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流体力学与传热Ⅱ：第 121–130 页

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
离心泵的效率损失来源
• 容积损失：轴封泄漏，可通过改进轴封减少
• 机械损失：摩擦、轴向应力等，可通过消除轴向应力等方法减少
• 水力损失：流体流动的摩擦损失，随流量增大而增大，较难控制
例
小型离心泵效率约 50%∼70%，大型离心泵可达 90%。
离心泵的特性曲线（三条线）
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 扬程-流量曲线（H-q） ：后弯叶片随流量增大扬程减小
• 轴功率-流量曲线 （P-q） ： 随流量增大轴功率增大， 流量为0 时轴功率不为 0（泵
轴仍在转动）
• 效率-流量曲线（η-q） ：存在最高点
注意
特性曲线是用 20℃ 清水测定的，若输送流体不同需进行修正。
选泵原则
• 选择泵时需同时满足流量和扬程要求
• 应使工作点位于效率最高点附近，避免能量利用率过低
• 泵铭牌上的流量和扬程对应的是最大效率下的工况
泵的启动与关机规范
• 开泵和关泵前都要先把流量调至 0
• 原因：流量为 0 时轴功率最小，可保护电机
• 防止叶轮反转（高速旋转突然停止会卡住并反转）
注意
采集完数据后直接关总电源是不良习惯， 应先关闭出口阀将流量调至0 再关机。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
流体物性对性能参数的影响
• 密度：对流量、扬程、效率无影响；轴功率随密度增大而增大
• 粘度：粘度增大使阻力增大，扬程、流量、效率下降，轴功率上升
• 粘度与 20℃ 水差异较大时需进行修正
转速的影响（比例定律）
• 流量与转速成正比（一次方）
• 扬程与转速成正比（二次方）
• 轴功率与转速成正比（三次方）
• 适用范围：转速变化在 20% 以内
叶轮直径的影响（切割定律）
• 流量与叶轮直径成正比（一次方）
• 扬程与叶轮直径成正比（二次方）
• 轴功率与叶轮直径成正比（三次方）
• 适用范围：叶轮直径变化在 10% 以内
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
习题要点
• 工业用离心泵叶轮通常采用后弯叶片（能量利用率更高）
• 理论压头与液体密度无关（公式中无物性参数，只有结构和转速）
• 理论压头与粘度无关（理论压头基于理想流体假设）
注意
理论压头是理想流体假设下的结果，讨论粘度影响时不应考虑理论压头，实际
压头才随粘度增大而下降。
• 相同转速和流量下，前弯叶片提供更高压头（B 值小于 0，压头随流量上升）
• 实际压头低于理论压头的原因： 容积损失、 水力损失、 机械损失； 叶片角度是结
构参数，不是原因
• 性能曲线是在一定转速下测定的（如 2700 r/min）
• 启动前关闭出口阀：因轴功率随流量增大而增大，流量最小时启动可保护电机
• 粘度大幅增大时：效率下降、压头下降（水力损失增大）
学习设备章节的方法
• 注意设备有哪些部件，各部件起什么作用（是否有能量转换、做功作用）
• 搞清工作原理：如何吸入、如何排出
• 掌握基本方程：流量、扬程的基本方程式，以及各特性参数之间的关系
• 了解各特性曲线的基本方程及影响因素
10 月 24 日
离心泵工作原理回顾
• 主要部件：叶轮、泵壳、泵轴、入口、出口
• 叶轮对流体做功，使动能和静压能都增大
• 吸入原理： 叶轮高速旋转产生离心力， 中心出现低压， 与供液面形成压强差， 将
流体压入
• 排出原理：泵壳使流道变宽、流速减慢，静压能增大，将流体压出
气缚现象
• 泵内有气体导致启动后不出水
• 气体来源：轴封不严从外部渗入，或启动前未灌泵
• 预防：启动前灌泵，保证轴封良好
离心泵特性曲线回顾
• 特性方程：H = A - BQ （后弯叶片）
• 流量越大，理论压头越小
• 理论流量和理论压头与流体密度无关，只与转速和叶轮尺寸有关
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
管路特性曲线
• 由机械能衡算式（以压头形式）推导而来
• 一牛顿流体从供液面输送到需液面，需克服位能差、静压能差、动能变化和阻
力损失，所需做的功即为管路所需压头
• 与流量无关的两项：位置差（Δz）和压强差（Δp/ρg）
• 与流量有关的两项：动能项和阻力损失项
定义
管路特性曲线：H = H₀ + KQ²
• H₀ = Δz + Δp/ρg ，为管路输送所需的最小压头（Q=0 时的值）
• K 为管路特性系数，反映阻力大小，阻力越大 K 越大
• 在阻力平方区，阻力系数与流速无关，为常数
• 阻力损失由范宁公式计算，将 u 换成 Q/(π/4·d²) 后，阻力损失与 Q² 成正比
• 管路特性曲线为抛物线，随流量增大而上升
工作点
• 离心泵特性曲线与管路特性曲线的交点即为工作点
• 泵接入管路后，管长、 管径、 阻力系数、 输送高度差、 压强差确定后，流量和扬
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
程即被唯一确定
• 工作点同时满足：泵提供的扬程、流量 = 管路所需的扬程、流量
• 由工作点可在泵特性曲线上进一步查得轴功率、效率等实际工作参数
流量调节方法
• 调节流量本质是改变两条特性曲线的交点位置
方法一：调节阀门（最简单、最常用）
• 改变的是管路特性曲线，不改变泵特性曲线
• 开大阀门 → 阻力系数减小 → K 减小 → 管路曲线变平缓 → 交点向右下方移动
→ 流量增大、扬程减小
• 关小阀门则相反
方法二：改变转速
• 依据比例定律：流量 ∝ n，扬程 ∝ n²，轴功率 ∝ n³
• 提高转速 → 泵特性曲线向右上方移动 → 流量和扬程都增大
• 只影响泵特性曲线，不影响管路特性曲线
方法三：改变叶轮直径
• 依据切割定律，流量、扬程随叶轮直径增大而增大
• 泵特性曲线向上移动，流量和扬程都增加
• 实际操作不如调阀门方便
方法四：改变其他管路参数
• 改变 Δz（输送高度差） 、压强差、流体密度、管长、管径、摩擦系数等
• 这些参数通常受现场条件限制，不易随意改变
注意
调节阀门改变的是管路特性曲线，而不是泵的特性曲线。这是最常见的误区。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
离心泵的串联
• 两台泵串联：流体依次经过两台泵，各做一次功
• 流量不变（同一管路中流量相同）
• 理论上扬程翻倍，但流量越大损失越大，实际扬程增加量小于两倍
• 串联特性曲线：在单泵曲线基础上，同流量下扬程近似翻倍
• 与管路特性曲线交点位于单泵工作点右上方，流量和扬程均增大
离心泵的并联
• 两台泵并联：从同一供液面吸入，汇入同一汇聚点
• 扬程相同（初始点和汇聚点相同，对单位重量流体做功相同）
• 理论上流量翻倍（同型号泵）
• 并联特性曲线：在单泵曲线基础上，同扬程下流量近似翻倍
• 与管路特性曲线交点位于单泵工作点右上方，流量和扬程均增大
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
串联与并联的选择
• 串联泵与并联泵的特性曲线存在一个交点
• 交点左侧：串联曲线在并联曲线上方（串联更优）
• 交点右侧：并联曲线在串联曲线上方（并联更优）
定义
高阻管路：管路特性曲线较陡（阻力大） ，工作点位于串并联交点左侧，此时串
联能获得更高的流量和压头。低阻管路：管路特性曲线较平缓（阻力小） ，工作
点位于串并联交点右侧，此时并联能获得更高的流量和压头。
• 高阻管路选串联，低阻管路选并联
注意
选择串联或并联时，还需考虑泵的高效工作区。串并联后流量应尽量落在效率
最高的附近，不能只看流量和扬程是否增大。
课堂练习
练习一：管路配置一定且流动阻力处于阻力平方区，管路所需外加压头与流量的关
系？
• 答案：随流量增大，所需外加压头按抛物线规律上升
• 即管路特性曲线 H = H₀ + KQ² ，为抛物线关系，不是线性关系
练习二：管路特性曲线在纵轴上的截距含义？
• 纵轴截距即 Q=0 时的 H 值，为 H₀
• 含义：管路所需外加压头的最小值
离心泵的工作点
• 工作点是泵特性曲线与管路特性曲线的交点，由两条线共同决定
• 在工作点处，管路所需压头 = 泵所能提供的压头，即” 所需即所得”
• 工作点处的流量和压头分别为管路中流体的流量和流体所得压头
注意
工作点的流量和压头不是分别由某一条线单独决定的。 流量由管路特性决定、 压
头由泵特性决定的说法是错误的，两者都由两条线的交点共同决定。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
最高效率点、工作点与设计点
• 最高效率点：泵特性曲线上效率最高对应的点（效率-流量曲线的峰值）
• 工作点：泵特性曲线与管路特性曲线的交点
• 设计点：最高效率点附近的区域，该区域内的点均可作为设计点
• 调节离心泵输送液体的流量，是通过改变工作点实现的
提高转速对流量与压头的影响
• 采用后弯叶片的离心泵，压头随流量增大而下降（在同一条特性曲线上成立）
• 提高叶轮转速时，流量与转速成一次方关系，压头与转速成二次方关系
• 转速改变时，压头变化量大于流量变化量，因此压头上升
注意
提高转速后， 泵的特性曲线本身已经改变 （整体上移） ， 不能再盯着原来那条曲
线看。只有在特性曲线不变时，流量增大才会导致压头下降。
开大出口阀对流量与压头的影响
• 开大出口阀只改变管路特性曲线（阻力减小，曲线变平缓） ，不改变泵的特性曲
线
• 在泵特性曲线不变的前提下，流量增大，压头下降
• 因此” 开大出口阀提高流量，压头下降” 的说法是正确的
例
对比： 提高转速→ 泵特性曲线改变 → 压头上升； 开大出口阀→ 泵特性曲线不
变 → 压头下降。关键区别在于泵的特性曲线是否发生变化。
阻力平方区下影响管路特性曲线的因素
• 管路特性曲线方程中，阻力平方区时 λ 可视为常数，与阻力无关的项合并为系
数 k
• 管路特性曲线与位高差 ΔZ、压强差 Δp、管长 l、管径 d 有关
• 密度 ρ 对管路特性曲线的影响不一定：取决于 Δp 是否为零
注意
在阻力平方区，密度 ρ 是否影响管路特性曲线要看 Δp 是否等于 0：
• 若 Δp ≠ 0 ，密度越大，H0 越小，管路特性曲线下移，有影响
• 若 Δp = 0（如两个敞口容器或两个压强相等的容器） ，Δp 项消失，密度无影
响
密度变化对各曲线的影响（对比题）
• 敞口容器 → 高压容器（Δp ≠ 0） ：管路特性曲线、泵的轴功率曲线均变化（2 条
线变）
• 两个敞口容器（Δp = 0 ） ：仅泵的轴功率曲线变化（1 条线变）
定义
泵的轴功率：𝑃 = 𝜌𝑔𝐻𝑄
𝜂 ，与密度 ρ 直接相关，因此密度改变时轴功率一定变
化。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
注意
离心泵的压头和流量与密度无关，只与转速和叶轮尺寸有关。密度变化时泵的
特性曲线（压头-流量）不变。
泵的串并联操作
• 串联泵：外加压头更高，但流量较小
• 并联泵：流量更大，但外加压头较小
• 在低阻管路（管路特性曲线较平缓）中，串联泵的流量和压头均小于并联泵
例
画图对比：串联泵特性曲线较高，并联泵特性曲线较平缓。与管路特性曲线相
交后，串联交点流量小、压头小；并联交点流量大、压头大。
安装高度的定义
定义
安装高度 Hg：泵的入口（吸入口）位置到供液面的垂直高度，以泵吸入口位置
计算。
安装高度的限制与气蚀
• 对供液面（0）到泵吸入口（1）列机械能衡算式：
– 上游截面：供液面，压强 p0，位置高度为 0，动能为 0
– 下游截面：泵吸入口，压强 p1，高度差为安装高度 Hg
– 尚未进入泵，无 we 项，有入口阻力损失 hf
• 输送流量固定时，安装高度越高，吸入口压强 p1 越小
• 压强减小有利于吸入（形成压强差） ，但不能无限降低
注意
当吸入口压强降到液体的饱和蒸气压以下时，液体气化产生气泡。气泡进入泵
内会使压强增大，影响输送，这种现象称为气蚀。因此安装高度有上限，不能
无限提高。
气缚与气蚀的区别
• 气缚：气体来自外界（轴封不严漏入）或泵内原有空气（未灌泵） ，本质是空气。
• 气蚀：气体来自输送流体本身的气化，是输送流体的蒸气。
• 两者成因、气体来源不同，伴随的影响也不同，需区分记忆。
注意
气缚与气蚀的” 气体” 来源不同：气缚是空气（外界漏入或未灌泵残留） ，气蚀
是输送流体气化产生的蒸气。不要混淆。
Study Notes 130 / 341 先看条件，再套公式

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