离心泵原理及结构.doc

本文由yangojn贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 叶片式泵原理及设计 闫国军编， 闫国军编，哈工大出版社 目 录 第1章 叶片泵概述 第2章 叶片泵基本理论 第3章 叶片泵的相似理论 第4章 叶片泵的空化和空蚀 第5章 第6章 叶片泵的运转特性及调节 离心泵叶轮的水力设计 第7章 压水室和吸水室的水力设计 轴向力、 第8章 轴向力、径向力及其平衡 第9章 泵的轴封 第10章 轴 流 泵 10章 第11章 叶片泵试验 11章 第一章 叶片泵概述 1.1 叶片泵的原理和分类 1.1.1 叶片泵的工作原理 泵是以液体为工作介质， 泵是以液体为工作介质， 把原动机的机械能转换为 液体能量的机械， 液体能量的机械，容积式 泵和叶片式泵(简称叶片 泵和叶片式泵(简称叶片 泵)是应用最为广泛的两 是应用最为广泛的两 类泵。 类泵。 在叶片式泵中， 在叶片式泵中，能量转换 是在带有叶片的转子及连 续绕流叶片的液体介质之 间进行的， 间进行的，叶片与液体介 质之间的作用力是惯性力。 质之间的作用力是惯性力。 图1-1 泵工作装置简图 1调节阀 2排水管 3压水室 调节阀 排水管 压水室 4叶轮 5底阀 6吸水管 叶轮 底阀 吸水管 1.1.1 叶片泵的工作原理 叶片式泵在结构上区别于容积式泵的一个基本特点是， 叶片式泵在结构上区别于容积式泵的一个基本特点是，其高 压侧（压水室）与低压侧（吸水室） 压侧（压水室）与低压侧（吸水室）之间是通过叶轮流道相 互贯通的，而容积式泵的高、 互贯通的，而容积式泵的高、低压侧相互之间必须是严格密 封的。 封的。 叶片式泵 容积式泵（齿轮泵） 1.1.1 叶片泵的工作原理 叶轮旋转时在进口处能够形成真空度的大小分析 在旋转坐标系下处于相对静止液体中任意一点半径R处的压力为 在旋转坐标系下处于相对静止液体中任意一点半径 处的压力为 p = p0 + p1 = 0 + 2 2 1 2 ( R 2 ? R02 ) 2 2 2 ( R ? R ) = - 2 ( R22 ? R12 ) 2 2 则叶轮进口处的真空度为 pzk1 = 2 2 ( R22 ? R12 ) 1.1.1 叶片泵的工作原理 假设泵的转速n=1500rpm，=157s-1，R2=0.2m，R1=0.1m。如 ， 假设泵的转速 ， ， 。 果泵启动时叶轮、吸水管中充满空气，密度=1.293kg/m3，则 果泵启动时叶轮、吸水管中充满空气，密度 泵叶轮进口处的真空度为： 泵叶轮进口处的真空度为： 1 2 2 2 pzk 1 = 1.293 157 (0.2 ? 0.1 ) = 478(Pa) 2 如果泵启动时叶轮、吸水管中灌满水，叶轮进口最大真空度为： 如果泵启动时叶轮、吸水管中灌满水，叶轮进口最大真空度为： 2 当然真空度只能小于0.1MPa 0.1MPa， 当然真空度只能小于0.1MPa，如果绝对压力低于水的饱和 蒸汽压，水就会汽化。实际上泵启动时转速是逐渐升高的， 蒸汽压，水就会汽化。实际上泵启动时转速是逐渐升高的，一 旦泵叶轮进口处的真空度达到能够吸上水的程度， 旦泵叶轮进口处的真空度达到能够吸上水的程度，水流就会在 大气压力的作用下推开底阀开始流动，叶轮就连续向外排水， 大气压力的作用下推开底阀开始流动，叶轮就连续向外排水， 泵就可以启动正常工作了。 泵就可以启动正常工作了。 pzk1 = 水 2 ( R22 ? R12 ) = 0.37(MPa) 1.1.1 叶片泵的工作原理 叶片泵启动时必须注满水，使水体淹没叶轮后才能启动， 叶片泵启动时必须注满水，使水体淹没叶轮后才能启动，图11中的底阀（单向阀）就是为灌液体时用的，以防止灌泵的液 中的底阀（单向阀）就是为灌液体时用的， 中的底阀 体进入吸液池而灌不满叶轮。 体进入吸液池而灌不满叶轮。 如果泵进口是有压来流，或者吸液池液面高于叶轮形成倒灌， 如果泵进口是有压来流，或者吸液池液面高于叶轮形成倒灌， 或者通过技术措施使吸水管路形成足够的真空度比如自吸泵， 或者通过技术措施使吸水管路形成足够的真空度比如自吸泵， 那么叶片泵也就不需要灌水，能够直接启动了。 那么叶片泵也就不需要灌水，能够直接启动了。 叶片泵在工作过程中吸水管路应该具有良好的密封条件， 叶片泵在工作过程中吸水管路应该具有良好的密封条件，防止 漏气，以避免破坏叶片泵正常工作所需的真空条件。 漏气，以避免破坏叶片泵正常工作所需的真空条件。 1.1.2 叶片泵的主要部件 对叶片泵性能产生关键影响的部件是叶片泵过流部分 的结构，在离心泵中，过流部件包括吸水室、 的结构，在离心泵中，过流部件包括吸水室、叶轮和 压水室。 压水室。 叶轮及其驱动轴系是转动件，其他都是静止件。 叶轮及其驱动轴系是转动件，其他都是静止件。 1.1.2 叶片泵的主要部件 吸水室（吸入室、吸液室）位于叶轮之前， 一、吸水室 吸水室（吸入室、吸液室）位于叶轮之前，其功用 是将液体从吸水管路引入叶轮的进口处。 是将液体从吸水管路引入叶轮的进口处。 为了使泵有较好的性能， 为了使泵有较好的性能，要求液体流过吸水室时水力损失最小 和液体进入叶轮进口时速度分布均匀 按结构吸水室可分为直锥形吸水室、弯管形吸水室、 按结构吸水室可分为直锥形吸水室、弯管形吸水室、环形吸水 室、半螺旋形吸水室等几种 锥形吸水室、 锥形吸水室、螺旋形压水室 环形吸水室 1.1.2 叶片泵的主要部件 二、叶轮 叶轮是将能量传给液体的部件。 叶轮是将能量传给液体的部件。液体流过叶轮时从叶轮处得到 能量，于是液体的动能与压能均增大， 能量，于是液体的动能与压能均增大，叶轮是泵过流部件的核 心。 根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为离心式(径流式 离心式 径流式)、 根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为离心式 径流式 、 混流式(斜流式 轴流式三种 相对应的泵称之为离心泵、 斜流式)和 三种， 混流式(斜流式)和轴流式三种，相对应的泵称之为离心泵、混 流泵和轴流泵。 流泵和轴流泵。 离心泵或混流泵的叶轮按结构不同有闭式、半开式和开式三种 离心泵或混流泵的叶轮按结构不同有闭式、半开式和开式三种 闭式 1.1.2 叶片泵的主要部件 压水室位于叶轮出口之后， 三、压水室 压水室位于叶轮出口之后，其作用是收集从叶轮中 高速流出的液体，使其速度降低， 高速流出的液体，使其速度降低，转变速度能为压能并且把液 体按一定要求送入下级叶轮进口或送入排出管路。 体按一定要求送入下级叶轮进口或送入排出管路。 螺旋形压水室、 压水室主要分为螺旋形压水室 导叶、环形压水室等 压水室主要分为螺旋形压水室、导叶、环形压水室等。 1.1.2 叶片泵的主要部件 四、结构部件 叶片泵的主要部件除了过流部件外， 叶片泵的主要部件除了过流部件外，还有 泵壳、密封环、轴和轴承、轴封等结构部件。 泵壳、密封环、轴和轴承、轴封等结构部件。 1泵壳 泵壳也称泵体，它将吸水室、压水室、叶轮室 泵壳也称泵体，它将吸水室、压水室、 等非转动的固定部分联结成一体。 等非转动的固定部分联结成一体。 根据泵体的外观， 根据泵体的外观，可将泵基本分为蜗壳式和圆筒式两 种结构型式。根据壳体剖分面的情况， 种结构型式。根据壳体剖分面的情况，又有中开式与 整体式之分。 整体式之分。 2口环 离心泵叶轮的吸入口外缘与泵壳之间留有一定 的间隙，此间隙过小将引起机械磨损，过大泄漏量大。 的间隙，此间隙过小将引起机械磨损，过大泄漏量大。 为使间隙尽量地小同时又使磨损后便于更换与修复， 为使间隙尽量地小同时又使磨损后便于更换与修复， 一般在叶轮吸入口外侧及相对应的泵体部位上分别镶 装一个口环，此环磨损后很容易更换。 装一个口环，此环磨损后很容易更换。由于其既可减 少泄漏，又能承受磨损，所以称为减漏环或承磨环。 少泄漏，又能承受磨损，所以称为减漏环或承磨环。 1.1.2 叶片泵的主要部件 3泵轴和轴承 泵轴借轴承的支承，带动泵体中的叶轮旋转， 泵轴借轴承的支承，带动泵体中的叶轮旋转， 它是泵的主要零件。轴上除装有叶轮外，还装有轴套、 它是泵的主要零件。轴上除装有叶轮外，还装有轴套、联轴 器或皮带轮等零件、组合成为泵的转子。 器或皮带轮等零件、组合成为泵的转子。泵轴的放置方式有 立式、卧式或斜式之分。 立式、卧式或斜式之分。 轴承是支撑泵转子的部件，承受径向和轴向载荷。 轴承是支撑泵转子的部件，承受径向和轴向载荷。一般轴径 以下的泵轴采用滚动轴承， 在70mm以下的泵轴采用滚动轴承，轴径大于 以下的泵轴采用滚动轴承 轴径大于100mm的泵则 的泵则 用滑动轴承。 用滑动轴承。 4轴封机构 在泵轴穿出泵壳的地方，旋转的泵轴和固定的 在泵轴穿出泵壳的地方， 泵体之间设有轴封机构，起着密封的作用。 泵体之间设有轴封机构，起着密封的作用。一般叶片泵最常 用的是填料密封和机械密封。 用的是填料密封和机械密封。 5平衡机构 泵运转时在叶轮上会产生很大的轴向力，轴承 泵运转时在叶轮上会产生很大的轴向力， 难以承受，必须用各种平衡方法将大部分轴向力平衡掉， 难以承受，必须用各种平衡方法将大部分轴向力平衡掉，使 轴承不承受或承受很小一部分轴向力。 轴承不承受或承受很小一部分轴向力。 1.1.3 叶片泵的分类和型号 一、叶片泵的分类 1.1.3 叶片泵的分类和型号 2. 叶片泵的型号 1.2 叶片泵的主要性能参数 叶片泵的工作状况通常用性能参数来表示， 叶片泵的工作状况通常用性能参数来表示，其主要性 能参数有流量 扬程、转速、效率和空化余量等 流量、 能参数有流量、扬程、转速、效率和空化余量等，空 化余量是表示叶片泵抗空化性能的主要参数。 化余量是表示叶片泵抗空化性能的主要参数。 一、流量q 流量 流量是泵在单位时间内通过泵出口截面的液体量(体积或 流量是泵在单位时间内通过泵出口截面的液体量(体积或 质量)。 质量 。 体积流量用 表示，单位是m 体积流量用qV表示，单位是 3s，m3h，ls等。 ， ， 等 一般没有特别指明，用表示体积流量。 一般没有特别指明，用表示体积流量。 质量流量用 表示，单位是kg 质量流量用qm表示，单位是 s 、kgh等。 等 流量和体积流量的关系为 qm = q 1.2 叶片泵的主要性能参数 二、扬程H 扬程 扬程是泵出口截面（泵出口法兰处 和泵进口截面 和泵进口截面(泵进口法 扬程是泵出口截面（泵出口法兰处)和泵进口截面 泵进口法 是泵出口截面 兰处)单位重量液体的能量差值 单位重量液体的能量差值， 兰处 单位重量液体的能量差值，也就是单位重量液体通过泵 获得的有效能量。 获得的有效能量。 按扬程定义其单位是m，即被抽送液体的液柱高度， 按扬程定义其单位是 ，即被抽送液体的液柱高度，习惯简 称为米。 称为米。 p2 ? p1 c ? c H = e2 ? e1 = ( z2 ? z1 ) + + g 2g 2 2 2 1 泵的扬程表征泵本身的性能，只和泵进、出 口法兰处的液体的能量有关，而和泵装置无直 接关系.。 1.2 叶片泵的主要性能参数 三、转速n 转速 转速是叶轮和轴单位时间内旋转的圈数， 转速是叶轮和轴单位时间内旋转的圈数，单位为转每分 ）。一般叶片泵转速与原动机转速相同 （rmin）。一般叶片泵转速与原动机转速相同。 ）。一般叶片泵转速与原动机转速相同。 四、功率和效率 泵的功率通常是指输入功率，即原动机传到泵 轴上的功率，故又称轴功率，用P表示。泵的有效功 率又称输出功率，用Pe表示，它是单位时间内从泵 中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。 Pe = Hqm g = gHq (W) = gHq 1000 1.2 叶片泵的主要性能参数 轴功率和有效功率之差为泵内的损失功率， 轴功率和有效功率之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效 率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比， 率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比，即： Pe = P 泵内的损失可分为机械损失、容积损失和水力损失， 相应的效率用机械效率m、容积效率v和水力效率h 来表示，则泵的总效率 = m vh 五、空化余量NPSH（ 详见第五章 ） 空化余量NPSH 1.3叶片泵的典型结构 1卧式单级悬臂泵 只装一个叶轮的泵称为单级泵。按其转子支承方式， 只装一个叶轮的泵称为单级泵。按其转子支承方式，将这种泵 单级泵 悬臂式和 两类。 分为悬臂式 两端支承式两类 分为悬臂式和两端支承式两类。 下图示为IS型单级单吸卧式离心泵的典型结构。 型泵主要用 下图示为 型单级单吸卧式离心泵的典型结构。IS型泵主要用 型单级单吸卧式离心泵的典型结构 来输送温度低于80的清水或物理、 来输送温度低于 的清水或物理、化学性质类似于水的其它 液体。输送流量范围6.3 液体。输送流量范围 400m3h，扬程 125m。 ，扬程5 。 IS型离心泵的叶轮 由叶轮螺母 、止动垫圈 和平键固定在泵 型离心泵的叶轮5由叶轮螺母 型离心泵的叶轮 由叶轮螺母2、止动垫圈3 12的左端 泵轴的另一端装联轴器。填料轴封由轴套7、 的左端， 轴12的左端，泵轴的另一端装联轴器。填料轴封由轴套7、填 和填料压盖10等零件组成 料9、填料环 和填料压盖 等零件组成。该泵泵轴的两个支承 、填料环8和填料压盖 等零件组成。 轴承都位于泵轴的右边，称为悬臂泵。 轴承都位于泵轴的右边，称为悬臂泵。 IS型泵的泵脚与泵体 铸为一体，整台泵的质量主要由泵体承 型泵的泵脚与泵体1铸为一体 型泵的泵脚与泵体 铸为一体， 支架13仅起辅助支承作用 仅起辅助支承作用， 受，支架 仅起辅助支承作用，这种带悬架的悬臂式泵称为悬 架式悬臂泵。 架式悬臂泵。 IS型泵拆开连接泵体和泵盖的螺栓，叶轮等就可以一起从泵体 型泵拆开连接泵体和泵盖的螺栓， 型泵拆开连接泵体和泵盖的螺栓 内拆出，具有构紧凑、检修方便等优点。 内拆出，具有构紧凑、检修方便等优点。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 托架式悬臂泵（ 型 所示的悬臂式是B型单级 托架式悬臂泵（B型）图1-5所示的悬臂式是 型单级 所示的悬臂式是 单吸式离心泵，它的泵脚与托架3铸为一体 泵体10 铸为一体， 单吸式离心泵，它的泵脚与托架 铸为一体，泵体 悬臂安装在托架上，所以这种泵称为托架式悬臂泵。 悬臂安装在托架上，所以这种泵称为托架式悬臂泵。 B型泵的泵体相对于托架可以有不同的安装位置。根 型泵的泵体相对于托架可以有不同的安装位置。 型泵的泵体相对于托架可以有不同的安装位置 据使用要求，可使泵压出口朝上、朝下、 据使用要求，可使泵压出口朝上、朝下、朝前或朝 后。 检修这种泵时， 检修这种泵时，需要将吸入管路和压出管路与泵体 分离，与悬架式悬臂泵相比，维修不方便。 型泵靠 分离，与悬架式悬臂泵相比，维修不方便。B型泵靠 托架支撑泵体和转子，因此托架较笨重， 托架支撑泵体和转子，因此托架较笨重，泵的整体 总量也因此增加。 总量也因此增加。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 卧式单级双吸式悬臂泵。 卧式单级双吸式悬臂泵。双吸叶轮可看成由两个单吸叶轮背 靠背组成，铸成一体， 靠背组成，铸成一体，双吸式叶轮的两侧分别采用了半螺旋 形和变截面直管状吸水室。 形和变截面直管状吸水室。 与单吸叶轮相比，流量大，吸上性能好，但效率会低一些， 与单吸叶轮相比，流量大，吸上性能好，但效率会低一些， 结构较复杂。 结构较复杂。 双吸叶轮结构上是对称的，不会产生轴向力，但由于制造和 双吸叶轮结构上是对称的，不会产生轴向力， 装配误差、液流也不会完全对称等，还会存在一定的轴向力， 装配误差、液流也不会完全对称等，还会存在一定的轴向力， 需要轴承承受。 需要轴承承受。 在图1-7的结构中叶轮 直接装在电动机轴 的一端，由泵体4 在图 的结构中叶轮5直接装在电动机轴 的一端，由泵体 的结构中叶轮 直接装在电动机轴2的一端 和泵盖3组成的泵壳与电动机 的机壳直接相联， 组成的泵壳与电动机1的机壳直接相联 和泵盖 组成的泵壳与电动机 的机壳直接相联，因此称之为 连体泵，整体结构紧凑，质量轻。 连体泵，整体结构紧凑，质量轻。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 泵轴为铅直方向结构的泵称之为立式泵。 单级立式泵 泵轴为铅直方向结构的泵称之为立式泵。 单级泵采用立式结构最主要的目的是为了减小占地面积， 单级泵采用立式结构最主要的目的是为了减小占地面积， 节约基建投资。 节约基建投资。 所示为YG型单级单吸立式管道泵 其叶轮2远离 型单级单吸立式管道泵， 图1-8所示为 型单级单吸立式管道泵，其叶轮 远离 所示为 的支承部位， 泵轴6的支承部位 悬臂安装在泵轴的下端。 YG型泵 泵轴6的支承部位，悬臂安装在泵轴的下端。因YG型泵 的专用驱动电动机8能承受泵的轴向力 能承受泵的轴向力， 的专用驱动电动机 能承受泵的轴向力，泵轴本身无轴 承支承，它靠能传递轴向力的夹壳联轴器7与电动机轴 承支承，它靠能传递轴向力的夹壳联轴器 与电动机轴 刚性连接，使整个泵转子由电动机轴承支承， 刚性连接，使整个泵转子由电动机轴承支承，以简化泵 的结构。 的结构。 该泵泵体1上的泵吸入口和压出口位于同一水平线上， 该泵泵体 上的泵吸入口和压出口位于同一水平线上， 上的泵吸入口和压出口位于同一水平线上 这使泵能直接安装在直管道之中，称之为管道泵。 这使泵能直接安装在直管道之中，称之为管道泵。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 单级双吸卧式双支承的S型泵 单级双吸卧式双支承的 型泵 1.3 叶片泵的典型结构 蜗壳式多级泵不论卧式还是立式， 蜗壳式多级泵 蜗壳式多级泵不论卧式还是立式， 一般都采用中开式结构，检修方便， 一般都采用中开式结构，检修方便，且有利于使叶 轮对称布置，消除作用在转子上的轴向力。 轮对称布置，消除作用在转子上的轴向力。但这种 结构的工艺性较差，级数越多，泵体、 结构的工艺性较差，级数越多，泵体、泵盖的形状 也就越复杂，泵的外形尺寸越大， 也就越复杂，泵的外形尺寸越大，特别是级与级之 间还要相应地配置些级间流道 些级间流道， 间还要相应地配置些级间流道，泵的外形显得复 杂。 采用叶轮对称布置平衡轴向力， 采用叶轮对称布置平衡轴向力，如果首级叶轮常为 双吸式的，泵的总级数为奇数， 双吸式的，泵的总级数为奇数，如果首级叶轮是单 吸式时，则总级数应为偶数。 吸式时，则总级数应为偶数。 1.3 叶片泵的典型结构 蜗壳式多级泵 1.3 叶片泵的典型结构 节段式多级泵采用径向剖分结构， 节段式多级泵 节段式多级泵采用径向剖分结构， 在所需要的级数叶轮、中段（导叶） 在所需要的级数叶轮、中段（导叶）的两端装入 吸入段和排出段，然后用穿杠把紧连接紧固起来， 吸入段和排出段，然后用穿杠把紧连接紧固起来， 是应用最为广泛的多级泵结构。 是应用最为广泛的多级泵结构。 其主要特点是各中段（及导叶） 其主要特点是各中段（及导叶）的形状尺寸皆相 可以按照需要的扬程增减泵的级数， 同，可以按照需要的扬程增减泵的级数，结构紧 有利于提高标准化、通用化程度， 凑，有利于提高标准化、通用化程度，但其检修 拆装不如中开式泵方便。 拆装不如中开式泵方便。这种泵的单吸式叶轮只 能按一个方向依次布置， 能按一个方向依次布置，其轴向力多用平衡盘平 衡。 节段式多级泵多采用双支承结构， 节段式多级泵多采用双支承结构，小型泵也用悬 臂式结构的。 臂式结构的。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 双壳泵（ 双壳泵（图1-18、1-19）具有双层壳体，其外层泵壳 、 ）具有双层壳体， 呈圆筒形状，故也称筒式泵。在外层泵壳内， 呈圆筒形状，故也称筒式泵。在外层泵壳内，装有 由内泵壳和叶轮等零件组成的泵芯， 由内泵壳和叶轮等零件组成的泵芯，泵芯能整体抽 出或装入，以便于检修。 出或装入，以便于检修。 双壳泵能承受很高的压力， 双壳泵能承受很高的压力，便于实现结构上的对称 布置，这样有利于水流、热流和应力的均匀分布， 布置，这样有利于水流、热流和应力的均匀分布， 从而减小了因热胀冷缩带来的不良影响， 从而减小了因热胀冷缩带来的不良影响，因此双壳 泵主要用于输送高温流体，如大型锅炉给水泵、 泵主要用于输送高温流体，如大型锅炉给水泵、高 温油泵等。 温油泵等。 1.3 叶片泵的典型结构 1.3 叶片泵的典型结构 轴流泵 1.3 叶片泵的典型结构 混流泵 1.3 叶片泵的典型结构 指在吸入管内不用充满液体(但泵体中必须有足够的 自吸泵 指在吸入管内不用充满液体 但泵体中必须有足够的 液体)的情况下启动泵 泵本身能够自动排除吸入管内的气体， 的情况下启动泵， 液体 的情况下启动泵，泵本身能够自动排除吸入管内的气体， 而后进入正常工作状态。泵在初次启动时必须灌入足够液体， 而后进入正常工作状态。泵在初次启动时必须灌入足够液体， 以后启动时则由存留在泵体内的液体来保证泵能再次启动。 以后启动时则由存留在泵体内的液体来保证泵能再次启动。 为了实现离心式自吸泵的自吸，结构上必须满足三个条件： 为了实现离心式自吸泵的自吸，结构上必须满足三个条件： 一、保证泵停车后，泵体内储存足够的液体，为此需要在泵体 保证泵停车后，泵体内储存足够的液体， 的进口处配有单向阀， 的进口处配有单向阀，并且泵体进口高于叶轮中心线以防止 泵