F型）輸送酸、鹼等腐蝕性液體時應採用耐腐蝕泵，其主要特點是和液體接觸的部件用耐腐蝕材料製成。各種材料製造的耐腐蝕泵在結構上都要求簡單，易更換零件，檢修方便。都用F作為耐腐蝕泵的系列代號。在F後面再加一個字母表示材料代號，以作區別。我國生產的F型泵採用了許多材料製造，例如：

圖2-11B型水泵結構圖

1-泵體；2-葉輪；3-密封環；4-護軸套；5-後蓋；6-泵軸；7-托架；8-聯軸墨部件

圖2-12多級泵示意圖

圖2-13雙吸泵示意圖

灰口鑄鐵——材料代號為H，用於輸送濃硫酸；

高硅鑄鐵——材料代號為G，用於輸送壓強不高的硫酸或以硫酸為主的混酸；

鉻鎳合金鋼——材料代號為B，用於常溫輸送低濃度的硝酸、氧化性酸液、鹼液和其他弱腐蝕性液體；

鉻鎳鉬鈦合金鋼-材料代號為M，最適用於硝酸及常溫的高濃度硝酸；

聚三氟氯乙稀塑料-材料代號為S，適用於90℃以下的硫酸、硝酸、鹽酸和鹼液。

耐腐蝕泵的另一個特點是密封要求高。由於填料本身被腐蝕的問題也難徹底解決，所以F型泵根據需要採用機械密封裝置。

F型泵全系列的揚程范圍為15～105m，排量范圍為2～400m³/h。

圖2-14B型水泵系列特性曲線

表2-2B型水泵性能表（部分）

註：括弧內數字是JO型電機功率。

（3）雜質泵（P型）輸送懸浮液及粘稠的漿液等常用雜質泵。在非金屬礦產加工過程中得到廣泛地應用。系列代號為P，又細分為污水泵PW、砂泵PS、泥漿泵PN等。對這類泵的要求是：不易被雜質堵塞、耐磨、容易拆洗。所以它的特點是葉輪流道寬，葉片數目少，常採用半閉式或開式葉輪。有些泵殼內襯以耐磨的鑄鋼護板或橡膠襯板。

在泵的產品目錄或樣本中，泵的型號是由字母和數字組合而成，以代表泵的類型、規格等，現舉例說明。

8B29A：

其中8——泵吸入口直徑，英寸，即8×25＝200mm；

B——單級單吸懸臂式離心水泵；

29——泵的揚程，m；

A——該型號泵的葉輪直徑經切割比基本型號8B29的小一級。

為了選用方便，泵的生產部門常對同一類型的泵提供系列特性曲線，圖2-14就是B型水泵系列特性曲線圖。把同一類型的各型號泵與較高效率范圍相對應的一段h-qv曲線，繪在一個總圖上。圖中扇形面的上方弧形線代表基本型號，下方弧形線代表葉輪直徑比基本型號小一級的型號A。若扇形面有三條弧形線，則中間弧形線代表型號A，下方弧形線代表葉輪直徑比基本型號再小一級的型號B。圖中的符號與數字見圖內說明。

2.離心泵的選擇

離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進行：

（1）確定輸送系統的流量與工作壓力（壓頭） 液體的輸送量一般為生產任務所規定，如果流量在一定范圍內變動，選泵時應按最大流量考慮。根據輸送系統管路的安排，用柏努利方程式計算在最大流量下管路所需的壓頭。

（2）選擇泵的類型與型號根據被輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型。按已確定的流量Q_e和壓頭h_e或工作壓力p從泵樣本或產品目錄中選出合適的型號。選出的泵能提供的排量Q和壓頭h不見得與管路所要求的Q_e和壓頭h_e或工作壓力p完全相符，而且考慮到操作條件的變化和應具備一定的潛力，所選的泵可以稍大一些，但在該條件下泵的效率應比較高，即點（Q_e、h_e）坐標位置應靠近在泵的高效率范圍所對應的h-qv曲線下方。

泵的型號選出後，應列出該泵的各種性能參數（表2-2是B型泵的性能表（部分））。

（3）核算泵的軸功率若輸送液體的密度大於水的密度時，可按式（2-7）核算泵的軸功率。

C. 離心水泵

一、離心泵的工作原理

圖2-1所示為一個安裝在管路上的離心泵。主要部件有葉輪1與泵殼2等。具有若干彎曲葉片的葉輪安裝在泵殼內，並緊固於泵軸3上。泵殼中央的吸水口4與吸水管路5相連接，側旁的排出口8與排出管路9相連接。

離心泵一般用電動機帶動，在啟動前需向殼內灌滿被輸送的液體。啟動電動機後，泵軸帶動葉輪一起旋轉，充滿葉片之間的液體也隨著轉動，在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣的過程中便獲得了能量，使葉輪外緣的液體靜壓強提高，同時也增大了流速，一般可達15～25m/s，即液體的動能也有所增加。液體離開葉輪進入泵殼後，由於泵殼中流道逐漸加寬，液體的流速逐漸降低，又將一部分動能轉變為靜壓能，使泵出口處液體的壓強進一步提高，於是液體以較高的壓強，從泵的排出口進入排出管路，輸送至所需的場所。

當泵內液體從葉輪中心被拋向外緣時，在中心處形成了低壓區，由於貯槽液面上方的壓強大於泵吸入口處的壓強，在壓強差的作用下，液體便經吸入管路連續地被吸入泵內，以補充被排出液體的位置。只要葉輪不斷地轉動，液體便不斷地被吸入和排出。由此可見，離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉的葉輪。液體在離心力的作用下獲得了能量以提高壓強。

離心泵啟動時，如果泵殼與吸入管路內沒有充滿液體，則泵殼內存有空氣，由於空氣的密度遠小於液體的密度，產生的離心力小，因而葉輪中心處所形成的低壓不足以將貯槽內的液體吸入泵內，此時雖啟動離心泵也不能輸送液體，此種現象稱為氣縛，表示離心泵無自吸能力，所以啟動前必須向殼體內灌滿液體。若離心泵的吸入口位於吸液貯槽液面的上方，在吸入管路的進口處應裝一單向底閥6和濾網7。底閥是防止啟動前所灌入的液體從泵內漏失，濾網可以阻攔液體中的固體物質被吸入而堵塞管道和泵殼。靠近泵出口處的排出管路上裝有調節閥10，以供開車、停車及調節流量時使用。

圖2-1離心泵裝置簡圖

1-葉輪；2-泵殼；3-泵軸；4-吸入口；5-吸入管；6-底閥；7-濾網；8-排出口；9-排出管；10-調節閥

二、離心泵的主要部件

離心泵最主要的部件為葉輪、泵殼與軸封裝置，下面分別簡述其結構和作用。

（1）葉輪葉輪的作用是將原動機的機械能傳給液體，使液體的靜壓能和動能均有所提高。

離心泵的葉輪如圖2-2所示，葉輪內有6～12片彎曲的葉片1。圖中（a）所示的葉片兩側有前蓋板2及後蓋板3的葉輪，稱為閉式葉輪。液體從葉輪中央的入口進入後，經兩蓋板與葉片之間的流道流向葉輪外緣，在這過程中液體從旋轉葉輪獲得了能量，並由於葉片間流道的逐漸擴大，故也有一部分動能轉變為靜壓能。有些吸入口側無前蓋的葉輪，稱為半閉式葉輪，如圖中（b）所示。沒有前、後蓋板的葉輪，稱為開式葉輪，如圖中（c）所示，半閉式與開式葉輪可用於輸送漿料或含有固體懸浮物的液體，因取消蓋板後葉輪流道不容易堵塞，但也由於沒有蓋板，液體在葉片間運動時容易產生倒流，故效率也較低。

圖2-2離心泵的葉輪

（a）閉式；（b）半閉式；（c）開式

閉式或半閉式葉輪在工作時，有一部分離開葉輪的高壓液體漏入葉輪與泵殼之間的兩側空腔中去，而葉輪前側液體吸入口處為低壓，故液體作用於葉輪前、後兩側的壓力不等，便產生了指向葉輪吸入口方向的軸向推力，使葉輪向吸入口側竄動，引起葉輪與泵殼接觸處磨損，嚴重時造成泵的振動。為此，可在葉輪後蓋板上鑽一些小孔（見圖2-3（a）中的1）。這些小孔稱為平衡孔，它的作用是使後蓋板與泵殼之間的空腔中一部分高壓液體漏到低壓區，以減少葉輪兩側的壓力差，從而起到平衡一部分軸向推力的作用，但同時也會降低泵的效率。平衡孔是離心泵中最簡單的一種平衡軸向推力的方法。

按吸液方式的不同，葉輪還有單吸和雙吸兩種。單吸式葉輪的結構簡單，如圖2-3（a）所示，液體只能從葉輪一側被吸入。雙吸式葉輪如圖2-3（b）所示，液體可同時從葉輪兩側吸入。顯然，雙吸式葉輪具有較大的吸液能力，而且基本上可以消除軸向推力。

圖2-3吸液方式（a）單吸式；（b）雙吸式

（2）泵殼離心泵的泵殼又稱蝸殼，因殼內有一個截面逐漸擴大的蝸牛殼形通道，如圖2-4的1所示。葉輪在殼內順著蝸形通道逐漸擴大的方向旋轉，愈接近液體出口，通道截面積愈大。因此，液體從葉輪外緣以高速度被拋出後，沿泵殼的蝸牛形通道向排出口流動，流速便逐漸降低，減少了能量損失，且使部分動能有效地轉變為靜壓能。所以泵殼不僅作為一個匯集由葉輪拋出液體的部件，而且本身又是一個轉能裝置。

為了減少液體直接進入蝸殼時的碰撞，在葉輪與泵殼之間有時還裝有一個固定不動而帶有葉片的圓盤。這個圓盤稱為導輪，如圖2-4中的3所示。導輪具有很多逐漸轉向的流道，使高速液體流過時能均勻而緩和地將動能轉變為靜壓能，從而減少能量損失。

圖2-4泵殼與導輪1-泵殼；2-葉輪；3-導輪

（3）軸封裝置泵軸與泵殼之間的密封稱為軸封。軸封的作用是防止高壓液體從泵殼內沿軸的四周漏出，或者防止外界空氣以相反方向漏入泵殼內。常用的軸封裝置有填料密封和機械密封兩種。

普通離心泵所採用的軸封裝置是填料函，俗稱盤根箱，如圖2-5所示。圖中1是和泵殼連在一起的填料函殼；2是軟填料，一般為浸油或塗石墨的石棉繩；4是填料壓蓋，可用螺釘擰緊，使填料壓緊在填料函殼與轉軸之間，以達到密封的目的；5是內襯套，用來防止填料擠入泵內。由於泵殼與轉軸接觸處可能是泵內的低壓區，為了更好地防止空氣從填料函不嚴密處漏入泵內，故在填料函內裝有液封圈3。如圖2-6所示，液封圈是一個金屬環，環上開了一些徑向的小孔，通過填料函殼上的小管可以和泵的排出口相通，使泵內高壓液體順小管流入液封圈內，以防止空氣漏入泵內，所流入的液體還起到潤滑、冷卻填料和軸的作用。

圖2-5填料函

1-填料函殼；2-軟填料；3-液封圈；4-填料壓蓋；5-內襯套

圖2-6液封圈

對於輸送酸、鹼以及易燃、易爆、有毒的液體，密封的要求就比較高，既不允許漏入空氣，又力求不讓液體滲出。近年來已廣泛採用稱為機械密封的軸封裝置。它由一個裝在轉軸上的動環和另一個固定在泵殼上的靜環所組成，兩環的端面借彈簧力互相貼緊而作相對運動，起到了密封的作用，故又稱為端面密封。圖2-7是國產AX型機械密封裝置的結構，該裝置的左側連接泵殼。螺釘1把傳動座2固定於轉軸上。傳動座內裝有彈簧3、推環4、動環密封圈5與動環6，所有這些部件都隨軸一起轉動。靜環7和靜環密封圈8裝在密封端蓋上，並由防轉銷9加以固定，所有這些部件都是靜止不動的。這樣，當軸轉動時，動環6轉動而靜環7不動，兩環間借彈簧的彈力作用而貼緊。由於兩環端面的加工非常光滑，故液體在兩環端面的泄漏量極少。此外，動環6和泵軸之間的間隙有動環密封圈5堵住，靜環7和密封端蓋之間的間隙有靜環密封圈8堵住，這兩處間隙並無相對運動，故很不易發生泄漏。動環一般用硬材料，如高硅鑄鐵或由堆焊硬質合金製成。靜環用非金屬材料，一般由浸漬石墨、酚醛塑料等製成。這樣，在動環與靜環的相互摩擦中，靜環較易磨損，但從機械密封裝置的結構看來，靜環易於更換。動環與靜環的密封圈常用合成橡膠或塑料製成。

圖2-7機械密封裝置

1-螺釘；2-傳動座；3-彈簧；4-推環；5-動環密封圈；6-動環；7-靜環；8-靜環密封圈；9-防轉銷

機械密封裝置安裝時，要求動環與靜環嚴格地與軸中心線垂直，摩擦面很好地研合，並通過調整彈簧壓力，使端面密封機構能在正常工作時，於兩摩擦面間形成一薄層液膜，以造成較好地密封和潤滑作用。

機械密封與填料密封相比較，有以下優點：密封性能好，使用壽命長，軸不易摩損，功率消耗小。其缺點是零件加工精度高，機械加工較復雜，對安裝的技術條件要求比較嚴格，裝卸和更換零件較麻煩，價格也比填料函的高得多。

三、離心泵的主要性能參數與特性曲線

1.離心泵的主要性能參數

為了正確選擇和使用離心泵，需要了解泵的性能。離心泵的主要性能參數有排量、工作壓力（壓頭）效率和輸入功率，這些參數標注在泵的銘牌上，現將各項意義分述於下。

（1）排量離心泵的排量，是指泵的送液數量能力，是指離心泵在單位時間內所排送的液體體積，以qv表示，單位常為1/s或m³/h。離心泵的排量取決於泵的結構、尺寸（主要為葉輪的直徑與葉片的寬度）和轉速。

（2）工作壓力離心泵的工作壓力又可用壓頭或泵的揚程表示，是指泵對單位重量的液體所能提供的有效能量，工作壓力用kPa或MPa表示，壓頭用水柱高m表示。離心泵的工作壓力取決於泵的結構（如葉輪的直徑、葉片的變曲情況等）、轉速和流量。對於一定的泵，在指定的轉速下，工作壓力與排量之間具有一定的關系。

泵工作時壓力可用實驗方法測定，如圖2-8所示。在泵的進出口處分別安裝真空表和壓力表，真空表與壓力表之間列柏努利方程式，即

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或

式中p_M——壓力表讀出的壓力（表壓）（N／m²）；

pv——真空表讀出的真空度（N／m²）；

v₁、v₂——吸入管、壓出管中液體的流速（m/s）；

∑h_f——兩截面的壓頭損失（m）。

圖2-8泵壓測定安裝圖

1-流量計；2-壓強表；3-真空計；4-離心泵；5-貯槽

由於兩截面之間管路很短，其壓頭損失∑h_f可忽略不計。若以h_M及h_v分別表示壓力表和真空表上的讀數，以液柱高m作計算，則（2-1）可改寫為

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（3）效率在輸送液體過程中，外界能量通過葉輪傳給液體時，不可避免地會有能量損失，故泵軸轉動所做的功不能全部都為液體所獲得，通常用效率η來反映能量損失。這些能量損失包括容積損失、水力損失及機械損失，現將其產生原因分述如下：

容積損失容積損失是由於泵的泄漏造成的。離心泵在運轉過程中，有一部分獲得能量的高壓液體，通過葉輪與泵殼之間的縫隙漏回吸入口，或從填料函處漏至泵殼外，因此，從泵排出的實際流量要比理論排出量為低，其比值稱為容積效率η₁。

水力損失水力損失是當流體流過葉輪、泵殼時，由於流速大小和方向要改變等原因，流體在泵體內產生沖擊而損失能量，所以泵的實際壓力要比泵理論上所能提供的壓力為低，其比值稱為水力效率η₂。

機械損失機械損失是泵在運轉時，泵軸與軸承之間、泵軸與填料函之間、葉輪蓋板外表面與液體之間均產生摩擦，從而引起的能量損失。可用機械效率η₃表示。

泵的總效率η（又稱效率）等於上述三種效率的乘積，即

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對離心泵來說，一般小型泵的效率為50%～70%，大型泵可達90%。

（4）軸功率離心泵的功率是泵軸所需的功率。當泵直接由電動機帶動時，也就是電動機傳給軸的輸出功率，以N表示，單位為W或kW。有效功率是排送到管道的液體從葉輪所獲得的功率，以Ne表示。由於有容積損失、水力損失與機械損失，所以泵的軸功率大於有效功率，即

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而有效功率可寫成

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式中qv——泵的排量（m³/s）；

h——泵的壓頭（m）；

ρ——被輸送液體的密度（kg/m³）；

g——重力加速度（m/s²）。

若式（2-5）中Ne用kW來計量，則

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泵的功率為

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p為泵的工作壓力。

2.離心泵的特性曲線

前已述及離心泵的主要性能參數是排量、工作壓力（壓頭）、泵功率及效率，其間的關系由實驗測得，測出的一組關系曲線稱為離心泵的特性曲線或工作性能曲線，此曲線由泵的製造廠提供，並附於泵樣本或說明書中，供使用部門選泵和操作時參考。

圖2-9為國產4B20型離心水泵在n＝2900r/min時的特性曲線，由h-qv、N-qv及η-qv三條曲線所組成。特性曲線是在固定的轉速下測出的，只適用於該轉速，故特性曲線圖上都標明轉速n的數值。

（1）h-qv曲線表示泵的壓頭與排量的關系。離心泵的工作壓力普遍是隨排量的增大而下降（在排量極小時可能有例外）。

（2）N-qv曲線表示泵的軸功率與排量的關系。離心泵的功率隨排量的增大而上升，排量為零時軸功率最小。所以離心泵啟動時，應關閉泵的出口閥門，使啟動電流減少，以保護電機。

（3）η-qv曲線表示泵的效率與排量的關系。從圖2-9所示的特性曲線看出，當qv＝0時η＝0，隨著排量的增大，泵的效率隨之而上升並達到一最大值；以後排量再增，效率便下降。說明離心泵在一定轉速下有一最高效率點，稱為設計點。泵在與最高效率相對應的排量及壓頭下工作最為經濟，所以與最高效率點對應的qv、h、N值稱為最佳工況參數。離心泵的銘牌上標出的性能參數就是指該泵在運行時效率最高點的狀況參數。但實際上離心泵往往不可能正好在該條件下運轉，因此一般只能規定一個工作范圍，稱為泵的高效率區，通常為最高效率的92%左右。選用離心泵時，應盡可能使泵在此范圍內工作。

圖2-94B20型離心水泵的特性曲線

3.離心泵的轉速對特性曲線的影響

離心泵的特性曲線都是在一定轉速下測定的，但在實際使用時常遇到要改變轉速的情況，這時速度三角形將發生變化，泵壓、排量、效率及泵功率也隨之改變。當液體的粘度不大且泵的效率不變時，泵排量、泵壓頭、軸功率與轉速的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——轉速為n₁時泵的性能參數；

qv₂、h₂、N₂——轉速為n₂時泵的性能參數。

當轉速變化小於20%時，可以認為效率不變，用上式進行計算誤差不大。

4.葉輪直徑對特性曲線的影響

如果只將葉輪切削而使直徑變小，且變化不大，效率可視為基本上不變，則qv與D成正比。在固定轉速之下，h與D²成正比，於是N與D³成正比。葉輪直徑和泵排量、泵壓頭、軸功率之間的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——葉輪直徑為D₁時泵的性能參數；

qv₂、h₂、N₂——葉輪直徑為D₂時泵的性能參數。

上述關系只有在直徑的變化不超過20%時才是可用的。

屬於同一系列的泵，其幾何形狀完全相似，葉輪的直徑與厚度之比是固定的。這種幾何形狀相似的泵，因直徑不同而引起的性能變化，qv與D³成正比，h與D²成正比，於是N與D⁵成正比。葉輪直徑和排量、壓頭、功率之間的近似關系為：

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式中qv₁、h₁、N₁——葉輪直徑為D₁時泵的性能；

qv₂、h₂、N₂——葉輪直徑為D₂時泵的性能。

5.液體物理性質的影響

泵生產部門所提供的離心泵特性曲線一般都是在一定轉速和常壓下，以常溫的清水為工質做實驗測得的。當所輸送的液體性能與水相差較大時，要考慮粘度及密度對特性曲線的影響。

（1）粘度的影響離心泵所輸送的液體粘度愈大，泵體內能量損失愈多。結果泵的工作壓力、排量都要減少，效率下降，而功率則要增大，所以特性曲線改變。

（2）密度的影響由離心泵的基本方程式看出，離心泵的壓頭、排量均與液體的密度無關，則泵的效率亦不隨液體的密度而改變，所以，h-qv與η-qv曲線保持不變。但是泵的軸功率隨液體密度而改變。因此，當被輸送的密度與水不同時，原產品目錄中對該泵所提供的N-qv曲線不再適用，此時泵的軸功率可按式（2-9）重新計算。

（3）溶質的影響如果輸送的液體是水溶液，濃度的改變必然影響液體的粘度和密度。濃度越高，與清水差別越大。濃度對離心泵特性曲線的影響，同樣反映在粘度和密度上。如果輸送液體中含有懸浮物等固體物質，則泵特性曲線除受濃度影響外，還受到固體物質的種類以及粒度分布的影響。

四、離心泵的安裝高度和氣蝕現象

（一）氣蝕現象

離心泵通過旋轉的葉輪對液體作功，使液體能量（包括動能和靜壓能）增加，在葉輪運動的過程中，液體的速度和壓力隨之變化。通常離心泵葉輪入口處是壓力最低的地方。如果這個地方液體的壓力等於或低於在該溫度下液體的飽和蒸汽壓力pv，就會有蒸汽從液體中大量逸出，形成許多蒸汽和氣體相混合的小氣泡。這些小氣泡隨液體流到高壓區時，由於氣泡內為飽和蒸汽壓，而氣泡周圍大於飽和蒸汽壓，因而產生了壓差。在這個壓差作用下，氣泡受壓破裂而重新凝結。在凝結過程中，液體質點從四周向氣泡中心加速運動，在急劇凝結的一瞬間，質點互相撞擊，產生很高的局部壓力。這些氣泡如果在金屬表面附近破裂而凝結，則液體就像無數小彈頭一樣，連續打擊在金屬表面上。在壓力很大（幾百大氣壓）頻率很高（每秒幾萬次之多）的連續打擊下，金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種現象叫做汽蝕現象。離心泵在嚴重的汽蝕狀態下運轉時，發生汽蝕的部位很快就被破壞成蜂窩或海綿狀，使泵的壽命大大地縮短。同時，因汽蝕引起泵體振動，泵的吸液能力和效率也大大下降。為了保證離心泵的正常操作，避免發生汽蝕，泵安裝的吸水高度絕對不能超過規定，以保證泵入口處的壓力大於液體輸送溫度下的飽和蒸汽壓。

（二）離心泵的安裝高度

我國的離心泵規格中，採用兩種指標對泵的安裝高度加以限制，以免發生汽蝕，現將這兩個指標介紹如下。

1.允許吸上真空高度

允許吸上真空高度h_s是指泵入口處壓力p₁可允許達到的最高真空度，其表達式為

非金屬礦產加工機械設備

式中h_s——離心泵的允許吸上真空高度，m液柱；

p_a——大氣壓（N/m²）；

ρ——被輸送液體的密度（kg/m³）。

要確定允許吸上真空度與允許安裝高度h_g之間關系，可設離心泵吸液裝置如圖2-10所示。以貯槽液面為基準面，列出槽面0-0與泵入口1-1截面的柏努利方程式，則

非金屬礦產加工機械設備

式中，∑h_f為液體流經吸入管路時所損失的壓頭（m）。由於貯槽是敞口的，則p₀為大氣壓p_a。

上式可寫成

非金屬礦產加工機械設備

將式（2-10）代入上式，則

非金屬礦產加工機械設備

此式可用於計算泵的安裝高度。

圖2-10離心泵吸液示意圖

由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應該盡量減少

和∑h_f。為了減少

，在同一流量下，應選用直徑稍大的吸入管以外，吸入管應盡可能地短，並且盡量減少彎頭和不安裝截止閥等。

泵製造廠只能給出h_s值，而不能直接給出h_g值。因為每台泵使用條件不同，吸入管路的布置情況也各異，有不同的

和∑h_f值，所以只能由使用單位根據吸入管路具體的布置情況，由計算確定h_g。

在泵樣本或說明書中所給出的h_s是指大氣壓力為10mH₂O，水溫為20℃狀態下的數值，如果泵的使用條件與該狀態不同時，則應把樣本上所給出的h_s值，換算成操作條件下的h′_s值，其換算公式為

非金屬礦產加工機械設備

式中h′_s——操作條件下輸送液體時的允許上真空高度（mH₂O）；

h_s——泵樣本中給出的允許吸上真空度高（mH₂O）；

h_a——泵工作處的大氣壓（mH₂O）；

h_r——操作溫度下液體的飽和蒸汽壓（mH₂O）。

泵安裝地點的海拔越高，大氣壓力就越低，允許吸上真空度就小，若輸送液體的溫度越高，或液體越易揮發所對應的飽和蒸汽壓就越高，這時，泵的允許吸上真空度也就越小。不同海拔高度時大氣壓如表2-1。

表2-1不同海拔高度的大氣壓力

2.汽蝕餘量

汽蝕餘量△h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭

與動壓頭

之和超過液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓頭

的某一最小指定值，即

非金屬礦產加工機械設備

式中△h——汽蝕餘量（m）；

p_r——操作溫度下液體飽和蒸汽壓（N/m²）。

將式（2-11）與（2-14）合並可導出汽蝕餘量△h與允許安裝高度h_g之間關系為

非金屬礦產加工機械設備

式中p₀為液面上方的壓力，若為敞口液面，則

p₀＝p_a

應當注意，泵性能表上△h值也是按輸送20℃水而規定的。當輸送其它液體時，需進行校正。

由上可知，只要已知允許吸上真空高度h_s與汽蝕餘量△h中的任一個參數，均可確定泵的安裝高度。

五、離心泵的類型與選擇

1.離心泵的類型

工業生產中被輸送液體的性質、壓強、流量等差異很大，為了適應各種不同要求，離心泵的類型也是多種多樣的。按液體的性質可分為水泵、耐腐蝕泵、油泵、雜質泵等；按葉輪吸入方式可分為單吸泵與雙吸泵；按葉輪數目又可分為單級泵與多級泵。各種類型的離心泵按照其結構特點各自成為一個系列，並以一個或幾個漢語拼音字母作為系列代號，在每一系列中，由於有各種不同的規格，因而附以不同的字母和數字來區別。現對工廠中常用離心泵的類型作簡要說明。

（1）水泵（B型、D型、Sh型）凡是輸送清水以及物理、化學性質類似於水的清潔液體，都可以用水泵。

應用最廣泛的為單級單吸懸臂式離心水泵，其系列代號為B，稱B型水泵，其結構如圖2-11所示。泵體和泵蓋都是用鑄鐵製成，全系列揚程范圍為8～98m，排量范圍為4.5～360m³/h。

若所要求的壓頭較高而流量並不太大時，可採用多級泵，如圖2-12所示，在一根軸上串聯多個葉輪，從一個葉輪流出的液體通過泵殼內的導輪，引導液體改變流向，同時將一部分動能轉變為靜壓能，然後進入下一個葉輪入口，液體從幾個葉輪多次接受能量，故可達到較高的壓頭。我國生產的多級泵系列代號D，稱為D型離心泵，一般自2級到9級，最多可到12級，全系列揚程范圍為14～351m，排量范圍為10.8～850m³/h。

若輸送液體的流量較大而所需的壓頭並不高時，則可採用雙吸泵。雙吸泵的葉輪有兩個入口，如圖2-13所示。由於雙吸泵葉輪的厚度與直徑之比加大，且有兩個吸入口，故輸液量較大。我國生產的雙吸離心泵系列代號為Sh，全系列揚程范圍為9～140m，排量范圍為120～12500m³/h。

（2）耐腐蝕泵（F型）輸送酸、鹼等腐蝕性液體時應採用耐腐蝕泵，其主要特點是和液體接觸的部件用耐腐蝕材料製成。各種材料製造的耐腐蝕泵在結構上都要求簡單，易更換零件，檢修方便。都用F作為耐腐蝕泵的系列代號。在F後面再加一個字母表示材料代號，以作區別。我國生產的F型泵採用了許多材料製造，例如：

圖2-11B型水泵結構圖

1-泵體；2-葉輪；3-密封環；4-護軸套；5-後蓋；6-泵軸；7-托架；8-聯軸墨部件

圖2-12多級泵示意圖

圖2-13雙吸泵示意圖

灰口鑄鐵——材料代號為H，用於輸送濃硫酸；

高硅鑄鐵——材料代號為G，用於輸送壓強不高的硫酸或以硫酸為主的混酸；

鉻鎳合金鋼——材料代號為B，用於常溫輸送低濃度的硝酸、氧化性酸液、鹼液和其他弱腐蝕性液體；

鉻鎳鉬鈦合金鋼-材料代號為M，最適用於硝酸及常溫的高濃度硝酸；

聚三氟氯乙稀塑料-材料代號為S，適用於90℃以下的硫酸、硝酸、鹽酸和鹼液。

耐腐蝕泵的另一個特點是密封要求高。由於填料本身被腐蝕的問題也難徹底解決，所以F型泵根據需要採用機械密封裝置。

F型泵全系列的揚程范圍為15～105m，排量范圍為2～400m³/h。

圖2-14B型水泵系列特性曲線

表2-2B型水泵性能表（部分）

註：括弧內數字是JO型電機功率。

（3）雜質泵（P型）輸送懸浮液及粘稠的漿液等常用雜質泵。在非金屬礦產加工過程中得到廣泛地應用。系列代號為P，又細分為污水泵PW、砂泵PS、泥漿泵PN等。對這類泵的要求是：不易被雜質堵塞、耐磨、容易拆洗。所以它的特點是葉輪流道寬，葉片數目少，常採用半閉式或開式葉輪。有些泵殼內襯以耐磨的鑄鋼護板或橡膠襯板。

在泵的產品目錄或樣本中，泵的型號是由字母和數字組合而成，以代表泵的類型、規格等，現舉例說明。

8B29A：

其中8——泵吸入口直徑，英寸，即8×25＝200mm；

B——單級單吸懸臂式離心水泵；

29——泵的揚程，m；

A——該型號泵的葉輪直徑經切割比基本型號8B29的小一級。

為了選用方便，泵的生產部門常對同一類型的泵提供系列特性曲線，圖2-14就是B型水泵系列特性曲線圖。把同一類型的各型號泵與較高效率范圍相對應的一段h-qv曲線，繪在一個總圖上。圖中扇形面的上方弧形線代表基本型號，下方弧形線代表葉輪直徑比基本型號小一級的型號A。若扇形面有三條弧形線，則中間弧形線代表型號A，下方弧形線代表葉輪直徑比基本型號再小一級的型號B。圖中的符號與數字見圖內說明。

2.離心泵的選擇

離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進行：

（1）確定輸送系統的流量與工作壓力（壓頭） 液體的輸送量一般為生產任務所規定，如果流量在一定范圍內變動，選泵時應按最大流量考慮。根據輸送系統管路的安排，用柏努利方程式計算在最大流量下管路所需的壓頭。

（2）選擇泵的類型與型號根據被輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型。按已確定的流量Q_e和壓頭h_e或工作壓力p從泵樣本或產品目錄中選出合適的型號。選出的泵能提供的排量Q和壓頭h不見得與管路所要求的Q_e和壓頭h_e或工作壓力p完全相符，而且考慮到操作條件的變化和應具備一定的潛力，所選的泵可以稍大一些，但在該條件下泵的效率應比較高，即點（Q_e、h_e）坐標位置應靠近在泵的高效率范圍所對應的h-qv曲線下方。

泵的型號選出後，應列出該泵的各種性能參數（表2-2是B型泵的性能表（部分））。

（3）核算泵的軸功率若輸送液體的密度大於水的密度時，可按式（2-7）核算泵的軸功率。

D. 化工單元操作與控制目錄

在化工生產過程中，化工單元操作與控制扮演著至關重要的角色。本文旨在深入探討這一主題，以幫助讀者理解其核心概念和實際應用。

首先，化工生產過程包含了從原材料的獲取、轉化到最終產品的形成一系列復雜操作。在這一過程中，化工單元操作是關鍵環節，其目標是將原料轉化為目標產物，同時確保生產過程的安全、高效和環保。這些操作涉及多個方面，包括反應、分離、蒸發、吸收、吸附、結晶等。每個單元操作都對產品的質量、生產效率和成本有著直接影響。

本課程旨在為學生提供全面的理論知識和實踐技能，以應對化工單元操作與控制的挑戰。課程內容涵蓋了理論基礎、設計方法、操作策略和控制系統等方面。通過理論學習，學生將掌握化工單元操作的基本原理、計算方法和優化技巧。實踐訓練則幫助學生將理論知識應用於實際操作中，增強解決問題的能力。

項目一：輸送系統的操作與控制，是課程中的重要組成部分。輸送系統是化工生產中不可或缺的環節，用於將原料、中間產物和最終產品在不同設備間傳輸。項目旨在讓學生深入理解輸送系統的結構、工作原理和操作控制。

任務一：認識管路和離心泵。管路作為輸送系統的核心組成部分，其設計和維護直接影響著系統的穩定性和效率。離心泵則是輸送系統中的關鍵設備，用於將液體從一個地方輸送到另一個地方。通過學習，學生將掌握管路的分類、特性以及離心泵的工作原理、性能參數和選型方法。

任務二：測量輸送系統中流體參數。流體參數的准確測量是確保輸送系統正常運行和優化操作的基礎。學生將學習如何測量流體的性質，如密度、溫度、壓力和粘度，以及流動參數，如流量、流速和壓降。此外，通過測定離心泵的運行參數，如功率、效率和揚程，學生可以評估系統性能並進行優化。

任務三：輸送系統的操作。在掌握了基本原理和測量技術後，學生將學習如何繪制輸送裝置流程簡圖，以及如何操作輸送實訓裝置。通過實踐操作，學生將學會根據生產需求調整輸送系統的參數，確保物料的正確輸送和高效利用。

總之，化工單元操作與控制課程旨在為學生提供全面的知識和技能，以應對化工生產中的復雜挑戰。通過深入學習和實踐，學生將能夠設計、操作和優化化工過程，為實現更高效、更安全和更環保的生產貢獻自己的力量。