1.3 泵的性能参数

叶片泵性能包括能量性能与汽蚀性能，是由其性能参数表示的。表征水泵性能的基本参数有6个：流量、扬程、功率、效率、转速与允许吸上真空高度 （或允许汽蚀余量），其中允许吸上真空高度 （或允许汽蚀余量）是表征汽蚀性能的参数。这些参数之间互为关联，当其中某一参数发生变化时，其他工作参数也会发生相应的变化，但变化的规律取决于水泵叶轮的结构型式和特性。为了深入研究叶片泵的性能，必须首先掌握叶片泵性能参数的物理意义。

1.3.1 流量Q

水泵的流量是指单位时间内流出泵出口断面水体的体积或质量，分别称为体积流量和质量流量。体积流量用符号Q表示，质量流量用Qm表示。体积流量常用的单位为升/秒（L/s）、立方米/秒 （m3/s）或立方米/小时 （m3/h）；质量流量常用的单位为千克/秒（kg/s）或吨/小时 （t/h）。根据定义，体积流量与质量流量有如下的关系：Qm=ρQ，式中ρ为被输送液体的密度 （kg/m3）。对水泵而言，一般采用体积流量。

由于各种应用场合对流量的需求不同，叶片泵设计流量的范围很宽，小的不足1L/s，而大的则达几十、甚至上百m3/s。

除了上述的水泵流量以外，在叶轮理论的研究中还会遇到水泵理论流量QT和泄漏流量q的概念。

所谓理论流量是指通过水泵叶轮的流量。泄漏流量是指流出叶轮的理论流量中，有一部分经水泵转动部件与静止部件之间存在的间隙，如叶轮进口口环与泵壳之间的间隙、填料函中泵轴与填料之间的间隙以及轴向力平衡装置中的平衡孔或平衡盘与外壳之间的间隙等，流回叶轮进口和流出泵外的流量。由此可知，水泵流量、理论流量和泄漏流量之间有如下的关系：QT=Q+q。

1.3.2 扬程H

水泵的扬程是指单位重量水体流经水泵所获得的能量增值，用符号H表示，其单位为m（N·m/N=m），实际是一个压强单位：mH2O （米水柱）。它和风机常用的全压 （单位体积能：Pa）、压缩机常用的比能 （单位质量能：N· m/kg）均被称为工作机的能头。由水泵扬程的定义，扬程即可表示为水泵进、出口断面的单位能量差。

1.3.2.1 卧式叶片泵的扬程

图1.33（a）的基准面 （通过由叶轮叶片进口边的外端所描绘的圆的中心的水平面，各种类型叶片泵的基准面如图1.34所示）取通过泵轴的水平面。Hg在吸水面以上为正吸程，水泵的进口断面是负压，安装真空表。分别列出水泵进口断面1 1和出口断面2 2处的单位总能量。

图1.33 卧式水泵扬程示意图

（a）正吸程；（b）负吸程

图1.34 水泵基准面示意图

（a）卧式单吸离心泵、混流泵；（b）立式单吸离心泵；（c）立式双吸离心泵；

（d）卧式轴流泵；（e）立式混流泵；（f）立式轴流泵；（g）斜式轴流泵

水泵进口断面1 1处的单位总能量E1：

水泵出口断面2 2处的单位总能量E2：

则泵的扬程：

式中：Z1、Z2分别为水泵进、出口断面中心到泵基准面的位置高差，m，当断面中心位于泵基准面以上时，高差取正值，反之则取负值，一般Z1=0；p1、p2分别表示水泵进、出口断面的平均绝相对压强，Pa，进口1 1断面为负压，故用真空表V测量该断面的压力，出口2 2断面的压强用压力表M来测量，设真空表的读数为V（mH2O），压力表的读数为M（mH2O），则有p1/（ρg）=—V+Zv、p2/（ρg）=M+Zm；v1、v2 分别为水泵进、出口断面的平均流速，m/s；ρ为被抽液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

代入式 （1.1）则有

式中：ΔZ=Z2+Zm—Zv为压力表中心与真空表中心之间的垂直高差。

如图1.33（b）所示Hg在吸水面以下为倒灌，也称为负吸程，水泵的进口断面是正压，安装压力表。此时，水泵扬程则为

由式 （1.1）可以看出，液体经过水泵所获得的能量由3部分组成：①单位位能差Z2—Z1；②单位压能差 （p2—p1）/（ρg）；③单位动能差。因为单位位能差与单位压能差之和即水泵出口断面与进口断面的测压管水位差Hpt=（Z2—Z1）+（p2—p1）/（ρg）亦称作单位势能差，所以通常也称扬程由单位势能差和单位动能差组成，即H=Hpt+Hd。

图1.35 立式轴流 （混流）

泵扬程计算示意图

1.3.2.2 立式轴流泵（混流泵）的扬程

对于如图1.35所示的立式轴流泵 （或混流泵），因泵的叶轮和进口部分淹没在进水池水位以下，不易测量进口断面处的压强。因此，通常将立式轴流泵的进口断面xx的单位重量能量近似地取在进水池液面0 0处的单位总能量，这时泵出口断面单位总能量Ey：

并在泵出口yy断面 （一般为出水弯管出口断面）安装压力表M。取进水池液面为0 0为基准面，列能量方程式，根据水泵扬程定义，可得水泵扬程：

H=Ey—E0

式中：，当进水池水面流速v0很小可以忽略时，上式可简化为

式中：ZM为压力表中心至进水池水面的位置高差，m；其余符号意义同前。

式 （1.6）即为计算立式轴流泵或混流泵扬程的实用公式。该式表明，立式轴流泵或混流泵的扬程等于泵出口压力表中心至进水面的位置高差、出口断面压头及其平均动能3项之和。

1.3.3 功率P

功率是指在单位时间内所做功的大小，单位是瓦 （W）或千瓦 （kW）。水泵的功率包含轴功率、有效功率和水功率等3种。

（1）轴功率P。轴功率是指动力机经过传动设备后传递给水泵主轴上的功率，亦即水泵的输入功率。通常水泵铭牌上所列的功率均指的是水泵的轴功率。

（2）有效功率Pe。有效功率是指单位时间内，流出水泵的水流获得的能量，即水泵对被输送水流所做的实际有效功的效能，即

Pe=ρgQH(1.7)

（3）水功率Pw。水功率是指水泵的轴功率在克服机械阻力后剩余的功率，也就是叶轮传递给通过其内的液体的功率。即

Pw=P—ΔPm=ρgQTHT(1.8)

式中：ΔPm为水泵的机械损失功率；QT为叶轮流量，QT=Q+q；HT为理论扬程，水泵输送理想水体时的理想扬程，即不考虑泵内任何水力损失的扬程。

水泵的输入功率 （即轴功率），只有部分传给了被输送的水体，这部分功率即是有效功率，另一部分被用来克服水泵运行中泵内存在的各种损失，也就是泵内损失功率。泵内的功率损失可以分为3类，即机械损失、容积损失和水力损失。

（1）机械损失功率ΔPm。机械损失包括转子旋转所引起的水泵密封装置 （口环、填料函）及轴承的机械摩擦损失和叶轮前后盖板外表面与液体之间的摩擦损失 （圆盘摩擦损失）两部分。

水泵密封装置和轴承的摩擦损失与其结构型式有关，这两项损失之和大约只占轴功率的1%～3%，相对其他各项损失来说很小。圆盘摩擦损失是机械损失的主要部分，约为轴功率的2%～10%，其大小可用下式来计算：

式中：ΔPdf为圆盘摩擦损失功率，kW；K为圆盘摩擦系数，由试验求得，其大小与叶轮出口的流动雷诺数、被输送液体的种类、叶轮轮盘外表面以及泵壳内表面的粗糙度等因素有关，一般可近似取K=0.88×10—6；D2为叶轮出口直径，m；u2为叶轮出口圆周速度，m/s；n为叶轮转速，r/min；ρ为被输送液体的密度，kg/m3。

由上式可知，圆盘摩擦损失与叶轮转速的3次方成正比，与叶轮外径的5次方成正比。可见，圆盘摩擦损失将随叶轮转速和外径的增大而急剧增加，从而使泵的效率降低。

（2）容积损失功率ΔPv。容积损失，又称泄漏损失，是由泄漏流量q引起的功率损失，即

（3）水力损失功率ΔPh。当液体由水泵进口经过叶轮至水泵出口流出时，在泵内部沿程会产生各种水力损失，主要有：①经过泵内各过流段的沿程表面摩擦损失；②由于液流沿程过流面积或者液流方向突然改变产生的局部水力损失；③由于其他原因产生的漩涡所引起的损失等。这些损失都要消耗部分功率，该部分消耗在泵内流动过程中的功率统称为水力损失功率。显见，水力损失的大小与液体的种类及其在泵内的流动形态和泵内流道的结构型式、表面粗糙程度等因素有关。按其定义，水力损失的表达式可表示如下：

式中：Δhl为由于水力损失引起的损失扬程，即Δhl=HT—H。

1.3.4 效率η

水泵传递能量的有效程度称为效率。水泵的输入功率 （即轴功率P），由于机械损失、水力损失和容积损失，不可能全部传递给液体，液体经过水泵只能获得有效功率Pe。效率是用来反映泵内损失功率的大小及衡量轴功率P的有效利用程度的参数，即有效功率Pe与轴功率P之比的百分数：

图1.36 水泵功率能量平衡示意图

从图1.36的水泵功率能量平衡图可得各项功率的含义和相互关系，并可用机械效率ηm、容积效率ηv和水力效率ηh分别来衡量各种损失的大小。

机械效率ηm：衡量机械损失大小的参数，可用下式表示

容积效率ηv：衡量容积损失大小的参数，可用下式表示

水力效率ηh：衡量泵内水力损失大小的参数，可用下式表示

在引入上述3个效率后，水泵的效率η还可表达为

由式 （1.16）可知，水泵的总效率等于机械效率、容积效率和水力效率3个分效率的乘积。因此，要提高水泵的效率就需要在设计、制造及运行等方面尽可能减少机械、容积和水力损失。目前，离心泵的效率大致在45%～90%的范围内，轴流泵的效率范围约为70%～90%。

1.3.5 转速n

转速是指水泵轴或叶轮每分钟旋转的周数。通常用符号n表示，单位为转/分 （r/min）。水泵的转速与其他的性能参数有着密切的关系，一定的转速，产生一定的流量、扬程，并对应一定的轴功率。当恒定的转速增大或变小时，将引起水泵性能参数及其相关关系发生相应的变化。水泵是按一定转速 （额定转速）设计的，该转速下的工作特性为基本性能。因此配套的动力机除功率应满足水泵运行的工况要求外，在转速上也应与水泵转速相一致。

水泵的转速随时间变化 （非恒定）时，其性能则表现为不稳定，即上述性能参数及其相关关系是时间的函数。

目前，我国常用的水泵转速为：中、小型离心泵一般在730～2950r/min的范围；中、小型轴流泵一般为250～1450r/min，大型的轴流泵的转速则更低，为100～250r/min。

1.3.6 允许吸上真空高度或允许汽蚀余量

允许吸上真空高度和允许汽蚀余量是表征水泵在标准状态下的汽蚀性能 （吸入性能）的参数。水泵工作时，常因装置设计或运行不当，会出现水泵进口处压力过低，导致汽蚀发生，造成水泵性能下降甚至流动间断、振动加剧的现象。泵内出现汽蚀现象后，水泵便不能正常工作，汽蚀严重时甚至不能工作。为了避免水泵汽蚀的发生，就必须通过泵的汽蚀性能参数来正确确定泵的几何安装高度和设计水泵装置系统。关于汽蚀的概念和汽蚀性能参数的定义及其物理意义等的进一步说明，详见第4章。

水泵的各个性能参数表征了水泵的性能，是了解运行特性的重要指标，它们通常可从水泵产品样本上获得。此外，每台水泵的铭牌上，简明地标示有水泵性能参数及其他一些数据。但需要指出的是，铭牌上标出的参数是指该水泵在额定转速 （设计转速）下运行时的流量、扬程、轴功率、效率及允许吸上真空高度或允许汽蚀余量等值。例如12sh 28型双吸离心泵的铭牌如图1.37所示。

图1.37 12sh28型双吸离心泵铭牌示意图