離心泵的能量損失及效率

離心泵的能量損失及效率
    原動機傳給泵軸的功率不能全部轉換為有效功率，即不能全部用來增加液體的能量。由于其中一部分能量在泵軸旋轉過程中消耗掉了，一部分能量在泵內損失掉了，所以泵的有效功率總是小于軸功率。
    按離心泵能量損失形式不同，可分為：機械損失、容積損失和水力損失。
    1、機械損失及機械效率  機械損失包括兩部分：一是泵軸與軸承、軸封裝置之間的摩擦損失；二是輪阻損失，又稱圓盤摩擦損失，即原來在充滿液體的泵殼內旋轉時，葉輪外表面與液體之間的摩擦損失。
    在機械損失中，輪阻損失占的比例較大，而軸承的軸封裝置摩擦損失較小。用機械效率ηm表示機械損失的大小，機械效率就是軸功率Pe經機械損失后的剩余功率與軸功率之比，即：
式中  Pm——由于機械損失而消耗的功率。
    理論與實踐表明，合理減小葉輪外徑，提高葉輪轉速，降低輪蓋板表面粗糙度，可以提高泵的機械效率。泵軸采用機械密封則軸封摩擦損失較小，若用填料密封應注意填料壓蓋不要壓得過緊。離心泵的機械效率一般為90%~97%。
    2、容積損失及容積效率  離心泵在運轉時，泵體內各處的液體壓力是不同的，有高壓區也有低壓區。由于機構上的需要在泵體內部有很多間隙，當間隙前后壓力不同時，有部分液體就要有高壓區流動低壓區，如圖1所示。這部分液體雖然獲得了能量但是沒有被有效利用，在泵內循環，而消耗于克服間隙阻力上。還有一部分液體獲得能量后從軸封處泄漏掉了，所以泵的實際流量qv比理論流量qvth小。

圖1 離心泵內液體泄漏示意圖

    用容積效率ηv表示容積損失的大小，它是經容積損失后的功率與未經容積損失的功率之比，即：
    離心泵的容積效率ηv一般為90%~95%。
    對于給定的離心泵，要提高容積效率ηv，必須降低泄漏量，可采用減少密封間隙的環形面積或增加密封環間隙阻力等措施。運轉中的離心泵應定期檢查密封環磨損情況，及時更換，否則將使容積效率降低。
    3、水力損失及水力效率  液體流經葉輪等過流部件時有摩擦損失，而且在液體流動速度的大小和方向變化時有沖擊損失。這些損失都消耗一部分能量，通常把這部分能量損失稱為水力損失。
    （1）過流部件沿程摩擦損失  液體經過吸液室、葉輪、導輪等過流部件時產生的摩擦阻力損失。由于沿程摩擦損失與流速的平方成正比，而流速又與流量成正比，故沿程摩擦損失與流量平方正比。圖2中曲線I表示沿程摩擦損失與理論流量qvth的關系曲線。

圖2 離心泵的水力損失與流量的關系

    （2）沖擊損失  液體流動速度的大小和方向變化時會產生阻力損失。在設計工況時，由于液流方向與葉片方向一致，所以沖擊損失較小，接近于零。在流量大于或小于設計工況時，由于液流方向的改變便使沖擊損失逐漸增大。圖2中曲線II表示沖擊損失隨qvth變化的關系曲線。
    離心泵的總水力損失為上述兩項之和，如圖2中曲線III所示。
    水力效率就是經水力損失后的功率與未經水力損失的功率之比，用符合ηh表示。ηh的大小與離心泵的構造有關，一般為70%~90%。
    為提高水力效率，應合理地確定葉輪流道的形狀和葉片形式，盡可能使液體流速變化平緩，以防旋渦與死角并減小過流部件的表面粗糙度。
    4、離心泵的總效率  離心泵的總效率η等于有效功率P和軸功率Pe之比，即：
    離心泵的效率和離心泵的比轉速有關，還和泵的流量、結構有關。單級單吸離心泵輸送常溫清水、比轉速ns=120~210時，其效率值可根據流量由圖3查得。當ns＜120或＞210時，單級單吸離心泵的效率值為由圖3查得的效率值與因比轉速ns不同而引起的效率修正值之和。當ns=20~120時效率修正值由圖4（a）查得；當ns=210~300時，效率修正值由圖4（b）查得。

圖3 單級單吸離心泵效率（ns=120~210）

圖4 單級單吸離心泵的效率修正值

    離心泵的效率是一項重要的技術經濟指標，它標志著泵的性能好壞及原動機利用的程度。提高離心泵的效率涉及泵的設計、加工制造、安裝、運行等問題，必須全面考慮才能到達提率的目的。