第四章 离心泵与轴流泵.ppt

流体机械，第四章叶片式流体机械，4.1概述，叶片式流体机械在国民经济各部门和人民生活中得到广泛应用。 在石油工程中，叶片式流体机械主要用于油田注水、油井采油、油品运输以及作为钻井泵的注入用泵等的轴流泵被用作火力发电站的循环泵、油田供水用泵等。 本章介绍叶片式流体机械(离心泵)的结构、工作原理、特性曲线、水力设计和选择使用等问题。 4.1.1离心泵的工作原理，图4-1离心泵的工作原理示意图l-叶轮2-叶片3-螺母4-吸入管5-排出管、离心泵工作后，充满叶轮的液体以许多弯曲的叶片旋转。 在离心力的作用下，液体沿叶片间流路从叶轮的中心向边缘摆动，通过螺杆泵壳体(简称螺杆壳体)流入排出管。 随着液体的排出，在泵的叶轮中心形成真空，吸入池的液体在大气压力下，通过吸入管逐渐流入叶轮中心，从叶轮上被甩掉。 叶轮的作用是将泵轴的机械能传递给液体，形成液体的压力能和动能的螺旋壳体的作用是收集从叶轮溢出的液体，引导到排出口的扩散管。 扩散管截面逐渐变大，液体流速缓慢下降，部分动能转化为压力能。 在一些泵中，叶轮的外缘安装有导叶，其作用也是传导和转换能量。 在吸入管和排出口的扩散管后设置真空计和压力计，测量泵入口的真空度和出口的压力，了解泵的工作情况。 4.1.2离心泵的工作特点；(1)工件(叶轮)等速旋转，流动均匀平稳。 (2)液体被叶轮甩动后，压力能和动能增加，经由旋转能装置，将动能转化为压力能，液体能增加的压力能有限。 (3)吸入和排出在时间上同时进行，因此泵阀(4)泵的流量随着压力的增加而减少，调节变得容易。 4.1.3离心泵的分类，离心泵通常按叶轮数、叶轮结构、泵壳结构的特征和用途等进行分类。 叶轮数量、叶轮吸入方式、泵壳结构、单级泵和多级泵、单吸泵和多吸泵、螺杆壳泵和涡轮泵、4.1.3离心泵特性参数、(1)流量。 泵在单位时间内输送液体的体积用q表示，其单位为L/s或m3/h。 (2)压头(或扬程)。 每单位重量(n )的液体通过泵后，其能量的增加量用h表示，该单位为J/N或m，一般离心泵的工作压力不高，因此通常不是MPa，而是仅用“m液柱”表示压头的大小。 (3)电力。 离心泵的功率是指泵的轴功率，即动力机输入泵轴的功率，用n轴表示，其单位为kW。 单位时间内流过离心泵的液体从泵获得的能量称为有效功率，用n表示。 (四)效率。 任何泵都不能将动力机输入的轴动力完全传递给液体，泵内存在各种能量损失，因此成为有效的电力。 泵的效率是有效功率与轴功率之比。 (5)转速。 指泵轴每分钟的转速，其单位为r/min。 4.2离心泵的典型结构和主要部件，4.2.1离心泵的典型结构，石油工程应用各种离心泵类型。 压头不大时，多使用单级离心泵的注水站和长距离供油干线需要大压头，在使用多级离心泵的一些特殊情况下，送热油产品或从深井采油时，必须使用不同类型的热油泵或多级电动潜水泵图4-2单级悬臂式b型泵1-带吸入短管的泵盖2-密封环3-叶轮的环状突起4-泵壳体5-叶轮6-锁紧螺母7-泵轴8-密封套筒9-填料； 10-按压套筒11-支承框架12-13轴承， 图4-3级式多级高压注水泵1-吸入端盖2-1级叶轮3-一级导向叶片4-中间级叶轮5中间级导向叶片6-扇形件7-最终级导向叶片8-排出端盖9轴封装置l0-滑动轴承11-按压装置12-床， 4.2.2离心泵的主要部件，离心泵的主要部件为叶轮、泵壳、导向叶片、轴、轴承、密封装置及推力平衡装置等。 1、叶轮叶轮是离心泵中最重要的部件，将动力机的能量传递给液体。 图4-4表示单吸式叶轮，由两个轮盖构成，在一个盖上具有轮毂，泵轴通过，在另一个盖上形成吸入孔。 罩子之间浇注叶片，形成了一系列的流路。 叶片一般为612片，因叶轮用途而异。 图4-5表示双吸叶轮。 这个叶轮在两个轮罩上有吸入孔，液体从两侧同时进入叶轮。 图4-4叶轮和导叶图4-5双吸叶轮，2 .泵壳为液能旋转装置，分为带导叶的涡轮泵壳和螺旋形泵壳两种。 螺杆泵的泵壳结构简单，如图4-6和图4-7所示。 图4-6的螺杆泵的泵壳和扩散管，图4-7的双螺杆壳和导向叶片的螺杆壳结构，3 .导向叶片的作用与螺杆壳相同，它用于阶段性的多级泵，结构紧凑，在各种情况下具有平衡径向力的优点导向叶片根据其结构形式分为放射状式导向叶片和流路式导向叶片。 图4-8和图4-9表示径向导叶片和流导叶片的结构。 图4-8放射状导向叶片，图4-9流路式导向叶片，4 .密封装置为了保证泵的正常工作，必须防止液体泄漏、泄漏、外部空气被吸入泵内，所以必须在轮与泵壳之间、轴与壳之间设置密封装置。 图4-10叶轮密封环，图4-11机械密封图1-静止环2-动环3-弹簧4-驱动弹簧座5-固定螺钉6，8 -密封环7-防止再售9-盖，图4-12软密封密封装置1-套筒2-填料； 3-密封环4-盖5-填料盒，5 .推力平衡装置，图4-13离心泵推力图1，2 -叶轮两侧空间3-密封环，4.3离心泵的基本动作理论，4.3.1叶轮通道投影图和主要尺寸，叶轮通道的几何形状用轴面投影图和平面投影图表示图4-14叶轮投影图a )轴面投影(b )平面投影、4.3.2叶轮内液体的运动、图4-15液体质点在叶轮内的运动状况、1 .叶轮的进口速度三角形、图4-16叶轮内的液体的运动、1 .叶轮的进口速度三角形、液体进入叶片流路的相对速度由下式决定：已知和由所描绘的进口速度三角形决定图4-16叶轮内液体的运动，4-1，2 .叶轮出口速度三角形，圆周速度和相对速度的合成是出口处液体的绝对速度。 图4-17的进口速度三角形随流量变化时，4-2、4.3.3离心泵的基本能量方程式如下：假设叶轮无限多，具有无限薄的叶片，则可以认为液体的质点完全符合由叶片形状规定的轨迹液体没有粘性，流动时摩擦阻力的图19是表示1秒钟内在叶轮中流动液体的质量的图4图18的液体运动速度图，在半径的叶轮入口，液体相对于叶轮的轴线的运动量为半径的叶轮出口，液体相对于叶轮的轴线的运动量的增加必须与作用于液体的外转矩相等，即，从图4图18所示的速度三角形可知将重力加速度、m/s2、液体密度、kg/m2、4-3、4-4、上述关系式代入式(4-3)，则假设液体通过叶轮时没有能量损失，根据能量保存法则，叶轮消耗的机械电力全部成为液体的水力电力、即叶轮的旋转角速度因为假设叶轮的叶片无限多，所以表示。 由于4-5、4-6，离心泵的理论压头等于：4-7、4-8，在一般的离心泵中液体通常沿径向进入叶轮，因此基本能量方程式可以简化为：4-9，基本能量方程式不包含液体的物理性质的参数(密度、粘度等)，因此该式为什么离心泵的基本能量方程式的另一个式表示4-10、式(4-10 )的右端的前两个表示压头的中压能量的增加量，称为静压头。 其中液体在圆周运动中受离心力作用，在叶轮出口使液体为压力能增加值的普通叶轮道稍有扩散性，因此从叶轮进入叶轮出口，液体相对速度减小，动能的一部分转化为压力能。 式(4-10 )右端的最终项是液体动能的附加价值部分，被称为动压子。 即：由此可知，泵的理论压头为液体压能的增加量和动能的增加量的合计：4-11，离心泵叶轮的设计中，尽量增大压能的增加量，减小动能的增加量，随动能的增加流速增大，叶轮离心泵一般采用叶片向后弯曲叶轮，反应系数为0.7-0.75。 4.3.4叶片出口角对离心泵理论压头的影响，由离心泵的基本能量方程(4-9)可知，泵的理论压头与叶轮出口处绝对速度的圆周分速成正比。 因此，泵的理论压头由下式求出，4-12，上式表示理论压头与叶片出口的构造角有密切的关系。 根据叶片出口角变化，图4-19 :叶片向叶轮旋转方向的后方弯曲，a、b，叶片向叶轮旋转方向的前方弯曲，c，即图4-19离心泵叶轮这三种结构，4.3.5叶轮叶片对离心泵理论压头的影响，图4-20圆形容器内的相对运动，(a )、(b ) 图4-21叶轮循环路内的相对速度的分布(a )叶片无限多时(b )叶片有限时，图4-22的叶片数有限时，叶轮出口速度为三角形，离心泵叶轮的叶片数通常在612之间，一般为9个以下。 4.3.6离心泵内的损耗和泵的功率和效率，在离心泵转换能量的过程中，并非所有机能都成为有效的工作，在运行时必然有能量损耗。 因此，为了提高泵的效率，合理选择使用离心泵，必须研究泵内的各种损失。 泵内能量损失分为水力损失、容积损失和机械损失三类。 1 .水力损失、阻力损失冲击损失、泵内的总水力损失：图4-23是离心泵的水力损失、泵的有效压头，水力效率为4-23、4-23，上式的理论压头表示有限叶片数时叶轮传递到n液体的能量，有效压头表示每个液体从离心泵净化的有效能量2、容积损失主要是高压液体在泵内的流出和泵外的泄漏造成的。 实际有效流量为4-15，容积效率为4-16，图4-24离心泵的泄漏，泵的容积效率值通常为0.930.98。 泵的尺寸越大，这种效率就越高。通过改善密封环及密封结构，可减少泄漏量，提高泵的容积效率。 检查离心泵时，必须检查密封圈的健全状态。 3、机械损失、机械损失是指叶轮盖的两侧面与液体之间的摩擦损失(也包括圆盘损失)、以及泵轴在密封装置、轴承等工件之间旋转时的摩擦损失。 机械效率为4-17，图4-25q-H关系曲线，式中-泵轴上的人的输出-叶轮传递给液体的转换功率。 通常，泵的机械效率为0.9O.95。 在输送粘性液体的情况下，由于盘的损失显着增加，所以机械效率大幅度降低。 液体由离心泵得到的有效功率为(kW)(4-18 )，从叶轮向液体传递的转换功率为(kW)(4-19 )，泵的转换效率即表示流路部分的完整度的效率为(4-20 )，泵的总效率为(4-21 )，离心泵的总效率最高达到0.850.9 离心泵轴向力和总效率经实验测定，标示在产品样品上。 表4-1不同类型离心泵的效率值、4.4离心泵的特性曲线、图4-26离心泵的特性曲线、4.4.1离心泵内的特性曲线及其应用对应于不同转速有不同的特性曲线。 图4-26通常以流量为横轴，以若干其他参数为纵轴而示出。 各流量有相应的压头、功率、效率，表示泵的工作状态(简称工况)。 对应最高效率的情况称为最佳情况，对应的参数用下标“opt”表示。 设计泵时选择的一组参数，设计工况必须与最佳工况一致。 1.H-Q曲线-离心泵选择和使用的主要依据。 图4-27离心泵的特性曲线形式，2 .曲线-合理选择离心泵的动力和操作开始泵的依据。 一般来说，离心泵的时轴率最小，所以必须关闭排出阀启动离心泵是最有利的。 3、曲线以检测离心泵工作经济性为依据，为了扩大离心泵的使用范围，各泵规定了高效工作区域，一般将与最高效率以下7%范围内的准备点对应的情况点作为高效工作区域。 离心泵在高效的工作场所工作被认为是经济合理的。 在一些泵样品中，只描绘了高效工作区内的泵特性曲线。 4.4.2随着离心泵内特性曲线的理论分析、1.H-Q特性曲线的分析、图4-28特性曲线形式、2 .特性曲线的分析、图4-27特性曲线的分析、3 .特性曲线的分析、图4-28特性曲线的分析、4.4.3液体的粘度对离心泵特性曲线的影响、1 .液体的粘度对离心泵特性曲线的影响、液体的粘度增加液体粘度越大，这种变化越明显。 图4-29离心泵输送不同粘度液体时的特性曲线的变化、输送4.4.3粘性液体时的离心泵特性曲线的换算、现在特性曲线的换算方法较多，常用的是输送前苏联ref koff推荐的粘性液体时的离心泵特性曲线的换算方法。 实践证明，该方法用于换算电动潜油离心泵或其他石油工程用离心泵输送粘性液体时的特性曲线，精度高，换算简便。 在图4图30中示出了勒夫科夫推荐的换算系数。 图4-30是离心泵输送粘性液体时特性曲线换算系数图，在知道某离心泵输送常温清水的特性曲线时，通过以下的关系式换算为输送粘性液体的特性曲线：式中-分别是输送粘性液体时的压头、流量、效率输送粘性液体时的泵轴动力可由下式决定： (4-25 )，式中-粘性液体的密度。 4.5离心泵的相似理论及其应用，1 .几何相似、几何相似是指两台相似离心泵中流道部分的几何形状必须相似。 因此，对应的结构尺寸成比例，各结构角相同，2 .运动相似，运动相似，是指两台几何学相似的泵，流路中对应点的流速方向一致，大小成比例。也就是说，类似流中对应质点的运动轨迹类似，而且流速比相同，即速度三角形类似于图2-31。 4.5.1离心泵的类似概念和类似公式，图4-31速度三角形类似，3 .动力类似，动力类似要求在流路对应点处液体重力、压力和粘性力等有一定的类似关系。 其中粘性力的影响主要取决于雷诺数的大小。 然而，在一般离心泵中，雷诺数量非常大，雷诺数量的一些差异对流动阻力和运动状况的影响不显着，因此在满足前述两个条件时，动力类似性也经常得到满足。 相似式，4.5.2改变离心泵转速时的特性曲线和共通特性曲线，图4-32改