离心式水泵原理课件

1、矿井排水设备2009.6.301 目 录第一节 概述 第二节 离心式水泵的工作理论和特性曲线 第三节 离心式水泵的结构 第四节 相似理论第五节 离心式水泵在管路中的工作本章小结2第一节 概述一、 排水设备的任务和分类1、任务 将矿水及时地排送至地面，为井下创造良好的工作环境，确保安全生产。2、来源 涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地表水、地下水（含水层水、断层水和采空区水等）、充填后的废水（水砂黄泥充填的矿井。矿井涌水量：在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌水量，用Q表示，其单位是m3/h。最大涌水量：雨季和溶雪期地表水丰富，涌水多，称这时的涌水量为最大涌水量，用Qmax表示，所对应的

2、涌水时间为最大涌水时间，用Tmax表示。正常涌水量：其它季节的涌水量大致均匀，称这时的涌水量为正常涌水量，用Qz表示，所对应的涌水时间为正常涌水时间，用Tz表示。33、矿水性质1）温度 随井深增高。2）密度 比清水大。=10151025kg/m33）化学性质 一般PH7为碱性，PH=7为中性，PH=46为弱酸性，当PH3时为强酸性。强酸性水对金属材料有强烈的腐蚀作用。矿水多带酸性，当PH 90，cot20, 故Hl = A + BQl； 理论压头随理论流量增加而增大，即Hl随着Ql的增加而增加，是一条上升的直线。 径向叶片，290 cot2B故Hl=A； 理论压头为定值不变，即Hl不随着Ql的

3、增加而变化，是一条与横坐标平行的直线。 后弯叶片20 B 0 故 Hl = A - BQl；理论压头与理论流量成反比，是一条下降的直线。23在几何尺寸、转速以及流体进入叶片运动情况相同的条件下，三种叶片的工作状态分析如下：1)理论压头的关系根据离心式水泵欧拉方程分析可知，前弯叶片c2u u2,后弯叶片c2uu2 ，径向叶片c2u =u2。所以前弯叶片产生的理论压头最高，后弯叶片产生的理论压头最低，径向叶片居中。2)叶轮流道与效率的关系就叶轮流道阻力而言，后弯叶片因流道长，断面变化的扩散角小，流动结构变化缓慢，所以流动能量损失最小，效率最高。相反前弯叶的流道短而宽，断面变化的扩散角大，流动结构变

4、化剧烈，流动阻力较大，流动损失也大，效率是三种叶片中最低的；径向叶片的叶轮效率居中。24 不同叶型叶片工作特性的比较比较项目叶片型式前弯径向后弯理论总压头大中小静力压头/总压头小中大叶道阻力损失大中小理论总压头随理论流量变化情况升高不变降低理论功率随理论流量变化情况急剧增大逐渐增大开始增大逐渐趋缓综上分析，在实践中通常使用后弯叶片叶轮，2一般在o5o之间，叶片数一般为片。5、三种不同叶型叶片工作特性分析比较结果见下表 25（1）有限叶片的影响（叶片数目有限时对扬程的影响）1）叶片有限时的环流和相对速度的分布相对速度分布：受环流（环流的形成来自流体质点的惯性。）的影响，叶片迎面上的流体质点相对速

5、度减小，背面处的流体质点相对速度加大，形成不均匀的相对速度。（ 图7-6）形成原因：理想叶轮相对速度的均匀分布与环流合成的结果。二、离心式水泵的实际压头特性曲线262）环流对压头的影响叶片数目有限与无限情况下速度的比较： ，绝对速度向叶轮旋转的相反方向偏移。减小程度用 表示，称为环流系数。对于水泵 （z叶片数目），一般k=0.60.9。环流对压头的影响：27（2）能量损失的影响水流经水泵过流部件时的能量损失(水力损失)主要有下列两种： 1)摩擦损失和扩散器损失 摩擦损失为 扩散器损失为 所以摩擦损失和扩散器损失为 式中 摩擦和扩散损失系数。2)冲击损失和涡流损失 冲击损失和涡流损失hq的大小与

6、水泵运转时流量Q和设计流量Qe之差的平方成正比，即 28（3）离心式水泵实际特性曲线2930三、 离心式水泵的效率根据能量损失的形式不同，可将离心式水泵的损失分为机械损失、容积损失和水力损失三种。1机械损失和机械效率 水泵在运转时存在着机械损失。它包括轴与轴承和填料间的摩擦阻力损失；叶轮在泵腔内的水中转动时产生的圆盘摩擦损失；以及因级间泄漏而增加的功率损耗。机械损失的大小用机械效率来衡量。水泵的机械效率为 31Hl/叶轮叶片有限多时水泵的理论压头， m；Ql/叶轮叶片有限多时水泵的理论流量，即 式中 PZ 水泵轴功率，Pm机械损失功率，叶轮叶片厚度使叶轮出口断面缩小的系数，称为收缩系数。322

7、容积损失和容积效率当水流过叶轮时，由于叶轮对水做功，使水的能量(压力能和速度能)增大。但得到能量后的水，不是全部流到排水管中，而有少量的高压水通过动静部件的间隙( 如在叶轮入口处、平衡孔或平衡盘处以及级间隙等处)重新流回到低压区，使水泵的实际流量小于理论流量。这种因间隙泄漏而造成的能量损失叫做容积损失。容积损失的大小用容积效率来衡量。水泵的容积效率为 式中 Q、Q实际流量与泄漏流量， m3/s。333水力损失和水力效率水流过水泵的进口、叶轮、导向器、机壳等过流部件时，因摩擦、扩散、冲击而消耗的能量叫做水力损失。水力损失使水泵的实际压头小于理论压头。水力损失的大小用水力效率来衡量。水泵的水力效率

8、为 344水泵的总效率 水泵的总效率为水泵的有效功率PX(输出功率)与轴功率PZ(输入功率)的比值，即 由此可见，水泵的总效率等于它的机械效率、容积效率和水力效率三者之乘积。只有尽可能减少泵内各种损失，才能获得较高的水泵效率。 35四、比例定律及比转数 比例定律（1）相似条件 相似理论（研究相似流体的理论） 根据相似理论，若两个流动之间，相互对应的流动参量（即与流动有关的各物理量，如：密度、粘度、速度、压力等）有着一定的比例关系，并且按照同样的规律运动，则称这两个流动是互为相似的流动。确定两者之间存在着相似关系的原理称为相似原理。相似原理告诉我们：两个流动相似，一定要满足力学相似条件，即满足几

9、何相似、运动相似和动力相似。 同时满足，彼此之间几何相似、运动相似和动力相似的水泵称相似水泵。361）几何相似（边界相似）指流动几何相似和边界性质相同。彼此相似的水泵的叶轮和主要通流部件中的流体流动几何相似，彼此相应的几何尺寸成相同比例，对应的同名角相等。表征边界性质的叶轮和主要通流部件的固体壁面水力性质相同，几何形状相似。即对应尺寸的比值为一常数，对应的同名角相等。即：372）运动相似指流动的各相应点的速度方向相同，大小成比例。彼此相似水泵上各对应点处的速度三角形相似。即38 3）动力相似 指流动的各相应点处质点所受诸同名力成比例。对于彼此相似的水泵主要是要求其雷诺准则，即雷诺数Re=uD/

10、（式中u叶轮外缘速度，D叶轮外缘直径，运动粘度系数）相等或不大于5倍。实际上要做到Re相等，有时有实际困难，考虑到管流时粘滞力不再与Re有关，而且自动保持动力相似，所以不严格要求Re相等。但也应尽量做到阻力系数接近，相差不宜过大。即39注意：相似条件中以几何相似为必要条件，运动相似和动力相似为充分条件。（2）比例定律1）相似水泵相应工况下的参数关系流量关系 设对应工况的流量值分别40由于两水泵相似，所以41扬程关系 设对应工况的压头值分别为42由于两水泵相似，所以 43功率关系 442）比例定律对于同一台或两台对应尺寸相等的相似水泵，若排送的液体重度相等，可得比例定律。即比例定律的应用：45比

11、转数 比转数是水泵相似的一项派生准则。因为比例定律只反映了一系列相同或相似水泵性能参数之间的关系。并未涉及非相似水泵性能参数之间的关系。在水泵的选择和设计中，为了比较不同系列水泵的性能参数，往往需要一个不依赖于泵的几何尺寸，而反映其流量和扬程关系的综合参数，这个参数称为比转数。46 设两台彼此相似水泵的尺寸，转速和额定工况参数分别为D2、n、H、Q和D2、n、H、Q。 以上两式中消去比值 得：47将上式两端同乘以3.65有式中3.65来源于水轮机，当时它的表达式 （马力）48将此关系和=1000kg/m3代入即得上式。 此时，ns表示在相似条件下，额定工况或效率最高时产生1单位流量和1单位压头

12、的标准水泵的转速，称为比转数。很明显，彼此相似的水泵的标准水泵的转速比转数相等。不相似的水泵比转数不等。 用途：1、比转数可以反映水泵的性能及叶轮形状；在相同转速下，比转数大，流量大而压头小，流量大，导致叶轮出口流道宽度大；压头小，则叶轮出口直径小，叶轮流道短。故比转数大的叶轮流道宽而短，而且性能曲线比较陡。相反，比转数小的叶轮流道窄而长，性能曲线比较平坦。2、比转数可以对水泵进行分类；3、比转数可以选择水泵的叶轮型式；4、应用于设计计算中。49 第三节 离心式水泵的结构 目前，矿山主要排水设备常用D型、DA型和TSW型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部排水则常用B型、BA型和BZ型单级离心

13、式水泵。5051一、D型离心式水泵单吸多级分段式水泵。（一）D型泵的结构主要由转动部分、固定部分、轴承部分和密封部分组成。1、转动部分（1）叶轮 作用：是泵的主要部件。将机械能传递给水，使水的压力能和动能得到提高。结构：形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。（2）泵轴：作用是传递扭矩和支承套装在它上面的转动部件。（3）平衡盘：作用是平衡水泵的轴向推力。522、固定部分进水段：吸水口位于进水段，为水平方向。中段 1）导水圈：作用是引导水流运动方向，降低流速，使一部分动压转换为静压。 2）返水圈：作用是以最小的损失把水引入下一级叶轮的入口。注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。出水

14、段（螺壳型）：出水口位于出水段，为垂直方向。作用是以最小的损失，将导水圈中流出的水汇集起来并均匀地引至出水口；同时，使一部分动压变为静压。水泵的进水段、中间段、叶轮和出水段总称为水泵的过流部件。其形状和材质的好坏是影响水泵性能和寿命的主要因素。3、轴承部分4、水泵的密封（1）固定件之间密封：纸垫密封（2）转动部分与固定之间的密封1）密封环a、大口环b、小口环532）填料装置吸水侧填料装置：作用是防止空气进入泵内。包括水封环和填料。排水侧填料装置：作用是防止压力水向外泄漏。注意：填料压盖不可拧得太紧。54（二）D型泵的特点和型号意义1、特点（1）D型泵的流量和扬程范围较大，适合于矿山排水，有清水

15、泵、耐酸泵和耐磨泵；（2）效率高，是我国设计制造的多级离心式泵中，效率最高的一种泵；（3）采用单列向心滚柱轴承减少了泵的静阻力矩，提高了机械效率，同时，轴承还可满足运转时泵轴的轴向窜动；（4）通向吸水侧填料箱的水封管在进水段内部，不裸露在外边：（5）扬程特性曲线较平缓，没有上部分，且初始扬程较高，有利于水泵稳定运行；零流量时功率低，有利于电动机起动；效率曲线平坦，因而扩大了它在工业利用区。 D型泵流通部件的材质有两种，一种适用于普通中性水，用“D”表示；另一种适用于酸性水，用“DF”或“D”表示2、型号意义55二、B型离心式水泵（一）构造（二）类型及型号意义56三、离心式水泵的轴向推力及平衡方

16、法 叶轮为单吸式的水泵，在工作时受到轴向推力作用，迫使叶轮和转子一起朝入口方向移动。单级泵的轴向推力有几百公斤；多级分段式水泵的可达几吨。轴向推力必须予以平衡才能保证泵的正常工作。（一）产生轴向推力的原因 作用在叶轮前、后底盘外表面上的总压力不相等，和作用在叶轮内表面上水的动压的轴向分力所致。57（二）危害使整个转子向吸水侧窜动。1、使叶轮造成破坏性磨损；2、轴承发热、电动机负载增加；3、使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和涡流，降低泵的效率。（三）轴向推力的平衡方法1、平衡孔构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其方法如下：（1）在叶轮后底盘上钻孔，把平衡室和叶轮入口连接起来，使

17、两侧压强相等；（2）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降压目的58592、加径向筋3、平衡鼓4、对称布置叶轮5、平衡盘法A、结构原理：图713B、特点：平衡效果好，但起动过程易与平衡座接触造成磨损。C、注意：平衡盘与平衡环之间间隙在0.51之间；泵轴的窜量不小于1，不大于4。60 第五节 离心式水泵在管路中的工作一、管路特性曲线和水泵的工况点 管路特性曲线水泵输送给水的压头为显然61 公式叫做水泵的管路特性曲线方程式。应该指出，式中的各种系数与几何尺寸都是针对新管道的。对于由于管壁挂垢使管径缩小的旧管道，管路阻力系数应乘以1.7，即622. 水泵的工况点水泵是和管路连接而工作的。水泵的流量

18、就是从管路中流过的水量；水泵的扬程就是水流经管路时的总压头消耗。所以，如果把水泵特性曲线和管路特性曲线按同一比例画在同一坐标图上，所得的交点就是水泵的工作点，称为工况点。点所对应的参数称为工况参数。63二、汽蚀现象和吸水高度1 汽蚀现象及其危害当汽蚀发展到一定程度时，将影响水泵的性能并妨碍其正常运行。主要表现为以下几方面：(1)泵的性能改变 当汽蚀初生时，对水泵外特性并无明显影响。汽蚀发展到一定程度后，水泵的功率、效率、流量和扬程等参数会有突然的下降。当汽蚀充分发展时，水流的有效过流面积会减小很多，以致引起水流中断，不能工作。(2)引起振动和噪声 汽泡破裂时，液体质点互相冲击，产生噪声和机组振

19、动，两者互相激励使泵产生强烈振动，称为汽蚀共振现象。(3)过流部件表面的破坏 汽蚀破坏可大大缩短水泵的使用寿命，剥蚀和腐蚀严重时，会产生叶片断裂或穿孔等重大事故。 642 汽蚀余量(泵厂一般用NPSH表示) 汽蚀余量的值等于从基准面算起的泵吸入口的总水头(绝对压 力，以米水柱计)减去水的汽化压力(绝对压力，以米水柱计)，即=式中 水在该温度下的汽化压力，Pa。对于基准面的选取，ISO标准及GB标准都规定：基准面为通过叶轮叶片进口边的外端所描绘的圆的中心的水平面。对于卧式泵，其基准面就是泵轴中心线。水泵的汽蚀余量也可以用上式的右边表示，称之为装置汽蚀余量，用表示，即 65为使泵不发生汽蚀，装置提

20、供的汽蚀余量应大于或等于泵的允许汽蚀余量，即以上两式即为泵不发生汽蚀的条件。663 吸水高度欲保证水泵工作时不发生汽蚀，吸水高度老式型号的泵，反映其汽蚀性能的参数是允许吸上真空度。由上式知，水泵吸入口的真空度为 67欲使水泵不发生汽蚀，必须使式中 工况点所对应的水泵允许吸上真空度；工况点所对应的水泵吸入口处的真空度。 保证水泵不发生汽蚀的合理吸水高度为68应该指出，从水泵性能曲线图上所查出的s值,若与水泵使用地点的条件不符，则应按下式加以修正：式中 修正后的允许吸上真空度，m； 水泵性能曲线上查出的允许吸上真空度，m； 安装地点的大气压，Pa； 工作水温下水的饱和蒸汽压，Pa；0.24温度20

21、时水的汽化压力，mH2o。69、与水泵的使用地点的大气压力、水的温度有关。水的温度越高，水泵越容易发生汽蚀；海拔高度越高，大气压力越低，水泵也容易发生汽蚀。表1 不同海拔高度时的大气压力海拔高度/m-6000100200300400500 /m11.311.310.210.110.09.89.7海拔高度/m600700800900100015002000 /m9.69.59.49.39.28.68.170表2 水在各种温度下的饱和蒸汽压温度/02030405060708090100饱和蒸汽压0.060.240.430.751.252.023.174.827.1410.33利用允许吸上真空度计算

22、吸水高度，不如利用汽蚀余量计算方便。与的值按10-的关系换算。71三、水泵正常工作条件1. 稳定工作条件为保证水泵稳定工作，水泵的初始扬程与实际扬程sy之间应满足下列关系sy0.9 2.泵的经济运转条件(0.850.9)max 3.泵不发生汽蚀的条件为保证水泵正常运行，实际装置的汽蚀余量应大于泵的允许汽蚀余量。总之，要保证水泵正常工作，所确定的工况点必须同时满足稳定工作条件，经济工作条件和不发生汽蚀的条件。72四、离心式水泵的联合工作 一台水泵单独在管路上工作时，若其流量或扬程不能满足排水要求，可以采用两台或多台水泵的联合工作。联合工作的方法有串联和并联两种。1. 水泵的串联运转 两台或两台以

23、上水泵顺次连接，前一台水泵的出口同后一台的进口直接连接，称为直接串联工作。若前一台泵的出口与后一台泵的进水口中间有一段管子连接，则称为间接串联工作。它们共同的特点是串联时各泵流量相等并等于管路流量，而管路所需扬程为两泵扬程之和。因此，若用一台等效泵代换串联的各泵，则可在同一坐标图上，按“等流量线上扬程相加”的原则将串联的各泵扬程特性曲线相加，即得等效泵的扬程特性曲线。73水泵串联工作时应注意以下问题： (1)两泵间接串联时，其等效扬程特性曲线和工况点的求法相同。但位于下部的水泵将水排至上部泵的入口时，应还有剩余扬程，否则不能进行正常串联工作。 (2)一般串联各泵宜选用型号相同或特性曲线相近的水

24、泵。因为串联时两泵的流量相同，若两泵差异较大，则流量较大的水泵必然在低流量下工作，不能发挥其应有的效能，因而不经济。 (3)串联工作时，若有一台水泵发生故障，则整个系统就得停止工作。 实践证明，水泵的串联工作由于受排水系统和水泵强度的限制，很少使用。742. 并联工作 2台或2台以上的泵同时向一条管路供水时称为并联工作。水泵并联后可以增加流量，所以并联一般用于一台水泵的流量不能满足要求的场合。 应当注意：两台或多台水泵并联时，各水泵应有相同或相似的特性，尤其是泵的扬程范围应大致相同，否则扬程较高的水泵将不能发挥其效能。因为并联时各泵的扬程总是相等的，如果低扬程泵的扬程合适，则高扬程泵必然因扬程

25、太低而流量过大，使工况点落在工业利用区之外。 3 串并联方式的确定 水泵串联的主要目的是为了增加扬程，并联的主要目的是为了增加流量。但在某些情况下，此结论不完全正确。75五、水泵工况的调节 调节的目的有两个：一是使水泵的工况点始终满足正常工作条件；二是使水泵的流量和扬程满足实际工作的需要。 因工况点是由水泵的扬程特性曲线与管路特性曲线的交点决定的，所以要改变工况点，就可以采用改变管路特性或扬程特性的方法来实现。1. 改变管路特性曲线调节法1）闸门节流法水泵需额外增加一部分能量用于克服由闸阀关小所增加的局部阻力损失。2）管路并联调节法3）旁路分流调节762 改变水泵特性曲线调节法1）减少叶轮数目

26、调节法当减少叶轮数目时，水泵特性曲线则相应下降，工况点即随之变动。如果水泵排水所需的总扬程为，每一叶轮产生的扬程为i，则水泵所需的叶轮数目为772）切割叶轮外径调节法在保持转速不变的情况下，由比例定律得： 78一般说来，水泵的比转数越大，切割量应越小。不同比转数离心泵叶轮允许切割量，见下表比转数60120200300350350以上切割限度201511970效率下降值每切小10，下降1每切小4，下降1 切割限量与切割后的效率下降值79不同的叶轮应当采用下列不同的切割方式:(1)低比转数离心泵叶轮的切割量，在两个圆盘和叶片上都是相等的(如果有导水器或在叶轮出口有泄漏环，则只切割叶片，不切割圆盘)；(2)高比转数的离心泵，叶片两边切割成两个不同的直