离心泵的能量损失及效率

离心泵的能量损失及效率
    原动机传给泵轴的功率不能全部转换为有效功率，即不能全部用来增加液体的能量。由于其中一部分能量在泵轴旋转过程中消耗掉了，一部分能量在泵内损失掉了，所以泵的有效功率总是小于轴功率。
    按离心泵能量损失形式不同，可分为：机械损失、容积损失和水力损失。
    1、机械损失及机械效率  机械损失包括两部分：一是泵轴与轴承、轴封装置之间的摩擦损失；二是轮阻损失，又称圆盘摩擦损失，即原来在充满液体的泵壳内旋转时，叶轮外表面与液体之间的摩擦损失。
    在机械损失中，轮阻损失占的比例较大，而轴承的轴封装置摩擦损失较小。用机械效率ηm表示机械损失的大小，机械效率就是轴功率Pe经机械损失后的剩余功率与轴功率之比，即：
式中  Pm——由于机械损失而消耗的功率。
    理论与实践表明，合理减小叶轮外径，提高叶轮转速，降低轮盖板表面粗糙度，可以提高泵的机械效率。泵轴采用机械密封则轴封摩擦损失较小，若用填料密封应注意填料压盖不要压得过紧。离心泵的机械效率一般为90%~97%。
    2、容积损失及容积效率  离心泵在运转时，泵体内各处的液体压力是不同的，有高压区也有低压区。由于机构上的需要在泵体内部有很多间隙，当间隙前后压力不同时，有部分液体就要有高压区流动低压区，如图1所示。这部分液体虽然获得了能量但是没有被有效利用，在泵内循环，而消耗于克服间隙阻力上。还有一部分液体获得能量后从轴封处泄漏掉了，所以泵的实际流量qv比理论流量qvth小。

图1 离心泵内液体泄漏示意图

    用容积效率ηv表示容积损失的大小，它是经容积损失后的功率与未经容积损失的功率之比，即：
    离心泵的容积效率ηv一般为90%~95%。
    对于给定的离心泵，要提高容积效率ηv，必须降低泄漏量，可采用减少密封间隙的环形面积或增加密封环间隙阻力等措施。运转中的离心泵应定期检查密封环磨损情况，及时更换，否则将使容积效率降低。
    3、水力损失及水力效率  液体流经叶轮等过流部件时有摩擦损失，而且在液体流动速度的大小和方向变化时有冲击损失。这些损失都消耗一部分能量，通常把这部分能量损失称为水力损失。
    （1）过流部件沿程摩擦损失  液体经过吸液室、叶轮、导轮等过流部件时产生的摩擦阻力损失。由于沿程摩擦损失与流速的平方成正比，而流速又与流量成正比，故沿程摩擦损失与流量平方正比。图2中曲线I表示沿程摩擦损失与理论流量qvth的关系曲线。

图2 离心泵的水力损失与流量的关系

    （2）冲击损失  液体流动速度的大小和方向变化时会产生阻力损失。在设计工况时，由于液流方向与叶片方向一致，所以冲击损失较小，接近于零。在流量大于或小于设计工况时，由于液流方向的改变便使冲击损失逐渐增大。图2中曲线II表示冲击损失随qvth变化的关系曲线。
    离心泵的总水力损失为上述两项之和，如图2中曲线III所示。
    水力效率就是经水力损失后的功率与未经水力损失的功率之比，用符合ηh表示。ηh的大小与离心泵的构造有关，一般为70%~90%。
    为提高水力效率，应合理地确定叶轮流道的形状和叶片形式，尽可能使液体流速变化平缓，以防旋涡与死角并减小过流部件的表面粗糙度。
    4、离心泵的总效率  离心泵的总效率η等于有效功率P和轴功率Pe之比，即：
    离心泵的效率和离心泵的比转速有关，还和泵的流量、结构有关。单级单吸离心泵输送常温清水、比转速ns=120~210时，其效率值可根据流量由图3查得。当ns＜120或＞210时，单级单吸离心泵的效率值为由图3查得的效率值与因比转速ns不同而引起的效率修正值之和。当ns=20~120时效率修正值由图4（a）查得；当ns=210~300时，效率修正值由图4（b）查得。

图3 单级单吸离心泵效率（ns=120~210）

图4 单级单吸离心泵的效率修正值

    离心泵的效率是一项重要的技术经济指标，它标志着泵的性能好坏及原动机利用的程度。提高离心泵的效率涉及泵的设计、加工制造、安装、运行等问题，必须全面考虑才能到达提高效率的目的。