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泵的基础知识 伊格尔 博格曼总部EagleburgmannChina 第四章泵 1 2离心泵的典型结构与工作原理 1 1泵的定义及用途 1 3工作原理及基本方程式 1 6相似理论的应用 1 4离心泵的吸入特性 汽蚀 1 8泵的选用 1 5离心泵的性能即调节 1 7泵的主要零部件 1 1泵的分类及用途 1 1 1泵的定义 1 1 2泵的分类 1 1 3适用范围 1 1 1泵的定义 泵是把机械能转换成液体的能量 用来增压输送液体的机械 泵是国民经济中应用最广泛 最普通的通用机械 除了水利 电力 农业和矿山等大量采用外 尤以石油化工生产中用量最多 而且由于化工生产中原料 半成品和最终产品中很多是具有不同物性的液体 如腐蚀性 固液两相流 高温或低温等 要求有大量的具有一定特点的化工用泵来满足工艺上的要求 这方面的技术发展产品开发一直是十分活跃的 1 1 1泵的定义 吸入和排出流体的机械 能提升 输送或压缩流体 水 房 安装泵的房屋 为什么需要泵 1 从低压区到高压区 为什么需要泵 2 从低液位到高液位 为什么需要泵 2 从位置A到位置B远距离输送液体 1 1 2泵的分类 按工作原理分1 容积式泵靠工作部件的运动造成工作容积周期性地增大和缩小而吸排液体 并靠工作部件的挤压而直接使液体的压力能增加 根据运动部件运动方式的不同又分为 往复泵和回转泵两类 根据运动部件结构不同有 活塞泵和柱塞泵 有齿轮泵 螺杆泵 叶片泵和水环泵 2 叶轮式泵叶轮式泵是靠叶轮带动液体高速回转而把机械能传递给所输送的液体 根据泵的叶轮和流道结构特点的不同叶轮式又可分为 1 离心泵 centrifugalpump 2 轴流泵 axialpump 3 混流泵 mixed flowpump 4 旋涡泵 peripheralpump 3 喷射式泵 jetpump 是靠工作流体产生的高速射流引射流体 然后再通过动量交换而使被引射流体的能量增加 泵的其它分类泵还可以按泵轴位置分为 1 立式泵 verticalpump 2 卧式泵 horizontalpump 按吸口数目分为 1 1 2泵的分类 1 单吸泵 singlesuctionpump 2 双吸泵 doublesuctionpump 按驱动泵的原动机来分 1 电动泵 motorpump 2 汽轮机泵 gasturbinepump 3 柴油机泵 dieselpump 4 气动隔膜泵 diaphragmpump 一 按工作叶轮数目来分类1 单级泵 即在泵轴上只有一个叶轮 2 多级泵 即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮 这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和 二 按工作压力来分类1 低压泵 压力低于100米水柱 2 中压泵 压力在100 650米水柱之间 3 高压泵 压力高于650米水柱 三 按叶轮进水方式来分类1 单侧进水式泵 又叫单吸泵 即叶轮上只有一个进水口 1 1 2泵的分类 2 双侧进水式泵 又叫双吸泵 即叶轮两侧都有一个进水口 它的流量比单吸式泵大一倍 可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起 四 按泵壳结合缝形式来分类1 水平中开式泵 即在通过轴心线的水平面上开有结合缝 2 垂直结合面泵 即结合面与轴心线相垂直 五 按泵轴位置来分类1 卧式泵 泵轴位于水平位置 2 立式泵 泵轴位于垂直位置 六 按叶轮出来的水引向压出室的方式分类1 蜗壳泵 水从叶轮出来后 直接进入具有螺旋线形状的泵壳 2 导叶泵 水从叶轮出来后 进入它外面设置的导叶 之后进入下一级或流入出口管 平时我们说某台水泵属于多级泵 是指叶轮多少来讲的 根据其它结构特征 它又有可能是卧式泵 垂直结合面泵 导叶式泵 高压泵 单面进水式泵等 所以依据不同 叫法就不一样 另外 根据用途也可进行分类 如油泵 水泵 凝结水泵 排灰泵 循环水泵等屏蔽泵叶轮与电动机转子联为一体 并在同一个密封壳体内 不需采用密封结构 属于无泄漏泵磁力泵除进 出口外 泵体全封闭 泵与电动机的联结采用磁钢互吸而驱动自吸式泵泵启动时无需灌液高速泵由增速箱使泵轴转速增加 一般转速可达10000r min以上 也可称部分流泵或切线增压泵立式筒型泵进出口接管在上部同一高度上 有内 外两层壳体 内壳体由转子 导叶等组成 外壳体为进口导流通道 液体从下部吸入 1 1 3适用范围 1 2离心泵的典型结构与工作原理 1 2 1离心泵的典型结构 1 2 2离心泵的工作原理 1 2 3离心泵的命名方式 1 2 1离心泵的典型结构 吸入口叶轮吐出口泵盖泵轴密封装置压盖轴承9 泵体 1 2 3 4 5 6 7 8 OverhungProcessPump 9 1 2 1离心泵的典型结构 离心泵的主要部件尽管离心式泵的类型繁多 但由于作用原理基本相同 因而它们的主要部件大体类同 现在分别介绍如下 1 吸入室 suction 离心泵吸入管法兰至叶轮进口前的空间过流部分称为吸入室 其作用为在最小水力损失下 引导液体平稳的进入叶轮 并使叶轮进口处的流速尽可能均匀的分布 按结构吸入室可分为直锥角吸入室 弯管形吸入室 环形吸入室 半螺旋形吸入室几种 1 直锥形吸入室这种形式的吸入室水力性能好 结构简单 制造方便 液体在直锥形吸入室内流动 速度逐渐增加 因而速度分布更趋向均匀 直锥形吸入室的锥度约7o 8o 这种形式的吸入室广泛应用于单级悬臂式离心水泵上 2 弯管形吸入室 是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式 这种吸入室在叶轮前都有一段直锥式收缩管 因此 它具有直锥形吸入室的优点 3 环形吸入室 吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同 其优点是结构对称 简单 紧凑 轴向尺寸较小 缺点是存在冲击和旋涡 并且液流速度分布不均匀 环形吸入室主要用于节段式多级泵中 4 半螺旋形吸入室 主要用于单级双吸式水泵 水平中开式多级泵 大型的节段式多级泵及某些单级悬臂泵上 半螺旋形吸入室可使液体流动产生旋转运动 绕泵轴转动 致使液体进入叶轮吸入口时速度分布更均匀 但因进口预旋会致使泵的扬程略有降低 其降低值与流量是成正比的 相比较而言 直锥形吸入室使用最为普遍 1 2 1离心泵的典型结构 2 叶轮 impeller 叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体 提高液体能量的核心部件 叶轮有开式 openimpeller 半开式 semi openimpeller 及闭式叶轮 closedimpeller 三种 开式叶轮没有前盘和后盘而只有叶片 多用于输送含有杂质的液体 如污水泵的叶轮就是采用开式叶轮的 半开式叶轮只设后盘 闭式叶轮既有前盘也有后盘 清水泵的叶轮都是闭式叶轮 离心式泵的叶轮都采用后向叶型 3 轴和轴承 shaftbearing 轴是传递扭矩的主要部件 轴径按强度 刚度及临界转速定 中小型泵刚度和临界转速确定多采用水平轴 叶轮滑配在轴上 叶轮间距离用轴套定位 近代大型泵则采用阶梯轴 不等孔径的叶轮用热套法装在轴上 并利用渐开线花键代替过去的短键 此种方法 叶轮与轴之间没有间隙 不致使轴间窜水和冲刷 但拆装困难 轴承一般包括两种形式 滑动轴承 Sleevebearing 和滚动轴承 Ballbearing 滑动轴承用油润滑 一种润滑系统包括一个贮油池和一个油环 后者在轴转动时在轴表面形成一个油层使油和油层不直接接触 另一种系统就是利用浸满油的填料包来润滑 大功率的泵通常要用专门的油泵来给轴承送油 滚动轴承通常用冷冻油润滑 有些电机轴承是密封而不能获得润滑的 滚动轴承通常用于小型泵 较大型泵可能即有滑动轴承又有滚动轴承 而滑动轴承由于运行噪音低而被推荐用于大型泵 1 2 1离心泵的典型结构 4 泵壳 casing 机壳收集来自叶轮的液体 并使部分流体的动能转换为压力能 最后将流体均匀地引向次级叶轮或导向排出口 机壳结构主要有螺旋形和环形两种 螺旋形压水室不仅起收集液体的作用 同时在螺旋形的扩散管中将部分液体动能转换成压能 螺旋形压水室具有制造方便 效率高的特点 它适用于单级单吸 单级双吸离心泵以及多级中开式离心泵 单级离心式泵的机壳大都为螺旋形蜗式机壳 环形压水室如图所示 在节段式多级泵的出水段上采用 环形压水室的流道断面面积是相等的 所以各处流速就不相等 因此 不论在设计工况还是非设计工况时总有冲击损失 故效率低于螺旋形压水室 有些机壳内还设置了固定的导叶 就是所谓的导叶式机壳 螺旋形机壳环形机壳5 密封装置 sealingdevice 密封装置主要用来防止压力增加时流体的泄漏 密封装置有很多种类型 用得最多的是填料式密封和机械式密封 填料密封是将一些松软的填料用一定压力压紧在轴上达到密封目的 填料在使用一段时间后会损坏 所以需要定期检查和置换 这种密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的 填料密封填料密封原理而机械密封装置有两个硬质且光滑的表面 一个静态一个旋转 这种密封装置可以达到很好的密封要求 但他们不能用于含杂质流体输送系统 因为其光滑表面会被破环而失去密封作用 这种密封装置在液体循环系统中非常普遍 因为他不需要维护运行很多年 传统的平垫密封装置 1 2 2离心泵的工作原理 离心泵的工作原理离心泵的主要过流部件有吸水室 叶轮和压水室 吸水室位于叶轮的进水口前面 起到把液体引向叶轮的作用 压水室主要有螺旋形压水室 蜗壳式 导叶和空间导叶三种形式 叶轮是泵的最重要的工作元件 是过流部件的心脏 叶轮由盖板和中间的叶片组成 离心泵工作前 先将泵内充满液体 然后启动离心泵 叶轮快速转动 叶轮的叶片驱使液体转动 液体转动时依靠惯性向叶轮外缘流去 同时叶轮从吸入室吸进液体 在这一过程中 叶轮中的液体绕流叶片 在绕流运动中液体作用一升力于叶片 反过来叶片以一个与此升力大小相等 方向相反的力作用于液体 这个力对液体做功 使液体得到能量而流出叶轮 这时液体的动能与压能均增大 离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体 由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中 其速度能和压力能都得到增加 被叶轮排出的液体经过压出室 大部分速度能转换成压力能 然后沿排出管路输送出去 这时 叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压 吸水池中的液体在液面压力 大气压 的作用下 被压入叶轮的进口 于是 旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出液体 1 3离心泵的基本参数 方程 1 3 1离心泵的性能参数 1 3 2离心泵的基本方程 1 3 1离心泵的性能参数 主要有流量和扬程 此外还有轴功率 转速和必需汽蚀裕量 流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量 一般采用体积流量 扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量 对于容积式泵 能量增量主要体现在压力能增加上 所以通常以压力增量代替扬程来表示 泵的效率不是一个独立性能参数 它可以由别的性能参数例如流量 扬程和轴功率按公式计算求得 反之 已知流量 扬程和效率 也可求出轴功率 1 3 1离心泵的性能参数 泵的各个性能参数之间存在着一定的相互依赖变化关系 可以通过对泵进行试验 分别测得和算出参数值 并画成曲线来表示 这些曲线称为泵的特性曲线 每一台泵都有特定的特性曲线 由泵制造厂提供 通常在工厂给出的特性曲线上还标明推荐使用的性能区段 称为该泵的工作范围 泵的实际工作点由泵的曲线与泵的装置特性曲线的交点来确定 选择和使用泵 应使泵的工作点落在工作范围内 以保证运转经济性和安全 此外 同一台泵输送粘度不同的液体时 其特性曲线也会改变 通常 泵制造厂所给的特性曲线大多是指输送清洁冷水时的特性曲线 对于动力式泵 随着液体粘度增大 扬程和效率降低 轴功率增大 所以工业上有时将粘度大的液体加热使粘性变小 以提高输送效率 1 3 1离心泵的性能参数 1 3 1离心泵的性能参数 1 4离心泵的吸入特性 汽蚀 1 4 1汽蚀发生的机理及危害 1 4 2汽蚀余量及汽蚀判别式 1 4 3提高离心泵抗汽蚀性能的措施 1 4 1汽蚀发生的机理 1 4 1汽蚀发生的危害 汽蚀是水利机械的特有现象 他带来许多严重的后果 1 汽蚀使过流部件被剥蚀破坏2 汽蚀使泵的性能下降3 汽蚀使泵产生噪音和震动 1 4 2汽蚀余量及汽蚀判别式 1 4 3提高离心泵抗汽蚀性能的措施 1 提高离心泵本身抗汽蚀性能1 改进泵的吸入口至叶轮叶片入口附近的结构设计2 采用前置诱导轮3 采用双吸式叶轮4 设计工况采用稍大的正冲角5 采用抗汽蚀的材料 2 提高进液装置汽蚀余量的措施1 增加泵前储液罐中液面上的压力2 减少泵前吸上装置的安装高度3 将吸上装置改为倒罐装置4 减少泵前管路上的流动损失 1 4 3提高离心泵抗汽蚀性能的措施 1 提高离心泵本身抗汽蚀性能1 改进泵的吸入口至叶轮叶片入口附近的结构设计2 采用前置诱导轮3 采用双吸式叶轮4 设计工况采用稍大的正冲角5 采用抗汽蚀的材料 2 提高进液装置汽蚀余量的措施1 增加泵前储液罐中液面上的压力2 减少泵前吸上装置的安装高度3 将吸上装置改为倒罐装置4 减少泵前管路上的流动损失 叶轮结构改进图 前置诱导轮 吸入装置 倒罐装置 1 5离心泵的性能及调节 1 5 1离心泵的运行特性 1 5 2离心泵运行工况的调节 1 5 3离心泵的启动及运行 1 5 2离心泵运行工况的调节 1 改变工况点的三种途径 2 改变泵特性曲线的调节 3 改变装置特性曲线的调节 1 改变工况点的三种途径 泵的运行工况点是泵特性曲线核装置特性曲线的交点改变工况有三种途径 1 改变泵的特性曲线2 改变装置的特性曲线3 同时改变泵和装置的特性曲线 2 改变泵特性曲线的调节 1 转速调节2 切割叶轮外径调节3 改变前置导叶叶片角度调节4 改变半开式叶轮叶片端部间隙调节5 泵的并联或串联调节 3 改变装置特性曲线的调节 1 闸阀调节2 液位调节3 旁路分流调节这种调节方法简便 使用最广 但能量损失很大 且泵的扬程曲线愈陡 损失愈严重 1 5 3离心泵的启动及运行 1 启动前的准备工作a启动前检查b充水c暖泵 2 启动程序 3 运行中的注意事项 1 6相似理论的应用 1 6 1泵的相似条件 1 6 2相似定律和比例定律 1 6 3比转数 1 6 4切割定律 1 6 5泵的高效工作范围 1 6 6泵的系列型谱及轴向力 1 6 1泵的相似条件 通常对叶式泵内的流动而言 两泵流动相似应具备几何相似和运动相似 而运动相似仅要求叶轮进口速度三角形相似 1 6 2相似定律和比例定律 保持流动相似的工况称为相似工况 两泵在相似工况下的性能参数符合相似定律表达式 1 流量关系2 扬程关系3 功率关系 1 6 2相似定律和比例定律 保持流动相似的工况称为相似工况 两泵在相似工况下的性能参数符合相似定律表达式 1 流量关系2 扬程关系3 功率关系 1 6 2相似定律和比例定律 保持流动相似的工况称为相似工况 两泵在相似工况下的性能参数符合相似定律表达式 1 流量关系2 扬程关系3 功率关系 1 6 2相似定律和比例定律 保持流动相似的工况称为相似工况 两泵在相似工况下的性能参数符合相似定律表达式 1 流量关系2 扬程关系3 功率关系 1 6 3比转数 1 什么是比转数 2 比转数的计算式 3 气蚀比转数 4 比转数的应用比转数用来判别离心泵工况的相似准数 1 6 3比转数 1 什么是比转数 2 比转数的计算式 3 气蚀比转数 4 比转数的应用 1 6 3比转数 1 什么是比转数 2 比转数的计算式 3 气蚀比转数 4 比转数的应用 1 6 3比转数 1 什么是比转数 2 比转数的计算式 3 气蚀比转数 4 比转数的应用 1 6 4切割定律 转速固定的泵 仅有一条扬程流量曲线 为了扩大其工作范围 可采用切割叶轮外径的办法 使工作范围由一条线变成一个面 切割叶轮前后的性能参数变化关系 可近似的由切割定律来表达 使用切割定律的切割量不能太大 经验证明 允许的最大相对切割量与比转数有关 1 6 5泵的高效工作范围 1 6 6轴向力的平衡措施 1 单级泵轴向力的平衡1 采用双吸式叶轮2 开平衡孔3 采用平衡叶片4 采用平衡管 2 多级泵轴向力的平衡采用平衡叶片的方法是在叶轮后盖板的背面设有若干径向叶片 当叶轮旋转时 它可以推动叶轮旋转 使叶轮背面靠叶轮中心部分的液体压力下降 其下降程度与叶轮的尺寸及叶轮与泵壳间的间隙大小有关 其优点是 减小轴向力 减少轴封的负荷 防止悬浮的固体颗粒进入轴封 但对于易于与空气混合而燃烧爆炸的液体 不宜采用此法 1 7泵的选用 1 7 1泵的选用原则及分类1 7 2选用方法及步骤 1 7 1泵的选用原则及分类 1 选用原则2 各种泵的适用范围3 选用分类 选用分类 粘性介质输送含气液体的输送低温液化气的输送含固体颗粒液体的输送不允许泄漏液体的输送腐蚀性介质的输送 1 7 2选用方法及分类 1 泵的两种实际选用方法 2 泵的选择步骤 1 泵的两种实际选用方法 1 利用 泵型谱 选型2 利用 泵型能表 选型 2 泵的选择步骤 1 搜集原始数据2 泵参数的选择及计算3 选型4 校核 各种泵的适用范围 FlowserveEducationalServices API610泵 OverhungRefineryPump ThroatBushing 离心泵ANSI ISO API标准之间的区别 离心泵ANSI ISO API标准之间的区别ANSI 美国国家标准 ASME 美国机械工程师协会标准 ASTM 美国材料与试验协会标准 API 美国石油学会标准 均是美国标准 这四个标准相互补充 相互借鉴 如ASME在材料方面采用的标准均来自ASTM 在阀门方面的标准多借鉴API 而管件方面的标准则来自ANSI 区别在于所处的行业侧重点不同 所以采纳的标准不同 API ASTM ASME均是ANSI的组成成员 美国国家标准学会的标准 绝大多数来自各专业标准 另一方面 各专业学会 协会团体也可依据已有的国家标准制订某些产品标准 当然 也可不按国家标准来制订自己的协会标准 ANSI的标准是自愿采用的 美国认为 强制性标准可能限制生产率的提高 但被法律