设备管理_水泵结构及运行原理介绍

水泵结构及运行原理介绍 目录一 绪论二 水泵基础概述三 水泵中的能量转换四 数值模拟五 水泵特性 泵 汽轮机 燃气轮机 泵 压缩机 风机 汽轮机 一 绪论 本章内容 1 水泵分类2 应用范围3 工作介质 绪论 水泵分类 根据能量传递的方向不同 可以将流体机械分为原动机和工作机 流体机械 原动机 工作机 将流体的能量转换为机械能用于驱动其他的设备 如水轮机 汽轮机 燃气轮机 风力机等 将机械能转换为流体的能量 以便将流体输送到高处或有更高压力的空间或克服管路阻力输送到远处 如各种泵 风机和压缩机等 瀑布的能量 上下游水位差汽车的涡轮增压 风力机用于发电等风机用于输送空气 绪论 水泵分类 根据流体与泵相互作用的方式 可将泵分成容积式和叶片式 泵 容积式 叶片式 工作介质处于一个或多个封闭的工作腔中 工作腔的容积是变化的 机械与流体之间的相互作用力主要是静压力 能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的介质之间进行的 叶片与流体的相互作用力是惯性力 绪论 水泵分类 容积式 双螺杆泵 动力输入 轴承 密封等 主动螺杆 从动螺杆 壳体 绪论 水泵分类 容积式 双螺杆泵 优点 1 流量平稳无脉动 流量与转速成正比 具计量特性 2 低剪切 3 自吸性能好 4 适应从很低到很高黏度 5 兼容高含固量 含颗粒工况 缺点 1 因定转子间摩擦大 需要较大力矩 效率偏低 往往轴吸收功率1kw 厂家会配3kw甚至更大电机 2 较容易出现干磨 高温 损坏橡胶等材质的定子 定子和密封件一样是耗材 3 往往细长 需要较大安装空间 绪论 水泵分类 叶片式 动力输入 蜗壳 进口 出口 叶片式叶轮 基脚 密封 轴承等 绪论 水泵分类 叶片泵 离心泵 混流泵 轴流泵 叶轮结构 前盖板 叶片 后盖板叶轮对于泵 即心脏对于血液循环系统 绪论 应用范围 电力工业 目前最大的锅炉给水泵的功率已达到49 3MW 扬程3000m 水利工程 我国排灌机械的配套功率 在80年代就已达到57000MW 化学工业 石油工业 潜油泵 油田注水泵 水下油气混输泵 采矿工业 航天技术 生物医药 食品运输 核电工程 核反应堆中的核主泵对振动 噪声 耐热 耐压 寿命等性能要求非常高 绪论 工作介质 泵的工作介质多种多样 包括水 油 化学液体 固液两相混合物甚至牛奶等等 粘性是指液体在剪切力的作用下 将产生连续不断的变形以抵抗外力的特性 在泵的内部 特别是液体流动速度较高的叶片泵的内部 液体的粘性作用紧紧在高进固壁表面的薄膜 边界层 中才比较显著 而在大部分流场中可以忽略粘性的作用 二 水泵基础概述 本章内容 1 叶片泵工作过程2 主要性能参数 水泵基础概述 叶片泵工作过程 动力输入 进口 出口 问题 大小 厚度不一 多级离心泵 叶轮 水泵基础概述 叶片泵工作过程 流体机械的叶片表面一般是空间曲面 为了研究流体质点在叶轮中的运动 必须用适当的方法描述叶片的空间形状 由于叶轮是绕定轴旋转的 故用圆柱坐标系描述叶轮及叶片的形状比较方便 空间曲面叶片 叶片的轴面投影图 轴面 轴截面投影 水泵基础概述 叶片泵工作过程 轴面投影图 叶轮零件图 水泵基础概述 叶片泵工作过程 吸入室在泵中称为吸水室 它的作用是向叶轮提供具有合适大小的 均匀分布的速度入流 入流速度的分布 对叶轮的工作有很大影响 a 直椎管式b 弯管式c 肘管式d 环形e 半螺旋形 水泵基础概述 叶片泵工作过程 吸入室在泵中称为吸水室 它的作用是向叶轮提供具有合适大小的 均匀分布的速度入流 入流速度的分布 对叶轮的工作有很大影响 直椎管式弯管式肘管式环形半螺旋形 水泵基础概述 叶片泵工作过程 吸入室在泵中称为吸水室 它的作用是向叶轮提供具有合适大小的 均匀分布的速度入流 入流速度的分布 对叶轮的工作有很大影响 进口肋板 直椎管式 水泵基础概述 叶片泵工作过程 吸入室在泵中称为吸水室 它的作用是向叶轮提供具有合适大小的 均匀分布的速度入流 入流速度的分布 对叶轮的工作有很大影响 进口 半螺旋形 对称 水泵基础概述 叶片泵工作过程 水泵基础概述 叶片泵工作过程 压水室的作用是将从叫轮内流出的介质收集起来送到出口管路或下一级 同时消除介质所具有的环量 速度矩 将圆周分速度所对应的动能转化为压力能 水泵基础概述 叶片泵工作过程 蜗壳可以降低从叶轮流出的截止的流速 但通常还难以满足要求 所以蜗壳后的排出管要做成扩散管 以进一步降低流速 a 蜗壳 b 环形室 c 叶片式扩压器 径向导叶 d 无叶扩压器 e 组合式 f 空间导叶 g 轴向导叶 水泵基础概述 叶片泵工作过程 蜗壳 无叶扩压器 水泵基础概述 主要性能参数 1 流量q单位时间内通过机器的介质的量 体积或质量 称为流量 体积流量qv 单位为立方米每秒 m3 s 升每秒 L s 或立方米每小时 m3 h 质量流量qm 单位为千克每秒 kg s 千克每分 kg min 或千克每小时 kg h 根据质量守恒定律 机器在稳定条件下工作时 稳定工况 如果忽略机器内部的泄漏 则通过机器各个过流断面的质量流量是相同的 对不可压缩介质 体积流最也将保持不变 进口 出口 水泵基础概述 主要性能参数 扬程势能动能位能 3 转速n转速n是叶轮 转轮 旋转的速度 单位常用转每分 r min 4 功率P功率P对泵而言是指机器的输入功率 单位为kW 水泵基础概述 主要性能参数 效率 流体功率 机械功率 三 水泵中的能量转换 本章内容 1 流体运动分析2 基本方程式3 能量损失 水泵中的能量转换 流体运动分析 圆柱坐标系中 任意速度矢量都可用其在三个方向上的分量表示 速度矢量c分解成了圆周cu 径向cr与轴向cz三个分量 c cr cz cu其中 圆周分量cu沿圆周方向与轴面垂直 该分量对叶轮与流体之间的能量转换有决定性作用 径向速度cr和轴向速度cz的合成为 cm cr cz该分量位于轴面内 称为轴面速度 与流量有密切的关系 故一般情况下只研究速度矢量的两个分量 即 c cm cu 水泵中的能量转换 流体运动分析 离心叶轮中的绝对运动与相对运动 由于叶轮是旋转的 故流体质点相对于静坐标系的绝对运动与相对于叶轮的运动是不同的 图示为一离心叶轮的叶片中流体的运动情况 a为叶轮不动时流体在叶片中的流线 b为叶轮转动时叶片上固体质点运动的轨迹 c为叶轮中流体绝对运动的流线 根据速度合成定律 绝对运动是相对运动与牵连运动的矢量和 有 c w u式中c 绝对运动速度 w 流体质点相对于叶轮的速度 称相对速度 u 叶轮上所考查的流体质点重合点的速度 u r 水泵中的能量转换 流体运动分析 轴流式叶轮中的绝对运动与相对运动 将轴流式叶轮按照圆周方向进行展开 得到如下图所示的直列叶栅 其绝对速度与相对速度的分析与离心叶轮一致 水泵中的能量转换 流体运动分析 流体质点在三维空间中流经的路径称为空间流线 空间流线所组成的面 成为空间流面 空间流线上的点按照一定的角度进行旋转 投影在轴面上形成轴面流线 水泵中的能量转换 基本方程式 为了分析叶轮内的流动 暂时引入以下基本假设 1 叶轮的叶片数为无穷多 叶片无限薄 因此叶轮内的流动可以看作是轴对称的 并且相对速度的方向与叶片表面相切 2 相对流动是定常的 3 轴面速度在过流断面上均匀分布 水泵中的能量转换 基本方程式 u1 nr1 30进口过流断面A1有 A1 2 r1b1cm1 qv1 A1 qm1 A1 1对椎管 弯管及环形吸入室 可认为cu1 0 u2 nr2 30cm2 qv2 A2 qm2 A2 2 水泵中的能量转换 基本方程式 水泵中的能量转换 基本方程式 伯努利方程 能量头 压能差 动能差 位能差 损失 能量守恒定律 qv H n 欧拉方程 三维流场研究 计算流体动力学 求解叶片泵内部无黏流动的数值解的方法已较为成熟 借助湍流模型 利用N S方程求解叶轮内的粘性流动 水泵中的能量转换 基本方程式 纳维 斯托克斯方程 Navier Stokesequation 描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程 简称N S方程 矢量形式 直角坐标系中 N S方程反映了粘性流体 又称真实流体 流动的基本力学规律 在流体力学中有十分重要的意义 水泵中的能量转换 能量损失 摩擦损失冲击损失分离损失二次流损失叶端损失 通过转子部件和壳体之间的间隙而引起的泄漏 轴承 轴封等部位固体摩擦引起的损失 盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的损失 称为圆盘摩擦损失 水泵中的能量转换 能量损失 泄漏损失的位置 四 数值模拟 本章内容 1 水力设计软件2 三维造型软件3 网格划分软件4 数值计算软件 数值模拟 过程简介 5 后处理 6 记录结果 数值模拟 水力设计软件 CFturbo是专业的叶轮及蜗壳设计软件 该软件结合了成熟的旋转机械理论与丰富的实践经验 基于设计方程与经验函数开展设计 并且能够根据用户积累的专业技术和设计准则来定制特征函数 CFturbo广泛应用于离心泵 混流泵 离心风机 混流风机 压缩机 涡轮等旋转机械的设计 只需要给出流量 效率等性能需求 就可以自动生成叶轮及蜗壳造型 CFturbo具备与多种CAD与CAE软件的直接接口 从而确保CFturbo设计生成的几何造型能够便捷地导入各种软件进行模型修改 性能校核 优化设计 性能分析等相关工作 数值模拟 水力设计软件 数值模拟 三维造型软件 UG UnigraphicsNX 是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案 它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段 UG包括了世界上最强大 最广泛的产品设计应用模块 具有高性能的机械设计和制图功能 为制造设计提供了高性能和灵活性 以满足客户设计任何复杂产品的需要 优于通用的设计工具 具有专业的管路和线路设计系统 钣金模块 专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序 数值模拟 三维造型软件 数值模拟 三维造型软件 Pro Engineer操作软件是美国参数技术公司 PTC 旗下的CAD CAM CAE一体化的三维软件 Pro Engineer软件以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位 Pro Engineer作为当今世界机械CAD CAE CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广 是现今主流的CAD CAM CAE软件之一 特别是在国内产品设计领域占据重要位置 数值模拟 三维造型软件 数值模拟 三维造型软件 Solidworks软件功能强大 组件繁多 Solidworks有功能强大 易学易用和技术创新三大特点 这使得SolidWorks成为领先的 主流的三维CAD解决方案 SolidWorks能够提供不同的设计方案 减少设计过程中的错误以及提高产品质量 SolidWorks不仅提供如此强大的功能 而且对每个工程师和设计者来说 操作简单方便 易学易用 数值模拟 三维造型软件 数值模拟 网格划分软件 GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学 CFD 模型和其它科学应用而设计的一个软件包 GAMBIT通过它的用户界面 GUI 来接受用户的输入 GAMBITGUI简单而又直接的做出建立模型 网格化模型 指定模型区域大小等基本步骤 然而这对很多的模型应用已是足够了 数值模拟 网格划分软件 ICEMCFD TheIntegratedComputerEngineeringandManufacturingcodeforComputationalFluidDynamics 是一种专业的CAE前处理软件 作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型 它拥有强大的CAD模型修复能力 自动中面抽取 独特的网格 雕塑 技术 网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力 同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境 还可以集成于ANSYSWorkbench平台 获得Workbench的所有优势 ICEM作为fluent和CFX标配的网格划分软件 取代了GAMBIT的地位 数值模拟 数值计算软件 CFD商业软件FLUENT 是通用CFD软件包 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动 由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术 因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度 灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型 使FLUENT在转换与湍流 传热与相变 化学反应与燃烧 多相流 旋转机械 动 变形网格 噪声 材料加工 燃料电池等方面有广泛应用 目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM 数值模拟 数值计算软件 数值模拟 数值计算软件 CFX是由英国AEA公司开发 是一种实用流体工程分析工具 用于模拟流体流动 传热 多相流 化学反应 燃烧问题 其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题 适用于直角 柱面 旋转坐标系 稳态 非稳态流动 瞬态 滑移网格 不可压缩 弱可压缩 可压缩流体 浮力流 多相流 非牛顿流体 化学反应 燃烧 NOx生成 辐射 多孔介质及混合传热过程 五 水泵特性 本章内容 1 水泵特性曲线2 空化空蚀3 流动相似准则4 综合相似判别数 比转速 水泵特性 水泵特性曲线 1 以摩擦损失为代表的与流量的平方成正比的损失 零流量时没有这部分损失 故摩擦损失为途中的a区 2 冲击损失 在设计工况下 入流满足无冲击进口 叶轮出口满足蜗壳的无冲击入流条件 因而没有冲击损失 在非设计工况下 冲击损失值与流量偏离值的平方成正比 因此冲击损失为图中b区 3 泄漏损失 为图中c区 4 机械损失 与流量无关 为一常量 为图中d区 为了考虑泄漏 同样要将曲线在横轴方向移动 a区 摩擦损失b区 冲击损失C区 泄漏损失d区 机械损失H 扬程P 功率 效率 水泵特性 空化空蚀 空蚀的结果 空化的轨迹 水泵特性 空化空蚀 涡带的形状旋涡型空化 翼型被空化破坏固定型空化 水泵特性 空化空蚀 空化是指当液体内部局部压力降低时 在液体中或液固界面上蒸汽或气体空穴的形成 生长及溃灭的过程 水力空化过程类似于沸腾 但与液体工质受热沸腾又有着本质的区别 沸腾过程中 空泡的生长发育是由温度升高引起的 并且在整个过程中 空泡的发育与聚合会产生蒸汽团 这些蒸汽团缓慢的凝结 而不是猛烈的溃灭 反之 空化的初生是由于液体中的压强降低 气核的生长膨胀而形成肉眼可见的空泡 当液体的压强升高时 空泡又缩小 溃灭直至消失 空泡溃灭时将在周围的极小空间内出现热点 产生瞬时的高温 约1627 4957 和高压 50MPa以上 约500个大气压 温度变化率高达109 s 并能形成强烈的冲击波和速度高达100m s以上的微射流 水泵特性 空化空蚀 空蚀又称气蚀 穴蚀 流体在高速流动和压力变化条件下 与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象 常发生在如离心泵叶片叶端的高速减压区 在此形成空穴 空穴在高压区被压破并产生冲击压力 破坏金属表面上的保护膜 而使腐蚀速度加快 空蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点 然后逐渐扩大成洞穴 水泵特性 空化空蚀 K为最低压力点 实际上 K点通畅在低压边的最大直径初附近 点L位于叶片低压边上 S点是机器进口断面上的一点 D点是下游自由水面上的一点 必需空化余量 有效空化余量 汽化压力液柱高度 动能与位能差 水泵特性 空化空蚀 必需空化余量NPSHR 只和泵内部流动特性有关而与装置情况无关 从泵本身来说 必需空化余量引起叶片上压力最低点的压力降低 是发生空化的根本原因 因而能够反映泵空化性能的好坏 有效空化余量NPSHA 越大说明泵低压侧液体具有的能量超过液体汽化压力的余量越多 泵越不容易发生空化或空蚀 水泵特性 空化空蚀 水泵特性 空化空蚀 带诱导轮的离心泵 1 诱导轮2 泵盖3 密封环4 叶轮5 轴套6 泵轴7 托架8 泵体 水泵特性 流动相似准则 试验 替代 局限 问题1 问题2 水泵特性 流动相似准则 流体机械内部的流动是粘性可压缩流体的非定常流动 水泵内部的流动是粘性不可压缩的非定常流动 长度 面积 体积等相似 各流动参数变化过程相似 相应点流速大小成比例 相应点同名力成比例 温度场与热流相似 对应点介质物性参数相似如密度 粘性系数等 水泵特性 流动相似准则 流体力学的相似理论指出 在满足几何相似和物性相似的条件下 只要两个流动的若干无量纲数对应相等 即可保证二者相似 这些无量纲数称为相似准则 在满足几何相似的条件下 为使两台泵的流动相似 就必须保证上述相似准则对应相等 Srp SrmRep RemEup