核电厂通用机械设备之二——泵PPT课件.ppt

核电厂通用机械设备之二泵教员吕云彪 核电站员工基础理论培训教材 1 2 1 泵的功能 2 1 1提升作用 提高液体势能 静压能 和动能 流速 即扬程 2 1 2抽吸作用 可将低液位贮槽或水池的液体吸入泵中即吸程 2 2 2 泵的类型 2 2 1叶片式泵 1 离心泵 2 轴流泵和混流泵 3 漩涡泵 4 屏蔽泵2 2 2容积式泵 1 往复泵 2 回转泵 3 计量泵2 2 3其它非机械能转换泵 1 喷射泵 2 扬液器 3 2 3 离心泵 离心泵的工作原理 由于离心泵有 汽缚 现象 因此离心泵在启动前应向泵壳内要灌满液体 泵叶轮高速旋转 充满在叶片之间的液体也随着转动 在离心力 的作用下 液体从叶轮中心被抛向外缘 使叶轮外缘的液体静压强提高 同时也增大了流速 一般可达15 25m s 即液体的动能也有所增加 液体离开叶轮进入泵壳后 由于泵壳中流道逐渐加宽 液体的流速逐渐降低 又将一部分动能转变为静压能 使泵出口处液体的压强进一步提高 于是液体以较高的压强 从泵的排出口进入排出管路 输送至所需的场所 4 离心泵 离心泵的工作原理 当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时 在中心处形成了低压区 当贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强后 在压强差的作用下 液体便经吸入管路连续地被吸入泵内 以补充被排出液体的位置 只要叶轮不断地转动 液体便不断地被吸入和排出 由此可见 离心泵之所以能输送液体 主要是依靠高速旋转的叶轮 液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强 气缚 叶轮 泵壳 轴封 轴 驱动 电机 基本组成部件 5 2 3 1离心泵的结构 离心泵由以下部件构成 1 叶轮2 泵壳和导叶装置3 轴和轴承4 密封装置 6 2 3 1 1叶轮 1 a 闭式叶轮 叶片两侧带有前盖板2及后盖板3的叶轮 液体从叶轮中央的入口进入后 经两盖板与叶片之间的流道而流向叶轮外缘 在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量 并由于叶片间流道的逐渐扩大 故也有一部分动能转变为静压能 b 半闭式叶轮 吸入口侧无前盖板的叶轮 c 开式叶轮 没有前 后盖板的叶轮 半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体 因取消盖板后叶轮流道不容易堵塞 但由于没有盖板 液体在叶片间运动时容易产生倒流 故效率也较低 7 2 3 1 1叶轮 2 单级双吸叶轮 8 2 3 1 2泵壳和导叶 离心泵的泵壳 壳内有一截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道 如图2 2 4的1所示 又称蜗壳泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部分 而且本身又是一个转能装置 叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转 愈接近液体出口 通道截面积愈大 因此 液体从叶轮外缘以高速被抛出后 沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动 流速便逐渐降低 减少了能量损失 且使部分动能有效地转变为静压能 所以导轮 在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘 如图2 2 4中的3所示 由于导轮具有很多逐渐转向的流道 使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能 减少了液体直接进入蜗壳时的碰撞 因而减小能量损失 9 2 3 1 3密封装置 泵轴与泵壳之间的密封称为轴封 轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴向外泄漏 或者外界空气以相反方向向泵内流入 轴封有填料密封和机械密封两种 叶轮与泵壳之间的密封称为密封环 主要通过两者之间的间隙来形成水密封环 密封环 10 轴封装置 泵轴与泵体之间的密封 轴封装置有填料密封和机械密封两种 压力填料密封 真空填料密封 编织物填料的材料 1 输送冷水时 使用棉花 或涂油的麻做编织物 2 输送热水时 使用石墨石棉 或浸有二硫化钼的石棉做编织物 3 输送酸时 使用涂石蜡石棉做编织物 11 轴封装置 机械密封 静环固定在泵体上 并与泵体密封 动环环固定在泵轴上 并与泵轴密封 密封面 靠动环后的弹簧压紧 动环一般用硬材料 如高硅铸铁或由堆焊硬质合金制成 静环用非金属材料 一般由浸渍石墨 酚醛塑料等制成 这样 在动环与静环的相互摩擦中 静环较易磨损 但从机械密封装置的结构看来 静环易于更换 动环与静环的密封圈常用合成橡胶或塑料制成 机械密封装置安装时 要求动环与静环严格地与轴中心线垂直 摩擦面要很好地研合 并通过调整弹簧压力 使端面密封机构能在正常工作时 于两摩擦面间形成一薄层液膜 以造成较好的密封和润滑作用 12 2 3 2离心泵的轴向推力 2 8 1离心泵轴向推力产生的原因 主要是由于离心泵的叶轮结构所致 其前后盖板的几何形状不对称而产生轴向力 假设液体压力为 叶轮出口处的压力 P2 4bar 叶轮进口处的压力 P1 0 5bar 及 S1 2000cm2S2 1300cm2S3 400cm2 则最终向左的轴向力为2600kg2 8 2离心泵轴向推力危害 将使轴承和叶轮产生不正常的磨损而导致离心泵的损坏 离心泵轴向推力的平衡方法 1 采用平衡小室 见图2 5 33 2 采用双面叶轮平衡 3 采用平衡盘装置 见图2 5 35 4 采用平衡鼓装置 见图2 5 36 13 2 3 2离心泵的轴向推力 续 14 2 8离心泵的轴向推力 续 平衡盘装置和平衡鼓装置一般用于多级泵上 设置在最后一级的叶轮上以平衡多级泵的轴向力 采用双面叶轮平衡 双面叶轮一般用在多级泵轴向尺寸不受限制的场合 每级叶轮的外形完全对称 使受压面积相等 叶轮吸入口处的压力用平衡小室进行平衡 因此每级叶轮都没有轴向推力产生 15 2 4 离心泵的基础理论 16 2 4 1离心泵的理论方程式 假设 1 叶轮内叶片的数目为无限多 因此叶片的厚度就为无限薄 从而可以认为液体质点完全沿着叶片的形状而运动 即液体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线相重合 2 输送的是理想液体 因此在叶轮内的流动阻力可以忽略 17 2 4 1 1速度三角形 w 液体质点有在叶片间作相对于旋转叶轮的相对运动u 液体质点具有一个随叶轮旋转的圆周速度c 流体质点相对于泵壳 固定于地面 的运动速度 绝对速度 18 2 4 1 2力矩定义 以速度三角形为基础 以力矩定义为依据的推导离心泵理论方程式 力矩定义 在稳定流动中 单位时间内叶轮对液体所作的功等于同一时间内液体从叶片进口处流到叶片出口处的力矩变化和叶轮旋转角速度的乘积 稳定流动 是指当水泵的流量和速度不随时间而变化时 叶轮前后的流动为稳定流动 力矩 质量流量 绝对速度 绝对速度对旋转中心的距离 2 3 6 C2 19 2 4 1 3离心泵基本方程式 离心泵基本方程式 2 3 9 C2 20 2 4 1 4离心泵基本方程式的变换1 21 离心泵基本方程式的变换2 2 3 9b Hp 由于叶轮作旋转运动所增加的静压头 由于叶片间的流道截面积逐渐加大 致使液体的相对速度减小所增加的静压头 Hp 液体流经叶轮后所增加的动压头 2 3 9c 22 离心泵基本方程式的变换2 2 3 9d C2 表示离心泵的理论压头与理论流量 叶轮的转速和直径 叶片的几何形状之间的关系 23 2 4 1 5离心泵基本方程式分析1 离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系 当叶片几何尺寸 b2 2 与理论流量一定时 离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大 24 离心泵基本方程式分析2 离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 当叶轮的转速与直径 叶片的宽度 理论流量一定时 离心泵的理论压头随叶片的形状而改变 后弯叶片 20 如图2 3 3 a 所示 后弯叶片 2 90 ctg 2 0 如图2 3 3 所示 后弯叶片 2 90 ctg 2 0 如图2 3 3 c 所示 25 离心泵基本方程式分析3 对于离心泵来说 希望获得的是静压头 而不是动压头 虽有一部分动压头可在蜗壳与导轮中转换为静压头 但由于液体流速过大 转换过程中必然伴随有较大的能量损失 为提高泵的运转经济指标 采用后弯叶片 2 90有利 26 离心泵基本方程式分析4 离心泵的理论压头与理论流量的关系 若离心泵的几何尺寸与转速一定时 则式2 3 9d中b2 2 u2 D2均为常数 则 2 90 2 90 2 90 2 90 2 90 离心泵的理论特性曲线 27 2 4 1 6离心泵的实际压头与实际流量的关系曲线 实际叶轮的叶片都是有限的 液体在两叶片之间的流道内流动时 除紧靠叶片的液体沿叶片弯曲形状运动外 大量液体不能随叶片形状而运动 而是在流道中产生与叶轮旋转方向不一致的旋转运动 这运动称为轴向涡流 直接影响到速度三角形 从而导致泵的压头降低 所以有限叶片的理论压头小于无限多叶片的理论压头 而且泵输送的是实际液体 在泵内流过时必然伴随有各种能量损失 也导致泵的实际压头降低由于泵内有各种泄漏现象 离心泵的实际流量小于理论流量 离心泵的实际压头与实际流量的关系曲线在理论特性曲线的下方 28 2 4 2离心泵的主要性能参数 1 流量离心泵的流量又称为泵的送液能力 是指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积 以Q表示 单位常为l s或m3 h 离心泵的流量取决于泵的结构 尺寸 主要为叶轮的直径与叶片的宽度 和转速 2 压头离心泵的压头又称为泵的扬程 是指泵对单位重量的液体所提供的有效能量 以H表示 单位为N m N m 离心泵的压头取决于泵的结构 如叶轮的直径 叶片的弯曲情况等 转速和流量 对于一定的泵 在指定的转速下 压头与流量之间具有一定的关系 由于液体在泵内的流动情况比较复杂 目前尚不能从理论上对压头作精确的计算 一般用实验测定 3 效率在输送液体过程中 外界能量通过叶轮传给液体时 不可避免地会有能量损失 故泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得 通常用效率 来反映能量损失 4 轴功率离心泵的轴功率是泵轴所需的功率 当泵直接由电动机带动时 也就是电动机传给泵轴的功率 以N表示 单位为J s W或kW 有效功率是排送到管道的液体从叶轮所获得的功率 以Ne表示 5 转速离心泵的转速是指叶轮的旋转速度 用n表示 转速不同所对应的Q H N也不同 29 效率 离心泵的效率是三种能量损失的总和 容积损失容积损失是由于泵的泄漏所造成的 离心泵在运转过程中 有一部分获得能量的高压液体通过叶轮与泵壳之间的间隙漏回吸入口 或从填料函处漏至泵壳处 也有时从平衡孔漏回低压区 如图2 3 7所示 致使泵排出管道的液体量小于吸入的液体量 并消耗一部分能量 容积损失与泵的结构 液体在泵进出口处的压强差及流量有关 水力损失这种损失发生在泵的吸入室 叶轮流道和泵壳中 一般分为两种 一是由于粘性液体流过叶轮和泵壳时的流速和方向都在改变 产生流动阻力而引起能量损失 另一种是由于输送流量与设计流量不一致时 液体在泵体内产生冲击而损失能量 这两部分损失总称为水力损失 机械损失泵在运转时 泵轴与轴承之间 泵轴与填料之间 叶轮盖板外表面与液体之间均产生摩擦 从而引起的能量损失称为机械损失 30 功率 式中 Q 泵的流量 m3 s H 泵的压头 m 被输送液体的密度 g m3 g 重力加速度 m s2 N Ne 功率 W 31 2 4 3离心泵的特性曲线 离心泵 多为后弯叶片 的压头普遍是随流量的增大而下降 离心泵的轴功率随流量的增大而上升 流量为零时轴功率最小 所以离心泵起动时 应关闭泵的出口阀门 使起动电流减少 以保护电机 离心泵在一定转速下有一最高效率点 称为设计点 泵在与最高效率相对应的流量及压头下工作最为经济 所以与最高效率点对应的N Q H值称为最佳工况参数 离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的状况参数 根据输送条件的要求 离心泵往往不可能正好在最佳工况点下运转 因此一般只能规定一个工作范围 称为泵的高效率区 通常为最高效率的92 左右 32 2 4 4离心泵的比转速 比转速ns是在相似理论的基础上引入的一个表征水泵在效率最高工况下对应的流量Q 扬程H和转速n的特征参数用于新选用或新设计离心泵时的方案的比较 以及确定泵性能的模型实验 这样就可以用几何相似的模型来进行实验 以减少实验规模和费用 定义 比转速ns是指标准模型水泵 效率最高 的转速 标准模型水泵的条件是 H 1m Q 0 075m3 s N 1马力 0 75KW n ns 介质为水 1000kg m3 33 2 4 4 1相似理论 1 几何相似 即实际水泵和模型水泵对应的线性尺寸有一个同一比值 基本包括叶轮 叶片数及流动角等等 2 运动相似 即对应点上的速度三角形相似 3 动力相似 即实际水泵与模型水泵中流动的雷诺数Re应相等 实际上Re数相等是很难实现的 总有一定的差异 但实验证明在Re 105的情况下 流动处于自动模化区的范围内 可自动保证其动力相似的条件 考虑到自动模化区现象 则实际水泵和模型水泵的相似 只要符合第一条 自动模化区现象就能成立 34 2 4 4 2比转速方程 F正比于D2 式中 ns 为新设计或选用新水泵的比转速 Q 设计流量m3 s H 设计扬程m n 设计转速rpm 运动相似 几何相似 35 比转速方程 双吸泵比转速计算公式 双吸泵等于两台泵并联工作 其比转速 多级泵比转速计算公式 它等于几个泵串联工作 其比转速 36 2 4 4 3比转速的应用 利用比转速对叶轮进行分类比转速是编制离心泵系列的基础比转速是离心泵设计计算基础 37 比转速的应用 1 38 比转速的应用 2 如果以比转速为基础来安排离心泵的系列 就可以大大地减少水力模型的数目 这对设计制造部门来说 就可大量节约人力物力 在图2 3 13中 虽然有33个规格 但是 只要用9个比转速的模型就可以布满整个系列 39 比转速的应用 3 在水泵设计上 ns是作为重要基础的一个参数 无论是相似设计法 还是速度系数设计法 都是以比转速ns为依据 来选择水力模型或速度系数的 从表2 3 1可以看出比转速ns与叶轮形状的关系 决定了水泵叶轮形状的特征 因此ns也成为表征叶轮形状的一种尺度 水泵性能和各种损失也常受到ns的影响 根据比转速ns的大小 将水泵叶轮的型式可分为高压 或高速 型 低压 或低速 型 但是 对此并不存在截然的界限 ns小者为高压型 适合流量小的水泵 随着ns的增加 适合扬程低 流量大的水泵 40 2 4 4 4影响泵性能的因素 泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下 以常温的清水为工质做实验测得的 泵的实际性能的影响因素有 密度的影响粘度的影响离心泵转速的影响叶轮直径的影响 41 影响泵性能的因素 密度 由离心泵的基本方程式看出 离心泵的压头 流量均与液体的密度无关 则泵的效率亦不随液体的密度而改变 因此H Q曲线和 Q曲线不随液体密度而变 泵的轴功率随液体密度而改变 因此 当被输送液体的密度与水的不同时 原产品目录中对该泵所提供的N Q曲线不再适用 需按照2 3 13公式 重新计算 42 影响泵性能的因素 粘度 被输送的液体粘度若大于常温下清水的粘度 则泵体内部的能量损失增大 泵的压头 流量都要减小 效率下降 而轴功率增大 亦即泵的特性曲线发生改变 43 影响泵性能的因素 转速 离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的 但在实际使用时常遇到要改变转速的情况 这时速度三角形将发生变化 压头 流量 效率及轴功率也随之改变 当液体的粘度不大且泵的效率不变时 泵的流量 压头 轴功率与转速的近似关系为 当转速变化小于20 时 可以认为效率不变 用上式进行计算误差不大 比例定律 44 影响泵性能的因素 叶轮直径 由离心泵基本方程式得知 当泵的转速一定时 其压头 流量与叶轮直径有关 若对同一型号的泵 换用直径较小的叶轮 而其它几何尺寸不变 仅是出口处叶片的宽度稍有变化 这种现象称为叶轮的 切割 当叶轮直径变化不大 而转速不变时 叶轮直径和流量 压头 轴功率之间的近似关系为 切割定律 45 功率影响 在相似条件下 在非相似条件下 46 2 5离心泵的运转 47 2 5 1汽蚀现象 现象与机理 当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压时 液体就在该处发生汽化并产生气泡 随同液体从低压区流向高压区 气泡在高压的作用下 迅速凝结或破裂 瞬间内周围的液体即以极高的速度冲向原气泡所占据的空间 在冲击点处形成高达几万kPa的压强 冲击频率可高达每秒几万次之多 这种现象称为汽蚀现象 后果 汽蚀发生时 产生噪音和震动 叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下 材料表面疲劳 从开始点蚀到形成严重的蜂窝状空洞 使叶片受到损坏 此外 汽蚀严重时 由于产生大量气泡 占据了液体流道的一部分空间 导致泵的流量 压头与效率显著下降 预防 最低压强维持输送温度下液体的饱和蒸气压之上 48 2 5 1汽蚀现象 习惯上常把表示为真空度 并以输送液体的液柱高度为计量单位 称为允许吸上真空度 以表示 49 2 5 2允许吸上高度 即允许安装高度是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离 以符号Hg表示 2 4 2a 为了使泵不发生气蚀 50 2 5 2允许吸上高度 实验条件下输送水时的允许吸上真空度 即在水泵性能表上所查得的数值 mH2O柱 操作温度下被输送液体的饱和蒸气压 bar 10 实验条件下的大气压强 mH2O柱 0 24 实验温度 20 下水的饱和蒸气压 mH2O柱 1000 实验温度下水的密度 kg m3 51 2 5 3离心泵的汽蚀余量 泵的吸入装置条件泵的本身抗气蚀的能力 泵是否发生气蚀 1 由泵的吸入装置条件确定的汽蚀余量称为有效汽蚀余量 用表示 52 2 5 3 1离心泵的有效汽蚀余量 有效汽蚀余量是指泵在吸入口处的总能量 静压能和动能之和 具有超过输送温度下液体汽化压力的富余能力 即避免泵发生汽化的能力 有效汽蚀余量由吸入系统的装置条件决定与泵本身无关 式中Ps 泵吸入口处的压力 us 泵吸入口处的流速 PV 液体饱和蒸汽压 2 4 5 2 4 2b 有效汽蚀余量就是吸入容器中液面上的压力水头P0 g在克服吸水管路装置中的流动损失Hw 并把水提高到Hg的高度后 所剩余的超过汽化压力的能量 53 2 5 3 1离心泵的有效汽蚀余量 1 在 Hg和液体温度保持不变情况下 当流量增加时 由于吸入管路中的流动损失Hw与流量的平方成正比变化 所以使随流量的增加而减少 因而 当流量增加时 发生汽蚀的可能性增加 2 在非饱和容器中 泵所输送的液体温度越高 对应的汽化压力越大 发生汽蚀的可能性就越大 由式可知 当吸入容器液面高出水泵轴线时 当吸入容器中的压力为汽化压力时 54 2 5 3 2离心泵的必需汽蚀余量 必需汽蚀余量是指泵吸入口处 S S截面 至泵内压力最低点 K K截面 处的压力降 见图2 4 1 它是由泵本身结构的汽蚀性能所决定 与泵吸入系统的装置无关 2 4 6a 55 2 5 3 3有效汽蚀余量和必修汽蚀余量与流量的关系 表明必需汽蚀余量随流量的增加而增加 有效汽蚀余量 ha随流量的增加而减小 56 2 5 3 4临界汽蚀余量 吸入系统提供的泵吸入口处大于饱和蒸汽压力的富余能力 液体从吸入口至k点的压力降 两条曲线相交 交点的左侧为安全区 右侧为气蚀区 有效汽蚀余量随流量变的曲线与必需汽蚀余量随流量变化曲线的交点C所对应的汽蚀余量称为临界汽蚀余量用表示 C点为汽蚀临界点 其对应的流量称为临界汽蚀流量 用Qvc表示 两条曲线相交于C点交点的左侧为安全区 右侧为气蚀区 有效汽蚀余量随流量变的曲线与必需汽蚀余量随流量变化曲线的交点C所对应的汽蚀余量称为临界汽蚀余量用表示 C点为汽蚀临界点 其对应的流量称为临界汽蚀流量 用Qvc表示 57 2 5 3 5允许汽蚀余量 h 允许汽蚀余量 h是指为保证不发生汽蚀在临界汽蚀余量上加安全量K 称为允许汽蚀余量 用 h表示 式中K 为安全量 K 0 3 0 5m 2 4 9 58 2 5 4提高泵抗气蚀性能的措施 1 吸入系统的装置条件 1 改善泵的工作条件 提高泵的有效气蚀余量 1 减小安装高度 提高有效气蚀余量 2 加大吸水管径或减小流量 以减小阻力 提高有效气蚀余量 3 降低液体的温度 从而降低汽化压力 提高有效气蚀余量 4 降低泵的转速 减小阻力 提高有效气蚀余量 59 2 5 4提高泵抗气蚀性能的措施 2 2 提高泵本身的抗气蚀性能 减小必需气蚀余量 1 采用双吸叶轮 降低入口速度 2 增大叶轮进口直径及叶片进口宽度 降低入口速度 3 叶轮采用耐汽蚀材料 提高泵的抗气蚀性 4 进口处装设螺旋式诱导轮如图2 4 4所示 改善泵的气蚀性能 泵本身的气蚀性能 图2 4 4 60 2 5 5影响吸程的因素 1 高度 当高度升高时 大气压减小 理论最大吸程减小 对实际吸程也是如此 表2 4 2不同海拔高度下的大气压 61 2 5 5影响吸程的因素 2 液体温度 一定真空度下的液体 其温度越高 蒸发越快 当液体通过吸入管时 就会产生蒸汽 蒸汽的压力等于与液体温度压力相符合的饱和蒸汽压力 这种蒸汽压力会减小泵的吸程 表2 4 3水的饱和蒸汽压 62 2 5 5影响吸程的因素 3 液体的密度 泵的理论吸程与所吸液体的密度有关 等于大气压的该液柱的高度 63 算例 用某型号离心泵从敞口槽中将水输送到它处 槽内水位恒定 输送流量为45 55m3 h 在最大流量下吸入管路的压头损失为1m 液体在吸入管路中的压头可以忽略 泵安装地区的大气压为9 81 104Pa 10m水柱 试计算 1 输送20 水时 泵的安装高度 2 若改为输送65 水时 泵的安装高度 根据产品样本 部分性能曲线列表 输送65 水时 输送65 水时 64 2 5 6离心泵的工作点 管路特性曲线当离心泵安装在特定的管路系统中工作时 实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关 还与管路的特性有关 即在输送液体的过程中 泵和管路是互相制约的 所以 讨论泵的工作情况之前 应了解泵所在的管路状况 右图所示的输送系统内 若贮槽与受槽的液面均维持恒定 且输送管路的直径不变 液体流过管路系统时所需的压头 即要求泵提供的压头 可在图中所示的截面1 与2 间列柏努利方程式求得 得 在固定的管路系统中 于一定的条件下进行操作时 上式的 Z与均为定值 即 Z K 由于贮槽与受槽的截面都很大 该处流速和管路相比可以忽略不计 则因此式可以转化为 根据管路计算Hf f Q2 65 2 5 6离心泵的工作点 续 因此可以得到 泵的工作点离心泵总是安装在一定管路上工作的 泵所提供的压头与流量必然应与管路所需的压头与流量相一致 若将离心泵的特性曲线H Q与其所在管路的特性曲线He Qe绘于同一坐标图上 如图2 4 6所示 两线交点称为泵在该管路上的工作点 该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求 又为离心泵所能提供 即Q Qe H He 换言之 对所选定的离心泵 以一定转速在此特定管路系统运转时 只能在这一点工作 66 2 5 7离心泵的流量调节 1 改变阀门的开度改变离心泵出口管线上的阀门开度 实质是改变管路特性曲线用阀门调节流量迅速方便 且流量可以连续变化 适合一般工业连续生产的特点 所以应用十分广泛 其缺点是当阀门关小时 流动阻力加大 要额外多消耗一部分动力 不很经济 67 2 5 7离心泵的流量调节 2 改变泵的转速改变离心泵的转速 实质上是改变泵的特性曲线 如图2 4 8所示 这种调节方法能保持管路特性曲线不变 由式2 3 20可知 流量随转速下降而减小 动力消耗也相应降低 从动力消耗来看是比较合理的 但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机 且难以做到流量连续调节 3 改变泵的叶轮外径叶轮外径同样能调节泵的流量 但这是理论上是可行的 实际上是不可行的 68 2 5 8离心泵的并联串联 2 4 8 1串联运转特性曲线 当有P1 P2 P3多台泵串联运转时 通过每台泵的流量都是相同的 即 Q Q1 Q2 Q3多台泵串联运转的扬程 则等于各台扬程相加之和Ht H1 H2 H3如果串联的泵是相同的 就变成多级泵的情况 其总扬程等于单个泵的扬程乘以泵数 即 Ht nH 69 2 5 8 2并联运转特性曲线 当P1 P2 P3多台泵并联工作时 若 H H1 H2 H3则并联运转时的总流量则等于各台泵在同一扬程下的流量Q1 Q2 Q3的和 即 Qt Q1 Q2 Q3多台泵并联工作时的H Q特性曲线 是由各台泵的H Q特性曲线在同一扬程如H下对应点上各台泵流量Q1 Q2 Q3相加而成的 如果并联的泵是相同的 则每台泵在同一扬程点上对应的流量也是相等的 并联工作时的总流量就是每台泵的流量乘以泵数 即 Qt nQ 70 2 5 8 3水泵在管路系统中的并联运行 水泵在管路系统中并联运行后 流量的增加并不是并联各台泵流量相加的和 而仅增加了一个百分数 并联台数越多增加的百分数就越少 当管路特性曲线较陡时 并联后流量增加的百分数就更少 71 一台泵单独工作时 工作点为 两台泵并联工作时 工作点为 三台泵并联工作时 工作点为 两台泵并联工作时 流量增加的百分数为 三台泵并联工作时 流量增加的百分数为 72 2 5 8 4水泵在管路系统中的串联运行 水泵在管路系统中串联运行后 压头的增加也不是串联各台泵压头相加的和 也仅增加了一个百分数 串联台数越多增加的百分数就越少 当管路特性曲线较缓时 串联后压头增加的百分数就更少 水泵串联在管路系统中 通常是为了中间加压 可以借用风机串联运行的特性曲线图来说明 引为它们的特性曲线基本相同 左图是两台同性能水泵的串联特性 右边是两台不同性能泵的串联特性曲线 73 2 6无流量阀门 关闭调节阀5产生的后果 1 水温升高 可以达到与压力相符的沸点 在这种情况下 水就会蒸发 形成蒸汽 导致泵内出现空泡现象 渐渐地使泵损坏 2 泵的内部部件温度上升 引起运动部件异常膨胀 为了避免上述情况 应在泵的出口处 见图2 4 14 安装一个所谓的 无流量 阀门 当泵的出口处的压力接近最大值时 该阀门就自动打开 水就流过这个阀门 然后由 无流量 管系反送到吸水容器内 74 2 7离心泵的启动 1 灌水排气 离心泵只有在泵内及吸水管内充满液体时才能工作 2 根据离心泵N Q曲线的特点 当Q 0时 功率N最小 为降低起动电流 当离心泵起动时应先关闭出口阀 起动后再打开出口阀调到运行流量 关阀时间不得超过2 3分钟 一般起动电流是正常运行电流的5 8倍 75 2 8离心泵的种类 核电厂最常用的离心泵有以下几种 1 单级单吸离心泵2 单级双吸离心泵3 多级离心泵4 冷凝水泵5 安全壳喷淋泵6 生水泵 RCV上充泵及辅助给水泵 76 2 8 1单级单吸离心泵 单吸单级悬臂式离心水泵 77 2 8 1GNPS核电站单级单吸离心泵 RRI系统泵 该泵用于GNPS核电站RRI系统 核岛设备冷却系统 的循环泵 其主要参数如下 额定Q 2670m3 h额定H 63m转速n 1485rpm功率N 630KW 78 2 8 2单级双吸离心泵 国产单级双吸水平中开式离心泵的主要型号为S及SH型 S型泵是SH型泵的更新产品 泵的性能指标比SH型先进 1 S型双吸离心泵 S型离心泵是一种双吸单级水平中开式离心泵 是SH型的更新产品 例如S150 78A S 表示双吸单级卧式离心泵 150 表示进口直径 mm 78 表示扬程 m A 表示叶轮外径切割 S型离心泵的基本结构图如图2 5 4所示 79 2 8 2GNPS核电站单级双吸离心泵 其结构如图2 5 5和2 5 6所示 它们是二回路主给水泵组的前置增压泵和压力泵 1 前置增压泵卧式双吸单级前置增压泵的结构如图2 5 5所示 蜗壳由马氏体不锈钢铸件制造 为双蜗壳型 进口和出口的接管在泵体的上半部 进口接管与垂直面成50 角 出口是垂直向上的 端盖 轴 叶轮均为马氏体不锈钢 轴表面镀铬 以使轴颈有硬的耐磨表面 轴封设有5圈填料 3圈在套环内侧 2圈在套环外侧 轴封周围设有冷却夹套 保证轴封填料处水温不超过100 以防止热量侵入填料 冷却水来自常规岛闭式冷却水系统 泵的转速1489rpm 流量813 5kg s 80 2 8 2GNPS核电站单级双吸离心泵 续 2 压力泵卧式双吸单级压力给水泵的结构如图2 5 6所示 蜗壳由马氏体不锈钢制造 为双蜗壳 蜗壳内设有多叶式扩散器位于蜗壳叶片的内侧 进口管由顶部进入泵壳 出口管位于壳体底部水平面上 进口导向器位于蜗壳的非驱动端 并固定在蜗壳上 轴 叶轮 扩散器 导向器材料均为马氏体不锈钢 轴的表面镀铬 以使轴颈有硬的耐磨表面 轴封为机械密封 动环材料为碳化硅 静环材料为浸渍锑石墨 机械密封采用自循环系统水冷却 从密封室出来的水经热交换器和磁粗过滤器后再循环回去 还设有一个备用磁粗滤器 热交换器的循环冷却水 来自常规岛闭式循环冷却水系统 压力泵的转速5100rpm 流量813 5kg s 约3000m3 h 与增压泵串联运行扬程840m水柱 81 2 8 2GNPS核电站单级双吸离心泵 续 单级双吸离心泵在主给水泵系中的位置如下图所示 GNPS核电站主给水泵系统是汽机热力循环中的一个重要组成部分 它包括两台半容量汽动给水泵和一台半容量电动给水泵 电动给水泵作为备用 汽动给水泵装置 由前置增压泵 升压泵 减压箱 汽轮机 压力泵组成 增压泵和压力泵均为卧式双吸单级离心泵 由一台汽轮机带动 按增压泵 减速箱 汽轮机 压力泵顺序串联组装 如图2 5 7所示 电动给水泵装置的布局和汽动给水泵装置基本相同 只不过将汽轮机换成电动机 减速箱换成液力联轴器 位置也由前置泵向后移至压力泵与电机之间 如图2 5 8所示 82 2 8 3立式单级离心泵 GNPS核电站立式单级单吸离心泵 其结构简图如图2 5 10所示 它是核岛重要生水 SEC 泵主要性能参考如下 额定Q 3400m3 h额定H 25 5m转速n 1000rpm功率N 300KW该泵在重要生水系统中 重要厂用水系统 用来将设备冷却水系统传给的热量排入海中 是核岛的最终热阱 与设备冷却水系统一样是安全设施系统的专设支持系统 泵的吸入口处的水位为 3 00m 6 22m 以保证泵的净正吸入压头 NPSH 即允许汽蚀余量 h 83 2 8 4单吸多级离心泵 单吸多级离心泵按结构可分为卧式多级泵和立式多级泵 卧式多级泵又分为 分段式多级泵和水平中开式多级泵 我国用DA型DK型表示上述这两种多级泵 DA型离心泵的基本结构如图2 5 11所示 84 2 8 4 1GNPS核电站卧式单吸多级泵 右图为辅助给水泵 该泵为分段式卧式单吸多级泵 辅助给水泵的进 出口在泵体两端的上方 辅助给水泵有三台 一台由汽轮机驱动 100 的容量 另外两台由电动机驱动 50 的容量 由辅助给水泵构成的系统是专设安全设施系统 在压水堆中属于兼容系统 在电厂启动时代替主给水泵向主蒸发器供水 在事故情况下向主蒸发器供水 排出堆芯余热直至余热排出系统投入运行 它们的主要参数如下 汽动辅助给水泵主要性能参数 额定Q 200m3 h额定H 1100m转速n 5968 2200rpm电动辅助给水泵主要性能参数 额定Q 100m3 h额定H 1100m转速n 1485rpm功率N 500KW 85 2 8 4 1GNPS核电站卧式单吸多级泵 续 图2 5 13为上充泵 11级 该型泵为水平中开式单吸多级泵 上充泵的进 出口在泵体的一端 进口在下方 出口在上方 上充泵主要性能参数如下 额定Q 34m3 h额定H 1767m转速n 2980rpm功率N 350KW 86 2 8 4 2GNPS核电站立式单吸多级泵 右图为GNPS核电站立式多级泵结构图 它是核岛安全壳喷淋 EAS 泵 主要性能参数如下 额定Q 1050m3 h额定H 115m转速n 1485rpm功率N 490KW 87 2 8 4 2GNPS核电站立式单吸多级泵 续 GNPS核电站冷凝水泵 凝结水泵 是三级立式沉箱型结构 主要由吸入喇叭口 第一级蜗壳和第一级叶轮 泵的第二 第三级叶轮 支承管及排水弯头 机械密封 轴封 轴承和电动机组成 如图2 5 17所示 其主要参数如下 转速为1482rpm 扬程为215m水柱 流量为552 67kg s 约2000m3 h 从图中可以看出凝结水由喇叭口吸入 进入第一级叶轮 获得能量后由叶轮周缘排出 通过双蜗壳通道进入第二 第三级叶轮 再次获得能量后 从支承管及排水弯头中排出 88 2 8 5离心泵的选择方法和步骤 2 8 5 1利用产品样本中的 水泵性能表 来选择水泵这种方法适用于水泵结构型式已定的情况下单台泵的选择 其步骤是 1 确定计算流量和计算扬程 并换算为标准状态下的数值 2 在已定水泵系列的 水泵性能表 中查找某一型号的泵 要使计算流量和计算扬程与表中列出的代表性 一般中间一项 的流量 扬程一致 或者虽不一致 但在上 下两行工作范围内 如果有两种以上型号的泵都能满足要求 那就要权衡分析 通常选用效率较高 结构尺寸小 重量轻的泵 如果在某一型式的性能表中 选不到合适的型号 则应另行选择或者选定与计算值相接近 偏大 的泵 通过变径 变速 调节等措施 改变泵的特性使之符合要求 3 在具体选定了泵的型号后 要校核泵在系统中运行时的工作情况 看它在流量 扬程变化范围内 泵是否处在最高效率区附近工作 如果运行工况点偏离最高效率区较远 说明泵在系统中工作经济性较差 最好另行选择 89 2 8 5离心泵的选择方法和步骤 续 2 8 5 2利用水泵综合性能图 型谱图 选择水泵用水泵综合性能图选择泵的方法和步骤如下 1 首先确定计算流量和计算扬程 2 选择设备的转速 计算比转数 3 根据所选的类型 包括泵的台数和级数 在该型的 水泵综合性能图 上选取最合适的泵 并确定转速 功率 效率和工作范围 4 从 水泵样本 中查出该台泵的性能曲线 根据泵在系统中的运行方式 单台运行 并联或串联运行 绘出运行方式的性能曲线 5 根据泵的管路性能曲线和泵的运行方式的性能曲线 决定泵在系统中的工况点 如果效率变化的幅度不是太大 则选型就到此为止 否则应重复上述步骤 另选其它型号的水泵 直到满意为止 90 2 9轴流泵和混流泵 轴流泵和混流泵均属叶片式离心泵 均为高比转速泵 其比转速分别为300 500 500 1000 所以具有流量大 扬程低 效率高等特点 轴流泵和混流泵在核电厂中主要用于一回路的主泵和循环冷却水系统的循环冷却泵 轴流泵 如图2 7 1所示 主要部件 叶轮 导叶 扩压管 弯管 吸入管 泵轴和轴承等组成 91 2 9 1轴流泵 一 叶轮和导叶叶轮是由叶片 轮毂及动叶头所组成 为了提高轴流泵的效率 将叶片做成扭曲形状 叶片应该有良好的流线型并需进行精加工 轮与叶轮外壳间的间隙要适当轴流泵的叶轮有三种型式 1 叶片在轮毂中固定不动 叶片装置角不可调 2 叶轮为半调节的 叶轮拆下后 才能调节装置角 3 叶轮为全调节的 叶片装置角随时可调 液体从轴流泵叶轮流出后 有向前的轴向运动和旋绕运动 所以液体经过叶轮后的流动是螺旋形的前进运动 液体作旋绕运动时 摩擦损失会消耗掉这部份旋转运动的能量 为了把液体作旋绕运动的动能转变成压力能 装置了导向叶轮 92 2 9 1轴流泵 续 二 机翼理论 升力系数和阻力系数取决于机翼的相对厚度 断面形状 冲角 平行流与翼弦间的角度 表面粗糙度及雷诺数等 对各种不同的翼型 其数值可利用在风洞内的试验结果求得 冲角 93 2 9 1轴流泵 续 三 轴流泵的工作原理 当轴流泵的叶轮作顺时针旋转时 叶栅向右运动 液体相对于叶栅产生了沿翼型表面的流动 液体对翼型叶片产生一升力和一阻力 翼型叶片也对液体产生一大小相等方向相反的反作用力R 通过R 的作用 轴流泵将其叶轮的机械能传递给液体 使液体的压力升高 流速增加 94 2 9 1轴流泵 续 四 轴流泵的理论方程式 95 2 9 1轴流泵 续 五 轴流泵的性能和特性曲线 A点为最佳工况点Q H和Q N曲线有起伏 存在B C两个转折点流量为零时扬程可达最佳工况时的扬程两倍左右 转速为常数 叶片装置角为一定值时 96 2 9 1轴流泵 续 六 轴流泵的特性曲线起伏分析 当轴流泵的流量减小时 液体相对速度与圆周方向之间的夹角减小 液体流入组成叶栅的翼型时的冲角 液流方向与翼弦之间的夹角 增大 冲角增大 作用在翼型上的升力就增加 泵的扬程就增大 冲角大到一定程度则流体在翼型表面上分离产生脱流 如流量还继续减小 因为不同半径处的扬程不等 产生二次回流 使扬程又迅速升高 效率曲线在小流量时 由于二次回流 水力损失大 所以效率曲线下降较快 高效率区比离心泵效率区狭窄 轴流泵在起动时出口阀门应开启 97 2 9 1轴流泵 续 轴流泵一般采用改变叶片装置角的方法来调节流量 七 轴流泵的流量调节调节原理 机翼理论 改变升角 改变翼型叶片的翼弦与来流速度方向之间的夹角 通过改变叶片装置角 则升力系数就改变 升力也随之变化 升力变化后 轴流泵所输送的流量及扬程也随之改变 这样 就达到调节轴流泵的目的 构全调节的轴流泵动叶片调节机构 一般分为下列几种 1 杠杆式动叶片调节机构 2 蜗轮蜗杆式动叶片调节机 3 机械液压式动叶片调节机构 轴流泵采用改变叶片装置角的调节方法 调节效率较高 不产生节流损失 而且泵在叶片调节以后 仍能在最佳效率区内工作 可调叶片的轴流泵 如停运时间长 应注意防止腐蚀 必要时将吸入闸门关闭后 应设法放出水泵内的水 并需将泵轴顶起 以便使推力瓦进油 98 2 9 1轴流泵 续 轴流泵流量调节是采用改变叶轮叶片装置角的方法来达到 叶片装置角调节机构可采用液压 也可采用机械 如下图所示 99 2 9 1轴流泵 续 轴流泵的汽蚀避免轴流泵汽蚀措施汽蚀产生的原因 泵的运转或安装布置的不合理 1 泵的叶轮长期没有足够的侵入深度 2 泵的吸入喇叭口与进水沟底 没能保持所要求的距离 3 干水位过低 特别是旱季 使水流产生较大的漩涡而进入泵内 4 几台轴流泵在同一进水沟内运行 产生了相互干扰 5 水流道前的拦污栅或旋转网设计或选用的不合理 一般要求 它的水流流速以不超过0 3米 秒为宜 6 运行方式的配备不合理 特别是在进水流道设计过小或水位较低 100 2 9 2混流泵 混流泵的性能和基本结构和轴流泵很相似 均为高比转数泵 它的工作原理和基本理论也和轴流泵相同 由于轴流泵的流量很大扬程较低 应用的范围受到限制 而混流泵却具有流量大 扬程比轴流泵高 汽蚀性能比轴流泵好的特点 由于混流泵具有流量大和扬程高的特点 因此在压水堆核电厂重要回路上被广泛使用 101 2 9 2混流泵 续 GNPS核电站混流泵 102 2 9 2混流泵 续 103 2 9 2混流泵 续 轴密封组件 轴封 主泵的轴封要求很严格 为防止泄漏 由安装在泵轴上的三级串联机械密封来完成 如a图所示 轴封安装在泵的径向轴承上方 1号轴密封是轴密封组件中最重要的部件 见b图 为液膜式端面密封 机械密封 1号轴封的动环和静环的密封面材料都是氧化铝 动环在下边 随泵轴而旋转 静环在上边 不转动 两端面之间的间隙为0 1mm左右 之间形成一层水密封薄膜 动环和静环的两密封端面在两侧相对滑动 水密封薄膜由RCV来的高压冷却水由外侧流向内侧形成 故不会直接接触而产生磨损 由高压冷却水的压力使密封件自动处于平衡状态 为使一号轴封正常运行 严格规定在反应堆RCV冷却剂系统压力低于2 5MPa 25bar 时 决不可启动主泵 注入一号轴封的冷却剂流量为 q1 700L h 压力必须大于反应堆冷却剂泵吸入压力 2号轴密封位于1号轴密封的上方 为压力平衡摩擦端面机械密封 动环密封面为碳化铬 静环密封面材料为石墨 2号密封的润滑是由1号轴密封泄漏量的一小部分 q2 7 7L h 而绝大部分流量则由2号轴密封构成的屏障迫使其通过1号轴密封引流管回到RCV系统进行再循环 2号轴密封的作用是阻挡1号轴密封的泄漏 并设计成在1号轴密封损坏的应急情况下 无论在转动状态或者静止状态 都能承受反应堆冷却剂系统的全部压力 此时它可以代替一号轴密封 并可像液膜面端面密封那样运转轴密封 104 2 9 2混流泵 续 2号轴密封泄漏 7 6L h 被引流到RPE系统 反应堆冷却剂疏水系统 3号轴密封位于2号轴封的上方 是阻挡2号轴密封的泄漏 它是一种机械摩擦端面双效应机械密封 低压接触式机械密封 3号密封的动环密封面材料为碳化铬 静环密封面材料为石墨 它承受的压差最小 它能限止每小时泄漏量在0 1升以内 这样小的泄漏量用来冷却和润滑接触端面是足够的 3号轴密封的润滑和冷却是由反应堆硼和水的补给系统 REA 注入的密封水来润滑轴封表面并防止硼析出 由REA注入的密封水分成两部分 一部分进入2号引露管线 引流到RPE系统 另一部分作为3号轴封水密封液膜的注入水 形成3号水密封液膜的水量仅为0 1L h 沿3号密封向上流动 通过3号密封引流管直接引流到RPE系统 105 2 10屏蔽泵 106 2 11容积泵 2 12 1容积泵工作原理 利用容积的变化使压力产生变化 从而使容积泵中的吸入阀和排出阀依次打开和关闭 容积由小变大时 排出阀关闭 吸入阀打开而抽吸液体 当容积由大变小时则吸入阀关闭 排出阀打开而排出液体 2 12 2容积泵的类型 容积泵有往复泵 回转泵等几种结构 2 12 2 1往复泵 往复泵是一种最常见的容积式泵 应用很广 它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀 从而吸入和排出液体 1 结构组成 主要部件有泵缸1 活塞2 活塞杆3 吸入阀4和排出阀5 见图2 9 1 2 特点 a 往复泵的流量只与泵本身的几何尺寸和活塞的往复次数有关 而与泵的压头无关 即无论在什么压头下工作 只要往复一次 泵就排出一定体积的液体 所以往复泵是一种典型的容积式泵 107 2 11容积泵 续 往复泵的理论流量可按下二式计算 单动泵式中 往复泵的理论流量 m3 min 活塞的截面积 m2 活塞的冲程 m 活塞每分钟的往复次数 1 min 双动泵式中 活塞杆的截面积 m2 b 往复泵的压头与泵的几何尺寸无关 只要泵的机械强度及原动机的功率允许 输送系统要求多高的压头 往复泵就能提供多大的压头 c 往复泵的吸上真空度亦随泵安装地区的大气压强 输送液体的性质和温度而变 所以往复泵的吸上高度也有一定的限制 但是 往复泵内的低压 是靠工作室的扩张来造成的 所以在开动之前 泵内无须充满液体 即往复泵有自吸作用 d 往复泵不能简单地用排出管路阀门来调节流量 一般采用回路调节装置 108 2 11容积泵 续 109 2 11容积泵 续 2 12 2 2计量泵 计量偏心轮的偏心距 来调节活塞的冲程 进而泵是一种典型的往复泵 又称比例泵 计量泵适用于要求输液量十分准确而又便于调整的场合 如向化