離心泵特性曲線.doc

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第一節(jié) 離心泵 2-1-1 離心泵的工作原理 離心泵的種類很多，但工作原理相同，構(gòu)造大同小異。其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（圖2-1）。葉輪是離心泵直接對(duì)液體做功的部件，其上有若干后彎葉片，一般為4~8片。離心泵工作時(shí)，葉輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（1000~3000r/min），迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動(dòng)。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程獲得能量，并以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼內(nèi)，由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達(dá)到較高的壓強(qiáng)，最后沿切向流入壓出管道。 在液體受迫由葉輪中心流向外緣的同時(shí)，在葉輪中心處形成真空。泵的吸入管路一端與葉輪中心處相通，另一端則浸沒(méi)在輸送的液體內(nèi)，在液面壓力（常為大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負(fù)壓）的壓差作用下，液體經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，只要葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不停，離心泵便不斷地吸入和排出液體。由此可見(jiàn)離心泵主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力來(lái)輸送 圖2-1 離心泵裝置簡(jiǎn)圖 1―葉輪；2―泵殼；3―泵軸；4―吸入管； 5―底閥；6―壓出管；7―出口閥 液體，故名離心泵。 離心泵若在啟動(dòng)前未充滿液體，則泵內(nèi)存在空氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。吸入口處所形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，雖啟動(dòng)離心泵，但不能輸送液體，此現(xiàn)象稱為“氣縛”。所以離心泵啟動(dòng)前必須向殼體內(nèi)灌滿液體，在吸入管底部安裝帶濾網(wǎng)的底閥。底閥為止逆閥，防止啟動(dòng)前灌入的液體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)。靠近泵出口處的壓出管道上裝有調(diào)節(jié)閥，供調(diào)節(jié)流量時(shí)使用。 2-1-2 離心泵的理論壓頭 一、離心泵的理論壓頭 從離心泵工作原理知液體從離心泵葉輪獲得能量而提高了壓強(qiáng)。單位質(zhì)量液體從旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得多少能量以及影響獲得能量的因素，可以從理論上來(lái)分析。由于液體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，故作如下假設(shè)： （1）葉輪內(nèi)葉片的數(shù)目無(wú)限多，葉片的厚度為無(wú)限薄，液體完全沿著葉片的彎曲表面而流動(dòng)。無(wú)任何倒流現(xiàn)象； （2）液體為粘度等于零的理想液體，沒(méi)有流動(dòng)阻力。 液體從葉輪中央入口沿葉片流到葉輪外緣的流動(dòng)情況如圖2-2所示。葉輪帶動(dòng)液體一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體具有一個(gè)隨葉輪旋轉(zhuǎn)的圓周速度u，其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗巿A周的切線 圖2-2 液體在離心泵中的流動(dòng) 方向；同時(shí)，液體又具有沿葉片間通道流的相對(duì)速度w，其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗谔幦~片的切線方向；液體在葉片之間任一點(diǎn)的絕對(duì)速度c為該點(diǎn)的圓周速度u與相對(duì)速度w的向量和。由圖2-2可導(dǎo)出三者之間的關(guān)系： 葉輪進(jìn)口處 （2-1） 葉輪出口處 （2-2） 泵的理論壓頭可從葉輪進(jìn)出口之間列柏努利方程求得 （2-3） 即 （2-4） 式中 H∞——具有無(wú)窮多葉片的離心泵對(duì)理想液體所提供的理論壓頭，m； HP——理想液體經(jīng)理想葉輪后靜壓頭的增量，m； HC——理想液體經(jīng)理想葉輪后動(dòng)壓頭的增量，m。 上式?jīng)]有考慮進(jìn)、出口兩點(diǎn)高度不同，因葉輪每轉(zhuǎn)一周，兩點(diǎn)高低互換兩次，按時(shí)均計(jì)此高差可視為零。 液體從進(jìn)口運(yùn)動(dòng)到出口，靜壓頭增加的原因有二： （1）離心力作功 液體在葉輪內(nèi)受離心力作用，接受了外功。質(zhì)量為m的液體旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的離心力為： 單位重量液體從進(jìn)口到出口，因受離心力作用而接受的外功為： （2）能量轉(zhuǎn)換 相鄰兩葉片所構(gòu)成的通道截面積由內(nèi)而外逐漸擴(kuò)大，液體通過(guò)時(shí)速度逐漸變小，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。單位重量液體靜壓能增加的量等于其動(dòng)能減小的量，即 因此，單位重量液體通過(guò)葉輪后其靜壓能的增加量應(yīng)為上述兩項(xiàng)之和，即 （2-5） 將式2-5代入式2-4，得 （2-6） 將式2-1、2-2代入式2-6，整理得 （2-7） 由上式看出，當(dāng)cosα1=0時(shí)，得到的壓頭最大。故離心泵設(shè)計(jì)時(shí),一般都使α1=90°,于是上式成為： （2-8） 式2-8即為離心泵理論壓頭的表示式，稱為離心泵基本方程式。 從圖2-2可知 （2-9） 如不計(jì)葉片的厚度，離心泵的理論流量QT可表示為： QT=cr2πD2b2 （2-10） 式中 cr2——葉輪在出口處絕對(duì)速度的徑向分量，m/s； D2——葉輪外徑，m； b2——葉輪出口寬度，m。 將式2-9及式2-10代入式2-8，可得泵的理論壓頭H∞與泵的理論流量之間的關(guān)系為： （2-11） 上式為離心泵基本方程式的又一表達(dá)形式，表示離心泵的理論壓頭與流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片的幾何形狀之間的關(guān)系。 二、離心泵理論壓頭的討論 （1）葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑對(duì)理論壓頭的影響 由式2-11可看出，當(dāng)葉片幾何尺寸（b，β）與流量一定時(shí)，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的增加而加大。 （2）葉片形狀對(duì)理論壓頭的影響 根據(jù)式2-11，當(dāng)葉輪的速度、直徑、葉片的寬度及流量一定時(shí)，離心泵的理論壓頭隨葉片的形狀而改變。葉片形狀可分為三種：（見(jiàn)圖2-3） 圖2-3 葉片形狀對(duì)理論壓頭的影響 （a）徑向 （b）后彎 （c）前彎 后彎葉片 β2＜90°,ctgβ2＞0 H∞＜ （a） 徑向葉片 β2=90°,ctgβ2=0 H∞= （b） 前彎葉片 β2＞90°,ctgβ2＜0 H∞＞ （c） 圖2-4 離心泵的H∞與QT的關(guān)系 在所有三種形式的葉片中，前彎葉片產(chǎn)生的理論壓頭最高。但是，理論壓頭包括勢(shì)能的提高和動(dòng)能的提高兩部分。由圖2-3可見(jiàn)，相同流量下，前彎葉片的動(dòng)能較大，而后彎葉片的動(dòng)能較小。液體動(dòng)能雖可經(jīng)蝸殼部分地轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，但在此轉(zhuǎn)化過(guò)程中導(dǎo)致較多的能量損失。因此，為獲得較高的能量利用率，離心泵總是采用后彎葉片。 （3）理論流量對(duì)理論壓頭的影響 從式2-11可看出β2＞90°時(shí)，H∞隨流量QT增大而加大，如圖2-4所示。 β2=90°時(shí)，H∞與流量QT無(wú)關(guān)； β2＜90°時(shí)，H∞隨流量QT增大而減小。 2-1-3 離心泵的功率與效率 一、泵的有效功率和效率 泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于存在種種能量損失，使泵的實(shí)際（有效）壓頭和流量均較理論值為低，即由原動(dòng)機(jī)提供給泵軸的能量不能全部為液體所獲得，設(shè) H——泵的有效壓頭，即單位重量液體從泵處獲得的能量，m； Q——泵的實(shí)際流量，m3/s； ρ——液體密度，kg/m3； Ne——泵的有效功率，即單位時(shí)間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W。 有效功率可寫成 Ne=QHρg （2-12） 由電機(jī)輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以N表示。有效功率與軸功率之比定義為泵的總效率η，即 （2-13） 一般小型離心泵的效率為50%－70%，大型泵可高達(dá)90%。 二、泵內(nèi)損失 離心泵內(nèi)的損失包括容積損失、水力損失和機(jī)械損失。容積損失是指葉輪出口處高壓液體因機(jī)械泄漏返回葉輪入口所造成的能量損失。在圖2-5所示的三種葉輪中，敞式葉輪的容積損失較大，但在泵送含固體顆粒的懸浮體時(shí)，葉片通道不易堵塞。水力損失是由于實(shí)際流體在泵內(nèi)有限葉片作用下各種摩擦阻力損失，包括液體與葉片和殼體的沖擊而形成旋渦，由此造成的機(jī)械能損失。機(jī)械損失則包括旋轉(zhuǎn)葉輪盤面與液體間的摩擦以及軸承機(jī)械摩擦所造成的能量損失。 離心泵的效率反映上述三項(xiàng)能量損失的總和。 圖2-5 葉輪的類型 (a)敞式 (b)半蔽式 (c)蔽式 2-1-4 離心泵的特性曲線 一、離心泵的特性曲線 離心泵的有效壓頭H，軸功率N及效率η均與輸液流量Q有關(guān)，均是離心泵的主要性能參數(shù)。雖然離心泵的理論壓頭H∞與理論流量QT的關(guān)系已如式2-11所示，但由于泵的水力損失難以定量計(jì)算，因而泵的這些參數(shù)之間的關(guān)系只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。離心泵出廠前均由泵制造廠測(cè)定H―Q，η―Q，N―Q三條曲線，列于產(chǎn)品樣本以供用戶參考。 圖2-6為國(guó)產(chǎn)4B20型離心泵的特性曲線。各種型號(hào)的泵各有其特性曲線，形狀基本上相同，它們都具有以下的共同點(diǎn)： 圖2-6 4B20型離心水泵的特性曲線 （1）H－Q曲線 表示泵的壓頭與流量的關(guān)系。離心泵的壓頭一般是隨流量的增大而降低。 例2-1 附圖 1―流量計(jì)；2―壓強(qiáng)表； 3―真空計(jì)；4―離心泵；5―貯槽 （2）N－Q曲線 表示泵的軸功率與流量的關(guān)系。離心泵的軸功率隨流量增大而上升，流量為零時(shí)軸功率最小。所以離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使起動(dòng)電流減小，保護(hù)電機(jī)。 （3）η－Q曲線 表示泵的效率與流量的關(guān)系。從圖2-6的特性曲線看出，當(dāng)Q=0時(shí)，η=0；隨著流量的增大，泵的效率隨之上升，并達(dá)到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。說(shuō)明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)。泵在與最高效率相對(duì)應(yīng)的流量及壓頭下工作最經(jīng)濟(jì)，所以與最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H、N值稱為最佳工況參數(shù)。離心泵的銘牌上標(biāo)出的性能參數(shù)就是指該泵在運(yùn)行時(shí)效率最高點(diǎn)的狀況參數(shù)。根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個(gè)工作范圍，稱為泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的92%左右，如圖中波折號(hào)所示范圍，選用離心泵時(shí)，應(yīng)盡可能使泵在此范圍內(nèi)工作。 【例2－1】 離心泵特性曲線的測(cè)定 附圖為測(cè)定離心泵特性曲線的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)中已測(cè)出如下一組數(shù)據(jù)： 泵進(jìn)口處真空表讀數(shù)p1=2.67×104Pa(真空度) 泵出口處壓強(qiáng)表讀數(shù)p2=2.55×105Pa(表壓) 泵的流量Q=12.5×10－3m3/s 功率表測(cè)得電動(dòng)機(jī)所消耗功率為6.2kW 吸入管直徑d1=80mm 壓出管直徑d2=60mm 兩測(cè)壓點(diǎn)間垂直距離Z2－Z1=0.5m 泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，傳動(dòng)效率可視為1，電動(dòng)機(jī)的效率為0.93 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為20℃的清水 試計(jì)算在此流量下泵的壓頭H、軸功率N和效率η。 解：（1）泵的壓頭 在真空表及壓強(qiáng)表所在截面1－1與2－2間列柏努利方程： 式中 Z2－Z1=0.5m p1=－2.67×104Pa（表壓） p2=2.55×105Pa（表壓） u1= u2= 兩測(cè)壓口間的管路很短，其間阻力損失可忽略不計(jì)，故 H=0.5+ =29.88mH2O （2）泵的軸功率 功率表測(cè)得功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，電動(dòng)機(jī)本身消耗一部分功率，其效率為0.93，于是電動(dòng)機(jī)的輸出功率（等于泵的軸功率）為： N=6.2×0.93=5.77kW （3）泵的效率 = 在實(shí)驗(yàn)中，如果改變出口閥門的開(kāi)度，測(cè)出不同流量下的有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的H、N和η值，并將這些數(shù)據(jù)繪于坐標(biāo)紙上，即得該泵在固定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。 二、液體物理性質(zhì)的影響 泵生產(chǎn)部門所提供的特性曲線是用20℃時(shí)的清水作實(shí)驗(yàn)求得。當(dāng)所輸送的液體性質(zhì)與水相差較大時(shí)，要考慮粘度及密度對(duì)特性曲線的影響。 （1）密度的影響 由離心泵的基本方程式看出，離心泵的壓頭、流量均與液體的密度無(wú)關(guān)，所以泵的效率也不隨液體的密度而改變，故H―Q與η―Q曲線保持不變。但泵的軸功率隨液體密度而改變。因此，當(dāng)被輸送液體的密度與水不同時(shí)，該泵所提供的N－Q曲線不再適用，泵的軸功率需重新計(jì)算。 （2）粘度的影響 所輸送的液體粘度越大，泵內(nèi)能量損失越多，泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率則要增大，所以特性曲線發(fā)生改變。 三、離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)特性曲線的影響 離心泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為 （2-14） 式2-14稱為離心泵的比例定律。 當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時(shí)，可認(rèn)為效率不變，用上式計(jì)算誤差不大。 四、葉輪直徑對(duì)特性曲線的影響 當(dāng)葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，葉輪直徑與流量、壓頭及功率之間的近似關(guān)系為 （2-15） 式2-15稱為離心泵的切割定律。 圖2-7 輸 送系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 2-1-5 離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié) 一、管路特性曲線 當(dāng)離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)中工作時(shí)，實(shí)際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關(guān)，還與管路特性有關(guān)，即在輸送液體的過(guò)程中，泵和管路是互相制約的。所以，在討論泵的工作情況之前，應(yīng)先了解與之相聯(lián)系的管路狀況。 在圖2-7所示的輸送系統(tǒng)中，為完成從低能位1處向高能位2處輸送，單位重量流體所需要的能量為He，則由柏努利方程可得： （2-16） 一般情況下，動(dòng)能差Δu2/2g項(xiàng)可以忽略，阻力損失 （2-17） 其中 式中Qe——管路系統(tǒng)的輸送量，m3/h 故 或 （2-18） 式中系數(shù) 其數(shù)值由管路特性所決定。當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)已進(jìn)入阻力平方區(qū)，系數(shù)K是一個(gè)與管內(nèi)流量無(wú)關(guān)的常數(shù)。將式2-18代入式2-16，得 （2-19） 在特定的管路系統(tǒng)中，于一定的條件下操作時(shí)，ΔZ與Δp/ρg均為定值，上式可寫成 He=A+KQe2 （2-20） 由式2-20看出在特定管路中輸送液體時(shí)，管路所需壓頭He隨液體流量Qe的平方而變化。將此關(guān)系描繪在坐標(biāo)紙上，即為圖2-8的管路特性曲線。此線形狀與管路布置及操作條件有關(guān)，而與泵的性能無(wú)關(guān)。 二、泵的工作點(diǎn) 離心泵安裝在管路中工作時(shí)，泵的輸液量Q即管路的流量Qe，在該流量下泵提供的壓頭必恰等于管路所要求的壓頭。因此，泵的實(shí)際工作情況是由泵特性曲線和管路特性曲線共同決定的。 圖2-8 管路特性曲線與泵的工作點(diǎn) 圖2-9 改變閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)流量示意圖 若將離心泵特性曲線H－Q與其所在管路特性曲線He－Qe繪于同一坐標(biāo)紙上，如圖2-8所示，此兩線交點(diǎn)M稱為泵的工作點(diǎn)。對(duì)所選定的離心泵在此特定管路系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只能在這一點(diǎn)工作。選泵時(shí)，要求工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)的要求，又正好是離心泵所提供的，即Q= Qe，H=He。 三、離心泵的流量調(diào)節(jié) 如果工作點(diǎn)的流量大于或小于所需要的輸送量，應(yīng)設(shè)法改變工作點(diǎn)的位置，即進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。 （1）改變閥門的開(kāi)度 改變離心泵出口管線上的閥門開(kāi)關(guān)，實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線。當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，如圖2-9中曲線1所示，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM減小到QM1。當(dāng)閥門開(kāi)大時(shí)，管路阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，如圖中曲線2所示，工作點(diǎn)移至M2，流量加大到QM2。 用閥門調(diào)節(jié)流量迅速方便，且流量可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)是閥門關(guān)小時(shí)，阻力損失加大，能量消耗增多，不很經(jīng)濟(jì)。 （2）改變泵的轉(zhuǎn)速 改變泵的轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上是改變泵的特性曲線。泵原來(lái)轉(zhuǎn)數(shù)為n，工作點(diǎn)為M，如圖2-10所示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線H－Q往上移，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的轉(zhuǎn)速降至n2，工作點(diǎn)移至M2，流量降至QM2。 這種調(diào)節(jié)方法能保持管路特性曲線不變。當(dāng)流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小時(shí)，阻力損失也相應(yīng)降低，看來(lái)比較合理。但需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速原動(dòng)機(jī)，且難以做到連續(xù)調(diào)節(jié)流量，故化工生產(chǎn)中很少采用。 此外，減小葉輪直徑也可改變泵的特性曲線，使泵的流量減小，但可調(diào)節(jié)的范圍不大，且直徑減小不當(dāng)還會(huì)降低泵的效率，故實(shí)際上很少采用。 例2－2 附圖 圖2-10 改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量示意圖 【例2－2】 將20℃的清水從貯水池送至水塔，已知塔內(nèi)水面高于貯水池水面13m。水塔及貯水池水面恒定不變，且均與大氣相通。輸水管為φ140×4.5mm的鋼管，總長(zhǎng)為200m（包括局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度）。現(xiàn)擬選用4B20型水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2900r/min時(shí)，其特性曲線見(jiàn)附圖，試分別求泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量、軸功率及效率。摩擦系數(shù)λ可按0.02計(jì)算。 解：求泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量、軸功率及效率，實(shí)際上是求泵的工作點(diǎn)。即應(yīng)先根據(jù)本題的管路特性在附圖上標(biāo)繪出管路特性曲線。 （1）管路特性曲線方程 在貯水池水面與水塔水面間列柏努利方程 式中ΔZ=13m Δp=0 由于離心泵特性曲線中Q的單位為L(zhǎng)/s，故輸送流量Qe的單位也為L(zhǎng)/s，輸送管內(nèi)流速為： = 本題的管路特性方程為： He=13+ （2）標(biāo)繪管路特性曲線 根據(jù)管路特性方程，可計(jì)算不同流量所需的壓頭值，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列表如下： Qe/L·s－1 0 4 8 12 16 20 24 28 He/m 13 13.14 13.55 14.23 15.2 16.43 17.94 19.72 由上表數(shù)據(jù)可在4B20型水泵的特性曲線圖上標(biāo)繪出管路特性曲線He－Qe。 （3）流量、軸功率及效率 附圖中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)就是泵的工作點(diǎn)，從圖中點(diǎn)M讀得： 泵的流量 Q=27L/s=97.2m3/h 泵的軸功率 N=6.6kW 泵的效率 η=77% 2-1-6 并聯(lián)與串聯(lián)操作 在實(shí)際工作中，當(dāng)單臺(tái)離心泵不能滿足輸送任務(wù)的要求時(shí)，有時(shí)可將泵并聯(lián)或串聯(lián)使用。這里僅討論兩臺(tái)性能相同的泵并聯(lián)及串聯(lián)的操作情況。 一、并聯(lián)操作 當(dāng)一臺(tái)泵的流量不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵并聯(lián)操作，以增大流量。 一臺(tái)泵的特性曲線如圖2-11中曲線Ⅰ所示，兩臺(tái)相同的泵并聯(lián)操作時(shí)，在同樣的壓頭下，并聯(lián)泵的流量為單臺(tái)泵的兩倍，故將單臺(tái)泵特性曲線Ⅰ的橫坐標(biāo)加倍，縱坐標(biāo)不變，便可求得兩泵并聯(lián)后的合成特性曲線Ⅱ。但需注意，對(duì)于同一管路，其關(guān)聯(lián)操作時(shí)泵的流量不會(huì)增大一倍，因并聯(lián)后流量增大，管路阻力也增大。 二、串聯(lián)操作 當(dāng)生產(chǎn)廠需要利用原有泵提高泵的壓頭時(shí)，可以考慮將泵串聯(lián)使用。 兩臺(tái)相同型號(hào)的泵串聯(lián)工作時(shí)，每臺(tái)泵的壓頭和流量也是相同的。因此，在同樣的流量下，串聯(lián)泵的壓頭為單臺(tái)泵的兩倍。將單臺(tái)泵的特性曲線Ⅰ的縱坐標(biāo)加倍，橫坐標(biāo)保持不變，可求得兩臺(tái)泵串聯(lián)后的合成特性曲線 Ⅱ（圖2-12）。由圖中可知，單臺(tái)泵的工作點(diǎn)為A，串聯(lián)后移至C點(diǎn)。顯然C點(diǎn)的壓頭并不是A點(diǎn)的壓頭H1的兩倍。 圖2-11 離心泵的并聯(lián)操作 圖2-12 離心泵的串聯(lián)操作 圖2-13 組合方式的選擇 三、組合方式的選擇 如果管路兩端勢(shì)能差大于單泵所能提供的最大揚(yáng)程，則必須采用串聯(lián)操作。但在許多情況下，單泵可以輸液，只是流量達(dá)不到指定要求。此時(shí)可針對(duì)管路的特性選擇適當(dāng)?shù)慕M合方式，以增大流量。 由圖2-13可見(jiàn)，對(duì)于低阻輸送管路a，并聯(lián)組合輸送的流量大于串聯(lián)組合；而在高阻輸送管路b中，則串聯(lián)組合的流量大于并聯(lián)組合。對(duì)于壓頭也有類似的情況。因此，對(duì)于低阻輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)組合；對(duì)于高阻輸送管路，則采用串聯(lián)組合更為適合。 圖2-14 離心泵的安裝高度 2-1-7 離心泵的安裝高度 由離心泵的工作原理可知，在離心泵葉輪中心（葉片入口）附近形成低壓區(qū)。如圖2-14所示，離心泵的安裝位置越高，葉片入口處壓強(qiáng)愈低，當(dāng)泵的安裝高度高至一定位置，葉片入口附近的壓強(qiáng)可能降至被輸送液體的飽和蒸汽壓，引起液體的部分汽化并產(chǎn)生汽泡。 含汽泡的液體進(jìn)入葉輪后，因流道擴(kuò)大壓強(qiáng)升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體以高速涌向汽泡中心，造成沖擊和振動(dòng)。尤其是當(dāng)汽泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時(shí)，眾多液體質(zhì)點(diǎn)尤如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片；另外汽泡中還可能帶有氧氣等對(duì)金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致葉片的過(guò)早損壞，這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。 離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵體振動(dòng)并發(fā)生噪音，流量、揚(yáng)程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上液體。為避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處的壓強(qiáng)高于液體的飽和蒸汽壓。 二、離心泵的允許安裝高度 離心泵的允許安裝高度又稱為允許吸上高度，是指泵的入口與吸入貯槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離，以Hg表示。 我國(guó)的離心泵規(guī)格中，采用兩種指標(biāo)對(duì)泵的允許安裝高度加以限制，以免發(fā)生汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標(biāo)介紹如下： 1．允許吸上真空高度 允許吸上真空高度Hs是指泵入口處壓力p1可允許達(dá)到的最高真空度，其表達(dá)式為： （2-21） 式中 Hs——離心泵的允許吸上真空高度，m液柱； pa——大氣壓強(qiáng)，Pa； ρ——被輸送液體的密度，kg/m3。 要確定允許吸上真空高度與允許安裝高度Hg之間關(guān)系，可在圖2-14所示的截面0－0與泵進(jìn)口附近截面1－1間列柏努利方程，則 （2-22） 式中 Hg——泵的允許安裝高度，m； ——液體從截面0―0到1―1的壓頭損失，m。 由于貯槽是敞口的，p0為大氣壓pa，上式可寫為 （2-22a） 將式2-21代入，得 （2-22b） 由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應(yīng)該盡量減小/2g和。為了減小/2g，在同一流量下，應(yīng)選用直徑稍大的吸入管路，為了減小，應(yīng)盡量減少阻力元件如彎頭、截止閥等，吸入管路也盡可能地短。 由于每臺(tái)泵使用條件不同，吸入管路的布置情況也各異，故/2g和值也不同，泵制造廠只能給出Hs值，而Hg值需根據(jù)管路的具體情況通過(guò)計(jì)算確定。 在泵的產(chǎn)品樣本中給出的Hs是指大氣壓為9.807×104Pa，水溫為20℃下的數(shù)值，如果泵的使用條件與該狀態(tài)不同時(shí)，則應(yīng)把樣本上給出的Hs值換算成操作條件下的H's值，其換算公式為： （2-23） 式中 H's——操作條件下輸送液體時(shí)的允許吸上真空高度，m液柱； Hs——泵樣本中給出的允許吸上真空高度，mH2O； Ha——泵安裝處的大氣壓強(qiáng)，mH2O。其值隨海拔高度不同而異。 pv——操作溫度下被輸送液體的飽和蒸汽壓，Pa； 10——實(shí)驗(yàn)條件下的大氣壓，mH2O； 0.24——實(shí)驗(yàn)溫度（20℃）下水的飽和蒸汽壓，mH2O； 1000——實(shí)驗(yàn)溫度下水的密度，kg/m3； ρ——操作溫度下液體的密度，kg/m3。 將H's代入式2-22代替Hs，便可求出在操作條件下輸送液體時(shí)泵的允許安裝高度。 不同海拔高度的大氣壓如表2-1所示，表中1 mH2O相應(yīng)為9.807×103Pa。 表2-1 不同海拔高度的大氣壓強(qiáng) 海拔高度/m 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500 2000 2500 大氣壓強(qiáng)/ mH2O 10.33 10.20 10.09 9.95 9.85 9.74 9.6 9.5 9.36 9.16 8.64 8.15 7.62 2．臨界汽蝕余量 汽蝕余量Δh是指離心泵入口處，液體的靜壓頭p1/ρg與動(dòng)壓頭/2g之和大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭pv/ρg的某一最小指定值，即 （2-24） 將式2-24與2-22合并，可得出汽蝕余量與允許安裝高度之間的關(guān)系 （2-25） 式中 p0為液面上方的壓強(qiáng)，若液位槽為敞口，則p0=pa。 應(yīng)當(dāng)注意，泵產(chǎn)品樣本上的Δh值也是按輸送20℃水而規(guī)定的。當(dāng)輸送其他液體時(shí)，需進(jìn)行校正。具體方法可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。 通常為安全起見(jiàn)，離心泵的實(shí)際安裝高度應(yīng)比允許安裝高度小0.5~1m。 【例2－3】 選用某臺(tái)離心泵，從樣本上查得其允許吸上真空高度Hs=7.5m，現(xiàn)將該泵安裝在海拔高度為500m處，已知吸入管的壓頭損失為1 mH2O，泵入口處動(dòng)壓頭為0.2 mH2O，夏季平均水溫為40℃，問(wèn)該泵安裝在離水面5m高處是否合適？ 解：使用時(shí)的水溫及大氣壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)條件不同，需校正： 當(dāng)水溫為40℃時(shí) pv=7377Pa 在海拔500m處大氣壓強(qiáng)可查表2-1得 Ha=9.74 mH2O H's=Hs+（Ha－10）－ =7.5+（9.74－10）―（0.75―0.24）=6.73 mH2O 泵的允許安裝高度為： （2-22b） =6.73―0.2―1 =5.53m＞5m 故泵安裝在離水面5m處合用。 2-1-8 離心泵的類型與選用 一、離心泵的類型 離心泵的種類很多，化工生產(chǎn)中常用離心泵有清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管道泵和低溫用泵等。以下僅對(duì)幾種主要類型作簡(jiǎn)要介紹。 1．清水泵 清水泵是應(yīng)用最廣的離心泵，在化工生產(chǎn)中用來(lái)輸送各種工業(yè)用水以及物理、化學(xué)性質(zhì)類似于水的其它液體。 最普通的清水泵是單級(jí)單吸式，其系列代號(hào)為“B”，如3B33A型水泵，第一個(gè)數(shù)字表示該泵的吸入口徑為3英寸（76.2mm），字母B表示單吸懸臂式，33表示泵的揚(yáng)程33m，最后的字母A表示該型號(hào)泵的葉輪外徑比基本型號(hào)小一級(jí)，即葉輪外周經(jīng)過(guò)一次切削。 如果要求壓頭較高，可采用多級(jí)離心泵，其系列代號(hào)為“D”。如要求的流量很大，可采用雙吸式離心泵，其系列代號(hào)為“Sh”。 2．耐腐蝕泵 輸送酸堿和濃氨水等腐蝕性液體時(shí)，必須用耐腐蝕泵。耐腐蝕泵中所有與腐蝕性液體接觸的各種部件都須用耐腐蝕材料制造，如灰口鑄鐵、高硅鑄鐵、鎳鉻合金鋼、聚四氟乙烯塑料等。其系列代號(hào)為“F”。但是用玻璃、橡膠、陶瓷等材料制造的耐腐蝕泵，多為小型泵，不屬于“F”系列。 3．油泵 輸送石油產(chǎn)品的泵稱為油泵。因油品易燃易爆，因此要求油泵必須有良好的密封性能。輸送高溫油品（200℃以上）的熱油泵還應(yīng)具有良好的冷卻措施，其軸承和軸封裝置都帶有冷卻水夾套，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通冷水冷卻。其系列代號(hào)為“Y”，雙吸式為“YS”。 4．屏蔽泵 屏蔽泵是一種無(wú)泄漏泵，它的葉輪和電機(jī)聯(lián)為一整體并密封在同一泵殼內(nèi)，不需要軸封裝置。 近年來(lái)屏蔽泵發(fā)展很快，在化工生產(chǎn)中常用以輸送易燃、易爆、劇毒及具有放射性的液體。其缺點(diǎn)是效率較低。 二、離心泵的選用 離心泵的選用原則上可分為兩步： （1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定泵的類型； （2）根據(jù)具體管路布置情況對(duì)泵提出的流量、壓頭要求，確定泵的型號(hào)。 在泵樣本中，各種類型的離心泵都附有系列特性曲線，以便于泵的選用。圖2-15為B型離心泵的系列特性曲線。此圖以H和Q標(biāo)繪，圖中每一小塊面積，表示某型號(hào)離心泵的最佳（即效率較高）工作范圍。利用此圖，根據(jù)管路要求的流量Qe和壓頭He，可方便的決定泵的具體型號(hào)。有時(shí)會(huì)有幾種型號(hào)的泵同時(shí)在最佳工作范圍內(nèi)滿足流量Q及壓頭H的要求，這時(shí)可分別確定各泵的工作點(diǎn)，比較各泵在工作點(diǎn)的效率。一般總是選擇其中效率最高者，但也應(yīng)考慮泵的價(jià)格。 【例2-4】 試選一臺(tái)能滿足Qe=80m3/h、He=180m要求的輸水泵，列出其主要性能。并求該泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需的軸功率和因采用閥門調(diào)節(jié)流量而多消耗的軸功率。 解：（1）泵的型號(hào) 由于輸送的是水，故選用B型水泵。按Qe=80m3/h、He=180m的要求在B型水泵的系列特性曲線圖2-15上標(biāo)出相應(yīng)的點(diǎn)，該點(diǎn)所在處泵的型號(hào)為4B20-2900，故采用4B20型水泵，轉(zhuǎn)速為2900r/min。 再?gòu)慕滩母戒浿胁?B20型水泵最高效率點(diǎn)的性能數(shù)據(jù)： Q=90m3/h H=20m N=6.36kW η=78% Hs=5m （2）泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需的軸功率，即工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軸功率。在圖2-6的4B20型離心水泵的特性曲線上查得Q=80m3/h時(shí)所需的軸功率為 N=6kW （3）用閥門調(diào)節(jié)流量多消耗的軸功率 當(dāng)Q=80m3/h時(shí)，由圖2-6查得H=1.2m，η=77%。為保證要求的輸水量，可采用泵出口管線的閥門調(diào)節(jié)流量，即關(guān)小出口閥門，增大管路的阻力損失，使管路系統(tǒng)所需的壓頭He也等于21.2m。所以用閥調(diào)節(jié)流量多消耗的壓頭為： ΔH=21.2－18=3.2m 多消耗的軸功率為： 圖2-15 B型泵系列特性曲線 ·17·