现代水泵离心泵设计讲义.doc

第二章 离心泵讲义本章的学习要点：熟悉各种流体输送机械，掌握离心泵的结构、原理、性能、安装及调节。1流体输送机械的分类 一、液体输送泵：齿轮泵；往复泵；螺杆泵；离心泵等 二、气体输送 鼓风机；压缩机2离心泵的原理及构造 一、离心泵的特点 结构简单；流量均匀；调节控制方便，并可用耐腐蚀材料制造。 二、离心泵的原理1、离心泵的排液原理 动能 静压能2、离心泵的吸液原理 静压能 位能3、离心泵的气缚现象 离心泵内存在气体，致使离心力下降，离心泵不能将液体吸入泵内，叶轮只是在泵壳内空转而无液体排出，这种现象称为“气缚现象”。3离心泵的构造 1、叶轮 叶轮是泵直接对流体作功的部件。 叶轮的作用是将电机的机械能转化为液体的动能和静压能。 一般常用离心泵叶轮上有612片后弯叶片。 敞开式叶轮、半开式叶轮和封闭式叶轮 平衡孔的作用2、减漏环3、泵壳 离心泵泵壳是使液体汇集及能量转化的部件。 离心泵泵壳是蜗壳形，其目的是使流体从泵吸入口到排出口流道面积逐渐扩大，流体流速逐渐降低，（从1525m/s降到13m/s），使流体动能大部分转化为静压能。4、导轮 导轮的作用：1）减小叶轮抛出的高能流体对泵壳的撞击。 2）均匀而缓慢地将动能转化为静压能。5、轴封装置 泵壳与泵轴之间的密封称为轴封。 1) 填料密封 主要由填料套、填料环、填料、压盖组成。 优点：结构简单；造价低。 缺点：使用寿命短；能量损失大；有泄露。 2）机械密封 主要由传动螺钉、传动座、弹簧、推环、动环密封圈、动环、静环、静环密封圈、防转销等部件组成。 优点：液体泄露量小；使用寿命长；能耗低；结构紧凑。 缺点：零件加工要求高；成本高；装卸及更换零件不便。 4离心泵的主要性能参数 一、流量Q单位时间内泵能够排出液体的量。反映离心泵的输液能力。常用体积流量表示，单位：m3/s离心泵的流量主要与泵的结构、叶片尺寸和轴转速有关。 二、扬程H输液过程中泵给予单位重量流体的能量。单位：m液柱如图扬程包括以下各项：1）将单位重量液体的位压能提高Z焦耳，包括吸液位压头ZS和排液位压头Zb。2）将单位重量液体的静压能提高焦耳。3）提供了输送管路总阻力损失。4）将单位重量流体的动能提高焦耳。概念：离心泵的扬程不是液体的升扬高度。 离心泵的扬程与叶轮的尺寸、轴转速、叶片的数目及流量有关。 三、功率N 1、有效功率：泵在单位时间内对流经该泵的流体所作的功。 2、轴功率：电机传给离心泵的功率。 3、配带功率：离心泵本身所配带电机的功率。 四、效率 有效功率与轴功率之比。 效率的影响因素： 1、容积损失 2、水力损失 3、机械损失 离心泵的效率5离心泵的特性曲线 一、离心泵特性曲线的测量 离心泵的铭牌： 离 心 式 清 水 泵 型号 2B31A 转速 2900 r/s 扬程 25.2 m 效率 65.5 % 流量 20 m3/h 功率 2.07 kw 允许吸上真空高度 4.5 m 重量 363 N 出厂编号 791210 出厂日期 年 月 日 水泵厂 实验装置： 实验原理： 近似为：实验方法：同一种泵，叶轮转速恒定下，分别测取不同流量下的H、N、，由实验数据绘制特性曲线。 二、离心泵的特性曲线 1、HQ曲线， 离心泵的扬程曲线流量Q增加；扬程H下降。2、NQ曲线， 离心泵的功率曲线 流量Q增加；功率增加。 流量为零；功率最小。3、Q曲线， 离心泵的效率曲线 曲线有最高效率点，此点为设计点。 一般，离心泵的使用效率不能低于最高效率点的92%. 三、离心泵特性曲线的影响因素 1、输送液体密度的影响离心泵的扬程和效率与密度无关；有效功率与密度成正比。 2、输送液体粘度的影响 常温下，输送液体的粘度增加，最高效率点下的流量、扬程和效率均下降，轴功率增加。 输送液体粘度不大时，液体粘度对特性曲线的影响可以不计。 3、叶轮转速的影响 输送粘度与水相近的流体，转速变化不大于20%时，可认为其效率不变，则： 比例定律一 四、叶轮转速的影响 比例定律二（切割定律）6离心泵的工作点及流量调节 一、管路特性曲线 设 则 管路特性方程 管路特性方程反映管路所需外加功的大小与流量的关系。二、离心泵工作点的确定管路特性方程反映管路所需外加功的大小与流量的关系。离心泵特性方程反映离心泵所能提供的能量的大小与流量的关系。 则管路特性方程与离心泵特性方程的交点所对应的流量与扬程的关系既符合管路特性方程，又符合离心泵特性方程。称该交点为离心泵的工作点。 三、离心泵工作点的调节1、改变管路特性曲线 管路特性曲线的形状主要决定于K值，K值意味着流体在管路中的流动阻力，阻力越大，K值越大。由图中可以看到：K值增大管路所需的扬程随流量增加较快管路特性曲线变陡工作点沿离心泵特性曲线上移（左移）扬程增加；流量减小。K值减小管路所需的扬程随流量增加较慢管路特性曲线变平工作点沿离心泵特性曲线下移（右移）扬程减小；流量增加。改变K值的途径：1） 在离心泵出口处安装调节阀门，改变管路局部阻力。优点：操作简单、灵活、方便。缺点：增加局部阻力将增加能量损失。2） 改变输送管路管径，改变管路沿程阻力。因为： ，即所以：管径d；K值。管径d；K值。2、改变离心泵的特性曲线改变离心泵的特性曲线的途径： 1）改变离心泵转速n转速n增加离心泵特性曲线上移离心泵工作点上移（右移）扬程增加；流量增加。转速n减小离心泵特性曲线下移离心泵工作点下移（左移）扬程减小；流量减小。 2）改变离心泵叶轮直径d 离心泵叶轮直径d减小流量减小；扬程减小工作点下移（左移）。例：某离心泵在转速1480 rpm下的特性方程为He=38.440.3Q2（Q：m3/min），输送管路两端的势能差为16.8m，管径为764mm，长1360m（包括局部阻力的当量长度）=0.03。试求：1）输液量Q2）当转速为1700 rpm时的输液量Q/7离心泵的汽蚀现象及安装高度一、汽蚀现象物理汽蚀：泵内压力P=PV泵内液体沸腾，产生大量气泡气泡进入高压区被压碎并急剧冷凝高压液体高速冲向气泡中心，冲击力可达几百大气压气泡若附在泵内壁或叶片上，则冲击力会使泵产生严重破坏。化学汽蚀：物理汽蚀时，液体内大量氧化性气体逸出，使泵内壁及叶片金属发生化学氧化而受损。规定：以泵的扬程较正常值下降3%作为发生汽蚀的标志。 二、最大吸上真空高度HSmax与允许吸上真空高度HS允许吸上真空高度HS常用来限制沸点较高的液体（如水）输送时离心泵的安装高度。HSmax与HS均由实验测出，实验条件为：输送液体为敞口水池中20oC的清水。则P0 = Pa = 1大气压。发生汽蚀时泵入口处的压力为P1min。所以，发生汽蚀时的最大吸液压差为PaP1min，以米水 柱表示，则有：； 单位：m H2O 所以，最大吸上真空高度HSmax即以米液柱表示的离心泵最大吸液压差。则离心泵的最大安装高度为： 允许吸上真空高度HS = HSmax0.3 则离心泵的允许安装高度为：若操作条件与实验条件不同，则须对允许吸上真空高度HS进行校正。1、温度与压力的校正 非20oC、1大气压下的清水：HS/ 操作条件下的允许吸上真空高度。单位：m H2OHS 实验条件下的允许吸上真空高度。单位：m H2OH0 操作条件下吸液面的压力。 单位：m H2OHV 操作温度下水的饱和蒸汽压。 单位：m H2O10.33 与一大气压相当的水柱高。 m H2O0.24 与20oC清水的饱和蒸汽压相当的水柱高。 m H2O 2、密度校正若输送液体的密度为，则三、汽蚀余量 当离心泵输送沸点较低的液体（如汽油、有机溶剂等）时，常用汽蚀余量作为指标来限制泵的安装高度。 1面和K面间列柏努利方程： 当离心泵发生汽蚀时， 此时则有所以，我们只要控制 则可以保证不发生汽蚀。 因此将的大小作为一个指标，来限制离心泵的安装高度，称为最小汽蚀余量。 =定义：在离心泵内刚发生汽蚀时，泵入口处的全压头比泵内最低压强处的势能高出的值为最小汽蚀余量。 由于=时，离心泵已经发生汽蚀，因此，实际的汽蚀余量应大于最小汽蚀余量。允许汽蚀余量为=+03 单位：mH2O 离心泵的允许安装高度为： 四、实验条件下允许汽蚀余量与允许吸上真空高度HS的换算 = = = ； 所以，例：要将某减压精馏塔塔釜中的液体产品用离心泵输送到高位槽，釜中真空度位500mmHg（其中液体处于沸腾状态），泵位于地面上，吸入管总阻力位0.87m液柱，液体的密度为986/m3。已知该泵的允许汽蚀余量为4.2m，试问该泵的安装是否合适？若不合适，应如何调节泵的安装高度？8离心泵的型号一、离心式清水泵 1、B型或BA型离心式清水泵单级单吸悬臂式离心泵全系列扬程范围5125m，流量范围6.3400m3/h。 2、D型离心水泵多级分段式离心泵我国生产的多级泵一般为29级，最多可达12级。全系列扬程范围50650m，流量范围10.8850m3/h。D（DG）6259 D：多级离心泵 DG：多级锅炉给水泵6：流量6 m3/h 25：扬程25m 9： 级数9 4B35A型水泵4：泵吸入口管直径（英寸） B：单级单吸悬臂式离心泵35：泵的扬程 A：叶片切割次数（A一次切割；B二次；C三次） 3、S型（或Sh型）离心泵 双吸式离心泵 全系列扬程范围9140m，流量范围12013000m3/h。二、耐腐蚀泵 F型泵 特点：与液体接触部位用耐腐蚀材料制成。 全系列扬程范围15105m，流量范围2400m3/hFH：灰口铸铁，用于输送浓硫酸。FG：高硅铸铁，用于输送压强不高的硫酸或以硫酸为主的混酸。FM：铬镍钼钛合金钢，适宜输送常温高浓度硝酸。FB：铬镍合金钢，适宜输送常温低浓度硝酸、氧化性酸、碱其他弱腐蚀性液体。FS：聚四氟乙烯塑料，适用于输送90 oC以下的硫酸、硝酸、盐酸及碱液。FV：铝铁青铜FQ：硬铅FJ：耐碱铝铸铁 80FS24型泵 80：泵吸入口管直径（mm） FS：聚四氟乙烯塑料 24：扬程24m 三、油泵 Y型泵 特点：轴封要求高， 全系列扬程范围60603m，流量范围6.25500m3/h。 适用温度范围：45oC400 oC 四、液下泵 FY型泵 特点：轴封要求不高，效率较低，适用于输送各种有毒、腐蚀性料液。 五、杂质泵 P型泵 PS：沙泵 PN：泥浆泵 PW：污水泵 PH：灰渣泵 六、热水泵 R型泵 特点：输送温度小于250 oC，适用于冶金、电站、橡胶、造纸等行业。 七、化工泵 H型泵例：试选用一离心泵满足以下输水任务：要求输水量为20 m3/h，输送管路总长30m，采用70mm的钢管，管路上有标准阀（半开）、闸阀（半开）、摇板式止回阀各一件，900弯头三件，用水处离水源液面的垂直距离为20m，应选用何种型号的离心泵？ 污水处理厂工艺设计流程设计说明一般包括以下内容:(1)据城市或企业的总体规划或现状与设计方案选择处理厂厂址；(2)处理厂工艺流程设计说明；(3)处理构筑物型式选型说明；(4)处理构筑物或设施的设计计算；(5)主要辅助构筑物设计计算；(6)主要设备设计计算选择；(7)污水厂总体布置(平面或竖向)及厂区道路、绿化和管线综合布置；(8)处理构筑物、主要辅助构筑物、非标设备设计图绘制；(9)编制主要设备材料表。 1.2.2 设计的原则考虑城市经济发展及当地现有条件，确定方案时考虑以下原则：(1)要符合适用的要求。首先确保污水厂处理后达到排放标准。考虑现实的技术和经济条件，以及当地的具体情况(如施工条件)，在可能的基础上，选择的处理工艺流程、构(建)筑物型式、主要设备、设计标准和数据等，应最大限度地满足污水厂功能的实现，使处理后污水符合水质要求。(2)污水厂设计采用的各项设计参数必须可靠。(3)污水处理厂设计必须符合经济的要求。设计完成后，总体布置、单体设计及药剂选用等要尽可能采取合理措施降低工程造价和运行管理费用。(4)污水处理厂设计应当力求技术合理。在经济合理的原则下，必须根据需要，尽可能采用先进的工艺、机械和自控技术，但要确保安全可靠。(5)污水厂设计必须注意近远期的结合，不宜分期建设的部分，如配水井、泵房及加药间等，其土建部分应一次建成；在无远期规划的情况下，设计时应为以后的发展留有挖潜和扩建的条件。(6)污水厂设计必须考虑安全运行的条件，如适当设置分流设施、超越管线等。第 2 章 工艺方案的选择2.1 水质分析 本项目污水处理的特点：污水以有机污染物为主，BOD/COD=0.44，可生化性较好，采用生化处理最为经济。BOD/TN3.0,COD/TN7,满足反硝化需求；若BOD/TN5，氮去除率大于60%。2.2 工艺选择 按城市污水处理和污染防治技术政策要求推荐，20万t/d规模大型污水厂一般采用常规活性污泥法工艺,10-20万t/d 污水厂可以采用常规活性污泥法、氧化沟、SBR、AB 法等工艺，小型污水厂还可以采用生物滤池、水解好氧法工艺等。对脱磷或脱氮有要求的城市，应采用二级强化处理，如工艺，A/O工艺，SBR 及其改良工艺，氧化沟工艺，以及水解好氧工艺，生物滤池工艺等。2.2.1 方案对比工艺类型氧化沟SBR法A/O法技术比较1.污水在氧化沟内的停留时间长，污水的混合效果好2.污泥的BOD负荷低，对水质的变动有较强的适应性1.处理流程短，控制灵活2系统处理构筑物少，紧凑，节省占地1.低成本，高效能，能有效去除有机物2.能迅速准确地检测污水处理厂进出水质的变化。经济比较可不单独设二沉池，使氧化沟二沉池合建，节省了二沉池合污泥回流系统投资省，运行费用低，比传统活性污泥法基建费用低30%能耗低，运营费用较低，规模越大优势越明显使用范围中小流量的生活污水和工业废水中小型处理厂居多大中型污水处理厂稳定性一般一般稳定 考虑该设计是中型污水处理厂，A/O工艺比较普遍，稳定，且出水水质要求不是很高，本设计选择A/O工艺。 2.2.2 工艺流程 第 3 章 污水处理构筑物的设计计算3.1中格栅及泵房格栅是由一组平行的金属栅条或筛网制成，安装在污水渠道上、泵房集水井的进口处或污水处理厂的端部，用以截留较大的悬浮物或漂浮物。本设计采用中细两道格栅。3.1.1 中格栅设计计算1.设计参数：最大流量：栅前水深：，栅前流速：（）过栅流速（）栅条宽度，格栅间隙宽度格栅倾角2.设计计算：(1)栅条间隙数：根 设四座中格栅：根(2)栅槽宽度：设栅条宽度 (3)进水渠道渐宽部分长度：设进水渠道宽，渐宽部分展开角度 根据最优水力断面公式(4)栅槽与出水渠道连接处的渐宽部分长度：(5)通过格栅的水头损失： ，h0 计算水头损失；g 重力加速度；K 格栅受污物堵塞使水头损失增大的倍数，一般取3； 阻力系数，其数值与格栅栅条的断面几何形状有关，对于锐边矩形断面，形状系数 = 2.42；m (6)栅槽总高度：设栅前渠道超高 (7)栅槽总长度： (8)每日栅渣量：格栅间隙情况下，每污水产。 所以宜采用机械清渣。(9)格栅选择选择XHG-1400回转格栅除污机，共4台。其技术参数见下表。 表3-1-1 GH-1800链式旋转除污机技术参数型号电机功率/kw设备宽度/mm设备总宽度/mm栅条间隙/mm安装角度HG-18001.51800209040603.1.2 污水提升泵房泵房形式取决于泵站性质，建设规模、选用的泵型与台数、进出水管渠的深度与方位、出水压力与接纳泵站出水的条件、施工方法、管理水平，以及地形、水文地质情况等诸多因素。 泵房形式选择的条件： (1)由于污水泵站一般为常年运转，大型泵站多为连续开泵，故选用自灌式泵房。 (2)流量小于时，常选用下圆上方形泵房。 (3)大流量的永久性污水泵站，选用矩形泵房。 (4)一般自灌启动时应采用合建式泵房。 综上本设计采用半地下自灌式合建泵房。 自灌式泵房的优点是不需要设置引水的辅助设备，操作简便，启动及时，便于自控。自灌式泵房在排水泵站应用广泛，特别是在要求开启频繁的污水泵站、要求及时启动的立交泵站，应尽量采用自灌式泵房，并按集水池的液位变化自动控制运行。集水池：集水池与进水闸井、格栅井合建时，宜采用半封闭式。闸门及格栅处敞开，其余部分尽量加顶板封闭，以减少污染，敞开部分设栏杆及活盖板，确保安全。1.选泵 (1)城市人口为1000000人，生活污水量定额为。(2)进水管管底高程为，管径，充满度。(3)出水管提升后的水面高程为。(4)泵房选定位置不受附近河道洪水淹没和冲刷，原地面高程为。2.设计计算(1)污水平均秒流量： (2)污水最大秒流量： 选择集水池与机器间合建式泵站，考虑4台水泵（1台备用）每台水泵的容量为。(3)集水池容积：采用相当于一台泵的容量。 有效水深采用，则集水池面积为(4)选泵前扬程估算：经过格栅的水头损失取 集水池正常工作水位与所需提升经常高水位之间的高差： （集水池有效水深，正常按计）(5)水泵总扬程：总水力损失为，考虑安全水头 一台水泵的流量为根据总扬程和水量选用型潜污泵 表3-1-2 500WQ2700-16-185型潜污泵参数型号流量转速扬程功率效率%出水口直径270072516185825003.2 细格栅3.2.1 细格栅设计计算1.设计参数：最大流量：栅前水深：，栅前流速：（）过栅流速：（）栅条宽度：，格栅间隙宽度格栅倾角：2.设计计算(1)栅条间隙数：根 设四座细格栅：根(2)栅槽宽度：设栅条宽度 (3)进水渠道渐宽部分长度：设进水渠道宽，渐宽部分展开角度 根据最优水力断面公式(4)栅槽与出水渠道连接处的渐宽部分长度：(5)通过格栅的水头损失： ，h0 计算水头损失；g 重力加速度；K 格栅受污物堵塞使水头损失增大的倍数，一般取3；阻力系数，其数值与格栅栅条的断面几何形状有关，对于锐边矩形断面，形状系数 = 2.42；(6)栅槽总高度：设栅前渠道超高 (7)栅槽总长度： (8)每日栅渣量：格栅间隙情况下，每污水产。 所以宜采用机械清渣。(9)格栅选择选择XHG-1400回转格栅除污机，共2台。其技术参数见下表：表3-2 XHG-1400回转格栅除污机技术参数型号电机功率kw设备宽度mm设备总宽度mm沟宽度mm沟深mm安装角度XHG-14000.751.11400175015004000 603.3曝气沉砂池沉砂池的功能是去除比重较大的无机颗粒，设于初沉池前以减轻沉淀池负荷及改善污泥处理构筑物的处理条件。该厂共设两座曝气沉砂池，为钢筋混凝土矩形双格池。池上设移动桥一台，（桥式吸砂机2格用一台，共2台）安装吸砂泵2台，吸出的砂水经排砂渠通过排砂管进入砂水分离器进行脱水。桥上还安装浮渣刮板，池末端建一浮渣坑，收集浮渣。3.3.1 曝气沉砂池主体设计1.设计参数： 最大设计流量 最大设计流量时的流行时间 最大设计流量时的水平流速 2.设计计算：(1)曝气沉砂池总有效容积：设 则一座沉砂池的容积 (2)水流断面积：设， (3)沉砂池断面尺寸：设有效水深，池总宽 每格宽 池底坡度，超高 (4)每格沉砂池实际进水断面面积： (5)池长 ： (6)每格沉砂池沉砂斗容量： (7)每格沉砂池实际沉砂量：设含沙量为污水，每两天排沙一次，(8)每小时所需空气量：设曝气管浸水深度为 。取。 3.3.2 曝气沉砂池进出水设计1.沉砂池进水 曝气沉砂池采用配水槽，来水由提升泵房和细格栅后水渠直接进入沉砂池配水槽，配水槽尺寸为：，其中槽宽取。，与池体同宽取。为避免异重流影响，采用潜孔入水，过孔流速控制在之间，本设计取。则单格池子配水孔面积为： 设计孔口尺寸为：，查给排水手册1第671页表得，水流径口的局部阻力系数，则水头损失：2.沉砂池出水 出水采用非淹没式矩形薄壁跌水堰，堰宽同池体宽。 过堰口流量 堰宽； 堰顶水深； 流量系数，通常采用； 则。 设堰上跌水高度为，则沉砂池出水水头损失： 出水流入水渠中，渠底接DN1600管接入初沉池。 故沉砂池总水头损失：3.3.3 空气管路计算曝气装置穿孔管设在沉砂池的两格中央距池底，距池壁，空气管高出水面，以免产生回水现象。穿孔管淹没水深，配气管上设对空气竖管，则其最大供气量每根空气竖管上设有两根支管，每根支管最大供气量。池长，设支管长，竖管间距，选择从鼓风机泵房开始的最远管路作为计算管路。列表计算：34管段编 号