泵与压缩机-离心泵.ppt

泵与压缩机 主讲 冯进长江大学机械工程学院 1 10离心泵的系列及选用 一 离心泵的系列化为便于成批生产制造各种离心泵 又能满足使用单位工艺参数的需要 且泵在高效区工作 这是离心泵系列化要解决的主要问题 离心泵的系列化 就是制定一整套泵性能曲线型谱 即把同类型的离心泵的切割高效工作区四边形绘在一个坐标图上 使泵高效区四边形充分复盖各部门所提出的工作点 考虑泵运行的经济性 要求泵应在较高效率范围工作 通常规定以最高效率下降为界 一般取 对同类型的泵 切割高效工作区四边形绘如图示 二 离心泵的选用1 注意事项 1 必须满足生产工艺提出的流量 扬程及输送介质性质的要求 2 离心泵应有良好的吸入性能 为保证正常运转 常采用灌注或正压吸入措施 此外 轴封严密可靠 防止易燃 易暴的油品泄漏 润滑冷却良好 零部件有足够的强度 操作和维修方便 3 泵的工作范围广 即工况变化时仍能在高效区工作 4 泵的尺寸小 重量轻 结构合理 成本低 5 其它特殊要求 加防暴 抗腐蚀等 油库用泵的流量一般在100 500m3 h 扬程小于100 200m 集输用泵的流量为10 1250m3 h 扬程为25 500m的范围内 长输管线用泵的特点是流量大 450 6000m3 h 扬程高 400 770m 2 选泵方法和步骤 1 列出基础数据根据工艺条件 详细列出基础数据 包括介质的物理性质 密度 粘度 饱和蒸气压 腐蚀性等 操作条件 操作温度 泵进出口两侧罐内压力或管内压力 处理量等 以及泵所在位置情况 如环境温度 海拔高度 装置情况 进排出侧设备 或管线 内液面至泵中心线距离和管线当量长度等 2 估算泵的流量和扬程当工艺设计中给出最小流量 正常流量和最大流量时 可直接采用最大流量选泵 若只给出输送的正常流量QP 则应采用适当的安全系数估算泵的流量 一般取 Q 1 05 1 1 QP 当工艺设计中给出所需最大扬程时 可直接采用 若需要估算扬程时 应先画出泵装置的立面流程图 标明离心泵在流程中的位置 标高 距离 管线长度及管阀件数量等 考虑泵在最困难条件下 例如处理量增大 管线安装误差和工作过程中阻力损失变化等影响 计算流动损失 确定所需扬程HP 根据需要 再留出些余量 最后估算出选泵扬程 一般取 H 1 10 1 15 HP 3 选择泵的类型及型号根据被输送介质的性质而确定应选用泵的类型 例如 当输送介质腐蚀性较强时 则应从耐腐蚀的系列产品中选取 当输送石油产品时 则应选各种油泵 在选择型式时 可先由流量 扬程及转速计算出比转数 以决定泵的类型 在正常操作时 一般只选用一台泵 但在需要流量增大 扬程提高的某些特殊情况下 也可采用多台泵并联或串联工作 尽量不要使泵的工作台数过多 以免管路复杂 操作维修不便 成本费用偏高 然而除间歇操作的泵外 为保证可靠的连续性生产和工作条件变化的灵活性 应适当地考虑有备用泵 在选用多台离心泵联合工作时 应尽可能采用型号相同的泵 以便于操作和维修 当选定泵的型式后 可根据流量Q和扬程H值 从离心泵性能规格表 见附录 中选定泵的型号 更常用的方法是将流量Q和扬程H值标绘到该型式泵的系列性能曲线型谱图上 看其交点P处在那个切割高效区四边形中 即可读出该四边形中所注明的离心泵型号 如果交点P并不恰好在四边形上下底边上 则选用该泵后 可以应用改变叶轮直径或工作转速的方法 改变泵的性能曲线 使其通过P点 4 核算泵的性能为了保证泵正常运转 防止发生汽蚀 要根据流程图的布置 计算出最困难条件下泵入口的实际吸上真空度HS或泵内汽蚀余量 与该泵的允许值比较 或根据泵的允许吸上真空度 HS 或泵的允许汽蚀余量 计算出泵允许的几何安装高度 Hg 与工艺流程图中泵拟确定的安装高度相比较 若输送油品 粘度影响不可忽略的 应先进行性能换算后再校核 当不能满足时 就必须另选其它泵 或变更泵的位置 或采取其它措施 若采用一泵多管线工作时 必须较精确地算出各种不同使用条件下所需的扬程 校核所选泵在该条件下所产生的扬程是否满足 5 计算系的轴功率和驱动机功率根据所输送介质及工作点参数 Q H 可求出泵的轴功率 即 选用驱动机的功率时应考虑10一15 储备功率 则驱动机的功率为 1 11离心泵的主要零部件 一 叶轮叶轮是离心泵中传递能量的主要部件 对叶轮的主要要求是 单级时轮能给予液体较大的理论扬程 以便在达到高扬程时 采用较少的级数 使机器结构紧凑 叶轮的效率较高 抗汽蚀性能好 性能曲线形状满足工艺生产要求等 1 叶片数离心泵的叶轮大多数为后弯叶片型叶轮 只有小流量 高扬程的高速部分流泵和旋涡泵等采用径向叶片型叶轮 对常用的后弯叶片型叶轮的时片数一般在6一12片之间 对ns 60 250的泵 常为6叶片 低比转数泵可取9叶片 高比转数泵可为4 5叶片 2 叶片形状离心泵叶轮的叶片形状有二类 即圆柱面状叶片和扭曲时片 石油储运用离心泵中 ns 90 一般都采用圆柱面状叶片 它垂直于叶轮的前后盖板 制造较容易 对ns 90的泵 常采用扭曲叶片 2 叶片安装角后弯叶片型叶轮叶片的出口叶片角和进口叶片角对泵的性能有重要的影响 叶片出口叶片角一般是在160 400之间 石油储运用泵为200 300 叶片进口角通常是按设计流量下液流进叶道时绝对速度c1的方向角 1来定的 为了提高泵的抗汽蚀性能 一般采用正冲角 正冲角能增大叶片进口角 减小叶片的弯曲 从而增加叶片进口过流面积 在非设计流量下 液体在叶片非工作面形成旋涡 旋祸是稳定的 对汽蚀影响较小 叶片进口角大约在180 250范围内 3 叶轮的结构型式叶轮的结构分为闭式 半开式和开式三种 如图所示 闭式叶轮具有盖板和轮盘 流道是封闭的 这种叶轮水力效率较高 适用于高扬程 输送洁净的液体 半开式叶轮只有轮盘 流道是半开启的 适用于输送含固体颗粒和杂质的液体 开式叶轮既无盖板 又无轮盘 流道完全敞开 常用来输送浆状或物状液体 二 蜗壳 导叶及吸入室蜗壳和导叶是离心泵的转能装置 它们的作用是把从叶轮甩出来的液体收集起来 使液体流速降低 把部分速度能头转变为压力能头后 再均匀地引入下一级或经过扩散管排出 1 蜗壳蜗壳的形状通常是按照泵在设计流量下液体在叶轮中作稳定的相对运动 离开叶轮后不受外力作用 按其惯性作自由流动的轨迹而作成 当自叶轮流出的液体不受外力 摩擦力等 作用时 则液流对旋转轴中心的动量矩保持不变 故有 根据连续性原理 蜗壳上任意点的半径R处的径向分速度 不计阻塞系数影响 为 若蜗壳宽度不变 则在定常流动时有 由此可见 液流在平行板式蜗壳内作自由流动 其流动轨迹的方向角不变 为一条对数螺旋线 为了减小径向尺寸 用不断扩大的扩张形轴面宽度 如图所示 这样 液流方向角 不再是常数 而是随半径R增大 增大而减小 但蜗壳截面的扩张角 不应大于600 以免因蜗壳通流截面扩大太快使液流发生严重的边界层分离 蜗壳尺寸缩小后 液体在螺旋线部分只有小部分动能转变为静压能 为了尽可能将动能转变为静压能 需在螺旋线末端加一扩压管 其扩张角为80 120 长度为扩压管进口截面直径的2 5 3倍 在扩压管内可使80一85 的动能转变为静压能 蜗壳的截面有圆形 矩形和倒梯形几种 其中圆形截面用于高比转数泵 倒梯形截面用于中比转数泵 矩形截面用于低比转数泵 蜗壳截面面积大小对泵的性能影响很大 对同一个叶轮 如果截面面积过小 则H一Q性能曲线变陡 最高效率点向小流量方向移动 效率降低 反之 若面积过大 则H Q性能曲线比较平坦 最高效率点向大流量方向移动 效率也降低 但不太显著 一般而言 比转数ns 60的泵 对蜗壳截面积变化比较敏感 比转数越大 影响也越小 2 导叶导叶的作用与蜗壳相同 多用于分段式多级泵中 按其结构型式可分为径向式导叶和流道式导叶 流道式导叶的正向导叶和反向导叶是铸在一起的 中间有一连续流道 使液体在连续的流道内流动 不易形成死角和突然扩散 速度变化比较均匀 水力性能较好 但结构复杂 制造工艺性差 3 吸入室吸入室位于叶轮前 其作用是将液体以最小的损失均匀地引入叶轮 吸入室有三种型式 锥形管吸入室 用于小型单级单吸悬臂式离心泵中 其结构简单 制造方便 在叶轮入口前使液流造成集流和加速度 流速均匀 损失较小 螺旋形吸入室的流动状况较好 速度比较均匀 但液流进入叶轮前有预旋 在一定程度上会降低些扬程 对低比转数泵 这种影响不明显 目前我国悬臂式离心油泵和中开式多级蜗壳泵都采用这种吸入室 环形吸入室结构简单 轴向尺寸短 但液流进入叶轮前有撞击和旋涡损失 液流也不太均匀 常用于多级分段式离心泵中 三 轴封装置旋转轴和固定壳体之间的密封称为轴封 其作用是防止液体从泵内泄漏到外面 或当泵内压力低于大气压力时防止空气进入泵中 尽管轴封装置所占的位置不大 但对机器的正常运转十分重要 是最容易发生故障的零部件之一 最早采用的轴封装量是填料密封 现在使用得最多的一种带液封环的填料密封型式 带液封环的填料密封 1 机械密封的工作原理机械密封结构类型很多 不论何种机械密封类型 都由四类部件组成 1 主要密封件 摩擦副 动环2 旋转环 及静环1 固定环 用转销防止它转动 2 辅助密封件 密封圈 O形成V形等 7 8等 3 压紧件 弹簧4 推环等 4 传动件 弹簧座5及键或固定螺钉6等 密封环的受力情况 如图所示 设密封处在平衡状态 这时 动环右侧有液膜压力形成的推开力P0 以及密封面间的压紧力P 作用于动环左侧有介质压力产生的作用力Ps以及弹簧力Psp 由动环上力的平衡可写出 端面比压 如果用pm表示平均液膜压力 则 用psp表示弹簧比压力 则 端面比压写为 设 若p0沿径向成线形变化 即 2 机械密封的分类机械密封的结构型式很多 主要根据摩擦副 弹簧等零件的不同配置 介质在端面上的比压情况 介质泄漏方向等来分类 1 内装式与外装式 弹簧置于工作介质之内的叫内装式 弹簧在工作介质之外叫外装式 内装式的端面比压随介质压力增大而增大 密封可靠性好 外装式完全靠弹簧力产生端面比压 无自动补偿性 因此 常采用内装式 2 平衡型与非平衡型称为非平衡型 称为平衡型 3 单弹簧与多弹簧 4 旋转式和静止式旋转式指弹簧随轴转动 大多数离心泵都用此种型式 因为结构简单 静止式弹簧静止不动 安装在静环后面 适用于速泵的机械密封 5 内流式与外流式工作介质沿半径方向由密封面外周向内泄漏的叫内流式 反之 从密封面内周向外泄漏的叫外流式 6 单端面与双端面单端面是在密封装置中只有一对摩擦副 双端面是指在密封装置中有两对摩擦副的情况 3 机械密封计算使用中的几个问题 1 摩擦副的材科通常材料选配时 动 静二环采用一硬一软配对 只有在特殊情况下 例如介质含固体颗粒时 才以硬对硬材料配对使用 2 端面比压p0的选取一般内装式的比压取为29 42 104 58 84 104pa 对于介质粘度大 润滑性良好时可取较大的比压 约为49 03 104 67 84 104pa 在内装式端面比压中 一部分由弹簧力产生的弹簧比压psp 一般选取psp为49 05 245 3pa 3 平衡型式的选择常采用平衡型密封 4 p 值影响摩擦副摩擦的参数不仅有端面比压pb 而且还有端面的线速度 一般用平均线速度 炭示 二者的乘积p 值也是衡量一对摩擦副工作情况的重要参数 通常对不同介质 不同材料组成的摩擦副 根据经验总结了允许的最高 p 值 请参考有关密封手册 5 密封面宽度b的选择常用的宽度b在2 6mm之间 轴径大时取大值 高速机械密封因滑动速度大 摩擦热量多 应取小值 时易挥发的介质 为避免发热多而造成介质挥发 也应取小值 四 轴向力 径向力及其平衡1 轴向力及其平衡 1 轴向力及其计算 盖板 轮盘和泵体之间的间隙内充满有压液体 受叶轮旋转时摩擦力的作用 间隙内的液体也会随叶轮作旋转运动 一般认为两侧间隙内液体压力分布规律相同 假定间隙中液体以角速度旋转 若液体密度为 产生的离心力为 实践证明 间隙内液体的旋转角速度为叶轮旋转角速度的一半 根据受力平衡关系得 当r r2时 p p2 因此 有 在叶轮入口r1以上 叶轮两侧液体压力分布呈对称 则其作用力可互相平衡 不产生轴向力 但在r1以下叶轮轮盘上受有按上述抛物线规律分布的液体压力p 而轮盖侧则是均布的入口压力ps 设叶轮两侧轮毂半径相等 皆为rm 则轴向力为 在计算离心泵的轴向力时 常以p2 ps gHp代入上式 Hp表示单级叶轮产生的静扬程 于是离心泵轴向力Al的计算公式可写为 2 轴向力的平衡由于轴向力相当大 必须考虑它在泵运行中对轴和轴承的影响 因此 除了个别的单级小型泵利用滚珠轴承承受轴向力外 一般都需采取平衡轴向力的措施 A 单级离心泵的平衡措施a 采用双吸叶轮 b 开平衡孔或装平衡管 c 采用平衡叶片 B 多级离心泵的平衡措施a 对称布置叶轮 b 采用平衡鼓 平衡鼓一般能平衡90一95 的轴向力 并且减轻了轴封箱内的压力 c 采用自动平衡盘 这种方法的优点是在不同工况下可自动全部平衡轴向力 d 采用平衡盘与平衡鼓组合的平衡装置 平衡鼓可以平衡50一80 的轴向力 这样就减轻了平衡盘的负荷 从而可采用较大的轴向间隙 避免因转于串动而引起平衡盘与泵体的摩擦 2 径向力及其平衡 1 径向力及其计算具有螺旋形压液室的泵 在运行中会产生作用于叶轮上的径向力 2 径向力的平衡在单级蜗壳泵中 可以