什么是泵的水力损失：沿程损失、局部损失与冲击损失的构成与核算

泵运行时，叶轮对液体所做的功并不能全部转化为可用的扬程，其中一部分在吸入室、叶轮流道、导叶与蜗壳内被消耗掉，这部分能量消耗被称为水力损失。上海蓝海泵业制造有限公司在离心泵选型与节能改造的现场服务中，经常遇到用户把效率偏低归因于电机或传动部件，而实际原因多落在过流部件的水力损失上。GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》将于 2026 年 3 月 1 日起实施，能效评价与泵的水力效率密切相关。本文按沿程损失、局部损失与冲击损失三条线索，说明其成因、核算形式与降低路径。

一、泵内水力损失的三大构成与物理成因

泵的水力损失，指液体从泵入口流到出口、经过全部过流部件时，因黏性摩擦、流道变化与流动分离而损失的机械能，工程上以扬程单位 m 计量。习惯上把它分为沿程摩擦损失、局部与旋涡损失、冲击与脱流损失三类，三者叠加构成总水力损失。总水力损失直接决定泵的实际扬程与理论扬程之间的差值，也是水力效率这一指标的分子来源。理解三类的成因，是判断效率偏低原因的起点。

1. 沿程摩擦损失

沿程摩擦损失来自液体的黏性。液体在流道内流动时，紧贴壁面的流体速度趋近于零，形成边界层，流层之间因黏性产生剪切应力，沿流动方向持续消耗能量。流道越长、当量直径越小、流速越高、壁面越粗糙，沿程摩擦损失越大。在叶轮与蜗壳这类短而弯曲的流道内，沿程损失通常不占主导；但在吸入管段、长距离输送管路与小口径泵中，沿程损失的占比会明显上升。

2. 局部损失与旋涡损失

局部损失发生在流道截面变化、转弯、分流与汇流的部位，例如叶轮进口的转弯、叶片通道内的扩散、导叶的转弯与扩压、蜗壳断面的扩张、隔舌附近的绕流以及出口扩压管。这些位置会出现流速重新分布与流动分离，形成旋涡区，旋涡的维持与耗散不断消耗机械能。局部损失通常用局部阻力系数与速度头的乘积表达，其大小取决于几何形状，而不是流道长度。

3. 冲击损失与脱流损失

冲击损失出现在叶片进口。叶片进口安放角是按设计流量下的液流角确定的，当实际流量偏离设计流量时，液流角与叶片安放角不再一致，液体撞击叶片的工作面或背面，在进口边附近产生撞击、脱流与旋涡。偏离程度越大，冲击损失增长越快。在小流量区还会出现进口回流与叶道内的二次流，使损失进一步上升。在设计流量点附近，冲击损失趋于较小，这是效率曲线出现峰值的主要原因之一。

• 沿程摩擦损失与流速的平方成正比，与流道长度成正比，与当量直径成反比。
• 局部损失集中在截面变化、转弯与汇流部位，主要由旋涡的生成与耗散造成。
• 冲击损失由液流角与叶片进口安放角不匹配引起，在设计流量点附近趋于较小。
• 总水力损失等于上述三类之和，以扬程单位 m 计入实际扬程与理论扬程的差值。
• 偏离设计工况运行时，冲击与脱流损失的增长通常快于沿程摩擦损失的增长。

二、达西—魏斯巴赫公式的形式与符号含义

沿程摩擦损失的通用核算形式是达西—魏斯巴赫公式，这是工程上处理沿程水头损失的基础表达式。本节说明它的写法、符号在泵内流道中的取值提示，以及与局部损失、冲击损失配套的表达形式。需要强调的是，这些公式给出的是形式关系与量纲结构，实际数值必须结合流态判别、阻力系数取值与试验数据确定，不宜脱离条件直接套用。

1. 公式的基本形式

达西—魏斯巴赫公式写作 h_f = λ*(L/D)*(v^2/2g)。其中 h_f 为沿程水头损失，单位 m；λ 为沿程阻力系数，无量纲；L 为流道或管段长度，单位 m；D 为当量直径或水力直径，单位 m；v 为断面平均流速，单位 m/s；g 为重力加速度，常取 9.81 m/s^2。式中的 v^2/2g 为速度头，代表单位重量液体所具有的动能，也是局部损失表达式的共同因子。

2. 符号在泵内流道中的取值提示

把该式用于泵内流道时，D 应取流道的水力直径，即 4 倍过流面积与湿周之比，而不是泵的名义口径；L 取流道的中线长度；v 取该断面的平均流速。由于叶轮与蜗壳的断面沿程变化，工程上通常把流道分段，逐段计算后求和，或把复杂流道折算为当量长度。特别要注意 λ 不是常数，它随流动状态与壁面粗糙度变化，因此不能用一个固定数值覆盖全部工况。

3. 局部损失的配套形式

局部损失的一般形式为 h_j = ζ*(v^2/2g)，其中 ζ 为局部阻力系数，由几何形状决定，例如转弯角度、扩散比、隔舌间隙等；v 通常取该部位的特征流速。总水力损失可写作 Σh = Σh_f + Σh_j + h_s，其中 h_s 表示与冲击、脱流相关的损失项。三者在物理上并非****独立，旋涡与脱流往往同时放大沿程项和局部项，但在工程核算中分开处理，便于定位改进方向。

• h_f = λ*(L/D)*(v^2/2g) 中的 λ 随雷诺数与相对粗糙度变化，不是固定常数。
• 泵内流道断面沿程变化，通常需分段计算或折算为当量长度后求和。
• 局部损失 h_j = ζ*(v^2/2g) 的 ζ 由几何形状决定，与流道长度无关。
• 冲击损失一般通过经验系数或试验曲线确定，不直接套用达西—魏斯巴赫公式。

三、雷诺数、流态与相对粗糙度

沿程阻力系数的取值，取决于流动状态与壁面状况两个因素。流动状态用雷诺数判别，壁面状况用相对粗糙度描述。二者共同决定了 λ 的大小，也就决定了沿程损失在总水力损失中的占比。对输送清水以外的介质，例如油品、浆液或高温热水，运动黏度与温度的变化会改变流态，核算时应按实际条件重新判别。

1. 雷诺数与流态判别

雷诺数定义为 Re = v*D/ν，其中 v 为平均流速，单位 m/s；D 为当量直径，单位 m；ν 为液体的运动黏度，单位 m^2/s。雷诺数反映惯性力与黏性力的比值。圆管内的常用判别界限为：Re 小于约 2300 时为层流，Re 大于约 4000 时为湍流，两者之间为过渡区。层流状态下沿程阻力系数可写为 λ = 64/Re，仅与雷诺数有关；湍流状态下 λ 同时受雷诺数与壁面粗糙度影响。

2. 相对粗糙度与阻力系数

相对粗糙度定义为壁面****粗糙度 ε 与当量直径 D 之比，即 ε/D。在湍流区，随着雷诺数升高，λ 逐渐由相对粗糙度主导，进入阻力平方区，此时沿程损失与流速的平方关系变得明确。工程上常用穆迪图或科尔布鲁克公式描述 λ 与 Re、ε/D 的关系，科尔布鲁克公式的形式为 1/sqrt(λ) = -2*log10( ε/(3.7*D) + 2.51/(Re*sqrt(λ)) )，属于隐式表达式，需要迭代求解。具体取值应按流体力学手册或相应计算方法确定。

3. 沿程损失与流量的平方关系

在流道几何不变的前提下，断面平均流速 v 与体积流量 Q 成正比，因此沿程摩擦损失与流量的平方成正比，即 h_f 正比于 Q 的平方。这意味着流量增加到原来的 2 倍时，沿程摩擦损失约增至 4 倍；流量降低时，沿程损失按平方关系下降。这一关系是理解泵装置特性的基础：管路阻力曲线大致呈二次曲线形态，它与泵扬程曲线的交点即为实际工作点。

• Re = v*D/ν 用于判别层流与湍流，层流条件下 λ = 64/Re。
• 相对粗糙度 ε/D 与雷诺数共同决定湍流区的沿程阻力系数。
• 进入阻力平方区后，λ 基本由 ε/D 决定，沿程损失与流量平方成正比。
• 输送高黏度液体时流态可能改变，需按实际介质的运动黏度重新核算。

四、水力效率的定义与设计点效率峰值

水力效率把水力损失换算成一个可直接比较的比例指标，是判断过流部件设计水平与制造质量的依据。本节给出水力效率的表达式、总效率的构成，以及效率曲线在设计流量点出现峰值的原因。理解这几项，有助于在选型阶段判断高效区位置，在运行阶段判断工况偏移带来多少效率损失。

1. 水力效率的表达式

水力效率 η_h 表示理论扬程中转化为实际有效扬程的比例，可写作 η_h = (H_th - Σh)/H_th，其中 H_th 为理论扬程，Σh 为总水力损失，两者单位均为 m。等价写法是 η_h = H/H_th，H 为泵的实际扬程。这一表达式说明：在理论扬程一定的前提下，降低总水力损失即可提高水力效率；当损失量接近理论扬程时，效率下降会非常明显。

2. 总效率的构成

泵的总效率 η 由水力效率、容积效率与机械效率三项相乘得到，即 η = η_h * η_v * η_m。容积效率反映口环间隙、平衡孔与轴封处的泄漏回流造成的损失，机械效率反映轴承、轴封与圆盘摩擦等机械损失。三者之中，水力效率对过流部件的设计与制造质量高度敏感。总效率也可按 η = ρ*g*Q*H/P 计算，其中 ρ 为液体密度，Q 为体积流量，H 为扬程，P 为输入功率。

3. 设计点效率峰值与工况偏移

泵的效率曲线随流量变化呈单峰形态。在设计流量点附近，冲击与脱流损失趋于较小，各项损失的叠加接近其下限，效率达到峰值；向小流量方向偏离时，冲击损失与回流损失上升；向大流量方向偏离时，流速升高使沿程与局部损失按平方关系增长，同时可能出现汽蚀裕度不足。因此工程上把设计点附近的区间称为高效区，选型时应使常用工况落在高效区内，而不是只核对额定扬程。

• η_h = (H_th - Σh)/H_th，总水力损失越大，水力效率越低。
• η = η_h * η_v * η_m，水力效率对过流部件设计与制造质量高度敏感。
• 效率曲线在设计流量点附近出现峰值，向两侧偏离均会下降。
• 高效区通常取效率不低于峰值附近某一带宽的流量区间，具体范围按厂家样本确定。

五、与 GB 19762—2025 能效评价的关联

能效评价关注的是泵在规定工况与规定试验方法下的效率水平，而效率水平最终落在水力效率、容积效率与机械效率三项上。GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》于 2026 年 3 月 1 日起实施，对离心泵的能效限定值与能效等级作出规定，具体条款以标准文本为准。对制造企业与用户而言，理解水力损失的构成为能效改进提供了可操作的方向：减少过流部件内的摩擦与旋涡，比单纯更换电机更能直接改善泵的效率表现。

需要注意的是，能效评价以规定的试验方法为前提，试验条件、测点布置与仪表精度都会影响结果。用户在比对不同厂家样本上的效率数值时，应确认其对应的转速、介质温度与试验方法是否一致。上海蓝海泵业制造有限公司在产品技术文件中按标准规定的方法给出效率数据；用户在 2026 年 10 月及以后的采购中，可要求供方同时提供对应能效等级的判定依据，而不是只凭样本上的单点数值作出判断。

六、降低水力损失的工程做法

降低水力损失的路径大致分两类：一类是改善过流部件的几何与表面状态，另一类是让泵运行在损失较小的工况区间。前者属于设计与检修范畴，后者属于运行调节范畴。两类做法的成本与收益相差很大，工程上应按单位输水量的能耗成本、年运行小时数与改造预算综合比较后再决定，不宜只凭经验选择其中一项。

1. 过流件表面质量

降低壁面****粗糙度 ε 可以直接减小湍流区的沿程阻力系数。常见做法包括：提高铸件过流面的清砂与打磨质量，去除粘砂、飞边与局部凸起；对叶轮流道与蜗壳流道进行抛光或涂覆低表面能涂层；在检修中修复被汽蚀剥蚀与磨损形成的麻点。需要权衡的是，表面质量提升会带来制造与维护成本，小型泵的相对收益通常高于大型泵，是否采用应结合运行小时数与能耗成本核算。

2. 口环间隙与叶轮蜗壳匹配

口环即密封环，其间隙过大时，叶轮出口的高压液体会大量回流至叶轮进口，这部分属于容积损失；但回流液体进入主流后会扰动进口流场，间接放大冲击与旋涡损失。因此口环间隙应按产品标准与厂家样本给定的上限值控制，检修时超限即更换。叶轮与蜗壳的匹配同样关键：叶片出口角、叶片数、蜗壳断面变化规律与隔舌间隙共同决定蜗壳内的流动状态，更换叶轮时应核对是否为原配对型号。

3. 叶轮切割的边界

当泵的扬程长期高于系统需求时，常用车削叶轮外径即切割叶轮的方法降低扬程。按切割定律，在切割量不大时，流量与叶轮外径近似一次方关系，扬程近似与外径的平方成正比，轴功率近似与外径的三次方成正比。但切割存在边界：切割量过大时，叶片出口角与蜗壳的匹配被破坏，隔舌间隙增大，冲击与旋涡损失上升，效率下降幅度超过扬程下降带来的收益。允许的切割限量按相应产品标准或厂家样本确定。

• 提高过流件表面质量可降低壁面粗糙度，直接减小沿程阻力系数。
• 口环间隙应按标准或样本给定的上限控制，超限回流会间接放大冲击损失。
• 叶轮与蜗壳应按原配对型号更换，混装会破坏流道匹配并抬高损失。
• 叶轮切割量存在上限，超出后效率明显下降，限量按相应产品标准或厂家样本确定。
• 使常用工况落在高效区内，是降低单位输水量能耗的直接手段。

七、常见误区与注意事项

误区之一是把效率偏低一律归因于电机或传动部件。实际排查次序应是：先核对工况点是否落在高效区，再检查管路阻力曲线是否与选型时的假设一致，最后才检查机械与电气部分。误区之二是在小口径、长吸入管的装置中忽略吸入段的沿程损失，导致汽蚀裕度计算偏乐观。误区之三是认为变频调速总能节能：当系统静扬程占比较大时，转速下调后工作点效率可能下降，节能效果需结合管路特性曲线核算。

误区之四是认为切割叶轮可以无限制地匹配扬程。切割后理论扬程下降，但水力损失并不按同比例下降，效率峰值位置同时向小流量方向移动。误区之五是在核算沿程损失时直接套用某一个固定 λ 值，忽略雷诺数与相对粗糙度的影响，导致高黏度介质或高温水条件下的结果偏差。正确做法是按实际介质的运动黏度与温度重新判别流态，再确定阻力系数与损失量。

• 效率偏低应先核对工况点与管路阻力曲线，再排查机械与电气原因。
• 吸入段的沿程损失应单独核算，避免汽蚀裕度被高估。
• 变频调速的节能效果取决于管路特性，静扬程占比大时需单独核算。
• 切割叶轮会同时移动效率峰值位置，不是无限制的调节手段。
• 沿程阻力系数不应取固定值，应按流态与相对粗糙度确定。

八、常见问题

问：泵的水力损失由哪几部分组成？

泵的水力损失由沿程摩擦损失、局部与旋涡损失、冲击与脱流损失三部分组成，三者之和即总水力损失。依据是三者的能量消耗分别来源于黏性剪切、流道几何突变引起的分离旋涡，以及液流角与叶片进口安放角不匹配造成的撞击与脱流。

问：达西—魏斯巴赫公式能直接算出泵内的总水力损失吗？

不能，该式只给出沿程摩擦损失的形式关系，不等于总水力损失。依据是公式中的沿程阻力系数 λ 随雷诺数与相对粗糙度变化，且泵内流道断面沿程变化需分段或折算当量长度，而冲击损失还需另按经验系数或试验曲线确定。

问：为什么泵在偏离设计流量时效率会下降？

因为液流角与叶片进口安放角不再匹配，冲击与脱流损失上升，同时流速升高使沿程与局部损失按平方关系增长。依据是设计流量点附近液流角与安放角一致，冲击损失趋于较小，效率曲线因此在设计流量点附近出现峰值。

问：降低水力损失应优先从哪些部位入手？

优先从过流件表面质量、口环间隙控制、叶轮与蜗壳的配对匹配、以及让运行工况回到高效区四处入手。依据是这四项分别直接作用于壁面粗糙度、回流扰动、流道几何匹配与冲击损失，而叶轮切割属于有边界的手段，超出限量后效率反而下降。

问：采购时如何核对与 GB 19762—2025 相关的能效数据？

应要求供方提供按标准规定试验方法得出的效率数据与能效等级判定依据，并确认转速、介质温度与试验条件一致。依据是 GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》于 2026 年 3 月 1 日起实施，能效评价以规定试验方法为前提，具体条款以标准文本为准；上海蓝海泵业制造有限公司可提供对应产品的效率数据与判定依据，地址为上海市青浦区赵巷新城经济开发区二区30号，电话 021-39889996 / 39889995。