化工原理第二章离心泵.ppt

第二章流体输送机械 授课人 张栋强联系方式 zhangdq 兰州理工大学石油化工学院 流体输送机械 流体输送机械 就是向流体做功以提高其机械能的装置 真空泵 压缩机 鼓风机 通风机 气体输送机械 泵 液体输送机械 按照输送流体的性质分类 泵按照其工作原理和结构可分为 特点 依靠旋转的叶片向液体传送机械能 特点 机械内部的工作容积不断发生变化 回转式等 往复式 容积式 如 轴流式 喷射式等 离心式 速度式 如 泵 一 离心泵的构造和工作原理二 离心泵主要构件的结构及功能三 离心泵的主要性能参数四 离心泵的工作点与流量调节五 离心泵的安装高度六 离心泵的选用 安装与操作 复习 1 流量测量 变压头流量计 变截面流量计 2 变压头流量计 测速管 孔板流量计和文丘里流量计 3 变截面流量计 转子流量计 4 流体输送机械 液体输送机械 气体输送机械 5 泵的分类 速度式 容积式 第一节离心泵 一 离心泵的构造和工作原理 1 离心泵的构造 1 开泵前 先在泵内灌满要输送的液体 2 开泵后 泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力 液体在此作用下 从叶轮中心被抛向叶轮外周 压力增高 并以很高的速度 15 25m s 流入泵壳 2 离心泵的操作原理 3 在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大 液体的流速减慢 使大部分动能转化为压力能 最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道 4 泵内的液体被抛出后 叶轮的中心形成了真空 在液面压强 大气压 与泵内压力 负压 的压差作用下 液体便经吸入管路进入泵内 填补了被排除液体的位置 离心泵之所以能输送液体 主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力 因此称为离心泵 气缚现象 离心泵启动时 如果泵壳内存在空气 由于空气的密度远小于液体的密度 叶轮旋转所产生的离心力很小 叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度 这样 离心泵就无法工作 这种现象称作 气缚 为了使启动前泵内充满液体 在吸入管道底部装一止逆阀 此外 在离心泵的出口管路上也装一调节阀 用于开停车和调节流量 思考 泵启动前为什么要灌满液体 根据结构 闭式叶轮 开式叶轮 半闭式叶轮 叶片的内侧带有前后盖板 适于输送干净流体 效率较高 没有前后盖板 适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物 只有后盖板 可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体 效率较低 3 离心泵主要构件的结构及功能 1 叶轮 叶片 盖板 a 叶轮的作用将电动机的机械能传给液体 使液体的动能有所提高 b 叶轮的分类 闭式叶轮的内漏最小 故效率最高 敞式叶轮的内漏最大 敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象 思考 三种叶轮中哪一种效率高 平衡孔 在后盖板上钻有小孔 以把后盖前后空间连通起来 双吸式叶轮 液体只能从叶轮一侧被吸入 结构简单 相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起 可以从两侧吸入液体 具有较大的吸液能力 而且可以较好的消除轴向推力 单吸式叶轮 2 泵壳a 泵壳的作用汇集液体 作导出液体的通道 使液体的能量发生转换 一部分动能转变为静压能 b 导叶轮为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞 在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘 称为导叶轮 导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反 其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应 引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向 使能量损失减小 使动能向静压能的转换更为有效 3 轴封装置a 轴封的作用为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出 或者外界空气漏入泵壳内 B轴封的分类 填料密封 机械密封 主要由填料函壳 软填料和填料压盖组成 普通离心泵采用这种密封 主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成 两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动 起到密封作用 端面密封 4 离心泵的分类1 按照轴上叶轮数目的多少 单级泵 多级泵 轴上只有一个叶轮的离心泵 适用于出口压力不太大的情况 轴上不止一个叶轮的离心泵 可以达到较高的压头 离心泵的级数就是指轴上的叶轮数 我国生产的多级离心泵一般为2 9级 2 按叶轮上吸入口的数目 单吸泵 双吸泵 叶轮上只有一个吸入口 适用于输送量不大的情况 叶轮上有两个吸入口 适用于输送量很大的情况 3 按离心泵的不同用途 水泵 输送清水和物性与水相近 无腐蚀性且杂质很少的液体的泵 B型 耐腐蚀泵 接触液体的部件 叶轮 泵体 用耐腐蚀材料制成 要求 结构简单 零件容易更换 维修方便 密封可靠 用于耐腐蚀泵的材料有 铸铁 高硅铁 各种合金钢 塑料 玻璃等 F型 油泵 输送石油产品的泵 要求密封完善 Y型 杂质泵 输送含有固体颗粒的悬浮液 稠厚的浆液等的泵 又细分为污水泵 砂泵 泥浆泵等 要求不易堵塞 易拆卸 耐磨 在构造上是叶轮流道宽 叶片数目少 二 离心泵的理论压头和实际压头 1 压头的意义 泵的压头 泵向单位重量流体提供的机械能 用H表示 单位是m 管道输送流体系统正常工作时 H he 泵产生的压头主要用于是液位高度增加 静压头增大以及克服流动过程中的压头损失 理想情况 1 泵叶轮的叶片数目为无限多个 也就是说叶片的厚度为无限薄 液体质点沿叶片弯曲表面流动 不发生任何环流现象 2 输送的是理想液体 流动中无流动阻力 2 离心泵的理论压头 1 离心泵基本方程式的导出 理论压头离心泵在上述理想情况下产生的压头 就做理论压头 用H 表示 离心泵基本方程 r 叶轮半径 叶轮旋转角速度 Q 泵的体积流量 b 叶片宽度 叶片装置角 意义 表示离心泵的理论压头与理论流量 叶轮的转速和直径 叶轮的几何形状间的关系 离心泵的基本方程 2 离心泵基本方程式的讨论 1 理论压头与流量Q 叶轮转速 叶轮的尺寸和构造r2 b2 2 有关 2 叶轮直径及转速越大 则理论压头越大 4 在叶轮转速 直径一定时 流量 Q 与理论 压头 H 的关系受装置角 b 2 的影响如下 3 理论压头H 与液体密度无关 这就是说 同一台泵无论输送何种密度的液体 对单位重量流体所能提供的能量是相同的 叶片后弯 20 即H 随流量增大而减小 叶片径向 2 90 ctg 2 0 即H 不随流量而变化 叶片前弯 2 90 ctg 2 0 即H 随流量增大而增大 思考 前弯叶片产生的理论压头最高 这类叶片是最佳形式的叶片吗 NO 由于液体的流速过大 在动能转化为静压能的实际过程中 会有大量机械能损失 使泵的效率降低 一般都采用后弯叶片 3 实际压头离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异 原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失 它主要包括 1 叶片间的环流2 流体的阻力损失3 冲击损失 主要取决于叶片数目 装置角 2 叶轮大小等因素 而几乎与流量大小无关 1 叶片间的环流运动 具体原因如下 考虑这一因素后 图中理论压头线a变为直线b 2 阻力损失 考虑到这项损失后 压头线变为曲线c 此损失可近似视为与流速的平方呈正比 b c 3 冲击损失 在设计流量下 此项损失最小 流量若偏离设计量越远 则冲击损失越大 b c d 考虑到这项损失后 压头线应为曲线d 理论压头 实际压头及各种压头损失与流量的关系为 三 离心泵的主要性能参数 离心泵的主要性能参数 铭牌 一 压头与流量 1离心泵的流量指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积 一般用Q表示 单位为m3 s或m3 h 又称为泵的送液能力 2离心泵的压头泵对单位重量的液体所提供的有效能量 以H表示 单位为m 又称为泵的扬程 离心泵的压头取决于 泵的结构 叶轮的直径 叶片的弯曲情况等 转速n流量Q 思考 转速一定时 出厂前如何确定泵的压头呢 实验测定 在泵进口b 泵出口c间列机械能衡算式 二 轴功率 有效功率及效率 电机输入离心泵的功率 用N表示 单位为W或kW 有效功率 排送到管道的液体从叶轮获得的功率 用Ne表示 轴功率 反映泵对外加能量的利用程度 无量纲 用 表示 效率 三者关系 如图 小型水泵 一般为50 70 大型泵 可达90 以上 1 容积损失 2 水力损失 3 机械损失 内漏 环流损失 阻力损失和冲击损失 泵轴与轴承 密封圈等机械部件之间的摩擦 与效率 有关的各种能量损失 例2 1用水对一离心泵的性能进行测定 在某一次实验中测得 流量10m3 h 泵出口压力表读数0 17MPa 泵入口的真空表读数160mmHg 轴功率1 07kW 真空表与压力表两测压截面的垂直距离为0 5m 试计算泵的压头及效率 思路 机械能衡算 具体解题步骤见P60 例2 1 四 离心泵的特性曲线及应用 1 离心泵特性曲线离心泵的H N都与离心泵的Q有关 它们之间的关系由确定离心泵性能的实验来测定 实验测出的一组关系曲线 H Q Q N Q 离心泵的特性曲线注意 特性曲线随转速而变 各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线 但形状基本相似 具有共同的特点 1 H Q曲线 表示泵的压头与流量的关系 离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降 流量很小时可能有例外 2 N Q曲线 表示泵的轴功率与流量的关系 离心泵的轴功率随流量的增加而上升 流量为零时轴功率最小 离心泵启动时 应关闭出口阀 使启动电流最小 以保护电机 3 Q曲线 表示泵的效率与流量的关系 随着流量的增大 泵的效率将上升并达到一个最大值 以后流量再增大 效率便下降 设计点 与最高效率相比 效率下降5 8 Q H N 有最大值 离心泵在一定转速下有一最高效率点 离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济 与最高效率点所对应的Q H N值称为最佳工况参数 离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数 在选用离心泵时 应使离心泵在该点附近工作 一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92 注意 2 液体性质对离心泵特性的影响1 液体密度的影响 离心泵的流量 与液体密度无关 离心泵的压头 与液体的密度无关 H Q曲线不因输送的液体的密度不同而变 泵的效率 不随输送液体的密度而变 离心泵的轴功率与输送液体密度有关 2 粘度的影响当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时 泵的压头减小泵的流量减小泵的效率下降泵的轴功率增大泵特性曲线发生改变 选泵时应根据原特性曲线进行修正当液体的运动粘度小于2 10 5m2 s时 如汽油 柴油 煤油等粘度的影响可不进行修正 3 转速对离心泵特性的影响 若 不变 则 思考 若泵在原转速n下的特性曲线方程为H A BQ2 则新转速n 下泵的特性曲线方程表达式 当转速 变化不大时 小于20 利用出口速度三角形相似的近似假定 可推知 泵在原转速n下的特性曲线方程 4 叶轮尺寸对离心泵特性的影响 2 某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小 b2 D2变大若切削使直径D2减小的幅度在20 以内 效率可视为不变 并且切削前 后叶轮出口的截面积也可认为大致相等 此时有 1 属于同一系列而尺寸不同的泵 叶轮几何形状完全相似 b2 D2保持不变 泵的效率不变 当叶轮直径因切割而变小时 若变化程度小于20 则 若 不变 则 思考 若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为H A BQ2 则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式 注意 教材式 2 15 2 16c 有误 P62 例2 2 四 离心泵的工作点与流量调节 1 管路特性曲线与泵的工作点1 管路特性曲线 管路特性曲线 流体通过某特定管路时所需的压头与液体流量的关系曲线 在截面1 1 与2 2 间列柏努利方程式 并以1 1 截面为基准水平面 则液体流过管路所需的压头为 而 令 则 管路的特性方程 在特定管路中输送液体时 管路所需的压头随所输送液体流量Q的平方而变 2 离心泵的工作点离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点M 就是离心泵在管路中的工作点 M点所对应的流量Q和压头H表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头 泵 供方管路 需方 2 离心泵的流量调节 阀门关小时 管路局部阻力加大 管路特性曲线变陡 工作点由原来的M点移到M1点 流量由QM降到QM1 1 改变出口阀开度 改变管路特性曲线 当阀门开大时 管路局部阻力减小 管路特性曲线变得平坦一些 工作点由M移到M2流量加大到QM2 优点 调节迅速方便 流量可连续变化 缺点 流量阻力加大 要多消耗动力 不经济 若把泵的转速降至n2 则H Q线下移 工作点移至M2 流量减小到QM2 优点 流量随转速下降而减小 动力消耗也相应降低 缺点 需要变速装置或价格昂贵的变速电动机 难以做到流量连续调节 化工生产中很少采用 串联组合泵的特性曲线 两台相同型号的离心泵串联组合 在同样的流量下 其提供的压头是单台泵的两倍 3 离心泵的并联和串联 两台相同型号的离心泵并联 若其各自有相同的吸入管路 则在相同的压头下 并联泵的流量为单泵的两倍 并联组合泵的特性曲线 离心泵组合方式的选择 对于低阻输送管路 并联组合泵流量的增大幅度大于串联组合泵 对于高阻输送管路 串联组合泵的流量增大幅度大于并联组合泵 低阻输送管路 并联优于串联 高阻输送管路 串联优于并联 例 某离心泵工作转速为n 2900r p m 转 min 其特性曲线方程为H 30 0 01V2 当泵的出口阀全开时 管路特性曲线方程为he 10 0 04V2 式中V的单位为m3 h H及he的单位均为m 求 1 阀全开时 泵的输水量为多少 2 要求所需供水量为上述供水量的75 时 a 若采用出口阀调节 则多损失的压头为多少m水柱 b 若采用变速调节 则泵的转速应为多少r p m 解 1 20 15 2 多损失的压头为多少m水柱 a 采用调节出口阀门的方法 泵特性曲线方程 管路特性曲线方程 泵特性曲线方程 管路特性曲线方程 b 采用调节转速的方法 则泵的转速应为多少r p m 20 15 注意 以下解法错误 新转速下泵的特性曲线方程为 因为比例定律只适用于泵 而不能用于由泵和管路特性曲线共同决定的工作点 管路特性曲线过坐标原点时除外 he 例2 3用离心泵将池中常温水送至一敞口高位槽中 泵的特性方程可近似用H 25 7 7 36 10 4Q2表示 管出口距池中水面高度为13m 直管长90m 采用114 4mm的钢管 管路上有2个 0 75的900弯头 1个 6 0的全开标准阀 1个 8的底阀 估计摩擦系数为0 03 试求 1 标准阀全开时 管路中实际流量为多少m3 h 1 2 为使流量达到60m3 h 1 现采用调节阀门开度的方法 应如何调节 求此时的管路特性方程 3 设泵的原转速为2900r min 1 若采用调节转速的方法使流量变为60m3 h 1 则新的转速应为什么 六 离心泵的安装高度 1 什么是离心泵的安装高度 思考 安装高度为什么受限制 思考 安装高度为什么受限制 汽蚀现象 当pk pv 叶轮中心汽化 汽泡 被抛向外围 凝结 局部真空 压力升高 周围液体高速冲向汽泡中心 撞击叶片 水锤 大量水波 为避免汽蚀现象 安装高度必须加以限制 即存在最大安装高度ZS max 叶片表面产生蜂窝状腐蚀 泵体震动 并发出噪音 流量 压头 效率都明显下降 严重时甚至吸不上液体 汽蚀产生的后果 2 最大安装高度ZS max和允许汽蚀余量 h允许 刚好发生汽蚀时 pk pv pe达到最小值pe min 在s s面 e e面间列机械能衡算 最小汽蚀余量 又称最小净正吸上高度 NPSH NetPositiveSuctionHead 一般规定 允许汽蚀余量 h允许是泵的特性参数之一 由厂家测定 hmin的实验测定 用20 清水测定 以泵的扬程较正常值下降3 作为发生汽蚀的标志 测定泵刚好发生汽蚀时的pe即可 最小汽蚀余量 实际的安装高度还应比允许值低0 5 1m 注意 1 实际安装高度还应比允许安装高度低0 5 1 0m 2 离心泵性能表中列出的值是在液面压力为1atm 用200C水测得的 使用其它液体时应根据具体情况加以校正 求校正系数的曲线载于泵的说明书中 校正系数常小于1 故为简便计 也可不校正 而将其视为外加的安全因数 3 离心泵的允许吸上真空度和允许气蚀余量值是与其流量有关的 必须注意使用最大额定流量值进行计算 4 离心泵安装时 应注意选用较大的吸入管路 减少吸入管路的弯头 阀门等管件 以减少吸入管路的阻力 5 当液体输送温度较高或液体沸点较低时 可能出现允许安装高度为负值的情况 此时 应将离心泵安装于贮槽液面以下 使液体利用位差自流入泵内 例2 4用油泵从密闭容器中送出300C的丁烷 容器内丁烷液面上方的绝压ps 343kPa 输送到最后 液面将降到泵入口以下2 8m 液体丁烷在300C时的密度为580kg m 3 饱和蒸汽压pv 304kPa 吸入管路的压头损失估计为1 5m 所选用油泵的汽蚀余量为3m 问这个泵能否正常操作 分析 泵能否正常工作 泵的安装高度是否合适 泵的允许高度 七 离心泵的选用 安装与操作 1 离心泵的选择 1 确定输送系统