第十一章离心泵.ppt

1 离心泵 概述离心泵的工作原理和基本构造离心泵的基本性能参数离心泵的基本方程式离心泵的性能曲线离心泵装置的工况水泵相似律和比转数切削叶轮改变泵的性能离心泵并联及串联工作离心泵吸水条件和汽蚀离心泵的引水方法 流体输送机械 流体输送机械 为流体提供能量的机械 泵 输送液体机械 风机或压缩机 输送气体机械 水泵按作用原理分三类 1 叶片式水泵 利用装有叶片的叶轮 在高速旋转时完成对液体的输送 属于这一类的主要有离心泵 轴流泵 混流泵等 2 容积式水泵 依靠改变泵体工作室的容积来达到输送液体的目的 有活塞式往复泵 柱塞式往复泵 转子泵等 其它类型水泵 把不属于上述两类的水泵全部归纳为本类 主要有螺旋泵 射流泵 又称水射器 水锤泵 水轮泵 气升泵等 3 图叶片式泵结构示意图 a 离心泵示意图1 叶轮 2 压出室 3 吸入室 4 扩散室 b 轴流泵示意图1 叶轮 2 导流器 3 泵壳 c 混流泵示意图1 叶轮 2 导叶 离心泵的分类 按吸水方式可分为单面吸水泵 叶轮一面进水 和双面吸水泵 叶轮两面进水 按装置方式分为卧式泵 泵轴水平安装 和立式泵 泵轴竖直安装 按叶轮级数分为单级泵 单个叶轮 和多级泵 多个叶轮串联 按输送水质分为清水泵 污水泵和耐腐蚀泵 离心泵的工作原理 工作原理 在离心力的作用下 高速流体在涡形通道截面逐渐增大 动能转变为静压能 液体获得较高的压力 进入压出管 与此同时 叶轮中央液体被离心力甩向外部 产生真空 因此在水源水面大气压的作用下 水就通过吸水管进入进水口 或者说水从进水口 吸 进来 这样连续不断地出水和进水就构成了水泵的连续工作 6 图单级单吸卧式离心泵1 叶轮 2 泵轴 3 键销 4 泵壳 5 泵座 6 灌水孔 7 放水孔 8 接真空表孔 9 接压力表孔 10 泄水孔 11 填料盒 12 减漏环 13 轴承座 14 压盖调节螺栓 15 传动轮 离心泵的基本构造 1 叶轮一般可分为单吸式叶轮和双吸式叶轮两种 通常大流量的离心泵大都采用双吸式叶轮 图单吸式叶轮图双吸式叶轮1 前盖板 2 后盖板 3 叶片 4 叶槽 1 吸入口 2 轮盖 3 叶片 5 吸水口 6 轮毂 7 泵轴4 轮毂 5 轴孔 8 按其盖板型式分类 图叶轮形式 a 封闭式叶轮 b 敞开式叶轮 c 半开式叶轮 封闭式 两侧都有盖板 适用于输送洁净水的清水泵 半开式 只有一块盖板 敞开式 无完整的盖板 没有封闭的流道 它们的特点是杂物不容易堵塞流道 且易检修和去除污物 适用于抽送泥浆 污水等含有杂物的液体 2 泵体 通常做成蜗壳形 蜗壳内部的流道 从隔舌起顺着叶轮的转动方向 水流断面逐渐增大 泵体也称泵壳 3 泵轴 带动叶轮旋转的部件 它通过键销来带动 而泵轴则由电动机等来驱动 4 轴承 套在泵轴上支撑泵轴的部件 单级单吸离心泵在吸水端没有轴承支撑 成为悬空的 所以又称为悬臂式离心泵 单级单吸卧式离心泵1 叶轮 2 泵轴 3 键销 4 泵壳 5 泵座 6 灌水孔 7 放水孔 8 接真空表孔 9 接压力表孔 10 泄水孔 11 填料盒 12 减漏环 13 轴承座 14 压盖调节螺栓 15 传动轮 5 密封环 起密封作用 在叶轮 转动部分 进口外缘和泵壳 固定部分 内缘之间必然有间隙 为了既要保持较小的间隙 尽量减少漏水损失 同时又不致磨损泵壳或叶轮 又称减漏环6 填料函 在泵轴和泵壳之间必然存在有间隙 为了防止泵内的水漏出泵外或泵外的空气漏进泵内 在泵壳与泵轴之间 设置密封装置 叫做填料函或培根箱 为了使填料堵的紧密 在填料外面还要加一压盖 通常松紧控制使泵轴既能较轻松地转动 同时又只有微量滴水 7 轴向力平衡措施 单吸式离心泵 由于其叶轮不对称 所以在工作时叶轮两侧的压力不相等 形成了指向吸入端的轴向推力 采用专门的轴向力平衡装置来解决 否则会引起泵轴和叶轮的轴向窜动 导致零部件的磨损 引起震动和噪音 要消除这个轴向推力 在叶轮后盖外侧安装上密封环 同时在后盖板上开平衡孔 后盖外侧的水经密封环后压力下降 并经平衡孔流回叶轮中去 使叶轮后盖板上的压力与前盖板接近 剩下的轴向力由止推轴承承受 从而使轴向力得以平衡 图轴向推力1 排出压力 2 加装的减漏环 3 平衡孔 4 泵壳上的减漏环 离心泵的基本性能参数 1 流量 水泵在单位时间内所输送液体的体积 以符号Q表示 m3 h 2 扬程 单位重量液体通过水泵后其能量的增值 即单位能的增值 以符号H表示 m 水泵扬程的确定 当设计新建输水系统 所需要的水泵扬程为 式中 H0 静扬高 hw1 吸水管的水头损失 hw2 压水管的水头损失 hw 吸 压水管的水头损失之总和 对于运转中的水泵 所需扬程H为 如果p1为真空度 p1则为负值 hW 0 v1 v2 h 0 离心泵的基本性能参数 3 轴功率 原动机输送给水泵的功率 以符号N表示 常用单位为千瓦 有效功率 水泵传输给液体的功率 有效功率通常以符号Nu表示 计算公式 4 效率 水泵的有效功率与轴功率之比值 由此可得到水泵的轴功率 离心泵的基本性能参数 5 转速 水泵叶轮的转动速度 以符号n表示 单位为转 分钟 各种水泵都是按一定的转速来进行设计的 如果使用时水泵的实际转速不同于设计转速时 则水泵的其它性能参数 如流量Q 扬程H 轴功率N等 也将会按一定的规律变化 6 允许吸上真空高度 指水泵在标准状况下 即20 一个标准大气压 运转时 水泵所允许的最大吸上真空高度 以符号HS表示 单位为米水柱 气蚀余量 指水泵进口处 单位重量液体所具有超过饱和蒸汽压力的富裕能量 以符号HSV表示 单位为米水柱 离心式清水泵 型号12Sh 28A转数1450转 分扬程10米效率78 流量684米3 小时轴功率23 9千瓦允许吸上真空高度4 5米重量660公斤出厂编号出厂日期生产厂家铭牌上型号12Sh 28A的意义 12 吸水口直径为12英寸 Sh 单级双吸卧式离心清水泵 28 比转数被10除的整数 即比转数为280左右 A 表示该水泵的叶轮已经切削小了一档 国际标准ISO2825 IS80 65 160 其意义为IS 国际标准单级单吸清水离心泵 80 水泵吸入口直径 mm 65 水泵出口直径 mm 160 水泵叶轮名义直径 mm 离心泵的基本方程式 液体在离心泵中的运动 可分解为两种运动速度 牵连速度 随着叶轮旋转而旋转的速度 用u表示 相对速度 相对于叶轮的速度 用W表示 绝对速度 液体相对于固定的泵壳的运动速度 是两个速度的合成 用C表示 20 液体牵连速度方向和叶轮上的圆周切线方向一致 液体相对速度方向和叶片方向相切 而液体绝对速度的方向则为牵连速度和相对速度合成速度的方向 可以绘制水泵叶轮中任何一个位置上的液体速度三角形 最有用的是液体在叶轮进口和出口的速度三角形 其中 足标 1 表示叶轮进口 2 表示叶轮出口 根据出水角的大小不同 可分为三种类型 当 90 时 叶片与旋转方向呈前弯式 当 90 时 叶片与旋转方向呈径向式 当 90 时 叶片与旋转方向呈后弯式 角的大小反映了叶片的弯度 是构成叶片形状和叶片性能的一个重要数据 在实际工程中 使用的叶片大多为后弯式叶片 离心泵基本方程式 基本方程式的推导 作以下假定 液流是恒定流 运动要素均不随时间变化 液流为理想液体 不考虑水头损失 叶片厚度为无穷薄 叶片的数量为无穷多 叶槽中叶轮同半径处液流的同名速度相等 根据动量矩定律 控制体上所受的合力对某一点的力矩等于单位时间内流出和流入该控制体的动量对该点的力矩之差 23 下标T表示理想情况下的参数 离心泵的基本方程式 也称欧拉方程 由于 得到 代入 基本方程式的讨论 为了使水泵的扬程最大 应使C1u 0 即进口处液体必须径向流入叶轮即 理论扬程HT的大小取决于圆周速度u2和切向速度C2u 由于所以增大叶轮直径D2 提高转速n 减小 都可以提高离心泵的扬程 水泵制造厂一般选用6 15 基本方程式的讨论 离心泵的理论扬程与被输送介质的容重无关 即同一台离心泵 输送不同的流体 所产生的理论扬程值是完全一样的 但水泵所消耗的功率却是不相同的 流体容重越大 水泵消耗的功率也越大 因此 当输送流体的容重不同 而理论扬程相同时 原动机所须供给的功率消耗是完全不相同的 基本方程式的讨论 水泵的扬程是由两部分组成 一部分为势扬程 H1 另一部分为动扬程 H2 在实际应用中 由于动能转化为压能过程中 伴有能量损失 因此 动扬程在水泵总扬程中所占比例越小 泵内部的能量损失也就越小 水泵的效率就越高 基本方程式的修正 假定与实际的差异 基本方程式是基于三个假定而导出的 与实际流动存在差异 实际叶轮的叶片数通常为2 12片 当叶轮旋转时 流道中的液流由于惯性 有保持原来状态的趋势 即有相对于叶轮作反向旋转的趋势 同时叶片的两侧还存在着压强差 所在流道中就形成反旋现象 流道中的液流不可能保持均匀一致 所以同半径处的同名速度不完全相等 28 修正后的理论扬程为 它与原理论扬程之间的关系为 式中 p为修正系数 由经验公式确定 由于实际液体在流动时会有水力损耗 如叶轮进 出口的冲击 叶槽中的紊动 弯道和摩阻损失等 因此水泵的实际扬程应为 其中 称为水力效率 离心泵的特性曲线 一 离心泵的理论特性曲线在转速n一定时 HT NT 与QT的关系曲线 HT QT性能曲线 HT QT 离心泵的特性曲线 NT QT性能曲线 NT QT 离心泵的特性曲线 二 离心泵的实际特性曲线当转速n一定时考虑了水力损失 容积损失和机械损失H N 与Q的关系曲线 最高效率点为工作点 性能曲线的比较 Q H性能曲线形状大致有两种 驼峰型由于工作的不稳定应尽量避免 较平坦的 流量变化大而扬程变化小 可用于自来水厂二级泵站 较陡降的 扬程变化大而流量变化小 可用于自来水厂一级泵站 H Q 离心泵装置的工况 一 管路系统特性曲线 二 离心泵装置的工况点 图解法 Q H 泵特性曲线 管路特性曲线 工作点 M HM QM 35 三 离心泵装置的工况点的变化 离心泵装置的工况点 是建立在水泵和管道系统能量平衡上 而一旦这种平衡关系被破坏 则离心泵装置的工况点也必然会改变 工况点的调节从两方面考虑 改变管道性能曲线 水位变化 阀门调节等改变水泵性能曲线 改变水泵转速 切削叶轮等 利用水泵出水阀门进行工况点的调节 称阀门调节 是一种作为临时性或小型泵调节的常用方法 36 水泵相似律 一 水泵叶轮相似的条件几何相似 相似泵的各对应尺寸成同一比例 且相应的叶片倾斜角相等 式中 任一线性尺寸的比例尺 D1 D2 b 为实际泵的叶轮内径 外径及宽度 D1m D2m bm 为模型泵的叶轮内径 外径及宽度 37 运动相似 相似泵的两叶轮对应点上水流的同名速度方向一致 大小成比例 即两水泵对应的速度三角形相似 38 相似定律 相同效率 在相似工况下 两泵性能参数之间的关系称为相似定律 1 流量之比 流量之比与转速的一次方及叶轮直径的三次方成正比 2 扬程之比 扬程之比与转速和叶轮直径的平方成正比 3 轴功率之比 轴功率之比与转速的三次方及叶轮直径的五次方成正比 离心泵相似律的应用 比例定律 两台泵几何尺寸一样 或同一台泵 40 比转数ns 比转数 对水泵叶轮进行分类比转数的意义是 在最高效率下 将水泵的几何尺寸按比例缩小 缩小到当有效功率Nu 1马力 扬程Hm 1m 流量Qm 75Nu Hm 0 075m3 s 这时模型泵的转数就称为比转数各变量的单位为 n 转 分 Q m3 s H m 应用时应注意 1 Q H为最高效率时的参数 即设计工况点 2 Q H是指单级 单吸泵的参数 若为多级泵 如四级泵 则扬程应取H 4 若为双吸泵 流量应取Q 2 41 例已知12sh 13型泵 额定参数为 Q 220L s H 32 2m n 1450转 分 试核算其比转数ns 解 由于是双吸式水泵 所流量应取Q 2 110L s 例一台D型多级泵 叶轮级数为8级 已知最高效率时Q 280m3 h H 520m n 1450转 分 求比转数ns 解 泵的单级扬程为 所以有 42 比转数的意义 比转数ns小 表示流量Q小 扬程H大 而ns大 则表示Q大 H小 因此 知道了ns 就可大致知道Q与H的关系 如12sh 6和12sh 28 前者比转数ns 60 后者为280 由于进口直径一样 就可知流量差不多一样大 而由于前者比转数比后者小 所以 应该前者的H大 后者的H小 查样本可知 H1 90m H2 12m 根据比转数的大小 对叶片泵进行分类 ns 50 350 为离心泵 ns 350 500 为混流泵 ns 500 1200 为轴流泵 43 44 比转数的意义 比转数ns的不同 还能反映水泵特性曲线的形状不同 曲线 随着ns的增大 曲线逐渐变陡 45 Q N曲线 随着ns的增大 曲线逐渐平坦 但ns大到一定数值时 曲线重新变陡 所以 ns小的叶片泵 为避免启动电流过大 应闭闸启动 Q 曲线 比转数ns小 曲线平坦 高效区宽 经济性能好 而比转数ns愈大 高效区愈窄 46 切削叶轮改变泵的性能 切削调节 沿外径车小水泵的叶轮 可以改变水泵的性能曲线 扩大水泵的使用范围 切割定律 切削量 47 离心泵并联工作 并联工作 几台水泵向一条公共管道供水特点 增加供水量 增强供水可靠性 调节水量方便 并联工作计算规则 流量规则 Q并 Q1 Q2 扬程规则 H并 H1 H2 48 水泵并联运行的效率 并联台数过多会使工作点移出水泵的高效区范围 49 离心泵串联工作 串联工作 后一台水泵的吸水管接在前一台水泵的压水管上 特点 增加扬程 有时还可增加流量 串联工作计算规则 流量规则 Q串 Q1 Q2 扬程规则 H串 H1 H2 多级泵 多个叶轮串联起来的水泵 离心泵汽蚀现象 汽蚀现象 叶轮旋转时 如进口处的压强降到等于或小于液体汽化压强时 就会有蒸汽及溶解在液体中的气体大量逸出 形成许多由蒸汽和气体混合的小气泡 并随液体流到高压区时 气泡受压会突然破裂 液体质点从四周向气泡中心作加速运动 质点互相撞击 形成强烈地局部水击现象 瞬间的局部水击压力可达数十MPa 若这种撞击在金属表面的附近发生 就会对金属产生频率高 压力大的水击作用 导致叶轮表面产生腐蚀 出现蜂窝状的麻点和孔洞 汽蚀危害 汽蚀产生时 水泵将有很大的噪音和震动 水泵性能明显变坏 流量Q 扬程H 效率 急剧下降 甚至抽不上水 离心泵的安装高度 离心泵的安装高度HSS1 允许吸上真空度HS Hs的校正 如果水泵不在标准条件下运转 必须根据变化了的实际条件把HS值进行修整 ha 实际大气压 m ht 实际温度下水的汽化压力 m HS 水泵厂给定的允许吸上真空高度 m H S 修正后的允许吸上真空高度 m 2 气蚀余量 h 例题 某离心泵在样本中查得允许吸上真空度为6m 现将泵安装在海拔高度500m处 水温40度 问 1 修正后的H s 2 若吸入管路压头损失为1m 流速水头为0 2m 该泵安装在离水面5m高处是否合适 解 水40 ht 0 75mH2o 500m处ha 9 70mH2O Hs Hs 10 33 ha ht 0 24 6 10 33 9 70 0 75 0 24 5 88m Hss Hs v2 2g hf 5 88 0 2 1 4 68m计算的允许安装高度值 4 68m 低于实际安装高度值 5m 因此泵安装高度不合适 例题 用油泵从贮罐向反应器输送异丁烷 密度530kg m3 罐内