1、第五章 離心式水泵的工作理論第一節 概述第二節 離心式水泵的工作理論及特性曲線第三節 相似理論第四節 離心式水泵在管路中的工作本章小結第一節 概述一、 排水設備的任務和分類涌入礦井的水統稱為礦水。礦水主要來源于大氣降水、地表水、含水層水、斷層水和采空區水等，對于水力采煤和水砂充填的礦井，還包括水力采煤和水砂充填后的廢水。礦井涌水量：在單位時間內涌入礦井的總水量稱為礦井涌量用q表示，其單位是m3/h。最大涌水量：雨季和溶雪期涌水多，稱這時的涌水量為最大涌水量，用qmax表示，所對應的涌水時間為最大涌水時間，用tmax表示。正常涌水量：其它時間涌水量大致均勻，稱這時的涌水量為正常涌水量，用qz表示

2、，所對應的涌水時間為正常涌水時間，用tz表示。二、排水設備的組成及其作用 排水設備一般由水泵、電動機、吸水管、排水管、管路附件及儀表等組成 三、對排水設備的要求 排水設備是煤礦大型固定設備之一。一般煤礦每開采1t煤，要排出27t的礦水，有些煤礦甚至多達3040 t的礦水。排水設備的電動機功率，小的幾千瓦或幾十千瓦，大的幾百千瓦或上千千瓦。為確保礦井安全生產，排水設備安全、可靠、經濟、合理地運行具有十分重要的意義。排水設備的選用及其布置方式必須符合煤礦安全規程等相關的技術規定和要求。四、離心式水泵的組成及工作原理1、組成：離心式水泵主要由葉輪、葉片、外殼、泵軸和軸承等組成 。2、離心式水泵的工作

3、原理五、離心式水泵的分類1. 按葉輪數目分1)單級水泵 泵軸上僅裝有-個葉輪2)多級水泵 泵軸上裝有幾個葉輪2. 按水泵吸水方式分1)單吸水泵 葉輪上僅有-個進水口2)雙吸水泵 葉輪兩側各有-個進水口3. 按泵殼的結構分 1)螺殼式水泵2)分段式水泵 垂直泵軸心線的平面上有泵殼接縫3)中開式水泵 在通過泵軸心線的水平面上有泵殼接縫4. 按泵軸的位置分1)臥式水泵 泵軸呈水平位置2)立式水泵 泵軸呈垂直位置5. 按比轉數分 1)低比轉數水泵 比轉數nS=4O802)中比轉數水泵 比轉數nS=8O1503)高比轉數水泵 比轉數nS=150300六 離心式水泵的工作參數1、 流量 水泵在單位時間內所

4、排出水的體積，稱為水泵的流量，用符號Q表示，單位m3/s , m3/h。2、揚程 單位重量的水通過水泵后所獲得的能量，稱為水泵的揚程，用符號H表示，單位為m。1）. 吸水揚程(吸水高度)泵軸線到吸水井水面之間的垂直高度，稱為吸水揚程，用符號HX 表示，單位為m。2）排水揚程（排水高度）泵軸線到排水管出口處之間的垂直高度，稱為排水揚程。3）實際揚程（測地高度）從吸水井水面到排水管出口中心線間的垂直高度，稱為實際揚程。4) 總揚程總揚程H為實際揚程、損失揚程和在水在管路中以速度v流動時所需的（速度水頭）揚程之和，稱為水泵的總揚程1000pxQHXP3、功率水泵在單位時間內所做的功的大小叫做水泵的功

5、率。1） 水泵的軸功率電動機傳給水泵軸的功率，即水泵的軸功率（輸入功率）2） 水泵的有效功率 水泵實際傳遞給水的功率，即水泵的有效功率（輸出功率）用符號表示。ZPQH10004、效率：水泵的有效功率與軸功率之比，叫做水泵的效率，用符號表示。 5、轉速 水泵軸每分鐘的轉速，叫做水泵的轉速。6、允許吸上真空度或汽蝕余量 在保證水泵不發生汽蝕的情況下，水泵吸水口處所允許的真空度，叫做水泵的允許吸上真空度。用符號Hs表示。 水泵吸水口處單位重量的水超出水的汽化壓力的富余能量，叫做水泵的汽蝕余量。第二節 離心式水泵的工作理論及特性曲線一、離心式水泵理論壓頭及特征曲線 1. 水在葉輪中的運動分析2. 離心

6、式水泵的理論壓頭方程式由于水流經葉輪時情況非常復雜，為了便于分析，先作如下假設：1)水在葉輪內的流動為穩定流動，即速度圖不隨時間變化；2)水是不可壓縮的，即密度為一常數；3)水泵在工作時沒有任何能量損失，即原動機傳遞給水泵軸的功率完全用于增加流經葉輪水的能量；4)葉輪葉片數目無限多且為無限薄。這樣水流的相對運動方向恰好與葉片相切；葉片的厚度不影響葉輪的流量；在葉輪同一半徑處的流速相等、壓力相同。在上述條件下求出的壓頭，叫做離心式水泵的理論壓頭。MPZ)(11221122lclcgQlmclmcMl)coscos(1111222cucugHl水泵工作時，葉輪傳遞給水的理論功率為lPllHQ=水泵

7、的軸功率PZ可用葉輪入口間水流上的外力矩M和葉輪的角速度之乘積來表示，即 根據動量矩定理可知：作用在葉輪上的外力矩等于每秒鐘流經葉輪出入口間水的動量矩的增量，即則 即為離心式水泵的理論壓頭方程式，又稱為歐拉公式。于是 )(11122uulcucugHulcugH221由此方程式可以看出：1)水從葉輪中所獲得的能量，僅與水在葉輪進口及出口處的運動速度有關，與水在流道中的流動過程無關。如果水在葉輪進口時沒有扭曲，即uc11 =900=0，這時公式可改寫為： 2)理論揚程Hl與u2有關，而602nD2u= 因此，增加轉速n和加大葉輪直徑D2，可以提高水泵的理論揚程。 3)流體所獲得的理論揚程Hl與流

8、體種類無關。對于不同流體，只要葉輪進、出口處流體的速度三角形相同，都可以得到相同的Hl。3. 離心式通風機理論壓頭與理論流量的關系式llBQAH ，guA22222cotgSuB 式中4.離心式水泵的理論壓頭線 離心式水泵的葉輪的葉片型式有三種，即前彎式、后彎式和徑向葉片。在幾何尺寸、轉速以及流體進入葉片運動情況相同的條件下，三種葉片的工作狀態分析如下：1)理論壓頭的關系根據離心式水泵歐拉方程分析可知，前彎葉片c2u u2,后彎葉片c2u 90，cot20, 故Hl = A + BQl； 理論壓頭隨理論流量增加而增大，即Hl隨著Ql的增加而增加，是一條上升的直線。 徑向葉片，290 cot2B

9、故Hl=A； 理論壓頭為定值不變，即Hl不隨著Ql的增加而變化，是一條與橫坐標平行的直線。 后彎葉片20 B 0 故 Hl = A - BQl；理論壓頭與理論流量成反比，是一條下降的直線。三種不同葉型葉片工作特性分析比較結果見下表 不同葉型葉片工作特性的比較比較項目葉片型式前彎徑向后彎理論總壓頭大中小靜力壓頭/總壓頭小中大葉道阻力損失大中小理論總壓頭隨理論流量變化情況升高不變降低理論功率隨理論流量變化情況急劇增大逐漸增大開始增大逐漸趨緩綜上分析，在實踐中通常使用后彎葉片葉輪，2一般在o5o之間，葉片數一般為片。二、離心式水泵的實際壓頭及特性曲線 llKHH/1. 有限多葉片的影響式中 K環流系

10、數， 一般K=0.60.9。2Qkhmm2Qkhqq222QkQkQkhhhmqqmqmmq2)(eggQQkh2能量損失的影響水流經水泵過流部件時的能量損失(水力損失)主要有下列兩種： 1)摩擦損失和擴散器損失 摩擦損失為 擴散器損失為 所以摩擦損失和擴散器損失為 mqk式中 摩擦和擴散損失系數。2)沖擊損失和渦流損失 沖擊損失和渦流損失hq的大小與水泵運轉時流量Q和設計流量Qe之差的平方成正比，即 3離心式水泵實際特性曲線 三、 離心式水泵的效率根據能量損失的形式不同，可將離心式水泵的損失分為機械損失、容積損失和水力損失三種。1機械損失和機械效率 水泵在運轉時存在著機械損失。它包括軸與軸承

11、和填料間的摩擦阻力損失；葉輪在泵腔內的水中轉動時產生的圓盤摩擦損失；以及因級間泄漏而增加的功率損耗。機械損失的大小用機械效率來衡量。水泵的機械效率為ZllZmZmPHQPPP1000/ Hl/葉輪葉片有限多時水泵的理論壓頭， m；Ql/葉輪葉片有限多時水泵的理論流量，即 kwkwrllcbDQQ222式中 PZ 水泵軸功率，Pm機械損失功率，葉輪葉片厚度使葉輪出口斷面縮小的系數，稱為收縮系數。2容積損失和容積效率當水流過葉輪時，由于葉輪對水做功，使水的能量(壓力能和速度能)增大。但得到能量后的水，不是全部流到排水管中，而有少量的高壓水通過動靜部件的間隙( 如在葉輪入口處、平衡孔或平衡盤處以及級

12、間隙等處)重新流回到低壓區，使水泵的實際流量小于理論流量。這種因間隙泄漏而造成的能量損失叫做容積損失。容積損失的大小用容積效率來衡量。水泵的容積效率為/lrQQQQQ 式中 Q、Q實際流量與泄漏流量， m3/s。3水力損失和水力效率水流過水泵的進口、葉輪、導向器、機殼等過流部件時，因摩擦、擴散、沖擊而消耗的能量叫做水力損失。水力損失使水泵的實際壓頭小于理論壓頭。水力損失的大小用水力效率來衡量。水泵的水力效率為 /lslHH4水泵的總效率 水泵的總效率為水泵的有效功率PX(輸出功率)與軸功率PZ(輸入功率)的比值，即 slrmslrZllZlsllrZZxPHQPHQPQHPP100010001

13、000/由此可見，水泵的總效率等于它的機械效率、容積效率和水力效率三者之乘積。只有盡可能減少泵內各種損失，才能獲得較高的水泵效率。 水泵廠生產的及工程上使用的水泵有各種不同的尺寸和轉速。對于不同尺寸和轉速的水泵，其工作參數各不相同。但是，彼此相似的水泵，其相應工況參數之間存在著一定的關系，這種關系對于水泵的制造和使用有著重要的意義。一、相似條件設有某兩臺離心式水泵，若它們相似，則必須滿足以下條件：第三節 相似原理/22/11/22/11bbbbDDDD/11/221幾何相似若葉輪及過流部件幾何形狀相同，對應尺寸比值為一常數，對應的同名角相等，則這兩臺水泵稱為幾何相似，即 2運動相似 在幾何相似

14、的兩臺水泵中，若其對應點的水流速度的比值為一常數，速度之間對應的角度相等，即彼此相似的水泵上各對應點處的速度三角形相似，則這兩臺泵稱為運動相似，即 /22/22/22/11/11/11ccuuccuu 1=1/ 2=2/ 幾何相似是運動相似的先決條件，沒有幾何相似就沒有運動相似。但幾何相似不一定就運動相似，只有對于相應工況時才能運動相似，這是因為不同工況時的速度三角形不同。3動力相似 若作用在兩臺泵相應點處液體上的同名力(如慣性力、壓力、粘性力、重力)的比值相等，則這兩臺泵稱為動力相似。在動力相似的條件下，彼此的效率接近，可以認為 滿足上面三個相似條件的兩臺水泵，稱為相似水泵。但是，要滿足這三

15、個條件是很困難的，甚至是不可能的。所以，相似水泵僅僅是從相對意義上來說的。/3/nnQQ2/2/1/1/2/2/1/12/2/22/)()()(nncucucunncunnHHuuuu/3/5/)(nnPPZZ二、比例定律彼此相似的水泵，在相應工況下的參數間存在著下列關系：1 流量關系 2 .揚程關系 3 .功率關系 /nnQQ2/)(nnHH3/)(nnPPZZ對于同一臺水泵或兩臺對應尺寸相等的相似水泵，其效率相等，若所排送液體重度也相等，上述三個公式可簡化為由以上三個公式可知，對于同一臺水泵，當轉速改變時，在相應工況下，其流量之比等于轉速之比，揚程之比等于轉速比的平方，功率之比等于轉速比的

16、三次方。因為這三個公式是說明轉速改變時，水泵的流量、揚程、功率與轉速之間的比例關系，故稱之為比例定律。432165.3HQnnSi三、 比轉數比轉數是水泵相似原理中的一個重要概念。若兩臺相似水泵在應工況下，其工況參數間的關系為 ，即H/i。式中 Q水泵額定工況下的流量，m3/s；H水泵額定工況下的揚程，m；n水泵廠額定工況下的轉速，r/min。因上述公式是對單側進水和單個葉輪而言的，所以在計算比轉數時，對于雙側進水的水泵，式中的流量是應采用該水泵流量的一半，即Q/2；對于多級水泵來說，式中的揚程應用總揚程除以葉輪的級數比轉數nS反映了以下幾個方面的規律： 反映了某系列離心式水泵在性能參數上的特

17、點。比轉速大，表示其流量大而揚程小；反之，則表示流量小而揚程大。 反映了某系列離心式水泵在構造上的特點。比轉速大的離心式水泵，葉輪進口直徑D1和出口寬度b2較大，而葉輪直徑D2較小，即葉輪厚而小；反之，葉輪薄而大。因此，比轉數nS的大小與葉輪的形狀有一定的關系。故還可以按比轉數的大小進行離心式水泵的分類。另外，比轉數nS還可以作為設計新型水泵的依據。2RQHHsy545421) 1(18pppppxxxxxdlddldgR 第四節 離心式水泵在管路中的工作一、管路特性曲線和水泵的工況點 管路特性曲線水泵輸送給水的壓頭為顯然 公式叫做水泵的管路特性曲線方程式。應該指出，式中的各種系數與幾何尺寸都

18、是針對新管道的。對于由于管壁掛垢使管徑縮小的舊管道，管路阻力系數應乘以1.7，即27 . 1 RQHHsy2. 水泵的工況點水泵是和管路連接而工作的。水泵的流量就是從管路中流過的水量；水泵的揚程就是水流經管路時的總壓頭消耗。所以，如果把水泵特性曲線和管路特性曲線按同一比例畫在同一坐標圖上，所得的交點就是水泵的工作點，稱為工況點。點所對應的參數稱為工況參數。二、汽蝕現象和吸水高度1 汽蝕現象及其危害當汽蝕發展到一定程度時，將影響水泵的性能并妨礙其正常運行。主要表現為以下幾方面：(1)泵的性能改變 當汽蝕初生時，對水泵外特性并無明顯影響。汽蝕發展到一定程度后，水泵的功率、效率、流量和揚程等參數會有

19、突然的下降。當汽蝕充分發展時，水流的有效過流面積會減小很多，以致引起水流中斷，不能工作。(2)引起振動和噪聲 汽泡破裂時，液體質點互相沖擊，產生噪聲和機組振動，兩者互相激勵使泵產生強烈振動，稱為汽蝕共振現象。(3)過流部件表面的破壞 汽蝕破壞可大大縮短水泵的使用壽命，剝蝕和腐蝕嚴重時，會產生葉片斷裂或穿孔等重大事故。 npahnxxaaphHphhhhnpgvp22112 汽蝕余量(泵廠一般用NPSH表示) 汽蝕余量的值等于從基準面算起的泵吸入口的總水頭(絕對壓 力，以米水柱計)減去水的汽化壓力(絕對壓力，以米水柱計)，即=式中 水在該溫度下的汽化壓力，Pa。對于基準面的選取，ISO標準及GB

20、標準都規定：基準面為通過葉輪葉片進口邊的外端所描繪的圓的中心的水平面。對于臥式泵，其基準面就是泵軸中心線。水泵的汽蝕余量也可以用上式的右邊表示，稱之為裝置汽蝕余量，用表示，即 ahrhnxxaphHprh為使泵不發生汽蝕，裝置提供的汽蝕余量應大于或等于泵的允許汽蝕余量，即以上兩式即為泵不發生汽蝕的條件。xHrnxahphpsHsH xxxashgvHppH2213 吸水高度欲保證水泵工作時不發生汽蝕，吸水高度老式型號的泵，反映其汽蝕性能的參數是允許吸上真空度。由上式知，水泵吸入口的真空度為 sHsHsHMsHMxHgvhHxxs22欲使水泵不發生汽蝕，必須使式中 工況點所對應的水泵允許吸上真空

21、度；工況點所對應的水泵吸入口處的真空度。 保證水泵不發生汽蝕的合理吸水高度為331081. 924. 01081. 910aassppHHsHsHapnp應該指出，從水泵性能曲線圖上所查出的s值,若與水泵使用地點的條件不符，則應按下式加以修正：式中 修正后的允許吸上真空度，m； 水泵性能曲線上查出的允許吸上真空度，m； 安裝地點的大氣壓，Pa； 工作水溫下水的飽和蒸汽壓，Pa；0.24溫度20時水的汽化壓力，mH2o。與水泵的使用地點的大氣壓力、水的溫度有關。水的溫度越高，水泵越容易發生汽蝕；海拔高度越高，大氣壓力越低，水泵也容易發生汽蝕。apap表1 不同海拔高度時的大氣壓力海拔高度/m-6

22、000100200300400500 /m11.311.310.210.110.09.89.7海拔高度/m600700800900100015002000 /m9.69.59.49.39.28.68.1sHsHrhrhsH表2 水在各種溫度下的飽和蒸汽壓溫度/02030405060708090100飽和蒸汽壓0.060.240.430.751.252.023.174.827.1410.33利用允許吸上真空度 計算吸水高度，不如利用汽蝕余量計算方便。與的值按10-的關系換算。三、水泵正常工作條件三、水泵正常工作條件1. 穩定工作條件為保證水泵穩定工作，水泵的初始揚程與實際揚程sy之間應滿足下列關

23、系sy0.9 2.泵的經濟運轉條件(0.850.9)max 3.泵不發生汽蝕的條件為保證水泵正常運行，實際裝置的汽蝕余量應大于泵的允許汽蝕余量。總之，要保證水泵正常工作，所確定的工況點必須同時滿足穩定工作條件，經濟工作條件和不發生汽蝕的條件。四、離心式水泵的聯合工作四、離心式水泵的聯合工作 一臺水泵單獨在管路上工作時，若其流量或揚程不能滿足排水要求，可以采用兩臺或多臺水泵的聯合工作。聯合工作的方法有串聯和并聯兩種。1. 水泵的串聯運轉 兩臺或兩臺以上水泵順次連接，前一臺水泵的出口同后一臺的進口直接連接，稱為直接串聯工作。若前一臺泵的出口與后一臺泵的進水口中間有一段管子連接，則稱為間接串聯工作。

24、它們共同的特點是串聯時各泵流量相等并等于管路流量，而管路所需揚程為兩泵揚程之和。因此，若用一臺等效泵代換串聯的各泵，則可在同一坐標圖上，按“等流量線上揚程相加”的原則將串聯的各泵揚程特性曲線相加，即得等效泵的揚程特性曲線。水泵串聯工作時應注意以下問題：水泵串聯工作時應注意以下問題： (1)兩泵間接串聯時，其等效揚程特性曲線和工況點的求法相同。但位于下部的水泵將水排至上部泵的入口時，應還有剩余揚程，否則不能進行正常串聯工作。 (2)一般串聯各泵宜選用型號相同或特性曲線相近的水泵。因為串聯時兩泵的流量相同，若兩泵差異較大，則流量較大的水泵必然在低流量下工作，不能發揮其應有的效能，因而不經濟。 (3

25、)串聯工作時，若有一臺水泵發生故障，則整個系統就得停止工作。 實踐證明，水泵的串聯工作由于受排水系統和水泵強度的限制，很少使用。2. 并聯工作 2臺或2臺以上的泵同時向一條管路供水時稱為并聯工作。水泵并聯后可以增加流量，所以并聯一般用于一臺水泵的流量不能滿足要求的場合。 應當注意：應當注意：兩臺或多臺水泵并聯時，各水泵應有相同或相似的特性，尤其是泵的揚程范圍應大致相同，否則揚程較高的水泵將不能發揮其效能。因為并聯時各泵的揚程總是相等的，如果低揚程泵的揚程合適，則高揚程泵必然因揚程太低而流量過大，使工況點落在工業利用區之外。 3 串并聯方式的確定 水泵串聯的主要目的是為了增加揚程，并聯的主要目的

26、是為了增加流量。但在某些情況下，此結論不完全正確。五、水泵工況的調節五、水泵工況的調節 調節的目的有兩個：一是使水泵的工況點始終滿足正常工作條件；二是使水泵的流量和揚程滿足實際工作的需要。 因工況點是由水泵的揚程特性曲線與管路特性曲線的交點決定的，所以要改變工況點，就可以采用改變管路特性或揚程特性的方法來實現。1. 改變管路特性曲線調節法1）閘門節流法水泵需額外增加一部分能量用于克服由閘閥關小所增加的2）局部阻力損失。3）管路并聯調節法4）旁路分流調節2 改變水泵特性曲線調節法1）減少葉輪數目調節法當減少葉輪數目時，水泵特性曲線則相應下降，工況點即隨之變動。如果水泵排水所需的總揚程為，每一葉輪

27、產生的揚程為i，則水泵所需的葉輪數目為iHHi22DDQQ222)(DDHH322)(DDPPZZ2）切割葉輪外徑調節法在保持轉速不變的情況下，由比例定律得： 一般說來，水泵的比轉數越大，切割量應越小。不同比轉數離心泵葉輪允許切割量，見下表比轉數sn60120200300350350以上切割限度201511970效率下降值每切小10，下降1每切小4，下降1 切割限量與切割后的效率下降值aD2aD2 aaaDDD2222不同的葉輪應當采用下列不同的切割方式:(1)低比轉數離心泵葉輪的切割量，在兩個圓盤和葉片上都是相等的(如果有導水器或在葉輪出口有泄漏環，則只切割葉片，不切割圓盤)；(2)高比轉數的離心泵，葉片兩邊切割成兩個不同的直徑，前盤的直徑大于后盤的直徑，而。)改變葉輪轉速調節法改變轉速的方法有以下幾種： (1)皮帶輪調速 泵與電動機采用三角帶式傳動，通過改變泵或電動機的帶輪的大小來調速。這種方法使用廣泛，但調速范圍有限，且不能隨時自動調速，需要停機換輪。 (2)變頻調速 利用變頻調速器，通過改變電流頻率來改變電動機轉速，進而改變泵的轉速。該方法優點是能實現泵轉速的無級調節。但