离心泵的叶轮及其轴封装置

一、离心泵构造及工作原理

（一）离心泵的基本组成部件

离心泵的主要部件为叶轮、泵壳和轴封装置。

（1）叶轮。叶轮是离心泵的关键部件，其作用是将原动机的机械能传给液体，使通过离心泵的液体静压能和动能均有所提高。叶轮由6～8片后弯叶片组成。按其机械结构可分为以下三种，如图3-1所示。开式叶轮仅有叶片和轮毅，两侧均无盖板，制造简单，清洗方便，如图3-1（a）所示；半闭式叶轮没有前盖板而有后盖板，如图3-1（b）所示；闭式叶轮两侧分别有前、后盖板，流道是封闭的，如图3-1（c）所示，这种叶轮液体流动摩擦阻力损失小，适用于高扬程、洁净液体的输送。

图3-1 离心泵的叶轮

一般离心泵大多采用闭式叶轮。开式和半闭式叶轮由于流道不易堵塞，适用于浆液、黏度大的液体或含有固体颗粒的悬浮物液体的输送。但由于开式或半闭式叶轮没有或一侧有盖板，叶轮外周端部没有很好的密合，部分液体会流回叶轮中心的吸液区，因而效率较低。

开式或半闭式叶轮在运行时，部分高压液体漏入叶轮后侧，使叶轮后盖板所受压力高于吸入口侧，对叶轮产生轴向推力。轴向推力会使叶轮与泵壳接触而产生摩擦，严重时会引起泵的震动。为了减小轴向推力，可在后盖板上钻一些小孔，称为平衡孔，如图3-2（a）所示，使部分高压液体漏至低压区，以减小叶轮两侧的压力差。平衡孔可以有效地减小轴向推力，但同时也降低了泵的效率。

叶轮按其吸液方式的不同可分为单吸式和双吸式两种，如图3-2所示。单吸式叶轮构造简单，液体从叶轮一侧被吸入；双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，并能较好地消除轴向推力，故常用于大流量的场合。

图3-2 吸液方式

（2）泵壳。泵壳是一个截面逐渐扩大的状似蜗牛壳形的通道，亦称蜗壳，如图3-3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被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使大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和导出液体的通道，同时其本身又是一个转能装置。

在较大的泵中，在叶轮与泵壳之间还装有固定不动的导轮，如图3-3所示，其目的是为了减少液体直接进入蜗壳时的冲击。由于导轮具有很多逐渐转向的通道，使高速液体流过时均匀而缓和地将动能转变为静压能，从而减少了能量损失。

图3-3 泵壳与导轮

（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的四周漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内的低压区。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种，如图3-4和图3-5所示。普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，即将泵轴穿过泵壳的环隙作为密封圈，于其中填入软填料（例如，浸油或涂石墨的石棉绳），以将泵壳内、外隔开，而泵轴仍能自由转动。

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。近年来在制药生产中离心泵的轴封装置广泛采用机械密封。如图3-5所示，它是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构成的，两环的端面借弹簧力互相贴紧而做相对运动，起到密封作用。

图3-4 填料密封装置

图3-5 械密封装置

（二）离心泵工作原理

若将某池子热水送至高10m 的凉水塔，倘若外界不提供机械能，水能自动由低处向高处沉吗？ 显然是不能的。如图3-6所示，下面在池面与凉水塔液面列伯努利方程得

因z1=0，p1=p2=0（表压），z2=10m，u1=0，若泵未有开动，则he=0。

代入上式得

图3-6 流体输送示意图

此计算说明，u2 无实数解。泵不开动，热水就不可能流向凉水塔，就需要外界提供机械能量。对流体提供机械能量的机器，称为流体输送机械。离心泵是重要的输送液体的机械之一。

如图3-7所示，离心泵主要由叶轮和泵壳组成。

先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头（u 2/2g）。由于泵壳液体通道设计成零面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由部分动压头转变为静压头（p/ρg），即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。

图3-7 离心泵构造示意图

在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空），则常压液体不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。

可以用如下形式表示：

此机械何以得名离心泵，是因为在叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产生高速度。离心泵工作原理和离心泵叶轮的类型，如图3-8和图3-1所示。

图3-8 离心泵工作原理

离心泵启动时，如果泵壳与吸入管道中没有充满液体或泵壳内还存有空气，则由于空气密度远远小于液体密度，叶轮旋转带动空气所产生的离心力就小，泵壳内产生的真空度就小。此时储槽液面与泵入口处的静压差就小，就不能推动液体流入泵内。这种由于泵内存气，启动离心泵而不能输送液体的现象称为“气缚”。泵吸入管中的底阀，是一个单向阀，它可以保证第一次开泵时，使泵内容易充满液体，避免气缚现象发生。

二、离心泵参数与特性曲线

为了正确地选择和使用离心泵，需要了解离心泵性能。

泵的流量：指单位时间泵所输送的流体体积，用qV 表示，单位是m3·s-1。

泵的扬程：指单位重量（1N）液体流经泵所获得的能量，用H 表示，单位是m（液柱）。

泵的轴功率：指泵轴所需的功率，用P 表示，单位是w。

泵的有效功率：指单位时间流体从泵所获得的有效能量，用Pe 表示，单位是w。

泵的效率：指泵的有效功率与轴功率之比，用η表示，即

泵的流量qV、扬程H、轴功率P、效率η，统称为离心泵的性能参数。这些参数之间的关系，都是由实验来测定的，如图3-9所示。

图3-9 泵性能实验装置示意图

将实验所得数据（qV、H、P、η），描绘成H-qV 曲线、P-qV 曲线、η-qV 曲线，统称为离心泵的特性曲线。

下面对真空表与压力表之间的液体列伯努利方程得

因

z1=0，z2=h0，p1=-pv（pv 为真空度，即负表压）

p2=pM（压力表读数，表压），hf≈0（管路径很短，可以忽略）

则

式中h0 为真空表与压力表垂直位差，m；pM 为压力表读数（表压），Pa；pv 为真空表读数，Pa；u1，u2 为吸入管和压出管中液体流速，m·s-1。

式（3-1）即为对应于一定流量（qv）泵提供扬程的计算公式。

电动机提供给泵轴的机械功率P，可由电流表I（A）和电压表U（V）的读数得到，也可由功率表直接读得。

泵的有效功率（Pe）计算式，推导如下。

例如，离心泵对流体实际提供的能量为We（J·kg-1），也就是说，对每千克液体，泵要提供We 焦耳的能量。

在θ时间里，泵输送的体积流量为qV（m3·s-1），则输送的液体质量为

qV（m3·s-1）×ρ（kg·m-3）×θ（s），单位是kg

在θ时间里，泵要提供的能量为

qVρθ（kg）×We（J·kg-1），单位是J

而功率是单位时间里提供的能量，所以

因

We=Hg

则

泵效率定义为，泵的有效功率与泵的轴功率之比，即

在图3-5所示装置上，用阀门调节管路流量至某一值qV1；读取真空计、压力计读数pv1、pM1，再读功率表数值P1；已知进、出口管径分别为d1、d2。

由式（3-1）计算得到H1，由式（3-3）计算得到Pe1，由式（3-4）计算得到η1。

再调节流量至qV2，重复上述步骤，得到H2、Pe2、η2。因此，重复测得8～10个数据点。在图中可描得三条曲线H-qV、P-qV、η-qV，此即为泵的特性曲线，如图3-10所示。

图3-10 某离心水泵的特性曲线

【例1】 今有一台IS100-80-125型离心泵，测定其性能曲线时的某一点数据如下：qV=60m3·h-1；真空计读数pv=-0.02MPa，压力表读数为0.21MPa，功率表读数为5550w。已知液体密度为ρ=1000kg·m-3。真空计与压力计的垂直距离为0.4m，吸入管直径为100mm，排出管直径为80mm。试求此时泵的扬程H、功率Pe 和效率η。

【解】

则

IS100-80-125型离心泵的含义是，IS是指国际标准单级单吸清水离心泵，IS型是我国按国际标准（ISO）设计的产品，是B型泵的换代产品。其中的100是指泵入口直径，mm；80是指泵出口直径，mm；125是指叶轮外径，mm。

三、离心泵的安装高度

图3-11 安装高度示意图

在图3-7中的储槽液面0-0′与泵入口处1-1′截面，列伯努利方程得

因

z0=0，z1=Hg，u0=0

则

改写式（3-5），并将式（3-6）代入式（3-5）得

则(https://www.xing528.com)

式中 Δh——由泵样本查得的汽蚀余量值，m；

p0——泵工作处的大气压强，Pa；

pv——操作温度下被输液的饱和蒸汽压，Pa。

（2）允许吸上真空高度法（Hs）。目前出版的新的泵样本中，并没有列出Hs 数值。但20世纪90年代以前出版的教材和泵样本中，是列有Hs值的。为了便于新老样本的衔接，此处简要介绍此法。

定义

将Hs 代入式（3-5）得

考虑到泵工作地点的大气压强不一定是0.1MPa，泵需送的液体也不一定是20℃的水，将压力与温度校正项加进去，代入式（3-8）得

式（3-9）即允许吸上真空高度法计算泵安装高度的公式。Hs 为允许吸上真空高度。

四、离心泵的工作点及调节

离心泵工作时，不仅取决于泵的特性曲线H-qV 线，而且取决于工作管路的特性。当离心泵在给定管路工作时，液体要求泵提供的压头，可由伯努利方程求得

由于位压头和静压头与流量无关，可令其为常数A，即

H=A+hf

因

则

式（3-12）为管路特性曲线。离心泵的稳定工作点应是泵特性曲线（H-qV 曲线）与管路特性曲线的交点，如图3-12所示。

图3-12 离心泵工作点示意图

要调节泵的工作点，通常采用调节管路特性曲线的办法。将式（3-12）展开得

式（3-13）中的z1、z2、p1、p2 一般由工艺要求所决定，不可随意变动。主要是通过调节阀门开度，改变管路的局部阻力当量长度（le）。若要使流量变小，则关小阀门，使le 增加。如图3-13所示，管路特性曲线斜率增大，由EC 线变至EB 线。若要使流量增大，则开大阀门使le 减少。

上面主要介绍了通过调节管路特性曲线，即加大和减小阀门开度，改变阀门的阻力当量长度le，达到调节离心泵工作点的目的。当然，通过调节离心泵特性曲线，也可以达到调节离心泵工作点的目的。要调节泵的特性曲线，可以通过改变离心泵的叶轮转速，或车削叶轮的直径来达到。

图3-13 流量调节示意图

在设计某个工艺管路时，可通过改变泵的特性曲线来调节泵的工作点。在已投入操作的工艺管路中，多采用调节管路特性曲线的办法，来调节泵的工作点。

五、离心泵的并联与串联

对于已经安装并使用着的管路系统，使用一台离心泵流量太小，不能满足流量要求时，可采用两台型号相同的离心泵并联操作，即两台泵排出的液体汇合送入同一管路系统。此时可把两台泵看成虚拟的一台“大泵”。

当取某一扬程数据时，“虚拟大泵”流量为与此扬程对应流量的两倍。当取另一扬程数据时，“虚拟大泵”流量为与另一扬程对应流量的两倍，依此取几组数据。所以，根据一台离心泵的特性曲线，可绘出“虚拟大泵”的特性曲线，如图3-14所示。如果此时管路特性曲线不变，一台泵的工作点在A 点，“虚拟大泵”的工作点在B 点。显然，B 点的总流量并没有增加两倍。并联泵的台数越多，所增加的流量越少。

图3-14 离心泵并联操作示意图

图3-15 离心泵串联操作示意图

同样的道理，如果现场管路中，一台离心泵的扬程不能满足要求时，可采用两台型号相同的离心泵串联操作，即第一台泵排出的液体进入第二台泵，然后由第二台泵排入管路系统中。此时串联的两台泵，也可以看成是一个虚拟的大泵。当取某流量数据时，“虚拟大泵”的扬程为与此流量对应扬程的两倍。所以根据一台离心泵的特性曲线，可绘出“虚拟大泵”的特性曲线，如图3-15所示。如果此时管路特性曲线不变，一台泵的工作点在A 点，“虚拟大泵”的工作点在B 点。显然，B 点的总扬程并没有增加两倍。

由此看出，并联泵只是现场需要时，才会用到。在设计时，选一台两倍流量的泵就可以了，何必需要两台并联呢？ 串联泵也是现场需要时，才会用到。在设计时，选一台高扬程泵或者选一台适合的多级泵就可以了。不会采用两台泵串联的形式。