过程流体机械PPT演示课件

过程流体机械,3-12012.2,1,3化工泵,泵是把原动机的机械能转换给液体的势能或动能的机械3.1泵的分类及用途,2,分类按工作原理和结构型式分按泵形成的流体压力分低压泵6MPa按输送介质分清水泵、杂质泵、油泵、耐腐蚀泵等,3,泵,叶片式泵（透平式泵）,离心泵轴流泵混流泵旋涡泵,容积式泵,其它类型泵,往复泵,活塞泵柱塞泵隔膜泵,回转泵,齿轮泵螺杆泵滑片泵,喷射泵水锤泵真空泵,4,用途水利、灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程化工生产用泵特点数量大、种类多，输送的介质往往有腐蚀性，有的在高温、高压下工作,5,在各种泵中，离心泵应用最为广泛，因为它具有结构简单、体积小、质量轻、流量稳定、易于制造和便于维护等一系列优点,6,本章主要内容着重讨论离心泵的工作原理、气蚀、性能、调节和选型应用等对其它类型泵的简介,7,3.2离心泵的典型结构与工作原理,离心泵的典型结构、分类及命名方式典型结构叶轮、转轴、吸液室、压液室、扩压管（在泵壳上）、密封、密封环等,8,扩压管,叶轮,密封环,吸液室,主轴,压出室,密封,9,吸液室把液体从吸入管吸入叶轮叶轮旋转吸入的液体，使其获得压力能和动能压出室（蜗壳）把从叶轮流出的液体收集起来送入扩压管，同时是液体减速增压扩压管接出口管，进一步将液体的动能转换为压力能,10,11,12,离心泵的分类按流体吸入叶轮的方式分类单吸式泵双吸式泵按级数分类单级泵多级泵,13,14,15,16,按泵体形式分类蜗壳泵筒形泵按主轴安放方位分类卧式泵立式泵斜式泵,17,18,离心泵的命名方式离心泵的命名目前还没有国家标准，但一般用汉语拼音字母来代表泵的名称,19,泵的类型，A或B或C表示叶轮外径经过一、二、三次切割,多级泵级数，单级泵不标,新-扬程或流量-扬程，老-比转速,泵的基本型式，用拼音字母表示,泵的吸入口直径，新型-mm，老型-in,20,注意IS单级单吸清水离心泵的命名方式不同：它由基本型式代号、吸入口直径（）、压出口直径（）和叶轮名义直径来表示例如：IS50-40-120,21,离心泵的工作原理及基本方程离心泵的性能参数流量qV单位时间内从离心泵的排液口排出的液量，单位一般是m3/min或m3/h理论流量单位时间内流入泵作功部件里的液体量,22,扬程H单位质量液体流过泵后的总能量的增值，单位为m-液柱H=EoutEin式中，E为单位质量液体的总机械能理论扬程作功元件对流经叶轮的单位质量液体所作的功,23,扬程计算式,由于泵进出口截面上的动能和高度差均不大，而液体密度为常数，因此扬程主要体现的是压力的提高,24,转速n离心泵叶轮的转速，单位是r/min气蚀余量（净正吸头）NPSH表示气蚀性能的主要参数，单位是m泵的允许吸上真空度（Hs），或泵的允许吸入高度，单位以m-液柱表示,25,功率有效功率单位时间内泵排出的液体从泵中取得的能量Ne=grqVH/1000，kW内功率（水力功率）单位时间内作功元件所给出的能量轴功率N单位时间内有原动机传递到泵主轴上的功,26,效率容积效率衡量泵泄漏量大小也即密封好坏的指标hV=(qVtHtqHt)/qVtHt水力效率衡量液体流经泵的阻力损失大小的指标hhyd=H/Ht,27,离心泵中的能量损失,由于液体流过离心泵时有能量损失，使泵的扬程H比理论扬程Ht小。可按下式计算,28,离心泵能量损失能头由三部分组成。沿程摩擦损失能头液体流经吸液室、叶轮、转能装置、压液室及扩压管等时，由于粘性阻力，将产生摩擦损失，使机械能转换为热能,29,局部阻力损失包括流道的转弯、收缩及扩大等所产生的阻力能头冲击损耗能头液体流入叶片流道及转能装置时产生的冲击损耗能头能量损失可以用水力效率衡量,30,机械效率衡量泵运动部件间机械摩擦损失及轮阻损失大小的指标hm=rgqVtHt/N泵效率（总效率）衡量泵工作是否经济的指标。总效率为上述各种效率的乘积h=hVhhydhm不同类型泵的效率参考值见表4-2,31,离心泵工作原理及基本方程离心泵的工作过程在启动离心泵之前应关闭出口阀门，灌泵使泵内充满液体。开启出口阀门，启动原动机使叶轮旋转，叶轮驱使液体旋转产生离心力，甩向压液室，并经扩压管排出泵,32,同时，在泵的吸液室形成真空，在吸液槽和叶轮入口中心线处的液体间就产生了压差，槽中的液体在这个压差作用下不断地经吸入室进入叶轮之中，从而使离心泵连续地工作,33,离心泵工作原理通过高速旋转的叶轮将转动机械能传递给液体，使液体获得动能和压力能，再通过扩大的压液室和扩压管的流道，进一步把大部分动能转换为压力能，从而提高泵出口液体的压力,34,离心泵的基本方程式,液体在叶轮中的运动分析假定液体是理想流体流动是稳态的离心泵叶轮具有无限多、无限薄的叶片,35,36,37,运动分析叶轮圆周速度u又称为牵连速度，其值=叶轮旋转角速度相应点半径值相对速度w液流相对于叶轮的速度液流绝对速度c牵连速度与相对速度的矢量和,38,a液流绝对速度与圆周速度间的夹角b液流相对速度与圆周速度反方向间的夹角液流绝对速度可以分解为周向分速度和径向分速度（轴面速度）,39,液流绝对速度的周向分速度,液流绝对速度的径向分速度,40,离心泵的速度三角形,c,u,w,a,b,w,41,进一步说明如果叶片为无限多、无限薄的叶片，故液体的流入、出速度和叶轮轮缘切线的夹角与叶片和叶轮轮缘切线的夹角相等如果为有限个有一定厚度的叶片，由于涡流的存在，两者不相等，此时后者用bA表示，称为叶片的安装角（离角）,42,离心泵的基本方程式欧拉涡轮方程式表示旋转叶轮传递给单位质量液体的能量，也称理论扬程,43,根据三角形的余弦定律,44,45,势扬程动扬程,46,实际叶轮的型式分析叶轮是整个离心泵最重要的部件，叶轮的结构型式闭式叶轮半开式叶轮开式叶轮,47,闭,开,48,49,闭式叶轮,开式叶轮,半开式叶轮,50,闭式叶轮最常见，它的漏液少、性能好、效率高；缺点是制造难度较大，泵送有颗粒料浆时容易堵塞流道半开式叶轮分前半开式和后半开式叶轮两种，前者效率较低，后者效率基本与闭式叶轮相同。半开式叶轮制造难度较小，成本较低，且适应性强,51,半开式叶轮适用于输送含有固体颗粒、纤维等悬浮物的液体。开式叶轮是只有叶片和叶片加强筋，无前后盖板的叶轮。叶轮效率低，应用较少；主要用于输送粘度较高的液体，以及浆状液体,52,叶轮叶片的型式后弯型叶片径向型叶片前弯型叶片,53,54,后弯型叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相反，叶片离角b2A90，由于液流在这种液道中流程短转弯大，其效率较低，稳定工作范围较窄，在离心泵中很少采用,56,实际叶轮的理论扬程实际上，叶片数是有限的，液体存在涡流和滑移，应作修正斯陀道拉公式,57,普夫莱德尔公式m滑移系数（环流系数）p修正系数,58,叶片离角对理论扬程的影响若液体进入泵时无预旋，切向分速度c1u为零，无限多叶片叶轮的理论扬程方程式可改写为,59,当离角b2A增大时，Ht随之增大；反之，Ht将减小当b2A=90时，Ht=u22/g当b2A90时，若取c2u=2u2则Ht=2u22，则势扬程降为零，泵的理论扬程全部表现为动扬程的形式，能量损失增大,60,b2A的取值一般小于90b2A=1640取值在这一范围的叶轮称为强后弯叶片型或水泵型叶轮,61,3.3离心泵的工作特性,在很多情况下，根据输送液体和管路系统的实际情况，除了要求泵有足够的扬程外，为了使离心泵能正常工作，还要求离心泵的入口压力不得低于某,62,一相应的最低允许值，或者说要求泵的入口处的真空度不得高于某一相应的允许最高真空度。该真空度常用液柱高度来表示，称为离心泵入口允许吸上真空度,63,泵的吸入特性就是指泵在工作时，其入口允许吸上真空度与流量间的关系特性现在已经用离心泵的汽蚀余量与流量的关系特性替代上述关系特性，来表示泵的吸入特性,64,离心泵的汽蚀及预防措施汽蚀现象在泵的特性试验中，如果设法使吸液池的压力pA逐渐降低，当降低到某种程度时，离心泵的扬程突然会出现明显的下降，液流变得不稳定，,65,其功率和效率曲线也有明显的变化，而且泵的噪音和振动也都加剧，离心泵的正常工作被破坏，这就是所谓的汽蚀现象汽蚀现象通常在输送温度较高的液体时更容易发生,66,67,汽蚀发生的机理及其危害汽蚀发生的机理液体在泵叶轮中流动时，由于叶片的形状和液流在其中突然改变方向等流动特点，决定了叶道中的压力分布，在叶片入口附近的非工作面上存在着某些局部低压区,68,69,当处于低压区的液流压力降低到对应温度的饱和蒸气压时，液面便开始气化（同时还可能将溶解在液体内的气体逸出）而形成许多气泡，气泡随液体流到压力较高出时，外面的液体压力高于气泡内的压力，则气泡就会凝结溃灭（重新溶解）形成空穴,70,在气泡溃灭的瞬间，气泡周围的液体迅速冲入气泡溃灭形成的空穴，就像无数小弹头一样，连续地打击金属表面（其压力可高达数百大气压，频率可达20003000Hz），并伴有局部的高温、高压水击现象，其结果会使金属表面会因冲击疲劳而剥裂水滴石穿,71,72,由液体气化、凝结、冲击，形成高压、高温、高频冲击载荷，造成的金属材料的机械剥裂与电化学腐蚀破坏的综合现象称为汽蚀一般认为汽蚀对流道表面材料的破坏主要是机械剥蚀造成的，而化学腐蚀则进一步加剧了材料的破坏,73,汽蚀的危害泵的过流部件表面受到机械性质的破坏，此外，如果液体气化时放出的气体有腐蚀性，还会产生一定的化学性质的破坏（但前者的破坏是主要的）。严重时，叶轮的表面（尤其在叶片入口附近）呈蜂窝状或海绵状的裂痕，更为严重的是叶片或盖板穿孔,74,泵的性能突然下降。汽蚀使过流部件和流体之间的能量转换遭到严重的干扰，流道不但受到气体堵塞，而且流动损失增大，使泵的性能下降，严重时，泵中液流中断，泵不能工作汽蚀使泵产生噪音和振动。发生汽蚀时，气泡在压力较高处不断地溃灭，产生强烈的水击，使泵产生振动和噪音,75,汽蚀也是水力机械向高流速发展的巨大障碍。因为液体流速越高，会使压力变得越低，更易气化发生汽蚀,76,形成汽蚀的条件泵发生汽蚀是由于叶道入口附近某些局部低压区处的压力降低到液体的饱和蒸汽压，导致部分液体气化所致，所以，凡是能使局部压力降低到液体气化压力的因素，都可能是诱发汽蚀的原因,77,当液体介质一定时，发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置两个方面决定的，故研究汽蚀发生的条件应该从这两个方面考虑,78,79,从吸入液面到泵内流道低压区K点列柏努利方程,液体从叶道进口到K点过程中叶轮加给液体的部分扬程,80,从泵的吸入装置方面考虑：液面压力，泵的安装高度或吸入管路的阻力损失，都会使压力pK，从而使泵的汽蚀容易产生从泵自身情况考虑：从泵入口到低压区之间的阻力损失和液流速度都会使pK，低压区K的位置对汽蚀也有影响,81,液体的性质的影响：液流的温度，液体的挥发性，则液体的饱和蒸汽压，不必等pK降到很低时，泵就会发生汽蚀。因此，高温液体、易挥发的液体容易引起汽蚀,82,汽蚀余量与汽蚀判别式汽蚀余量,不发生汽蚀条件pKpV,83,忽略z的影响,有效汽蚀余量NPSHa,泵必需的汽蚀余量NPSHr,84,有效汽蚀余量NPSHa是指有效净正吸入压头泵必需的汽蚀余量NPSHr相当于过去的最小气蚀余量如果用泵入口的参数计算，有,85,有效汽蚀余量实质上就是流到泵入口处的液体所具有的能量头比气化压力所富余的部分能量头。显然，有效汽蚀余量NPSHa越大，泵越不会发生汽蚀有效汽蚀余量数值的大小与泵吸入装置的条件有关，而与泵本身的结构尺寸无关,86,泵必需的汽蚀余量是表示泵入口到叶轮内最低压力点K处的静压能量头降低值。它与泵结构和液体的流动状态有关，与管路特性无关，它是离心泵的一个特性参数，NPSHr愈小表示该泵的耐汽蚀性愈好,87,泵必需的汽蚀余量还可以用下式计算,式中，l1绝对流速及流动损失引起的压降能头系数，一般取1.051.3,88,l2液体绕流叶片的压力能头系数，一般在无冲击流进入叶片的情况下，可取0.20.4NPSHaNPSHr不发生汽蚀NPSHa=NPSHr开始汽蚀NPSHaNPSHr严重汽蚀,89,在实际中，为了安全起见，通常采用的是许用汽蚀余量NPSH，一般取许用汽蚀余量的值为：NPSH=(1.11.3)NPSHrNPSH=NPSHr+KK=(0.30.5)m,90,防止离心泵产生汽蚀的条件可改写为NPSHaNPSH要使泵不发生汽蚀，必须合理的设计吸入管路，主要是正确选取泵的安装高度,91,吸上高度与吸上真空度我国过去大多采用泵的吸上真空度这一参数作为离心泵的汽蚀特性参数，现在仍在采用吸上高度（安装高度）对吸入管路列柏努利方程，整理后可得泵的吸上高度,92,改写为,泵的允许吸上高度(Hg)allo,93,可见，当泵的许用汽蚀余量越大，或者吸液入管路中阻力损失越大时，吸入管路的允许吸安装高度（也就是吸上高度）就越小泵的实际安装高度应小于其吸上高度，才不会产生汽蚀。泵的吸上高度可以是负值，意味着泵的安装位置应低于液面,94,吸上真空度上式中定义的HS就是吸上真空度，单位为m,95,吸上真空度越大，液体吸上高度越高。,当液池液面的压力是大气压pa时，,吸上真空度与吸上的高度关系如下,96,吸上真空度的试验求法在做汽蚀试验时，先设法降低泵入口的压力，当降低到某值时泵就会发生汽蚀，测得此时的吸上真空度，便是泵可能达到的最大值，称为最大吸上真空度,97,汽蚀余量与吸上真空度的关系为了保证泵内不发生汽蚀，其允许吸上真空度(HS)allo应小于最大吸上真空度HSmax如果泵的运转条件与其样本上的条件不同，应进行换算，求得运转条件下的允许吸上真空度,98,现场条件下(HS)allo的确定通常泵样本上的(Hs)allo-qv性能曲线是在标准大气压下，泵送20清水时所测得的汽蚀曲线如果泵的运转条件与上述不同，例如安装的海拔高度不同或泵送的介质性质和温度不同，则必须将(Hs)allo换算成现场条件下的(HS)allo,99,(HS)allo的换算关系式,当地气压Pa,被泵送液体的饱和蒸气压Pa,标准大气压mH2O,20清水的饱和蒸气压mH2O,100,允许汽蚀余量与允许吸上真空度之间的关系,同一离心泵，其允许吸上真空度大，即意味着其允许汽蚀余量小，也就是泵的耐汽蚀性好,101,提高离心泵抗汽蚀性能的措施结构措施采用双吸泵，或适当加大叶轮吸入口的直径，以减小经过叶轮的流速，从而减小NPSHr,102,NPSHa,NPSHr,103,在叶轮吸入口前安装诱导轮，使液流在前置诱导轮中提前接受诱导叶片做功，以提高液流压力，增大NPSHa在大型高扬程泵前装设增压前置泵，以提高进液压力，增大NPSHa,104,设计工况采用稍大的正冲角（i=b1Ab1），以增大叶片进口角，减小叶片进口处的弯曲，以减小叶片阻塞，或者增大叶轮进口宽度，增加叶轮进口和叶片进口的过流面积，将叶片进口边向吸入口外延，以此改善叶片入口处的流动，减小流动损失，减小NPSHr,105,安装和运行措施使泵的安装高度小于允许的安装高度，或灌注高度大于最小灌注高度，从而可减小吸上真空度，显著提高NPSHa增加泵前储液罐中液面上的压力，以提高NPSHa,106,107,将上吸装置改为倒灌装置，并增加倒灌装置的安装高度，可显著提高NPSHa。若再改为储液罐并提高液面压力，则还可提高NPSHa减小泵前管路上的流动损失，如尽量缩短管路、减少阀门和弯管、或尽量开大阀门等，也可以提高NPSHa,108,其它措施采用耐汽蚀破坏的材料制造泵的过流部分元件，以延长使用寿命降低泵的转速控制被输送液体的温度，使其不高于规定的温度值控制泵的工作点在泵的允许工作范围之内,109,离心泵性能及调节离心泵的运行特性泵的特性曲线离心泵的操作性能曲线主要包括扬程流量（H-qV）功率流量（N-qV）,110,效率流量（h-qV）气蚀余量流量（NPSH-qV）所有这些关系曲线都是在标准实验台上实测得到的,111,112,关系曲线测试实验,113,测得进出口位差DZ，然后调节出口阀门改变泵的流量qV，可测得出口绝对压力pD、进口绝对压力pS、流量和消耗的功率N，通过以下公式计算出泵对应于各流量的实际扬程H和效率h。，再根据对应点作出相应的曲线,114,扬程,效率,115,116,离心泵性能曲线形状及其影响因素HqV关系曲线这种曲线有“陡降”“平坦”“驼峰”三种形状,117,118,“陡降”形曲线表明流量变化时，扬程变化较大。这种特性的泵可用于输送易于堵塞管路的液体介质“平坦”形特性曲线表明流量变化时，扬程的变化不大，这种特性的泵在采用调节阀调节流量时，灵敏性高，调节损失小，如锅炉给水泵就有这样的要求,119,“驼峰”形曲线容易引起泵的操作不稳定，在设计时应尽量避免。不过这种泵的效率较高，成本较低,120,NqV关系曲线是合理选择原动机功率和操作启动泵的依据也分三种情况：功率随流量增大而下降功率随流量增大变化不大功率随流量增大而上升,121,122,hqV关系曲线是检查泵工作经济性的依据。通常效率最高点为额定点，一般也是设计工况点最高效率以下5%8%范围所对应的工况为高效工作区,123,NPSHrqV关系曲线是检查泵工作是否发生汽蚀的依据。通常按最大流量下的NPSHr，考虑安全余量及吸入装置的有关参数来确定泵的安装高度运行中泵吸入口的真空度不要超过允许的吸上真空度,124,泵在不稳定工况下工作有些低比转速的泵特性曲线可能是驼峰形的，容易出现不稳定工况若泵内液体发生倒流，则可能出现喘振现象,125,126,造成不稳定工作的两个条件泵具有驼峰状的性能曲线管路中有能自由升降的液面或其他能储存和释放能量的部分泵的不稳定运行会使泵和管路系统受到水击、噪音和振动,127,离心泵的管路特性曲线是指管路情况一定时（即管路进、出口压力，升液高度，管路长度和管径，管件个数及尺寸以及阀门的开启程度都不变），使单位重量液体从吸液面开始经该管路到达管路出口需要由外界提供的能量L与管路的容积流量间的关系曲线,128,外界提供的能量头L，实际上就是需要泵提供的扬程H。只有当H=L时，才能维持液体的稳定输送要求外功能量头与管路的容积流量间的关系可以通过水力学公式推导出来,129,130,流动阻力头包括各段管路的沿程摩擦损失能头及各局部阻力损失能头之和,131,132,离心泵的管路特性曲线也是可以改变的将阀门关小，LqV曲线将变陡将阀门开大，LqV曲线将变平坦如果管路中的静压差LST有变化，LqV曲线将上下平移,133,生产上要选择泵时，常常先要设计管路并计算管路特性曲线，然后才能比较准确地确定所需泵的扬程，以保证泵能在高效区内工作,134,管路设计计算步骤初步设计管路布置图决定管径决定管长及管件的种类和数目计算管路的阻力头计算管路所需的外功能头管路特性曲线LqV的绘制,135,实例1,LST=DZAB,136,实例2,DZAB,(pBpA)/rg,137,实例3,LST=0,138,离心泵运行工况的调节离心泵与管路的联合工作离心泵和管路组成输送液体的系统。泵在管路上工作同样要符合质量守恒、能量守恒和转换规律,139,泵输送的液体量就是管路中流过的液体量，单位质量液体通过管路所需要的能量应是泵的扬程所提供的能量。因此泵在某管路上工作时的工作点便是泵的扬程特性曲线HqV与管路特性曲线LqV的交点。改变泵的运行工况点称为泵的调节,140,多泵在单管线上的工作在实际工作中，当一台泵的性能如流量或扬程不能满足工作要求时，可用两台或多台泵串联或并联工作离心泵的并联操作qV,I+II=qV,I+qV,IIHI+II=HI=HII,141,(H-qV)I+II,(H-qV)I或II,142,(H-qV)I+II,(H-qV)II,I,II,(H-qV)I,A,143,离心泵的串联操作当要求扬程较高，而又没有多级泵可供选用的情况下，可采用泵串联工作。串联工作时，如果串联泵之间的管路很近，则这段管路阻力可以忽略。这时qV,I+II=qV,I=qV,IIHI+II=HI+HII,144,(H-qV)I+II,(H-qV)I或II,145,并联和串联的比较下面以两台性能相同的泵，在相距较近时的并联和串联为例来比较其装置特性单泵的扬程特性为HqV两泵串联的装置特性(HqV)s两泵并联的装置特性(HqV)p,146,(H-qV)s,(H-qV)p,H-qV,A,1,2,2,1,147,当管路特性曲线比较平坦时，采用并联装置所得到的扬程和流量都高于串联时的扬程和流量当管路特性曲线比较陡时，串联装置的扬程和流量却高于并联时的扬程和流量,148,为了得到提高扬程和流量的效果，应考虑管路特性情况，不能一概认为并联会提高流量，串联会提高扬程。有时，在管路特性曲线较平坦（即管路阻力较小）的情况下，为了提高扬程，采用并联会比采用串联更为有利,149,泵在汇交及分支管路上的工作泵在汇交管路上的工作两泵并联汇交点相距很近时，也属于汇交管路，只是由于汇交点很近，这段管路的阻力损失可以忽略不计，而把这种特殊汇交管路看成一条单支管路,150,如果两泵的出口汇交点距离泵的出口比较远，泵到汇交点的阻力损失不能忽略不计，这种管路属于汇交管路，是本节所要讨论的问题,151,I,II,1,2,3,0,152,如图所示的汇交管路中，尽管两台泵的性能不同，管路1和管路2的阻力也不同，但液体从泵I和泵II出来到达汇交点0处的剩余扬程必须相等两泵并联在管路3工作点的流量为qVA=qV1+qV2,153,(H-qV)I,(H-qV)II,III(I和II并联),A,I,II,2,1,L1,L3,L2,qVA,qV1,qV2,154,泵在分支管路上的工作这是一种由一台泵将液体送往若干分支管路的情况。如下图所示就是一台泵向两条分支管路供液的情况,155,1,2,3,156,H-qV,A,2,3,L3,L1,L2,qVA,qV3,qV2,L2+3,Ltotal,157,将过A点的垂线与并联管路特性曲线L2+3相交，过此交点做水平线分别相交L2和L3曲线于2点和3点，再过2点和3点分别作垂