任务三　离心泵工作点的测定

【任务引入】

离心泵是常用的液体输送设备，送料过程中，不仅要考虑泵本身的性能，还要考虑输送管路的要求。为此，下面对生产工艺用水的输送管路中离心泵的性能和管路的性能进行测定，确定离心泵的工作点，判断该泵是否适合。

【任务实施】

一、工艺流程

本任务的工艺流程图见图1-19。

二、泵的型号

泵的型号见表1-8。

三、操作规程

1.离心泵性能测定实验

①设置参数：选泵型号、设置离心泵电机频率、泵进出口管路内径。点“参数记录”记录到实验报表中。

②将离心泵的灌泵阀V01打开，再将放气阀V02打开，待放气动画消失后，关闭灌泵阀和放气阀。

③打开离心泵电源开关。

④稍微打开主管路的球阀V06，待真空表和压力表读数稳定后，在离心泵实验数据界面记录数据。

⑤调节主管路调节阀的开度，重复步骤④，记录10组数据。

⑥在实验报表里的“离心泵性能测定数据”查看实验结果数据，可选中某行删出不合理数据，点击实验报告查看数据和离心泵的性能曲线。

2.管路特性测定实验

在上面操作的基础上，继续如下操作：

①将主管路调节阀开度控制在50%～100%之间。待真空表和压力表稳定后，到界面调节离心泵电机频率。

②回到装置界面和仪表面板界面查看，等待压力和流量稳定后，到管路特性数据界面记录数据。

③调节离心泵电机频率，重复步骤②，共记录10组数据。

④在实验报表里的“管路特性曲线数据页”中查看实验结果数据，可选中某行删除不合理数据，点击实验报告查看数据和管路特性曲线。

⑤关闭主管路球阀、调节阀，关闭离心泵电源开关。

【任务评价】

①熟悉离心泵的型号、结构、工作原理与操作方法；

②掌握离心泵的性能测定方法；

③能根据生产任务确定离心泵的工作点；

④能根据生产要求对工作点能够进行调节。

【知识链接】

知识点一　离心泵的工作原理

一、离心泵的结构

离心泵是依靠高速旋转的叶轮对液体做功的机械，结构如图1-20所示。

泵的吸入口在泵壳中心，与吸入管路连接，吸入管路的末端装有底阀，用以开车前灌泵或停车时防止泵内液体倒流回贮槽，也可防止杂物进入管道和泵壳。泵的排出口在泵壳的切线方向，与排出管路相连接，排出管上装有调节阀，用以调节泵的流量。

离心泵的主要部件：一是包括叶轮和泵轴等的旋转部件，二是由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件。其中最主要的构件是泵壳和叶轮。

1.叶轮

叶轮是离心泵的重要部件，对它的要求是在流体能量损失最小的情况下，使单位重量流体获得较高的能量。叶轮一般有6～12片后弯形叶片，后弯目的是便于液体进入泵壳与叶轮缝隙间的流道。按机械结构可分为闭式、半闭式和敞开式三种，如图1-21所示。

敞开式和半闭式叶轮由于流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液（如砂浆泵、杂质泵）。但敞开式由于没有盖板，液体易从泵壳和叶片的高压区侧通过间隙流回低压区和叶轮进口处，即产生回泄，故其效率较低。闭式或半闭式叶轮由于离开叶轮的高压液体可进入叶轮后盖板与泵体间的空隙处，使盖板后侧也受到较高压力作用，而叶轮前盖板的吸入口附近为低压，故液体作用于叶轮前后两侧的压力不等，会使叶轮推向吸入侧与泵体接触而产生摩擦，严重时会引起泵的震动与运转不正常。为减小轴向推力，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（称为平衡孔），使一部分高压液体漏向低压区，以减小叶轮两侧的压力差，但泵的效率也会有所降低。

按吸液方式，叶轮可分为单吸式和双吸式。单吸式叶轮结构简单，液体只能从叶轮一侧被吸入；双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体，不仅具有较大的吸液能力，也可消除轴向推力。

2.泵壳

泵壳内有一个截面逐渐扩大的蜗壳形状的通道。泵内的流体从叶轮边缘高速流出后在泵壳内作惯性运动，越接近出口，流道截面积越大，流速逐渐降低，根据机械能守恒原理，减少的动能转化为静压能，从而使液体获得高压，并因流速的减小降低了流动能量损失。所以泵壳不仅是一个汇集由叶轮流出的液体的部件，而且也是一个能量转换构件。

在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动并带有叶片的圆盘，这个圆盘称为导轮，由于导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时，均匀而缓和地将动能转变为静压能，减少能量损失。

3.轴封装置

泵轴与泵壳之间的密封称为轴封，其作用是防止高压液体从泵壳内沿轴而外漏，或者空气以相反方向漏入泵内低压区。常见轴封装置有填料密封和机械密封两种。填料密封的结构简单，加工方便，但功率损耗较大，且沿轴仍会有一定量的泄漏，需要定期更换维修。对于输送易燃、易爆或有毒、有腐蚀性的液体时，轴封要求严格，一般采用机械密封装置，其密封性能好，结构紧凑，使用寿命长，功率消耗少，应用广泛。但其加工精度要求高，安装技术要求严，价格较高，维修比较麻烦。

二、离心泵的工作原理

在泵启动前，先用被输送的液体把泵灌满（称为灌泵）。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，充满叶片之间的液体也跟着旋转，在离心力作用下，液体从叶轮中心被抛向叶轮边缘，使液体静压能、动能均提高。

液体从叶轮外缘进入泵壳后，由于泵壳中流道逐步加宽，液体流速变慢，又将部分动能转化为静压能，至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，输送到所需场所。

当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成低压区，由于贮槽液面上方的压强大于吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体。

离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路没有充满液体，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，叶轮旋转时从叶轮中心甩出的液体少，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。

知识点二　离心泵的特性曲线

一、离心泵的主要性能参数

离心泵的主要性能参数包括流量、扬程、轴功率、效率等参数，掌握这些参数的含义及其相互关系，对正确地选择和使用离心泵有重要意义。为便于人们了解，制造厂在每台泵上都附有一块铭牌，所列出的各种参数值，都是以20℃的清水为介质、在一定转速下测定的且效率为最高条件下的参数。当使用条件与实验条件不同时，某些参数需进行必要的修正。

1.流量Q

流量是指泵在单位时间里排出液体的体积流量，又称泵的送液能力，单位m³/s或m³/h。流量的大小取决于泵的结构（如单吸或双吸等）、尺寸（主要是叶轮的直径D和宽度B）、转速n及密封装置的可靠程度等。

2.扬程H

扬程是指泵对单位重量流体所提供的有效机械能量，单位J/N或m。扬程的大小取决于泵的结构（如叶轮的直径D、叶片的弯曲情况等）、转速n和流量Q。对于一定的泵而言，在转速一定和正常工作范围内，流量越大，扬程越小。

泵的扬程与管路无关，目前只能用实验测定得到。离心泵的扬程与伯努利方程中的外加压头是有区别的，外加压头是系统在流量一定的条件下对输送设备提出的做功能力要求，而扬程是输送设备在流量一定的条件下对流体的实际做功能力。

在泵的吸入口和压出口之间列伯努利方程（所选的两截面很接近泵体）后整理可得：

　　（1-20）

3.轴功率N

轴功率是泵轴所需的功率。当泵直接由电机带动时，即为电动机传给泵轴的功率，单位J/s或W。

有效功率N_e是输送到管道的液体从叶轮处获得的功率。由于有能量损失，所以泵的轴功率大于有效功率，即

N_e=QHρg　　（1-21）

式中　Q——泵的流量，m³/s；

H——泵的扬程，m；

ρ——被送液体的密度，kg/m³ ；

g——重力加速度，m/s²。

由于泵在启动中会出现电机启动电流增大的情况，因此制造厂用来配套的电动机功率N_d往往是按轴功率N的1.1～1.2倍计算的。但由于电动机的功率是标准化的，因此实际电机的功率往往比计算的要大得多。

4.效率η

在离心泵运转过程中有一部分高压液体流回到泵的入口，甚至漏到泵外，必然要消耗一部分能量。液体流经叶轮和泵壳时，流体流动方向和速度的变化以及流体间的相互撞击等，也要消耗一部分能量；此外，泵轴与轴承和轴封之间的机械摩擦等还要消耗一部分能量。因此，要求泵轴所提供的轴功率N必须大于有效功率N_e，换句话说，轴功率不可能全部传给流体而成为流体的有效功率。工程上通常用总效率η反映能量损失的程度，即

　　（1-22）

离心泵效率的高低与泵的大小、类型以及加工的状况、流量等有关，一般小型泵为50%～70%，大泵可达90%左右。每一种泵的具体数据由实验测定。

二、离心泵的特性曲线

1.特性曲线

离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q的变化而改变。通常通过实验测出H-Q、N-Q及η-Q关系，并用曲线表示，称为特性曲线，如图1-22所示，它是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。不同形式的离心泵，特性曲线不同，对于同一泵，当叶轮直径和转速不同时，性能曲线也是不同的，故特性曲线图左上角通常注明泵的形式和转速。尽管不同泵的特性曲线不同，但它们具有以下的共同规律：

（1）H-Q曲线　因流体流动速度增大，系统中的能量损失加大，所以流量越大，扬程越小。

（2）N-Q曲线　流量越大，泵所需功率越大。当Q=0时，所需功率最小。因此，离心泵启动时应将出口阀关闭，使电机功率最小，待完全启动后再逐渐打开阀门，这样可避免因启动功率过大而烧坏电机。

（3）η-Q曲线　该曲线表明泵的效率开始随流量增大而升高，达到最高之后，则随流量的增大而降低。泵在最高效率相对应的流量及扬程下工作最为经济，所以与最高效率点对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。但实际生产条件下，离心泵往往不可能正好在最佳工况下运转，只能规定一个工作范围，称为泵的最佳工况区，通常为最高效率的92%左右。

2.离心泵的工作点

对于给定的管路系统，通过运用伯努利方程和阻力计算式，可得：

　　（1-23）

上式中只有两项与速度有关，进而与流量有关，将流量方程式代入可得：

　　（1-24）

式（1-24）表明，对于给定的输送系统，输送任务Q_e与完成任务需要的外加压头H_e之间存在特定关系，称为管路特性方程，它所描述的曲线称为管路特性曲线。

如果把泵的特性曲线H-Q和管路特性曲线H_e-Q_e描绘在同一坐标系中，如图1-23所示，可看出两条曲线相交于一点，泵在该点状态下工作时，可以满足管路系统的需要，因此该点被称为离心泵的工作点。

3.离心泵的流量调节

在实际生产中，当工作点流量和压头不符合生产任务要求时，必须进行工作点调节。显然，改变管路特性和改变泵的特性都能达到改变工作点的目的。

（1）改变管路特性　在实际操作中改变离心泵出口管路上的流量调节阀门开度就可改变管路中的局部阻力，进而改变泵的流量。此法方便灵活、应用广泛，对于流量调节幅度不大且需要经常调节的系统是较为适宜的。其缺点是当用关小阀门开度来减小流量时，增加了管路中的机械能损失，并有可能使工作点移至低效率区，也会使电机的效率降低。

（2）改变泵的特性　对同一离心泵改变其转速或叶轮直径可使泵的特性曲线发生变化，从而使其与管路特性曲线的交点移动。此法不会额外增加管路阻力，并在一定范围内仍可使泵处于高效率区工作。一般来说，改变叶轮直径显然不如改变转速简便，且当叶轮直径变小时，泵和电机的效率也会降低，可调节幅度也有限，所以常用改变转速来调节流量。

三、影响离心泵性能的主要因素

1.液体性质的影响

（1）密度的影响　离心泵的扬程、流量、机械效率均与液体的密度无关，但泵的轴功率与输送液体的密度有关，随液体密度而改变，所以当输送液体的密度与水不同时，需要重新计算。

（2）黏度的影响　若被输送液体的黏度大于常温下清水的黏度，则泵体内部液体的能量损失增大，因此泵的扬程、流量都要减小，效率下降，而轴功率增加。

2.转速的影响

离心泵的特性曲线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，此时泵的扬程、流量、效率和轴功率也随之改变。当液体的黏度与实验流体的黏度相差不大，且泵的机械效率可视为不变时，不同转速下泵的流量、扬程、轴功率与转速的近似关系为：

　　（1-25）

式中，Q₁、H₁、N₁及Q₂、H₂、N₂分别为转速为n₁、n₂时泵的性能参数。

3.叶轮直径的影响

当泵的转速一定时，其扬程、流量与叶轮之间有关，近似关系为：

　　（1-26）

式中，Q₁、H₁、N₁及Q₂、H₂、N₂分别为叶轮直径为D₁、D₂时泵的性能参数。

知识点三　离心泵的选用

一、离心泵的类型

由于化工生产中被输送液体的性质、压力、流量等差异很大，为了适应各种不同生产要求，离心泵的类型是多样的。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。

1.水泵

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。

IS型（原B型）水泵为单级单吸悬臂式离心水泵的代号，应用最为广泛，其结构如图1-24所示。它只有一个叶轮，从泵的一侧吸液，叶轮装在伸出轴承的轴端处，具有结构可靠、震动小、噪声小等显著特点。IS型泵的型号以字母加数字所组成的代号等表示。例如IS50-32-200型泵，IS表示单级单吸离心泵的形式；50代表吸入口径，mm；32代表排出口径，mm；200为叶轮的直径，mm。

若所要求的扬程较高而流量并不太大时，可采用多级泵，如图1-25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，因液体从几个叶轮中多次接受能量，故可达到较高的扬程。国产的多级泵系列代号为D，称为D型离心泵，一般自2级到9级，最多可到12级。D型离心泵的型号表示方法以D12-25×3型泵为例：D表示多级离心泵型号；12表示公称流量（最高效率时流量的整数值），m³/h；25表示该泵在效率最高时的单级扬程，m；3表示级数，即该泵在效率最高时的总扬程为75m。

若输送液体的流量较大而所需的扬程并不高时，则可采用双吸泵。双吸泵的叶轮有两个入口，如图1-26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。Sh型泵的编制以100Sh90型泵为例，100表示吸入口的直径，mm；Sh表示泵的类型为双吸式离心泵；90表示最高效率时的扬程，m。

2.耐腐蚀泵（F型）

当输送酸、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基本相同，因此都用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，代号如表1-9所示。

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型泵的型号表示方法以25FB-16A型泵为例：25表示吸入口的直径，mm；F代表耐腐蚀泵；B代表所用材料为1Cr18Ni9的不锈钢；16代表泵在最高效率时的扬程，m；A为叶轮切割序号，表示该泵装配的是比标准直径小一号的叶轮。

3.油泵（Y型）

输送石油产品等低沸点料液的泵称为油泵。油品的特点是易燃、易爆，因此对油泵的基本要求是密封好。当输送200℃以上的热油时，还要求对轴封装置和轴承等进行良好的冷却，故这些部件常装有冷却水夹套。国产的油泵系列代号为Y，型号的表示方法以50Y-60A型泵为例：50表示泵的吸入口直径为50mm；Y表示离心式油泵；60表示扬程，m；A为叶轮切割序号。

4.杂质泵（P型）

输送悬浮液及稠厚的浆液等常用杂质泵。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，常采用半闭式或敞开式叶轮，有些泵壳内衬以耐磨的铸钢护板。

二、离心泵的选用

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扬程　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，用伯努利方程式计算在最大流量下管路所需的扬程。

（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从泵样本或产品目录中选出合适的型号。选出的泵所能提供的流量Q和压头H要考虑到操作条件的变化和备有一定的余量，应略大于管路所要求的流量Q_e和压头H_e，但在该条件下泵的效率应处在泵的最高效率范围内。泵的型号选出后，应列出该泵的各种性能参数。

（3）核算泵的轴功率　若输送液体的密度大于水的密度时，需要核算泵的轴功率，以指导合理选用电机。

【自测练习】

一、问题思考

1.离心泵的气缚现象是怎么产生的？为防止气缚现象发生应采取什么措施？

2.离心泵的泵体是蜗壳形的，其作用是什么？

3.离心泵的铭牌上有哪些参数？是在什么条件下得到的？

4.离心泵的工作点是怎样确定的？改变工作点的方法有哪些？是如何改变工作点的？

5.离心泵有哪几种调节流量的方法？

6.试说明以下几种泵的规格和各组字符的含义：

IS50-32-125　 D12-25×3　　120Sh80　 65Y-60A　100F-92A

二、工艺计算

1.某离心泵在转速为1450r/min下测得流量为65m³/h、扬程为30m。若将转速调至1200r/min，试估算此时泵的流量和扬程。

2.用内径为100mm的钢管将河水送至一蓄水池中，要求输送量为30m³/h。水由池底部进入，池中水面高出河面20m。管路的总长度为60m（包括所有局部阻力的当量长度），设摩擦系数λ为0.035。今库房有以下四台离心泵，性能如下表。试从中选用一台合适的泵。

工艺计算题2附表