化工原理第二章

2 流体输送机械

教学要求：掌握离心泵的结构、工作原理、主要性能参数、特性曲线及其应用、泵的安装、

操作注意事项、泵的选型；离心泵的流量调节、串并联特征；了解其它类型的液体输送设备，如往复泵、旋转泵、计量泵等。了解流体输送机械在化工生产中的作用；了解气体输送设备的工作原理、特点及主要性能参数。

教学重点：离心泵主要性及特性曲线的 ;管路特性曲线； 泵的工作点及流量调节;离心泵

安装高度的确定、开停车操作要点、泵的选型

教学难点：泵的工作点及流量调节；离心泵安装高度的确定

2.1 概 述

如果说管路是设备与设备之间、车间与车间之间、工厂与工厂之间联系的通道的话，则流体输送机械是这种联系的动力所在。以供料点和需料点为截面列柏努利方程：

pu2

hezhf

g2g

其中he是流体输送机械对单位重量流体所做的功。从上式可以看出，采用流体输送机械操作的目的可能是为了提高流体的动能、位能或静压能，或用于克服沿程的阻力，也可能几种目的兼而有之。

流体输送机械分类：

介质：

液体——泵

气体——风机、压缩机

工作原理：

离心式

正位移式（容积式）：往复式、旋转式 其它（如喷射式）

2.2 离心泵

离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工业生产中普遍被采用。

2.2.1离心泵的主要部件和工作原理

1．离心泵的主要部件

（1）叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由4-8片的叶片组成，构成了数目相同的液体通道。按有无盖板分为开式、闭式和半开式（其作用见教材）。

（2）泵壳：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。

（3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。

2．离心泵的工作原理

（1）叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外周时，流速非常高。

（2）泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的

方向流动，使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能量转换装置。

（3）液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。

气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。（通过第一章的一个例题加以类比说明）。

为防止气缚现象的发生，

离心泵启动前要用外来的液体

将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。

（4）叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。

（5）后盖板上的平衡孔消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区，减轻叶轮前后的压力差。但由此也会此起泵效率的降低。

（6）轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零——气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封。

2.2.2 离心泵的性能参数与特性曲线

性能参数表征离心泵性能的好坏，其中最重要的性能参数是压头。离心泵的压头是指泵对单位重量流体提供的机械能。以下首先从理论上分析其影响因素。

0．离心泵的理论压头

离心泵的理论压头与如下几个假定条件相对应：①叶轮内叶片数目无限多，液体完全沿着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体为粘度等于零的理想流体，液体在流动中没有阻力。在这两个假定条件下，离心泵的理论压头可以表示为：

H

1

r2Qctg g2b2g

其中：r—叶轮半径；—叶轮旋转角速度；Q—泵的体积流量；b2—叶片宽度；——叶片装置角。

讨论①装置角是叶片的一个重要设计参数。当其值小于90度时称为后弯叶片；等于90度时称为径向叶片；大于90度时称为前弯叶片。叶片后弯时液体流动能量损失小，所以一般都采用后弯叶片。

②当采用后弯片时，ctg为正，可知理论压头随叶轮直径、转速及叶轮周边宽度的增加而增加，随流量的增加呈线性规律下降。

③理论压头与流体的性质无关。

④前式给出的是理论压头的表达式。实际操作中，由于以下三方面的原因，使得单位重量液体实际获得的能量，即实际压头，与离心泵的理论压头有一定的差距：

（A）叶片间环流；（B）阻力损失；（C）冲击损失。

考虑以上三方面之后，压头与流量之间的线性关系也将发生变化。如图所示。 1．离心泵的主要性能参数

离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量

（1）（叶轮）转速n：1000~3000rpm；2900rpm最常见。

（2）流量Q：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。 （3）压头（扬程）H：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程并不代表升举高度。

（4）功率：（A）有效功率Ne：离心泵单位时间内对流体做的功——NeHQg；

（B）轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的能量。

（5）效率：由于以下三方面的原因，由H电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加能量的利用程度：Ne/N

（A）容积损失；（B）水力损失；（C）机械损失。

2．离心泵的性能曲线

从前面的讨论可以看出，对一台特定的离

心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功率和效率都与其流量有一一对应的关系，其中以压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形表示就称为离心泵的性能曲线。由于压头受水力损失影响的复杂性，这些关系一般都通过实验来测定。包括H~Q曲线、N~Q曲线和~Q曲线。

离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵产品说明书中，其测定条件一般是20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图所示。

讨论①从H~Q特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。

②轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小。

③泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降，根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。

④离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数。 3．离心泵特性的影响因素 （1）流体的性质：

（A）液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。

（B）液体的粘度：粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。

（2）转速

离心泵的转速发生变化时，其流量、压头和轴功率都要发生变化：

Q2n2

； Q1n1

H2n2N2n2

； H1n1N1n1

23

——比例定律 （3）叶轮直径

前已述及，叶轮尺寸对离心泵的性能也有影响。当切割量小于20%时：

Q2D2

 Q1D1

；

H2D2N2D2

； D H1DN111

23

——切割定律

2.2.3离心泵的工作点和流量调节

在泵的叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和压头可用H~Q特性曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定。讨论泵的

工作情况，不应脱离管路的具体情况。泵的工作特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。

1．管路的特性曲线

考虑由柏努利方程导出的外加压头计算式：

pu2

hezhf

g2g

Q越大，则hf越大，则流动系统所需要的外加压头越大he。将通过某一特定管路的流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。

lle

考虑上式中的压头损失：hfd



u282g2

gp8

g2g

lle5d2Q 

忽略上、下游截面的动压头差，则hez

lle5d2Q。 

当管路和流体一定时，是流量的函数。令Az

p

，则上式变为：heAf(Q) g

称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在H~Q坐标中对应的曲线称为管路特性曲线。 说明①Az

p

为管路特性曲线在H轴上的截距，表示管路系统所需要的最小外加压头。 g

②当流动处于阻力平方区，摩擦因数与流量无关，管路特性方程可以表示为： heABQ2； 其中B

8lle

52gd



 

③高阻管路，其特性曲线较陡；低阻管路其特性曲线较平缓。 2．离心泵的工作点

将泵的H~Q曲线与管路的he~Q曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称为泵的工作点。

说明①泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到；

②安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要的；

③工作点对应的各性能参数（Q,H,,N）反映了一台泵的实际工作状态。

3．离心泵的流量调节

H

H

由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，

这实际上就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能改变工作点，从而达到调节流量的目的。

（1）改变出口阀的开度——改变管路特性

出口阀开度与管路局部阻力当量长度有关，后者与管路的特性有关。所以改变出口阀的开度实际上是改变管路的特性。

关小出口阀，le增大，曲线变陡，工作点由C变为D，流量下降，泵所提供的压头上升；相反，开大出口阀开度，le减小，曲线变缓，工作点由C变为E，流量上升，泵所提供的压头下降。此种流量调节方法方便随意，但不经济，实际上是人为增加管路阻力来适应泵的特性，且使泵在低效率点工作。但也正是由于其方便性，在实际生产中被广泛采用。

（2）改变叶轮转速——改变泵的特性

如图所示，n3n1n2，转速增加，流量和压头均能增加。这种调节流量的方法合理、经济，但曾被认为是操作不方便，并且不能实现连续调节。但随着的现代工业技术的发展，无级变速设备在工业中的应用克服了上述缺点。是该种调节方法能够使泵在高效区工作，这对大型泵的节能尤为重要。

（3）车削叶轮直径：

这种调节方法实施起来不方便，且调节范围也不大。

例题1 确定泵是否满足输送要求。将浓度为95%的硝酸自常压罐输送至常压设备中去，要求输送量为36m/h, 液体的扬升高度为7m。输送管路由内径为80mm的钢化玻璃管构成，总长为160（包括所有局部阻力的当量长度）。现采用某种型号的耐酸泵，其性能列于本题附表中。问：

（1） 该泵是否合用？

（2） 实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？ Q(L/s) H(m) (%)

0 19.5 0

3 19 17

6 17.9 30

-3

3

H

9 16.5 42

3

12 14.4 46

15 12 44

已知：酸液在输送温度下粘度为1.1510Pas；密度为1545kg/m。摩擦系数可取为0.015。

（2）实际的输送量、功率消耗和效率取决于泵的工作点，而工作点由管路物特性和泵的特性共同决定。

由柏努利方程可得管路的特性方程为：He70.006058Q2 （其中流量单位为L/s） 据此可以计算出各流量下管路所需要的压头，如下表所示： Q(L/s) H(m)

0 7

3 7.545

6 9.181

9 11.91

12 15.72

15 20.63

据此，可以作出管路的特性曲线和泵的特性曲线，如图所示。两曲线的交点为工作点，其对应的压头为14.8m；流量为11.4L/s；效率0.45；轴功率可计算如下：

HQ14.8*11.4103*15.45N5.68kW

102102*0.45

Q, L/s



点评（1）判断一台泵是否合用，关键是要计算出与要求的输送量对应的管路所需压头，然后将此压头与泵能提供的压头进行比较，即可得出结论。另一个判断依据是泵是否在高效区工作，即实际效率不低于最高效率的92%

（2）泵的实际工作状况由管路的特性和泵的特性共同决定，此即工作点的概念。它所对应的流量（如本题的11.4L/s）不一定是原本所需要的（如本题的10L/s）。此时，还需要调整管路的特性以适用其原始需求。

2.2.4离心泵的组合操作

在实际生产中，有时单台泵无法满足生产要求，需要几点组合运行。组合方式可以有串联和并联两种方式。下面讨论的内容限于多台性能相同的泵的组合操作。基本思路是：多台泵无论怎样组合，都可以看作是一台泵，因而需要找出组合泵的特性曲线。

1．串联泵的组合特性曲线

两台完全相同的泵串联，每台泵的流量与压头相同，则串联组合泵的压头为单台泵的2倍，流量与单台泵相同。单台泵及组合泵的特性曲线如图所示。

讨论①组合泵的H~Q曲线与单台泵相比，Q不变，H加倍；

②管路特性一定时，采用两台泵串联组合，实际工作压头并未加倍，但流量却有所增加。

③关小出口阀，使流量与原先相同，则实际压头就是原先的2倍。

④对n完全相同的泵串联，组合泵的特性方程：

Hn(ABQ2)

2．并联泵的合成特性曲线

两台完全相同的泵并联，每台泵的流量和压头相同，则并联组合泵的流量为单台的2倍，压头与单台泵相同。单台泵及组合泵的特性曲线如图所示。 讨论①组合泵的H~Q曲线与单台泵相比，H不变，Q加倍；

②管路特性一定时，采用两台泵并联组合，实际工作流量并未加倍，但压头却有所增加。

③开大出口阀，使压头与原先相同，则流量加倍。

④n台完全相同的泵串联，组合泵的特性方程为：

HAB

Q2n2

3．组合方式的选择

单台不能完成输送任务可以分为两种情况：①压头不够，Hz

p

；②压头合格，g

但流量不够。对于情形①，必须采用串联操作；对于情形②，应根据管路的特性来决定采用何种组合方式。

如图所示，对于高阻管路，串联比并联组合获得的Q增值大；但对于低阻管路，则是并联比串联获得的Q增量多。

2.2.5离心泵的安装高度

离心泵的安装高度是指要被输送的液体所在贮槽的液面到离心泵入口处的垂直距离，即右图中的zs。由此产生了这样一个问题，在安装离心泵时，安装高度是否可以无限制的高，

还是受到某种条件的制约。

1．汽蚀现象

对如图所示的入口管线，在s-s和K-K间列柏努利方程，可得：

pspKu2

zshf(sK) gg2g

对于确定的管路，当被输送流体也一定时，若增加泵的安装高度zs，则入口管线的压头损失也增加。在贮槽液面上方压力ps一定的情况下，叶轮中心K处的压力pK必然下降。当zs增加到使pK下降至被输送流体在操作温度下的饱和蒸汽压时，则在泵内会产生：

①被输送流体在叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；

②汽泡在由叶中心向周边运动时，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体

以很高的流速冲向真空区域；

③当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片。 离心泵在汽蚀状态下工作：

①泵体振动并发出噪音；②压头、流量在幅度下降，严重时不能输送液体；③时间长久，在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下，叶片表面出现斑痕和裂缝，甚至呈海绵状逐渐脱落。

通过以上讨论可以看出，安装高度过度将会导致叶轮中心处的压力过低，从而发生汽蚀。以下讨论如何计算泵的允许安装高度，只要泵的实际安装高度低于允许安装高度，则操作时就不会发生汽蚀。

2．汽蚀余量与允许安装高度

由泵的生产厂家提供的允许汽蚀余量可以计算泵的允许安装高度，关于这个话题，我们从三个基本概念讲起。

（1）三个基本概念：

①汽蚀余量NPSH：泵入口处的动压头与静压头之和与以液柱高度表示的被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压之差，即

2peue

pv NPSH

g2gg

h的物理意义：h越小，表明泵入口处的压力pe或叶轮中心处的压力pK越低，离心

泵的操作状态越接近汽蚀。 ②允许汽蚀余量NPSH允许：

前已指出，为避免汽蚀现象发生，离心泵入口处压力不能过低，而应有一最低允许值

p1允，此时所对应的汽蚀余量称为允许汽蚀余量，以(NPSH)允表示，即

(NPSH)允

2

pu1

V g2gg

p1允

(NPSH)允一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定，并作为离心泵的性能列于泵产品样本中（离

心油泵的汽蚀余量用h表示）。泵正常操作时，实际汽蚀余量NPSH必须大于允许汽蚀余量(NPSH)允 ，标准中规定应大于0.5m以上。

（2）由NPSH允许计算泵的允许安装高度z允许

一台泵的允许汽蚀余量数值由泵的生产厂家提供，供用户计算泵的允许安装高度。在s至e间列柏努利方程：

22peuepspuppveespvhf(se)zshf(se)ggg2gg2ggg

pppp

sNPSHvhf(se)sNPSH允vhf(se)z允许 gggg

上式中最后一个等式即为允许安装高度的计算方法。离心泵的安装高度只要低于允许安装高度，就不会发生汽蚀。

（3）允许汽蚀余量的校正

NPSH允是在一个大气压下用20℃的清水测定的，当使用条件与此不同时，应根据液体

密度、蒸汽压和液面压力进行修正，然后才能用于允许安装高度的计算。求校正系数的曲线常载于泵的说明书中。

3．讨论

（1）从前面的讨论中容易使人获得这样一种认识，即汽蚀是由于安装高度太高引起的，事实上汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：①离心泵的安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；③吸入管路的阻力或压头损失太高。允许安装高度这一物理量正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。由此，我们又可以有这样一个推论：一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高，或吸入管线部分堵塞。

（2）有时，计算出的允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。 （3）允许安装高度z允许的大小与泵的流量有关。由其计算公式可以看出，流量越大，计算出的z允许越小。因此用可能使用的最大流量来计算z允许是最保险的。

（4）安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米。（如考虑到操作中被输送流体的温度可能会升高；或由贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）。

（5）历史上曾经有过允许吸上真空度和允许汽蚀余量并存的时期，二者都可用以计算允许安装高度，前者曾广泛用于清水泵的计算；而后者常用于油泵中。但是，目前允许吸上真空度已经不再被使用了。

2.2.6 离心泵的选用、安装与操作

1 离心泵的类型：

（1）清水泵：适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单，操作容易。

（2）耐腐蚀泵：用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。

（3）油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。

（4）杂质泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。

11

单吸泵；双吸泵； 单级泵；多级泵； 2 离心泵的选用

（1）根据被输送液体的性质确定泵的类型

（2）确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。

（3）根据所需流量和压头确定泵的型号

①查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应。

②若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，H也应以最大流量对应值查找。 ③若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。 ④若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的

⑤为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。 ⑥若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。

3 离心泵的安装与操作 （1）安装：

①安装高度不能太高，应小于允许安装高度。

②设法尽量减少吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件；调节阀应装于出口管路。

（2）操作：

①启动前应灌泵，并排气。 ②应在出口阀关闭的情况下启动泵 ③停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮 ④经常检查轴封情况

2.3 其它类型泵

2.3.1往复泵

1．往复泵的结构和工作原理

往复泵的结构如图所示，主要部件包括：泵缸；活塞；活塞杆；吸入阀、排出阀。其中吸入阀和排出阀均为单向阀。

工作原理：

①活塞由电动的曲柄连杆机构带动，把曲柄的旋转运动变为活塞的往复运动；或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动。

12

往复泵装置简图

1— 泵缸; 2—活塞; 3—活塞杆; 4—吸入阀; 5—排出阀

②当活塞从左向右运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭；吸出阀由于受池内液压的作用而打开，池内液体被吸入缸内；

③当活塞从右向左运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液。 说明①往复泵是依靠活塞的往复运动直接以压力能的形式向液体提供能量。

②单动泵，活塞往复运动一次，吸、排液交替进行，各一次，输送液体不连续；双动泵，活塞两侧都装有阀室，活塞的每一次行程都在吸液和向管路排液，因而供液连续。

③为耐高压，活塞和连杆往往用柱塞代替。 2．往复泵的流量和压头 （1）理论平均流量QT（m/s）： 单动泵：QTAsn/60

其中：A—活塞截面积，m；s—活塞冲程，m；n—活塞往复频率，次/min

双动泵：QT2Aasn/60 a—活塞杆的截面积，m。

2

2

3

（2）实际平均流量Q：QvQT

V —容积效率。主要是由于阀门开、闭滞后，阀门、活塞填料函泄漏。

（3）流量的不均匀性

往复泵的瞬时流量取决于活塞截面积与活塞瞬时运动速度之积，由于活塞运动瞬时速度的不断变化，使得它的流量不均匀。单动和双动往复泵的流量如图所示。

实际生产中，为了提高流量的均匀性，可以采用增设空气室，利用空气的压缩和膨胀来存放和排出部分液体，从而提高流量的均匀性。采用多缸泵也是提高流量均匀性的一个办法，多缸泵的瞬时流量等于同一瞬时各缸流量之和，只要各缸曲柄相对位置适当，就可使流量较为均匀。

（4）流量的固定性：

往复泵的瞬时流量虽然是不均匀的，但在一段时间内输送的液体量却是固定的，仅取决于活塞面积、冲程和往复频率——流量的固定性。

（5）往复泵的压头

因为是靠挤压作用压出液体，往复泵的压头理论上可以任意高。但实际上由于构造材料的强度有限，泵内的部件有泄漏，故往复泵的压头仍有一限度。而且压头太大，也会使电机或传动机构负载过大而损坏。

讨论：往复泵的理论流量是由单位时间内活塞扫过的体积决定

的，而与管路的特性无关。而往复泵提供的压头则只与管路的情况有关，与泵的情况无关，管路的阻力大，则排出阀在较高的压力下才能开启，供液压力必然增大；反之，压头减小。这种压头与泵无关，只取决定管路情况的特性称为正位移特性。

3．往复泵的操作要点和流量调节

往复泵的效率一般都在70%以上，最高可达90%，它适用于所需压头较高的液体输送。

13

往复泵可用以输送粘度很大的液体，但不宜直接用以输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液，因泵内阀门、活塞受腐蚀或被颗粒磨损、卡住，都会导致严重的汇漏。

（1）由于往复泵是靠贮池液面上的大气压来吸入液体，因而安装高度有一定的限制。 （2）往复泵有自吸作用，启动前无需要灌泵。

（3）一般不设出口阀，即使有出口阀，也不能在其关闭时启动。 （4）往复泵的流量调节方法：

①用旁路阀调节流量。泵的送液量不变，只是让部分被压出的液体返回贮池，使主管中的流量发生变化。显然这种调节方法很不经济，只适用于流量变化幅度较小的经常性调节。

②改变曲柄转速：因电动机是通过减速装置与往复泵相连的，所以改变减速装置的传动比可以很方便地改变曲柄转速，从而改变活塞自往复运动的频率，达到调节流量的目的。

2.3.2 计量泵

在工业生产中普遍使用的计量泵是往复泵的一种，它正是利用往复泵流量固定这一特点而发展起来的。它可以用电动机带动偏心轮从而实现柱塞的往复运动。偏心轮的偏心度可以调整，柱塞的冲程就发生变化，以此来实现流量的调节。

计量泵主要应用在一些要求精确地输送液体至某一设备的场合，或将几种液体按精确的比例输送。如化学反应器一种或几种催化剂的投放，后者是靠分别调节多缸计量泵中每个活塞的行程来实现的。

2.3.3隔膜泵

隔膜泵也是往复泵的一种，它用弹性薄膜（耐腐蚀橡胶或弹性金属片）将泵分隔成互不相通的两部分，分别是被输送液体和活柱存在的区域。这样，活柱不与输送的液体接触。活柱的往复运动通过同侧的介质传递到隔膜上，使隔膜亦作往复运动，从而实现被输送液体经球形活门吸入和排出。

隔膜泵内与被输送液体接触的唯一部件就是球形活门，这易于制成不受液体侵害的形式。因此，在工业生产中，隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体。

隔膜泵

1— 吸入活门; 2—压出活门; 3—活柱;

4—水（或油）缸; 5—隔膜

2.3.4齿轮泵

齿轮泵的结构如图所示。泵壳内有两个齿轮，一个用电动机带动旋转，另一个被啮合着向相反方向旋转。吸入腔内两轮的啮相互拨开，于是形成低压而吸入液体；被吸入的液体被齿嵌住，随齿轮转动而到达排出腔。排出腔内两齿相互合拢， 于是形成高压而排出液体。

齿轮泵的压头较高而流量较小，可用于输送粘稠液体以至膏状物料，（如输送封油），

但不能用于输送含有固体颗粒的悬

图1-62 齿轮泵

14

浮液。

2.3.5螺杆泵

螺杆泵内有一个或一个以上的螺杆。在单螺杆泵中，螺杆在有内螺旋的壳内运动，使液体沿轴向推进，挤压到排出口。在双螺杆泵中，一个螺杆转动时带动另一个螺杆，螺纹互相啮合，液体被拦截在啮合室内沿杆轴前进，从螺杆两端被挤向中央排出。

螺杆泵

此外还有多螺杆泵，转速高，螺杆长，因而可以达到很高的排出压力。三螺

杆泵排出压力可达10MPa以上。

螺杆泵效率高，噪音小，适用于在高压下输送粘稠性液体，并可以输送带颗粒的悬浮液。

2.3.6旋涡泵

旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。它的叶轮是一个圆盘，四周铣有凹槽，成辐射状排列。叶轮在泵壳内转动，其间有引水道。泵内液体在随叶轮旋转的同时，又在引水道与各叶片之间，因而被叶片拍击多次，获得较多能量。

液体中旋涡泵中获得的能量与液体在流动过程中进入叶轮的次数有关。当流量减小时，流道内认体的运动速度减小，液体流入叶轮的平均次数增多，泵的压头必然增大；流量增大时，则情况相反。因此，其H~Q曲线呈陡降形。旋涡泵的特点如下：

（1）压头和功率随流量增加下降较快。因此启动时应打开出口阀，改变流量时，旁路调节比安装调节阀经济。

（2）在叶轮直径和转速相同的条件下，旋涡泵的压头比离心泵高出2~4倍，适用于高压头、小流量的场合。

（3）结构简单、加工容易，且可采用各种耐腐蚀的材料制造。 （4）输送液体的粘度不宜过大，否则泵的压头和效率都将大幅度下降。 （5）输送液体不能含有固体颗粒。 各类泵的性能特点

15

流量：①均匀；②不均匀；③尚可；④随管路特性而变；⑤恒定；⑥范围广、易达大流量；⑦小流量；⑧

较小流量；

压头高低：①不易达到高压头；②压头较高；③压头高。 效率：①稍低、愈偏离额定越小；②低；③高；④较高； 流量调节：①出口阀；②转速；③旁路；④冲程 自吸操作：①有；②没有；

启动：①关闭出口阀；②出口阀全开；

被输送流体：①各种物料（高粘度除外）；②不含固体颗粒，腐蚀性也可；③精确计量；④可输送悬浮液；⑤高粘度液体；⑥腐蚀性液体；⑦不能输送腐蚀性或含固体颗粒的液体

结构与造价：①结构简单；②造价低谦；③结构紧凑；④加工要求高；⑤结构复杂；⑥造价高；⑦体积大

2.4 气体输送机械

2.4.1 概述

1．气体输送机械在工业生产中的应用

①气体输送：为了克服管路的阻力，需要提高气体的压力。纯粹为了输送的目的而对气体加压，压力一般都不高。但气体输送往往输送量很大，需要的动力往往相当大。

②产生高压气体：化学工业中一些化学反应过程需要在高压下进行，如合成氨反应，乙烯的本体聚合；一些分离过程也需要在高压下进行，如气体的液化与分离。这些高压进行的过程对相关气体的输送机械出口压力提出了相当高的要求。

③生产真空：相当多的单元操作是在低于常压的情况下进行，这时就需要真空泵从设备中抽出气体以产生真空。

2．气体输送机械的一般特点

①动力消耗大：对一定的质量流量，由于气体的密度小，其体积流量很大。因此气体输送管中的流速比液体要大得多，前经济流速（15~25m/s）约为后者（1~3m/s）的10倍。这样，以各自的经济流速输送同样的质量流量，经相同的管长后气体的阻力损失约为液体的10倍。因而气体输送机械的动力消耗往往很大。

②气体输送机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。

③由于气体的可压缩性，故在输送机械内部气体压力变化的同时，体积和温度也将随之发生变化。这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。因此，气体输送机械需要根据出口压力来加以分类。

3．气体输送机械的分类

气体输送机械也可以按工作原理分为离心式、旋转式、往复式以及喷射式等。按出口压力（终压）和压缩比不同分为如下几类：

16

①通风机：终压（表压，下同）不大于15kPa（约1500mmH2O）,压缩比1至1.15 ②鼓风机：终压15~300kPa，压缩比小于4。 ③压缩机：终压在300kPa以上，压缩比大于4。

④真空泵：在设备内造成负压，终压为大气压，压缩比由真空度决定。

2.4.2离心式通风机

1．离心式通风机的结构特点

离心式通风机工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。

①为适应输送风量大的要求，通风机的叶轮直径一般是比较大的。 ②叶轮上叶片的数目比较多。

③叶片有平直的、前弯的、后弯的。通风机的主要要求是通风量大，在不追求高效率时，用前变叶片有利于提高压头，减小叶轮直径。

④机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常不为圆形而为矩形。 2．离心式通风机的性能参数和特性曲线

（1）风量：按入口状态计的单位时间内的排气体积。m/s，m/h （2）全风压pt：单位体积气体通过风机时获得的能量，J/m，Pa 在风机进、出口之间写柏努利方程：ptg(z2z1)(p2p1)

22(u2u1)

3

3

3

2

离心通风机及叶轮

1—机壳; 2—叶轮; 3—吸入口; 4—排出口

2

hf

式中，(z2z1)g可以忽略；当气体直接由大气进入风机时，u10，再忽略入口到出口的能量损失，则上式变为：

pt(p2p1)

2

u2

2

pstpk

说明①从该式可以看出，通风机的全风压由两部分组成，一部分是进出口的静压差，习惯上称为静风压pst；另一部分为进出口的动压头差，习惯上称为动风压pk。

②在离心泵中，泵进出口处的动能差很小，可以忽略。但对离心通风机而，其气体出口速度很高，动风压不仅不能忽略，且由于风机的压缩比很低，动风压在全压中所占比例较高。

（3）轴功率和效率

N

Qpt

1000

；



Qpt

N1000

风机的性能表上所列的性能参数，一般都是在1atm、20℃的条件下测定的，在此条件下空气的密度

17

离心式通风机特性曲线

01.20kg/m,相应的全风压和静风压分别记为pt0和pst0

3

（4）特性曲线：与离心泵一样，离心通风机的特性参数也可以用特性曲线表示。特性曲线由离心泵的生产厂家在1atm、20℃的条件用空气测定，主要有pt0~Q、pst0~Q、N~Q和~Q四条曲线。

3．离心式通风机的选型

（1）根据气体种类和风压范围，确定风机的类型

（2）确定所求的风量和全风压。风量根据生产任务来定；全风压按柏努利方程来求，但要按标准状况校正，即

B.E.ptpt0；pt0pt

01.2

 

根据按入口状态计的风量和校正后的全风压在产品系列表中查找合适的型号。

例题2 气体密度对风机流量的影响。用离心通风机将空气送至表压为490.5Pa的锅炉燃烧室，通风机的特性曲线如图所示。已知在夏季（气温为20C，大气压为101.3Kpa）管路中的气体流量为2.4kg/s，且流动已进入阻力平方区。试求在冬季气功温降为-20C、大气压不变的情况下，管路中的气体质量流量为多少？

解：由给定条件可知，在夏季气体状态与风机特性曲线测定条件相同，空气密度为1.2kg/m3。于是通风机在夏季的体积流量为

Q

G





2.4

2m3/s 1.2

由通风机的特性曲线查得，此时风机产生的风压为

pT2.5kPa。于是夏季通风机的工作点为（2，2.5）。该点

应该落在管路特性曲线上。管路特性曲线可通过在风机入口和锅炉燃烧室之间写柏努利方程得到：

2

lu

pTp2p1490.5KQ2

d2

其中K值按下式定义：K





l824 dd

将工点数据代入至pT表达式中，可得K值为418.6。

在冬季，空气密度为'

29273

1.4kg/m3。管内流动已进入阻力平方区，因此

22.427320

K值不变。在冬季管路所需要的风压与流量的关系为

2

lu

p'Tp2p1490.5418.6'Q2

d2

将上式换算成风机测定状况下的风压：

18

p'TpT

'

490.5418.6'Q2 

于是：

pT490.5

1.2418.6Q2490.5418.61.2Q2420.4502.3Q2 '1.4

3

这是冬季工作条件下的管路特性曲线，它与风机特性曲线的交点A即为风机在冬季的工作点，由A点可知时，冬季送风体积流量为2.03m/s，相应的质量流量为2.84kg/s。 点评（1）当气体的压缩性可以忽略时，气体输送路的计算与液体输送管路计算相似，所不同的是风机本身及其管路特性曲线与空气的密度有关。因此当输送的不是常温、常压空气时，管路特性曲线应事先加以换算。

（2）用同样的管路输送气体，气体的温度降低，密度增大，质量流量可能有明显的增加。

2.4.3离心式的鼓风机

离心式鼓风机的结构特点：离心式鼓风机的外形与离心泵相象，内部结构也有许多相同之处。例如，离心式鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形；但外壳直径与厚度之比较大；叶轮上叶片数目较多；转速较高；叶轮外周都装有导论。

单级出口表压多在30kPa以内；多级可达0.3MPa。

离心式鼓风机的选型方法与离心式通风机相同。

2.4.4离心式压缩机

1．结构——定子与转子

转子：主轴、多级叶轮、轴套及平衡元件 定子：气缸和隔板

2．工作原理：气体沿轴向进入各级叶轮中心处，被旋转的叶轮做功，受离心力的作用，以很高的速度离开叶轮，进入扩压器。气体在扩压器内降速、增压。经扩压器减速、增压后气体进入弯道，使流向反转180度后进入回流器，经过回流器后又进入下一级叶轮。显然，弯道和回流器是沟通前一级叶轮和后一级叶轮的通道。如此，气体在多个叶轮中被增加数次，能以很高的压力能离开。

3．特性曲线

离心式压缩机的H~Q曲线与离心式通风机在形状上相似。在小流量时都呈现出压力随流量的增加而上升的情况。

4．特点

与往复压缩机相比，离心式压缩机有如下优点：体积和重量都很小而或流量很大；供气

均匀；运转平稳；易损部件少、维护方便。因此，除非压力要求非常高，离心式压缩机已有取代往复式压缩机的趋势。而且，离心式压缩机已经发展成为非常大型的设备，流量达几十万立方米/时，出口压力达几十兆帕。

19

2.4.5罗茨鼓风机

罗茨鼓风机的工作原理与齿轮泵类似。如图所示，机壳内有两个渐开摆线形的转子，两转子的旋转方向相反，可使气体从机壳一侧吸，从另一侧排出。转子与转子、转子与机壳之间的缝隙很小，使转子能自由运动而无过多泄漏。

属于正位移型的罗茨风机风量与转速成正比，与出口压强无关。该风机的风量范围可自2至500m/min，出口表压可达80kPa，在40kPa左右效率最高。

该风机出口应装稳压罐，并设安全阀。流量调节采用旁路，出口阀不可完全关闭。操作时，气体温度不能超过85℃，否则转子会因受热臌胀而卡住。

图1-66 罗茨鼓风机

3

2.4.6往复式压缩机

1．操作原理与理想压缩循环 单动压缩机结构简图。吸入活门S、排出活门D。其结构和工作原理D与往复泵类似。

①开始时刻：当活塞位于最右端时，缸内气体体积为V1，压力为p1，用图中1点表示；

②压缩阶段：当活塞由右向左运

V

S

P1

P

P

动时，由于D活门所在管线有一定压力，所以D活门是关闭的，活门S受压也关闭。因此，在这段时间里气缸内气体体积下降而压力上升，所以是压缩阶段。直到压力上升到p2，活门D被顶开为止。此时的缸内气体状态如2点表示。

③排气阶段：活门D被顶开后，活塞继续向左运动，缸内气体被排出。这一阶段缸内气体压力不变，体积不断减小，直到气体完全排出体积减至零。这一阶段属恒压排气阶段。此时的状态为3点表示。

④吸气阶段：活塞从最左端退回，缸内压力立刻由p2降到p1，状况达到4。此时D活门受压关闭，S活门受压打开，气缸又开始吸入气体，体积增大，压力不变，因此为恒压吸气阶段，直到1点为止。

2．压缩类型

等温压缩；绝热压缩；多变压缩。

等温压缩是指压缩阶段产生的热量随时从气体中完全取出，气体的温度保持不变。绝热压缩是另一种极端情况，即压缩产生的热量完全不取出。实际是压缩过程既不是等温的，也不是绝热的，而是介于两者之间，称为多变压缩。

3．压缩功：

20

实际过程为多变过程，每一循环多变压缩的功为（J）：

m1mp2mWp1V11 pm11

其中m称为多变指数，对于等温压缩，m=1，但压缩功另有算法。对于绝热压缩，m等于定压比热与定容比热之比。

压缩功的大小可以用图中1-2-3-4所围成的面积来表示。等温压缩功最小，绝热压缩功最大，多变压缩功介于等者之间

4．有余隙的压缩循环

上述压缩循环之所以称为理想的，除了假定过程皆属可逆之外，还假定了压缩阶段终了缸内气体一点不剩地排尽。实际上此时活塞与气缸盖之间必须留有一定的空隙，以免活塞杆受热臌胀后使活塞与气缸相撞。这个空隙就称为余隙。

余隙系数=余隙体积/活塞推进一次扫过的体积

容积系数0=实际吸气体积/活塞推进一次扫过的体积 根据上述定义：V3VV；014 V1V3V1V3P

余隙的存在使一个工作循环的吸、排气量减小，P这不仅是因为活塞推进一次扫过的体积减小了，还

因为活塞开始由左向右运动时不是马上有气体吸

入，而是缸内剩余气体的膨胀减压，即从3至4，

待压力减至p4，容积增至V4时，才开始吸气。即

在有余隙的工作循环中，在气体排出阶段和吸入阶

段之间又多了一个余隙气体膨胀阶段，使得每一循

环中吸入的气体量比理想循环为少。 P13V4

V1V

p1/m21。由该式可以看出，余隙系数和余隙系数与容积系数的关系为：01p1

压缩比越大，容积系数越小，实际吸气量越小，至于会出现一种极限情况：容积系数为零，V1V4，此时余隙气体膨胀将充满整个气缸，实际吸气量为零。

5．多级压缩

多级压缩是指在一个气缸里压缩了一次的气体进入中间冷却器冷却之后再送入次一气缸进行压缩，经几次压缩才达到所需要的终压。

讨论（1）采用多级压缩的原因：①若所需要的压缩比很大，容积系数就很小，实际送气量就会很小；②压缩终了气体温度过高，会引起气缸内润滑油碳化或油雾爆炸等问题；③机械结构亦不合理：为了承受很高的终压，气缸要做的很厚，为了吸入初压很低的气体气缸体积又必须很大。

（2）级数越多，总压缩功越接近于等温压缩功，即最小值。然而，级数越多，整体构造使越复杂。因此，常用的级数为2至6，每级压缩比为3至5 。

（3）理论上可以证明，在级数相同时，各级压缩比相等，则总压缩功最小。

6．往复式压缩机的流量调节

（1）调节转速；

（2）旁路调节；

（3）改变气缸余隙体积：显然，余隙体积增大，余隙内残存气体膨胀后所占容积将增大，吸入气体量必然减少，供气量随之下降。反之，供气量上升。这种调节方法在大型压缩机中采用较多。

2.5 真空泵

2.5.1真空泵的一般特点

真空泵就是从真空容器中抽气、一般在大气压下排气的输送机械。若将前述任何一种气体输送机械的进口与设备接通，即成为从设备抽气的真空泵。然而，专门为产生真空用的设备却有其获得之处

（1）由于吸入气体的密度很低，要求真空泵的体积必须足够大；

（2）压缩比很高，所以余隙的影响很大。

真空泵的主要性能参数有：

（1）极限剩余压力（或真空度）：这是真空泵所能达到最低压力；

（2）抽气速率：单位时间内真空泵在极限剩余压力下所吸入的气体体积，亦即真空泵的生产能力。

2.5.2往复式真空泵

与往复式压缩式的构造显著区别，但也有其自身的特点：

（1）在低压下操作，气缸内、外压差很小，所用的活门必须更加轻巧；

（2）当要求达到较好的真空度时，压缩比会很大，余隙容积必须很小，否则就不能保证较大的吸气量。

（3）为减少余隙的影响，设有连通活塞左右两侧的平衡气道。

干式往复真空泵可造成高达96%~99.9的真空度；湿式则只能达到80~85%

2.5.3水环真空泵

水环真空泵的外壳呈圆形，其中的叶轮偏心安装。启动前，泵内注入一定量的水，当叶轮旋转时，由于离心力的作用，水被甩至壳壁形成水环。此水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成许多大小不同的密封室。由于叶轮的旋转运动，密封室外由小变大形成真空，将气体从吸入口吸入；继而密封室由大变小，气体由压出口排出。

水环真空泵结构简单、紧凑，最高真空度可达85%。

2.5.4液环真空泵

叶环泵外壳呈椭圆形。当叶轮旋转时液体被抛向四周形成一椭圆形液环，在其轴方向上形成两个月牙形的工作腔。由于叶轮的旋转运动，每个工作腔内密封室逐渐由小变大而从吸入口吸入气体；然后又由大变小，将气体强行排出。

2.5.5旋片真空泵

2.5.6喷射真空泵

喷射泵是利用高速流体射流量压力能向动能转换所造成的真空，将气体吸入泵内，并在混合室通过碰撞、混合以提高吸入气体的机械能，气体和工作流体一并排出泵外。喷射泵的流体可以水，也可以是水蒸汽，分别称为水喷射泵和蒸汽喷射泵。

单级蒸汽喷射泵仅能达到90%的真空度，为获得更高的真空度可采用多级蒸汽喷射泵。 喷射泵的优点是工作压强范围大，抽气量大，结构简单，适应性强。缺点是效率低。