离心泵性能实验装置简图

A. 石油开采的输油泵和阀门的作用是什么

泵是用来提升流体压力并输送流体的通用水力机械。油库主要用泵来收发和输转油品。在长距离管道输送中，泵是输油的心脏设备。含油污水处理系统、给水系统和消防系统也离不开泵。

泵按工作原理和结构特点可分为两大类。叶片式泵主要包括各种离心泵，是靠叶轮的叶片高速运转把能量连续传递给流体，提高输送压力以实现输送的。其体积小、结构简单、易于制造、流量稳定、运转方便。容积式泵是利用泵工作腔容积的周期性变化把能量传递给流体的，常用的有往复泵、齿轮泵和螺杆泵等。

一、离心泵1.离心泵的工作原理雨天，如果我们急速旋转伞柄，伞上的雨点会沿着伞的边缘飞溅出去，如图8-15所示。伞越大或旋转得越快，雨点就飞溅得越远。离心泵的工作原理与此类似，其工作过程就是能量的转化过程。泵轴将动能传递给叶轮，驱使液体高速旋转，产生的离心力使泵内流体沿叶轮流道向叶轮出口甩出。甩出的高速流体在蜗壳流道内减速、压力升高并从出口排出。产生的压力能将液体送至高处，就产生了扬程。同时，被甩出去的液体原来占据的空间变成了局部真空，叶轮入口处压力降低，在压差作用下不断将液体吸进叶轮入口。

图8-15离心泵的工作原理

离心泵是靠离心力工作的，泵内不能有气体。因气体密度小，旋转时产生的离心力小，叶轮入口不能形成真空，就无法将液体吸入泵内。故离心泵启动前必须使泵内和吸入管段充满液体，即需要灌泵。

离心泵主要由叶轮、吸入室、蜗壳和泵轴等构成，如图8-16所示。吸入室位于叶轮进口前，其作用是把液体吸入叶轮。根据形状，吸入室可分为锥形管吸入室、圆环形吸入室和螺旋形吸入室。叶轮是离心泵的重要部件，用于传递能量，有开式、半开式及闭式三类，油库常用闭式叶轮离心泵。蜗壳又叫压出室，位于叶轮出口之后，作用是汇集叶轮甩出的流体，并将流体送入压出管道或下级叶轮。

图8-18往复泵工作原理简图

1—泵缸；2—活塞；3—活塞杆；4—泵缸盖；5—进液阀；6—出液阀；7—进口管；8—排出管；9—进液罐活塞往复一次称为一个行程，左死点与右死点之间的活塞运行距离称为冲程。单作用往复泵每个行程只吸入和排出一次液体。双缸或三缸往复泵可充分利用活塞两端的空间。活塞每往复一次便可吸入和排出液体两次或三次，在吸入期间流量不会间断。

油库中常采用双缸电动活塞往复泵输送润滑油。小型往复泵可为离心泵引油灌泵，还用于抽吸车底油。

三、阀门用来开启、关闭或控制管道内介质流动的机械装置称为阀门。常用阀门有闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、止回阀、安全阀、蝶阀、防爆型电磁阀和疏水阀等。

1.闸阀闸阀是在阀杆的带动下，闸板沿阀座密封面作相对运动而达到开闭的目的。闸阀用于接通或截断管路中的介质。主要作切断用，不作节流用，所以必须全开或全关。闸阀由阀体、阀盖、闸板、阀杆和手轮等零件组成。

闸板是闸阀的关键部件。平行式闸板的两密封面都与阀杆的轴线平行，与通道中心线垂直，易制造、好修理、不易变形。楔式闸阀的密封面与阀杆的轴线对称成一定角度，两密封面成楔形。

闸阀的密封性能比截止阀好，且流动阻力小，开闭较省力。闸阀全开时密封面受介质冲蚀小，具有双流向、结构长度较小、适用范围广等特点。闸阀的缺点是外形尺寸高，开启需要一定的空间，开闭时间长，开闭时密封面容易冲蚀和擦伤。闸阀用量在各类阀门中约占绝大多数。

2.截止阀截止阀的阀瓣在阀杆带动下升降而启闭阀门。截止阀主要由阀体、阀盖、阀瓣、阀杆和手轮等组成。阀体有直通式、直流式及角式。截止阀使用极为普遍，用量较大，常用于蒸汽管、水管及小口径输油管上。全开或全闭，一般不做调节或节流用。由于流动阻力大，截止阀不适用于带颗粒和粘度较大的介质。

截止阀的特点有：(1)开闭时，阀瓣行程小、关闭时间短；(2)高度小、结构长度大、结构简单，制造和维修方便，成本低；(3)密封性能好，使用寿命长；(4)介质只能单方向流动。

3.旋塞阀旋塞阀也叫考克，其塞子绕轴线旋转从而达到开闭通道的目的。主要由阀体、塞子、填料、压盖和阀杆组成。旋塞阀按结构形式分为紧定式、自封式、填料式和油封式；按通道形式可分为直通式、三通式和四通式。旋塞阀结构简单、尺寸小、启闭迅速、操作方便、流动阻力小，可作分配换向用，但密封面易磨损、开关力较大，易卡死。油库中一般用在收发油比较频繁的场合。旋塞阀不适合输送高温、高压介质，不宜作调节流量用。

4.球阀球阀来自于旋塞阀，具有旋塞阀的优点，比旋塞阀体积小、密封性能好、开闭更轻便、维修更方便。球阀的阀芯是一个中间开孔的球体，绕垂直于通道的轴线旋转而控制阀门的开启和关闭。球阀主要由阀体、球体、密封圈、阀杆和驱动装置组成。球阀发展很快，新结构不断出现。

5.止回阀止回阀又称单向阀，主要由阀体、阀盖和阀瓣组成。其阀瓣能靠自身重力自动关闭，防止介质倒流。升降式止回阀密封性能好，适用于小管道；旋启式止回阀流动阻力小，适用于大管道。油库止回阀一般安装在离心泵出口的第一个阀位上。

6.安全阀对管道或设备起保护作用的阀门叫做安全阀。由阀体、阀盖、阀座、阀瓣、阀杆、弹簧和扳手等组成。介质压力超过规定值时阀瓣自动开启，排放到低于规定值时又自动关闭。安全阀按结构特点可分为封闭式和非封闭式；按阀瓣开启高度可分为微启式和全启式。安全阀主要用于锅炉、压缩机、高压容器及管路等因介质压力过高而可能引起爆炸的设施。

7.防爆型电磁阀防爆型电磁阀是采用电力操纵的一种直通阀门。主要由主阀、电磁控制器和阀位器组成。主阀利用介质的压力和弹簧的弹力开闭。电磁控制器包括两个常开和常闭电磁阀及两个调节阀，用来控制主阀活塞腔内的压力和主阀的开闭速度。阀位器用来控制主阀的开启度。由于电磁阀的电气部分与阀腔内介质严格隔离，可保证电磁阀在爆炸性场所安全使用。防爆型电磁阀多用于原油和其他无腐蚀性液体发放的出口管道上，与计算机、数控仪表等电器控制设备配合，能够实现自动控制，是目前油库应用较广的发油管道自动控制阀。

8.节流阀和减压阀节流阀通过改变流道截面积来调节介质的流量和压力，有针形阀、截止型节流阀和旋塞型节流阀等。减压阀通过节流使阀后压力降低到某一确定范围，并且在阀前压力不断变化时仍能保持阀后压力稳定在该范围内。两者都利用节流效应降压，但节流阀的出口压力随进口压力变化；减压阀却能保持阀后压力稳定。

9.疏水阀疏水阀又称疏水器或阻汽排水阀，能自动排泄凝结水并阻止蒸汽泄漏、提高蒸汽热效率、防止水击现象产生。

B. 　离心泵

一、离心泵的工作原理

图2-1所示为一个安装在管路上的离心泵。主要部件有叶轮1与泵壳2等。具有若干弯曲叶片的叶轮安装在泵壳内，并紧固于泵轴3上。泵壳中央的吸水口4与吸水管路5相连接，侧旁的排出口8与排出管路9相连接。

离心泵一般用电动机带动，在启动前需向壳内灌满被输送的液体。启动电动机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s，即液体的动能也有所增加。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出液体的位置。只要叶轮不断地转动，液体便不断地被吸入和排出。由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮。液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。

离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以启动前必须向壳体内灌满液体。若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀6和滤网7。底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀10，以供开车、停车及调节流量时使用。

图2-1离心泵装置简图

1-叶轮；2-泵壳；3-泵轴；4-吸入口；5-吸入管；6-底阀；7-滤网；8-排出口；9-排出管；10-调节阀

二、离心泵的主要部件

离心泵最主要的部件为叶轮、泵壳与轴封装置，下面分别简述其结构和作用。

（1）叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。

离心泵的叶轮如图2-2所示，叶轮内有6～12片弯曲的叶片1。图中（a）所示的叶片两侧有前盖板2及后盖板3的叶轮，称为闭式叶轮。液体从叶轮中央的入口进入后，经两盖板与叶片之间的流道流向叶轮外缘，在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量，并由于叶片间流道的逐渐扩大，故也有一部分动能转变为静压能。有些吸入口侧无前盖的叶轮，称为半闭式叶轮，如图中（b）所示。没有前、后盖板的叶轮，称为开式叶轮，如图中（c）所示，半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体，因取消盖板后叶轮流道不容易堵塞，但也由于没有盖板，液体在叶片间运动时容易产生倒流，故效率也较低。

图2-2离心泵的叶轮

（a）闭式；（b）半闭式；（c）开式

闭式或半闭式叶轮在工作时，有一部分离开叶轮的高压液体漏入叶轮与泵壳之间的两侧空腔中去，而叶轮前侧液体吸入口处为低压，故液体作用于叶轮前、后两侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口方向的轴向推力，使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮与泵壳接触处磨损，严重时造成泵的振动。为此，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（见图2-3（a）中的1）。这些小孔称为平衡孔，它的作用是使后盖板与泵壳之间的空腔中一部分高压液体漏到低压区，以减少叶轮两侧的压力差，从而起到平衡一部分轴向推力的作用，但同时也会降低泵的效率。平衡孔是离心泵中最简单的一种平衡轴向推力的方法。

按吸液方式的不同，叶轮还有单吸和双吸两种。单吸式叶轮的结构简单，如图2-3（a）所示，液体只能从叶轮一侧被吸入。双吸式叶轮如图2-3（b）所示，液体可同时从叶轮两侧吸入。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。

图2-3吸液方式（a）单吸式；（b）双吸式

（2）泵壳离心泵的泵壳又称蜗壳，因壳内有一个截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道，如图2-4的1所示。叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体出口，通道截面积愈大。因此，液体从叶轮外缘以高速度被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使部分动能有效地转变为静压能。所以泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部件，而且本身又是一个转能装置。

为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘。这个圆盘称为导轮，如图2-4中的3所示。导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能，从而减少能量损失。

图2-4泵壳与导轮1-泵壳；2-叶轮；3-导轮

（3）轴封装置泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出，或者防止外界空气以相反方向漏入泵壳内。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。

普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，俗称盘根箱，如图2-5所示。图中1是和泵壳连在一起的填料函壳；2是软填料，一般为浸油或涂石墨的石棉绳；4是填料压盖，可用螺钉拧紧，使填料压紧在填料函壳与转轴之间，以达到密封的目的；5是内衬套，用来防止填料挤入泵内。由于泵壳与转轴接触处可能是泵内的低压区，为了更好地防止空气从填料函不严密处漏入泵内，故在填料函内装有液封圈3。如图2-6所示，液封圈是一个金属环，环上开了一些径向的小孔，通过填料函壳上的小管可以和泵的排出口相通，使泵内高压液体顺小管流入液封圈内，以防止空气漏入泵内，所流入的液体还起到润滑、冷却填料和轴的作用。

图2-5填料函

1-填料函壳；2-软填料；3-液封圈；4-填料压盖；5-内衬套

图2-6液封圈

对于输送酸、碱以及易燃、易爆、有毒的液体，密封的要求就比较高，既不允许漏入空气，又力求不让液体渗出。近年来已广泛采用称为机械密封的轴封装置。它由一个装在转轴上的动环和另一个固定在泵壳上的静环所组成，两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对运动，起到了密封的作用，故又称为端面密封。图2-7是国产AX型机械密封装置的结构，该装置的左侧连接泵壳。螺钉1把传动座2固定于转轴上。传动座内装有弹簧3、推环4、动环密封圈5与动环6，所有这些部件都随轴一起转动。静环7和静环密封圈8装在密封端盖上，并由防转销9加以固定，所有这些部件都是静止不动的。这样，当轴转动时，动环6转动而静环7不动，两环间借弹簧的弹力作用而贴紧。由于两环端面的加工非常光滑，故液体在两环端面的泄漏量极少。此外，动环6和泵轴之间的间隙有动环密封圈5堵住，静环7和密封端盖之间的间隙有静环密封圈8堵住，这两处间隙并无相对运动，故很不易发生泄漏。动环一般用硬材料，如高硅铸铁或由堆焊硬质合金制成。静环用非金属材料，一般由浸渍石墨、酚醛塑料等制成。这样，在动环与静环的相互摩擦中，静环较易磨损，但从机械密封装置的结构看来，静环易于更换。动环与静环的密封圈常用合成橡胶或塑料制成。

图2-7机械密封装置

1-螺钉；2-传动座；3-弹簧；4-推环；5-动环密封圈；6-动环；7-静环；8-静环密封圈；9-防转销

机械密封装置安装时，要求动环与静环严格地与轴中心线垂直，摩擦面很好地研合，并通过调整弹簧压力，使端面密封机构能在正常工作时，于两摩擦面间形成一薄层液膜，以造成较好地密封和润滑作用。

机械密封与填料密封相比较，有以下优点：密封性能好，使用寿命长，轴不易摩损，功率消耗小。其缺点是零件加工精度高，机械加工较复杂，对安装的技术条件要求比较严格，装卸和更换零件较麻烦，价格也比填料函的高得多。

三、离心泵的主要性能参数与特性曲线

1.离心泵的主要性能参数

为了正确选择和使用离心泵，需要了解泵的性能。离心泵的主要性能参数有排量、工作压力（压头）效率和输入功率，这些参数标注在泵的铭牌上，现将各项意义分述于下。

（1）排量离心泵的排量，是指泵的送液数量能力，是指离心泵在单位时间内所排送的液体体积，以qv表示，单位常为1/s或m³/h。离心泵的排量取决于泵的结构、尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速。

（2）工作压力离心泵的工作压力又可用压头或泵的扬程表示，是指泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，工作压力用kPa或MPa表示，压头用水柱高m表示。离心泵的工作压力取决于泵的结构（如叶轮的直径、叶片的变曲情况等）、转速和流量。对于一定的泵，在指定的转速下，工作压力与排量之间具有一定的关系。

泵工作时压力可用实验方法测定，如图2-8所示。在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，真空表与压力表之间列柏努利方程式，即

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或

式中p_M——压力表读出的压力（表压）（N／m²）；

pv——真空表读出的真空度（N／m²）；

v₁、v₂——吸入管、压出管中液体的流速（m/s）；

∑h_f——两截面的压头损失（m）。

图2-8泵压测定安装图

1-流量计；2-压强表；3-真空计；4-离心泵；5-贮槽

由于两截面之间管路很短，其压头损失∑h_f可忽略不计。若以h_M及h_v分别表示压力表和真空表上的读数，以液柱高m作计算，则（2-1）可改写为

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（3）效率在输送液体过程中，外界能量通过叶轮传给液体时，不可避免地会有能量损失，故泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来反映能量损失。这些能量损失包括容积损失、水力损失及机械损失，现将其产生原因分述如下：

容积损失容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的缝隙漏回吸入口，或从填料函处漏至泵壳外，因此，从泵排出的实际流量要比理论排出量为低，其比值称为容积效率η₁。

水力损失水力损失是当流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变等原因，流体在泵体内产生冲击而损失能量，所以泵的实际压力要比泵理论上所能提供的压力为低，其比值称为水力效率η₂。

机械损失机械损失是泵在运转时，泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间、叶轮盖板外表面与液体之间均产生摩擦，从而引起的能量损失。可用机械效率η₃表示。

泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即

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对离心泵来说，一般小型泵的效率为50%～70%，大型泵可达90%。

（4）轴功率离心泵的功率是泵轴所需的功率。当泵直接由电动机带动时，也就是电动机传给轴的输出功率，以N表示，单位为W或kW。有效功率是排送到管道的液体从叶轮所获得的功率，以Ne表示。由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率大于有效功率，即

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而有效功率可写成

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式中qv——泵的排量（m³/s）；

h——泵的压头（m）；

ρ——被输送液体的密度（kg/m³）；

g——重力加速度（m/s²）。

若式（2-5）中Ne用kW来计量，则

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泵的功率为

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p为泵的工作压力。

2.离心泵的特性曲线

前已述及离心泵的主要性能参数是排量、工作压力（压头）、泵功率及效率，其间的关系由实验测得，测出的一组关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，此曲线由泵的制造厂提供，并附于泵样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。

图2-9为国产4B20型离心水泵在n＝2900r/min时的特性曲线，由h-qv、N-qv及η-qv三条曲线所组成。特性曲线是在固定的转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都标明转速n的数值。

（1）h-qv曲线表示泵的压头与排量的关系。离心泵的工作压力普遍是随排量的增大而下降（在排量极小时可能有例外）。

（2）N-qv曲线表示泵的轴功率与排量的关系。离心泵的功率随排量的增大而上升，排量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使启动电流减少，以保护电机。

（3）η-qv曲线表示泵的效率与排量的关系。从图2-9所示的特性曲线看出，当qv＝0时η＝0，随着排量的增大，泵的效率随之而上升并达到一最大值；以后排量再增，效率便下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的排量及压头下工作最为经济，所以与最高效率点对应的qv、h、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的状况参数。但实际上离心泵往往不可能正好在该条件下运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右。选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。

图2-94B20型离心水泵的特性曲线

3.离心泵的转速对特性曲线的影响

离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，但在实际使用时常遇到要改变转速的情况，这时速度三角形将发生变化，泵压、排量、效率及泵功率也随之改变。当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵排量、泵压头、轴功率与转速的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——转速为n₁时泵的性能参数；

qv₂、h₂、N₂——转速为n₂时泵的性能参数。

当转速变化小于20%时，可以认为效率不变，用上式进行计算误差不大。

4.叶轮直径对特性曲线的影响

如果只将叶轮切削而使直径变小，且变化不大，效率可视为基本上不变，则qv与D成正比。在固定转速之下，h与D²成正比，于是N与D³成正比。叶轮直径和泵排量、泵压头、轴功率之间的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——叶轮直径为D₁时泵的性能参数；

qv₂、h₂、N₂——叶轮直径为D₂时泵的性能参数。

上述关系只有在直径的变化不超过20%时才是可用的。

属于同一系列的泵，其几何形状完全相似，叶轮的直径与厚度之比是固定的。这种几何形状相似的泵，因直径不同而引起的性能变化，qv与D³成正比，h与D²成正比，于是N与D⁵成正比。叶轮直径和排量、压头、功率之间的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——叶轮直径为D₁时泵的性能；

qv₂、h₂、N₂——叶轮直径为D₂时泵的性能。

5.液体物理性质的影响

泵生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测得的。当所输送的液体性能与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。

（1）粘度的影响离心泵所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的工作压力、排量都要减少，效率下降，而功率则要增大，所以特性曲线改变。

（2）密度的影响由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、排量均与液体的密度无关，则泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以，h-qv与η-qv曲线保持不变。但是泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送的密度与水不同时，原产品目录中对该泵所提供的N-qv曲线不再适用，此时泵的轴功率可按式（2-9）重新计算。

（3）溶质的影响如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。浓度越高，与清水差别越大。浓度对离心泵特性曲线的影响，同样反映在粘度和密度上。如果输送液体中含有悬浮物等固体物质，则泵特性曲线除受浓度影响外，还受到固体物质的种类以及粒度分布的影响。

四、离心泵的安装高度和气蚀现象

（一）气蚀现象

离心泵通过旋转的叶轮对液体作功，使液体能量（包括动能和静压能）增加，在叶轮运动的过程中，液体的速度和压力随之变化。通常离心泵叶轮入口处是压力最低的地方。如果这个地方液体的压力等于或低于在该温度下液体的饱和蒸汽压力pv，就会有蒸汽从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体相混合的小气泡。这些小气泡随液体流到高压区时，由于气泡内为饱和蒸汽压，而气泡周围大于饱和蒸汽压，因而产生了压差。在这个压差作用下，气泡受压破裂而重新凝结。在凝结过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，在急剧凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生很高的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结，则液体就像无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。在压力很大（几百大气压）频率很高（每秒几万次之多）的连续打击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，这种现象叫做汽蚀现象。离心泵在严重的汽蚀状态下运转时，发生汽蚀的部位很快就被破坏成蜂窝或海绵状，使泵的寿命大大地缩短。同时，因汽蚀引起泵体振动，泵的吸液能力和效率也大大下降。为了保证离心泵的正常操作，避免发生汽蚀，泵安装的吸水高度绝对不能超过规定，以保证泵入口处的压力大于液体输送温度下的饱和蒸汽压。

（二）离心泵的安装高度

我国的离心泵规格中，采用两种指标对泵的安装高度加以限制，以免发生汽蚀，现将这两个指标介绍如下。

1.允许吸上真空高度

允许吸上真空高度h_s是指泵入口处压力p₁可允许达到的最高真空度，其表达式为

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式中h_s——离心泵的允许吸上真空高度，m液柱；

p_a——大气压（N/m²）；

ρ——被输送液体的密度（kg/m³）。

要确定允许吸上真空度与允许安装高度h_g之间关系，可设离心泵吸液装置如图2-10所示。以贮槽液面为基准面，列出槽面0-0与泵入口1-1截面的柏努利方程式，则

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式中，∑h_f为液体流经吸入管路时所损失的压头（m）。由于贮槽是敞口的，则p₀为大气压p_a。

上式可写成

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将式（2-10）代入上式，则

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此式可用于计算泵的安装高度。

图2-10离心泵吸液示意图

由上式可知，为了提高泵的允许安装高度，应该尽量减少

和∑h_f。为了减少

，在同一流量下，应选用直径稍大的吸入管以外，吸入管应尽可能地短，并且尽量减少弯头和不安装截止阀等。

泵制造厂只能给出h_s值，而不能直接给出h_g值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的

和∑h_f值，所以只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定h_g。

在泵样本或说明书中所给出的h_s是指大气压力为10mH₂O，水温为20℃状态下的数值，如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的h_s值，换算成操作条件下的h′_s值，其换算公式为

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式中h′_s——操作条件下输送液体时的允许上真空高度（mH₂O）；

h_s——泵样本中给出的允许吸上真空度高（mH₂O）；

h_a——泵工作处的大气压（mH₂O）；

h_r——操作温度下液体的饱和蒸汽压（mH₂O）。

泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空度就小，若输送液体的温度越高，或液体越易挥发所对应的饱和蒸汽压就越高，这时，泵的允许吸上真空度也就越小。不同海拔高度时大气压如表2-1。

表2-1不同海拔高度的大气压力

2.汽蚀余量

汽蚀余量△h是指离心泵入口处，液体的静压头

与动压头

之和超过液体在操作温度下的饱和蒸气压头

的某一最小指定值，即

非金属矿产加工机械设备

式中△h——汽蚀余量（m）；

p_r——操作温度下液体饱和蒸汽压（N/m²）。

将式（2-11）与（2-14）合并可导出汽蚀余量△h与允许安装高度h_g之间关系为

非金属矿产加工机械设备

式中p₀为液面上方的压力，若为敞口液面，则

p₀＝p_a

应当注意，泵性能表上△h值也是按输送20℃水而规定的。当输送其它液体时，需进行校正。

由上可知，只要已知允许吸上真空高度h_s与汽蚀余量△h中的任一个参数，均可确定泵的安装高度。

五、离心泵的类型与选择

1.离心泵的类型

工业生产中被输送液体的性质、压强、流量等差异很大，为了适应各种不同要求，离心泵的类型也是多种多样的。按液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按叶轮吸入方式可分为单吸泵与双吸泵；按叶轮数目又可分为单级泵与多级泵。各种类型的离心泵按照其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个汉语拼音字母作为系列代号，在每一系列中，由于有各种不同的规格，因而附以不同的字母和数字来区别。现对工厂中常用离心泵的类型作简要说明。

（1）水泵（B型、D型、Sh型）凡是输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体，都可以用水泵。

应用最广泛的为单级单吸悬臂式离心水泵，其系列代号为B，称B型水泵，其结构如图2-11所示。泵体和泵盖都是用铸铁制成，全系列扬程范围为8～98m，排量范围为4.5～360m³/h。

若所要求的压头较高而流量并不太大时，可采用多级泵，如图2-12所示，在一根轴上串联多个叶轮，从一个叶轮流出的液体通过泵壳内的导轮，引导液体改变流向，同时将一部分动能转变为静压能，然后进入下一个叶轮入口，液体从几个叶轮多次接受能量，故可达到较高的压头。我国生产的多级泵系列代号D，称为D型离心泵，一般自2级到9级，最多可到12级，全系列扬程范围为14～351m，排量范围为10.8～850m³/h。

若输送液体的流量较大而所需的压头并不高时，则可采用双吸泵。双吸泵的叶轮有两个入口，如图2-13所示。由于双吸泵叶轮的厚度与直径之比加大，且有两个吸入口，故输液量较大。我国生产的双吸离心泵系列代号为Sh，全系列扬程范围为9～140m，排量范围为120～12500m³/h。

（2）耐腐蚀泵（F型）输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵，其主要特点是和液体接触的部件用耐腐蚀材料制成。各种材料制造的耐腐蚀泵在结构上都要求简单，易更换零件，检修方便。都用F作为耐腐蚀泵的系列代号。在F后面再加一个字母表示材料代号，以作区别。我国生产的F型泵采用了许多材料制造，例如：

图2-11B型水泵结构图

1-泵体；2-叶轮；3-密封环；4-护轴套；5-后盖；6-泵轴；7-托架；8-联轴墨部件

图2-12多级泵示意图

图2-13双吸泵示意图

灰口铸铁——材料代号为H，用于输送浓硫酸；

高硅铸铁——材料代号为G，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸；

铬镍合金钢——材料代号为B，用于常温输送低浓度的硝酸、氧化性酸液、碱液和其他弱腐蚀性液体；

铬镍钼钛合金钢-材料代号为M，最适用于硝酸及常温的高浓度硝酸；

聚三氟氯乙稀塑料-材料代号为S，适用于90℃以下的硫酸、硝酸、盐酸和碱液。

耐腐蚀泵的另一个特点是密封要求高。由于填料本身被腐蚀的问题也难彻底解决，所以F型泵根据需要采用机械密封装置。

F型泵全系列的扬程范围为15～105m，排量范围为2～400m³/h。

图2-14B型水泵系列特性曲线

表2-2B型水泵性能表（部分）

注：括号内数字是JO型电机功率。

（3）杂质泵（P型）输送悬浮液及粘稠的浆液等常用杂质泵。在非金属矿产加工过程中得到广泛地应用。系列代号为P，又细分为污水泵PW、砂泵PS、泥浆泵PN等。对这类泵的要求是：不易被杂质堵塞、耐磨、容易拆洗。所以它的特点是叶轮流道宽，叶片数目少，常采用半闭式或开式叶轮。有些泵壳内衬以耐磨的铸钢护板或橡胶衬板。

在泵的产品目录或样本中，泵的型号是由字母和数字组合而成，以代表泵的类型、规格等，现举例说明。

8B29A：

其中8——泵吸入口直径，英寸，即8×25＝200mm；

B——单级单吸悬臂式离心水泵；

29——泵的扬程，m；

A——该型号泵的叶轮直径经切割比基本型号8B29的小一级。

为了选用方便，泵的生产部门常对同一类型的泵提供系列特性曲线，图2-14就是B型水泵系列特性曲线图。把同一类型的各型号泵与较高效率范围相对应的一段h-qv曲线，绘在一个总图上。图中扇形面的上方弧形线代表基本型号，下方弧形线代表叶轮直径比基本型号小一级的型号A。若扇形面有三条弧形线，则中间弧形线代表型号A，下方弧形线代表叶轮直径比基本型号再小一级的型号B。图中的符号与数字见图内说明。

2.离心泵的选择

离心泵的选择，一般可按下列的方法与步骤进行：

（1）确定输送系统的流量与工作压力（压头） 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内变动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算在最大流量下管路所需的压头。

（2）选择泵的类型与型号根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。按已确定的流量Q_e和压头h_e或工作压力p从泵样本或产品目录中选出合适的型号。选出的泵能提供的排量Q和压头h不见得与管路所要求的Q_e和压头h_e或工作压力p完全相符，而且考虑到操作条件的变化和应具备一定的潜力，所选的泵可以稍大一些，但在该条件下泵的效率应比较高，即点（Q_e、h_e）坐标位置应靠近在泵的高效率范围所对应的h-qv曲线下方。

泵的型号选出后，应列出该泵的各种性能参数（表2-2是B型泵的性能表（部分））。

（3）核算泵的轴功率若输送液体的密度大于水的密度时，可按式（2-7）核算泵的轴功率。

C. 离心水泵

一、离心泵的工作原理

图2-1所示为一个安装在管路上的离心泵。主要部件有叶轮1与泵壳2等。具有若干弯曲叶片的叶轮安装在泵壳内，并紧固于泵轴3上。泵壳中央的吸水口4与吸水管路5相连接，侧旁的排出口8与排出管路9相连接。

离心泵一般用电动机带动，在启动前需向壳内灌满被输送的液体。启动电动机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s，即液体的动能也有所增加。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出液体的位置。只要叶轮不断地转动，液体便不断地被吸入和排出。由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮。液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。

离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以启动前必须向壳体内灌满液体。若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀6和滤网7。底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀10，以供开车、停车及调节流量时使用。

图2-1离心泵装置简图

1-叶轮；2-泵壳；3-泵轴；4-吸入口；5-吸入管；6-底阀；7-滤网；8-排出口；9-排出管；10-调节阀

二、离心泵的主要部件

离心泵最主要的部件为叶轮、泵壳与轴封装置，下面分别简述其结构和作用。

（1）叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。

离心泵的叶轮如图2-2所示，叶轮内有6～12片弯曲的叶片1。图中（a）所示的叶片两侧有前盖板2及后盖板3的叶轮，称为闭式叶轮。液体从叶轮中央的入口进入后，经两盖板与叶片之间的流道流向叶轮外缘，在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量，并由于叶片间流道的逐渐扩大，故也有一部分动能转变为静压能。有些吸入口侧无前盖的叶轮，称为半闭式叶轮，如图中（b）所示。没有前、后盖板的叶轮，称为开式叶轮，如图中（c）所示，半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体，因取消盖板后叶轮流道不容易堵塞，但也由于没有盖板，液体在叶片间运动时容易产生倒流，故效率也较低。

图2-2离心泵的叶轮

（a）闭式；（b）半闭式；（c）开式

闭式或半闭式叶轮在工作时，有一部分离开叶轮的高压液体漏入叶轮与泵壳之间的两侧空腔中去，而叶轮前侧液体吸入口处为低压，故液体作用于叶轮前、后两侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口方向的轴向推力，使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮与泵壳接触处磨损，严重时造成泵的振动。为此，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（见图2-3（a）中的1）。这些小孔称为平衡孔，它的作用是使后盖板与泵壳之间的空腔中一部分高压液体漏到低压区，以减少叶轮两侧的压力差，从而起到平衡一部分轴向推力的作用，但同时也会降低泵的效率。平衡孔是离心泵中最简单的一种平衡轴向推力的方法。

按吸液方式的不同，叶轮还有单吸和双吸两种。单吸式叶轮的结构简单，如图2-3（a）所示，液体只能从叶轮一侧被吸入。双吸式叶轮如图2-3（b）所示，液体可同时从叶轮两侧吸入。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。

图2-3吸液方式（a）单吸式；（b）双吸式

（2）泵壳离心泵的泵壳又称蜗壳，因壳内有一个截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道，如图2-4的1所示。叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体出口，通道截面积愈大。因此，液体从叶轮外缘以高速度被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使部分动能有效地转变为静压能。所以泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部件，而且本身又是一个转能装置。

为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘。这个圆盘称为导轮，如图2-4中的3所示。导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能，从而减少能量损失。

图2-4泵壳与导轮1-泵壳；2-叶轮；3-导轮

（3）轴封装置泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出，或者防止外界空气以相反方向漏入泵壳内。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。

普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，俗称盘根箱，如图2-5所示。图中1是和泵壳连在一起的填料函壳；2是软填料，一般为浸油或涂石墨的石棉绳；4是填料压盖，可用螺钉拧紧，使填料压紧在填料函壳与转轴之间，以达到密封的目的；5是内衬套，用来防止填料挤入泵内。由于泵壳与转轴接触处可能是泵内的低压区，为了更好地防止空气从填料函不严密处漏入泵内，故在填料函内装有液封圈3。如图2-6所示，液封圈是一个金属环，环上开了一些径向的小孔，通过填料函壳上的小管可以和泵的排出口相通，使泵内高压液体顺小管流入液封圈内，以防止空气漏入泵内，所流入的液体还起到润滑、冷却填料和轴的作用。

图2-5填料函

1-填料函壳；2-软填料；3-液封圈；4-填料压盖；5-内衬套

图2-6液封圈

对于输送酸、碱以及易燃、易爆、有毒的液体，密封的要求就比较高，既不允许漏入空气，又力求不让液体渗出。近年来已广泛采用称为机械密封的轴封装置。它由一个装在转轴上的动环和另一个固定在泵壳上的静环所组成，两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对运动，起到了密封的作用，故又称为端面密封。图2-7是国产AX型机械密封装置的结构，该装置的左侧连接泵壳。螺钉1把传动座2固定于转轴上。传动座内装有弹簧3、推环4、动环密封圈5与动环6，所有这些部件都随轴一起转动。静环7和静环密封圈8装在密封端盖上，并由防转销9加以固定，所有这些部件都是静止不动的。这样，当轴转动时，动环6转动而静环7不动，两环间借弹簧的弹力作用而贴紧。由于两环端面的加工非常光滑，故液体在两环端面的泄漏量极少。此外，动环6和泵轴之间的间隙有动环密封圈5堵住，静环7和密封端盖之间的间隙有静环密封圈8堵住，这两处间隙并无相对运动，故很不易发生泄漏。动环一般用硬材料，如高硅铸铁或由堆焊硬质合金制成。静环用非金属材料，一般由浸渍石墨、酚醛塑料等制成。这样，在动环与静环的相互摩擦中，静环较易磨损，但从机械密封装置的结构看来，静环易于更换。动环与静环的密封圈常用合成橡胶或塑料制成。

图2-7机械密封装置

1-螺钉；2-传动座；3-弹簧；4-推环；5-动环密封圈；6-动环；7-静环；8-静环密封圈；9-防转销

机械密封装置安装时，要求动环与静环严格地与轴中心线垂直，摩擦面很好地研合，并通过调整弹簧压力，使端面密封机构能在正常工作时，于两摩擦面间形成一薄层液膜，以造成较好地密封和润滑作用。

机械密封与填料密封相比较，有以下优点：密封性能好，使用寿命长，轴不易摩损，功率消耗小。其缺点是零件加工精度高，机械加工较复杂，对安装的技术条件要求比较严格，装卸和更换零件较麻烦，价格也比填料函的高得多。

三、离心泵的主要性能参数与特性曲线

1.离心泵的主要性能参数

为了正确选择和使用离心泵，需要了解泵的性能。离心泵的主要性能参数有排量、工作压力（压头）效率和输入功率，这些参数标注在泵的铭牌上，现将各项意义分述于下。

（1）排量离心泵的排量，是指泵的送液数量能力，是指离心泵在单位时间内所排送的液体体积，以qv表示，单位常为1/s或m³/h。离心泵的排量取决于泵的结构、尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速。

（2）工作压力离心泵的工作压力又可用压头或泵的扬程表示，是指泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，工作压力用kPa或MPa表示，压头用水柱高m表示。离心泵的工作压力取决于泵的结构（如叶轮的直径、叶片的变曲情况等）、转速和流量。对于一定的泵，在指定的转速下，工作压力与排量之间具有一定的关系。

泵工作时压力可用实验方法测定，如图2-8所示。在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，真空表与压力表之间列柏努利方程式，即

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或

式中p_M——压力表读出的压力（表压）（N／m²）；

pv——真空表读出的真空度（N／m²）；

v₁、v₂——吸入管、压出管中液体的流速（m/s）；

∑h_f——两截面的压头损失（m）。

图2-8泵压测定安装图

1-流量计；2-压强表；3-真空计；4-离心泵；5-贮槽

由于两截面之间管路很短，其压头损失∑h_f可忽略不计。若以h_M及h_v分别表示压力表和真空表上的读数，以液柱高m作计算，则（2-1）可改写为

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（3）效率在输送液体过程中，外界能量通过叶轮传给液体时，不可避免地会有能量损失，故泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来反映能量损失。这些能量损失包括容积损失、水力损失及机械损失，现将其产生原因分述如下：

容积损失容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的缝隙漏回吸入口，或从填料函处漏至泵壳外，因此，从泵排出的实际流量要比理论排出量为低，其比值称为容积效率η₁。

水力损失水力损失是当流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变等原因，流体在泵体内产生冲击而损失能量，所以泵的实际压力要比泵理论上所能提供的压力为低，其比值称为水力效率η₂。

机械损失机械损失是泵在运转时，泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间、叶轮盖板外表面与液体之间均产生摩擦，从而引起的能量损失。可用机械效率η₃表示。

泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即

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对离心泵来说，一般小型泵的效率为50%～70%，大型泵可达90%。

（4）轴功率离心泵的功率是泵轴所需的功率。当泵直接由电动机带动时，也就是电动机传给轴的输出功率，以N表示，单位为W或kW。有效功率是排送到管道的液体从叶轮所获得的功率，以Ne表示。由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率大于有效功率，即

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而有效功率可写成

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式中qv——泵的排量（m³/s）；

h——泵的压头（m）；

ρ——被输送液体的密度（kg/m³）；

g——重力加速度（m/s²）。

若式（2-5）中Ne用kW来计量，则

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泵的功率为

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p为泵的工作压力。

2.离心泵的特性曲线

前已述及离心泵的主要性能参数是排量、工作压力（压头）、泵功率及效率，其间的关系由实验测得，测出的一组关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，此曲线由泵的制造厂提供，并附于泵样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。

图2-9为国产4B20型离心水泵在n＝2900r/min时的特性曲线，由h-qv、N-qv及η-qv三条曲线所组成。特性曲线是在固定的转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都标明转速n的数值。

（1）h-qv曲线表示泵的压头与排量的关系。离心泵的工作压力普遍是随排量的增大而下降（在排量极小时可能有例外）。

（2）N-qv曲线表示泵的轴功率与排量的关系。离心泵的功率随排量的增大而上升，排量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时，应关闭泵的出口阀门，使启动电流减少，以保护电机。

（3）η-qv曲线表示泵的效率与排量的关系。从图2-9所示的特性曲线看出，当qv＝0时η＝0，随着排量的增大，泵的效率随之而上升并达到一最大值；以后排量再增，效率便下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。泵在与最高效率相对应的排量及压头下工作最为经济，所以与最高效率点对应的qv、h、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的状况参数。但实际上离心泵往往不可能正好在该条件下运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右。选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。

图2-94B20型离心水泵的特性曲线

3.离心泵的转速对特性曲线的影响

离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，但在实际使用时常遇到要改变转速的情况，这时速度三角形将发生变化，泵压、排量、效率及泵功率也随之改变。当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵排量、泵压头、轴功率与转速的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——转速为n₁时泵的性能参数；

qv₂、h₂、N₂——转速为n₂时泵的性能参数。

当转速变化小于20%时，可以认为效率不变，用上式进行计算误差不大。

4.叶轮直径对特性曲线的影响

如果只将叶轮切削而使直径变小，且变化不大，效率可视为基本上不变，则qv与D成正比。在固定转速之下，h与D²成正比，于是N与D³成正比。叶轮直径和泵排量、泵压头、轴功率之间的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——叶轮直径为D₁时泵的性能参数；

qv₂、h₂、N₂——叶轮直径为D₂时泵的性能参数。

上述关系只有在直径的变化不超过20%时才是可用的。

属于同一系列的泵，其几何形状完全相似，叶轮的直径与厚度之比是固定的。这种几何形状相似的泵，因直径不同而引起的性能变化，qv与D³成正比，h与D²成正比，于是N与D⁵成正比。叶轮直径和排量、压头、功率之间的近似关系为：

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式中qv₁、h₁、N₁——叶轮直径为D₁时泵的性能；

qv₂、h₂、N₂——叶轮直径为D₂时泵的性能。

5.液体物理性质的影响

泵生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测得的。当所输送的液体性能与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。

（1）粘度的影响离心泵所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的工作压力、排量都要减少，效率下降，而功率则要增大，所以特性曲线改变。

（2）密度的影响由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、排量均与液体的密度无关，则泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以，h-qv与η-qv曲线保持不变。但是泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送的密度与水不同时，原产品目录中对该泵所提供的N-qv曲线不再适用，此时泵的轴功率可按式（2-9）重新计算。

（3）溶质的影响如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。浓度越高，与清水差别越大。浓度对离心泵特性曲线的影响，同样反映在粘度和密度上。如果输送液体中含有悬浮物等固体物质，则泵特性曲线除受浓度影响外，还受到固体物质的种类以及粒度分布的影响。

四、离心泵的安装高度和气蚀现象

（一）气蚀现象

离心泵通过旋转的叶轮对液体作功，使液体能量（包括动能和静压能）增加，在叶轮运动的过程中，液体的速度和压力随之变化。通常离心泵叶轮入口处是压力最低的地方。如果这个地方液体的压力等于或低于在该温度下液体的饱和蒸汽压力pv，就会有蒸汽从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体相混合的小气泡。这些小气泡随液体流到高压区时，由于气泡内为饱和蒸汽压，而气泡周围大于饱和蒸汽压，因而产生了压差。在这个压差作用下，气泡受压破裂而重新凝结。在凝结过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，在急剧凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生很高的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结，则液体就像无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。在压力很大（几百大气压）频率很高（每秒几万次之多）的连续打击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，这种现象叫做汽蚀现象。离心泵在严重的汽蚀状态下运转时，发生汽蚀的部位很快就被破坏成蜂窝或海绵状，使泵的寿命大大地缩短。同时，因汽蚀引起泵体振动，泵的吸液能力和效率也大大下降。为了保证离心泵的正常操作，避免发生汽蚀，泵安装的吸水高度绝对不能超过规定，以保证泵入口处的压力大于液体输送温度下的饱和蒸汽压。

（二）离心泵的安装高度

我国的离心泵规格中，采用两种指标对泵的安装高度加以限制，以免发生汽蚀，现将这两个指标介绍如下。

1.允许吸上真空高度

允许吸上真空高度h_s是指泵入口处压力p₁可允许达到的最高真空度，其表达式为

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式中h_s——离心泵的允许吸上真空高度，m液柱；

p_a——大气压（N/m²）；

ρ——被输送液体的密度（kg/m³）。

要确定允许吸上真空度与允许安装高度h_g之间关系，可设离心泵吸液装置如图2-10所示。以贮槽液面为基准面，列出槽面0-0与泵入口1-1截面的柏努利方程式，则

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式中，∑h_f为液体流经吸入管路时所损失的压头（m）。由于贮槽是敞口的，则p₀为大气压p_a。

上式可写成

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将式（2-10）代入上式，则

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此式可用于计算泵的安装高度。

图2-10离心泵吸液示意图

由上式可知，为了提高泵的允许安装高度，应该尽量减少

和∑h_f。为了减少

，在同一流量下，应选用直径稍大的吸入管以外，吸入管应尽可能地短，并且尽量减少弯头和不安装截止阀等。

泵制造厂只能给出h_s值，而不能直接给出h_g值。因为每台泵使用条件不同，吸入管路的布置情况也各异，有不同的

和∑h_f值，所以只能由使用单位根据吸入管路具体的布置情况，由计算确定h_g。

在泵样本或说明书中所给出的h_s是指大气压力为10mH₂O，水温为20℃状态下的数值，如果泵的使用条件与该状态不同时，则应把样本上所给出的h_s值，换算成操作条件下的h′_s值，其换算公式为

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式中h′_s——操作条件下输送液体时的允许上真空高度（mH₂O）；

h_s——泵样本中给出的允许吸上真空度高（mH₂O）；

h_a——泵工作处的大气压（mH₂O）；

h_r——操作温度下液体的饱和蒸汽压（mH₂O）。

泵安装地点的海拔越高，大气压力就越低，允许吸上真空度就小，若输送液体的温度越高，或液体越易挥发所对应的饱和蒸汽压就越高，这时，泵的允许吸上真空度也就越小。不同海拔高度时大气压如表2-1。

表2-1不同海拔高度的大气压力

2.汽蚀余量

汽蚀余量△h是指离心泵入口处，液体的静压头

与动压头

之和超过液体在操作温度下的饱和蒸气压头

的某一最小指定值，即

非金属矿产加工机械设备

式中△h——汽蚀余量（m）；

p_r——操作温度下液体饱和蒸汽压（N/m²）。

将式（2-11）与（2-14）合并可导出汽蚀余量△h与允许安装高度h_g之间关系为

非金属矿产加工机械设备

式中p₀为液面上方的压力，若为敞口液面，则

p₀＝p_a

应当注意，泵性能表上△h值也是按输送20℃水而规定的。当输送其它液体时，需进行校正。

由上可知，只要已知允许吸上真空高度h_s与汽蚀余量△h中的任一个参数，均可确定泵的安装高度。

五、离心泵的类型与选择

1.离心泵的类型

工业生产中被输送液体的性质、压强、流量等差异很大，为了适应各种不同要求，离心泵的类型也是多种多样的。按液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按叶轮吸入方式可分为单吸泵与双吸泵；按叶轮数目又可分为单级泵与多级泵。各种类型的离心泵按照其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个汉语拼音字母作为系列代号，在每一系列中，由于有各种不同的规格，因而附以不同的字母和数字来区别。现对工厂中常用离心泵的类型作简要说明。

（1）水泵（B型、D型、Sh型）凡是输送清水以及物理、化学性质类似于水的清洁液体，都可以用水泵。

应用最广泛的为单级单吸悬臂式离心水泵，其系列代号为B，称B型水泵，其结构如图2-11所示。泵体和泵盖都是用铸铁制成，全系列扬程范围为8～98m，排量范围为4.5～360m³/h。

若所要求的压头较高而流量并不太大时，可采用多级泵，如图2-12所示，在一根轴上串联多个叶轮，从一个叶轮流出的液体通过泵壳内的导轮，引导液体改变流向，同时将一部分动能转变为静压能，然后进入下一个叶轮入口，液体从几个叶轮多次接受能量，故可达到较高的压头。我国生产的多级泵系列代号D，称为D型离心泵，一般自2级到9级，最多可到12级，全系列扬程范围为14～351m，排量范围为10.8～850m³/h。

若输送液体的流量较大而所需的压头并不高时，则可采用双吸泵。双吸泵的叶轮有两个入口，如图2-13所示。由于双吸泵叶轮的厚度与直径之比加大，且有两个吸入口，故输液量较大。我国生产的双吸离心泵系列代号为Sh，全系列扬程范围为9～140m，排量范围为120～12500m³/h。

（2）耐腐蚀泵（F型）输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵，其主要特点是和液体接触的部件用耐腐蚀材料制成。各种材料制造的耐腐蚀泵在结构上都要求简单，易更换零件，检修方便。都用F作为耐腐蚀泵的系列代号。在F后面再加一个字母表示材料代号，以作区别。我国生产的F型泵采用了许多材料制造，例如：

图2-11B型水泵结构图

1-泵体；2-叶轮；3-密封环；4-护轴套；5-后盖；6-泵轴；7-托架；8-联轴墨部件

图2-12多级泵示意图

图2-13双吸泵示意图

灰口铸铁——材料代号为H，用于输送浓硫酸；

高硅铸铁——材料代号为G，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸；

铬镍合金钢——材料代号为B，用于常温输送低浓度的硝酸、氧化性酸液、碱液和其他弱腐蚀性液体；

铬镍钼钛合金钢-材料代号为M，最适用于硝酸及常温的高浓度硝酸；

聚三氟氯乙稀塑料-材料代号为S，适用于90℃以下的硫酸、硝酸、盐酸和碱液。

耐腐蚀泵的另一个特点是密封要求高。由于填料本身被腐蚀的问题也难彻底解决，所以F型泵根据需要采用机械密封装置。

F型泵全系列的扬程范围为15～105m，排量范围为2～400m³/h。

图2-14B型水泵系列特性曲线

表2-2B型水泵性能表（部分）

注：括号内数字是JO型电机功率。

（3）杂质泵（P型）输送悬浮液及粘稠的浆液等常用杂质泵。在非金属矿产加工过程中得到广泛地应用。系列代号为P，又细分为污水泵PW、砂泵PS、泥浆泵PN等。对这类泵的要求是：不易被杂质堵塞、耐磨、容易拆洗。所以它的特点是叶轮流道宽，叶片数目少，常采用半闭式或开式叶轮。有些泵壳内衬以耐磨的铸钢护板或橡胶衬板。

在泵的产品目录或样本中，泵的型号是由字母和数字组合而成，以代表泵的类型、规格等，现举例说明。

8B29A：

其中8——泵吸入口直径，英寸，即8×25＝200mm；

B——单级单吸悬臂式离心水泵；

29——泵的扬程，m；

A——该型号泵的叶轮直径经切割比基本型号8B29的小一级。

为了选用方便，泵的生产部门常对同一类型的泵提供系列特性曲线，图2-14就是B型水泵系列特性曲线图。把同一类型的各型号泵与较高效率范围相对应的一段h-qv曲线，绘在一个总图上。图中扇形面的上方弧形线代表基本型号，下方弧形线代表叶轮直径比基本型号小一级的型号A。若扇形面有三条弧形线，则中间弧形线代表型号A，下方弧形线代表叶轮直径比基本型号再小一级的型号B。图中的符号与数字见图内说明。

2.离心泵的选择

离心泵的选择，一般可按下列的方法与步骤进行：

（1）确定输送系统的流量与工作压力（压头） 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内变动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算在最大流量下管路所需的压头。

（2）选择泵的类型与型号根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。按已确定的流量Q_e和压头h_e或工作压力p从泵样本或产品目录中选出合适的型号。选出的泵能提供的排量Q和压头h不见得与管路所要求的Q_e和压头h_e或工作压力p完全相符，而且考虑到操作条件的变化和应具备一定的潜力，所选的泵可以稍大一些，但在该条件下泵的效率应比较高，即点（Q_e、h_e）坐标位置应靠近在泵的高效率范围所对应的h-qv曲线下方。

泵的型号选出后，应列出该泵的各种性能参数（表2-2是B型泵的性能表（部分））。

（3）核算泵的轴功率若输送液体的密度大于水的密度时，可按式（2-7）核算泵的轴功率。

D. 化工单元操作与控制目录

在化工生产过程中，化工单元操作与控制扮演着至关重要的角色。本文旨在深入探讨这一主题，以帮助读者理解其核心概念和实际应用。

首先，化工生产过程包含了从原材料的获取、转化到最终产品的形成一系列复杂操作。在这一过程中，化工单元操作是关键环节，其目标是将原料转化为目标产物，同时确保生产过程的安全、高效和环保。这些操作涉及多个方面，包括反应、分离、蒸发、吸收、吸附、结晶等。每个单元操作都对产品的质量、生产效率和成本有着直接影响。

本课程旨在为学生提供全面的理论知识和实践技能，以应对化工单元操作与控制的挑战。课程内容涵盖了理论基础、设计方法、操作策略和控制系统等方面。通过理论学习，学生将掌握化工单元操作的基本原理、计算方法和优化技巧。实践训练则帮助学生将理论知识应用于实际操作中，增强解决问题的能力。

项目一：输送系统的操作与控制，是课程中的重要组成部分。输送系统是化工生产中不可或缺的环节，用于将原料、中间产物和最终产品在不同设备间传输。项目旨在让学生深入理解输送系统的结构、工作原理和操作控制。

任务一：认识管路和离心泵。管路作为输送系统的核心组成部分，其设计和维护直接影响着系统的稳定性和效率。离心泵则是输送系统中的关键设备，用于将液体从一个地方输送到另一个地方。通过学习，学生将掌握管路的分类、特性以及离心泵的工作原理、性能参数和选型方法。

任务二：测量输送系统中流体参数。流体参数的准确测量是确保输送系统正常运行和优化操作的基础。学生将学习如何测量流体的性质，如密度、温度、压力和粘度，以及流动参数，如流量、流速和压降。此外，通过测定离心泵的运行参数，如功率、效率和扬程，学生可以评估系统性能并进行优化。

任务三：输送系统的操作。在掌握了基本原理和测量技术后，学生将学习如何绘制输送装置流程简图，以及如何操作输送实训装置。通过实践操作，学生将学会根据生产需求调整输送系统的参数，确保物料的正确输送和高效利用。

总之，化工单元操作与控制课程旨在为学生提供全面的知识和技能，以应对化工生产中的复杂挑战。通过深入学习和实践，学生将能够设计、操作和优化化工过程，为实现更高效、更安全和更环保的生产贡献自己的力量。