化工机器--离心泵.ppt

第二部分：,教材：化工机器高慎琴主编，化学工业出版社过程流体机械姜培正主编，化学工业出版社,离心泵的结构与原理,主要内容,离心泵的基础知识概述离心泵的基本方程离心泵的特性曲线与工作点离心泵的相似理论及应用(重点)离心泵的组合运行（重点）离心泵的运转性能及调节离心泵的主要零部件（重点）离心泵工作中常见故障及排除,讲解顺序1离心泵的基础知识2离心泵的主要性能参数3离心泵的气蚀现象4离心泵的工作点与流量调节5离心泵的相似及应用6离心泵的切割及应用7离心泵的组合运行8离心泵的典型零部件9离心泵的常见故障及排除,重点掌握,一、离心泵的基础知识概述,离心泵是一种典型的流体输送设备。根据使用要求不同，分类方法很多。一）泵的分类：主要分法有按叶轮数量-单级、多级；按叶轮吸液方式-单吸、双吸；按使用介质-水泵、油泵、。；按扬程大小-低扬程（H20m）、中扬程（H=2060m)、高扬程（H160m）；按材料防腐特征-耐腐蚀泵、普通泵；,二）离心泵的主要部件及工作原理泵是把原动机的机械能转化为液体的势能和动能的机械。泵的类型很多，与其他个类型的泵相比，离心泵具有结构简单，体积小，质量轻，流量稳定，操作、调节方便，易于制造和便于维护等一系列优点。但离心泵对高黏度液体以及流量小，压力高的情况适用性较差，且通常情况下使用前需灌泵。,（一）离心泵的基本组成：转子部分：叶轮、主轴、联结键、平衡盘等。静子部分：蜗壳、接管、密封、底阀等。主要零部件介绍：1蜗壳形状：渐开线，截面大多为圆形，也有方形、三角形。作用：作用是汇集由叶轮抛出的液体，同时将高速液体的部分动能转化为静压能。原因是泵壳形状为蜗壳形，流道截面逐渐增大，u，p。,（1）保证流体按预定的轨迹流动。（2）重要的能量转换部件。流通截面积越来越大，由能量守衡，越向外流动，动能越小，势能越大。材料：通常为铸铁铸造而成。保证内壁面的光滑，减少流动阻力。,2叶轮：作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。是离心泵中最重要的部件。叶轮按其结构形状分有三种：闭式：叶轮内612片弯曲的叶片，前后有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔，以平衡一部分轴向推力。半闭式：叶轮内612片弯曲的叶片，前有盖板，叶轮后盖板上开有若干个平衡小孔,以平衡一部分轴向推力。敞开式：叶轮内612片弯曲的叶片，前后无盖板。闭式效率最高，适用于输送洁净的液体，不适于输送浆料或含悬浮物的液体。半闭式和开式效率较低，常用于输送浆料或悬浮液。,叶轮按吸液方式：单吸：液体只有一侧被吸入。双吸：液体可同时从两侧吸入，具有较大的吸液能力。而且基本上可以消除轴向推力。,3轴封装置：泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周面漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内。,（二）、离心泵的工作原理,离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，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1525m/s。,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。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。,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，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。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。,离心泵的“气缚”现象：离心泵启动时，由于泵内有空气，叶轮旋转时无法形成足够的低压，压差无法将液体吸入叶轮的现象。“气缚”是不灌液的结果。,通常在吸入管路的进口处装有一单向底阀，以截留灌入泵体内的液体。另外，在单向阀下面装有滤网，其作用是拦阻液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。,（三）离心泵的型号命名目前我国不但有水泵、油泵、井泵和浆液泵等系列，而且对离心泵的型号也基本有了一些规定。泵的型号大体上有首、尾、中三部分组成。泵的首部，用数字表示泵入口的尺寸（mm或25mm的倍数）。泵的中部，用汉语拼音字母表示泵的结构形式特征。单级悬臂式水泵用BA或B表示（B型是BA型改进后的产品）；单级双吸泵用SH或S型表示（S型是S改进后的产品）；分段式多级水泵用DA或D表示（D为改进后产品）；锅炉给水泵用DG表示；油泵用Y表示；DK表示中开式水泵。型号尾部，用数字表示泵的主要性能参数，有时在数字后面还有A或B，它表示此时在泵中装的是切割过的叶轮。对于多级泵，尾部数字有两部分组成（中间有一乘号），前面数字表示单级的性能参数，后面数字表示泵的级数，举例如下：,水泵（IS型，D型，S型）IS型单级单吸离心泵，结构如图所示。该系列泵是我国第一个按国际标准（ISO）设计，研制的新产品。全系列共有29个品种。化工生产中广泛应用。泵输液温度80，吸入压力0.3Mpa，口径为40200mm。性能范围：Q6.3400m3/hH5125m。,IS型系列可从泵样本或机械产品目录手册中查到。D型多级离心泵，在同一根轴上串联多个叶轮。性能范围：Q6.3580m3/hH501800mS型双吸泵，在同一泵壳内有背靠背的两个叶轮，从两侧同时吸液。,3B57A型泵3表示泵入口直径为3*25mmB表示单级悬臂式水泵57表示泵的扬程为57m（H2O）A表示所装叶轮被切割,100Y120*2型泵100表示泵入口直径为100mmY表示离心式油泵120表示单级扬程为120（H2O）2表示泵有两级下标表示泵的工作部件材质为铸刚钢（代表铸铁，代表Cr5Mo合金钢）,二、离心泵的主要性能参数（一）主要性能参数1.流量Q（V）：单位时间内泵输送的液体体积m3/s（或m3/h，l/s等）或质量Kg/h。Q取决于泵的结构、尺寸（叶轮直径与叶片的宽度）和转速。Q的大小可通过安装在排出管上的流量计测得。2.扬程H（压头）:泵对单位重量的液体所提供的有效能量，m液柱。若在泵的吸入口和排出口分别装上真空表和压力表并取1-1，2-2截面作计算，则,3.轴功率及效率能量损失和转速n轴功率Na原动机（电动机或蒸汽透平等）传送给泵轴的功率，kW。效率泵轴通过叶轮传给液体能量的过程中的能量损失。,离心泵的能量损失容积损失（泄露引起的）水力损失（粘性和涡流引起的）机械损失（机械摩擦引起的）,容积效率,水力效率,机械效率,离心泵的总效率=容积效率*水力效率*机械效率,（二）离心泵的基本方程1液体在离心泵叶轮进、出口处的速度三角形：,泵叶轮进出口速度三角形的画法、定义及符号意义与离心压缩机完全相同，在此不再重复。,2离心泵的能量基本方程-欧拉方程,叶轮对单位质量液体的做功等于液体经过叶轮后能量的增值。欧拉方程的表达式：1）计算表达式：Hth=（u2Cu2-u1Cu1）/g:d单位J/kg2）概念表达式：,势扬程增值,势扬程增值,动扬程增值,3）反作用度：概念：由于离心泵主要目的是使液体增压势扬程，故在总能增值中，人们更需要势能的增值。反作用度-液体经过叶轮后的总能量增值中，势扬程增值所占的比列。计算：,3离心泵叶轮离角对理论扬程的影响,无限多叶片下的能量表达式：hth=u2Cu2/g=(u22-u2*Cr2*ctgA2)/g,（三）离心泵的特性曲线：1确定特性曲线的前提：转速一定、介质一定、2特性曲线的测得：厂家实验法，泵厂以20清水作为工质做实验测定性能曲线。3特性曲线的内容：HQ曲线：反映流量-扬程的关系。N-Q曲线：反映流量-功率的关系。-Q曲线：反映流量-效率的关系。问题：1启动时为什么必须关闭出口阀？2最高效率点是多少？一般泵的效率是的多少？,（四）影响离心泵性能曲线的主要因素：1密度和黏度的影响,可知H，Q与无关。泵的效率也不随而改变，所以HQ与Q曲线保持不变。变N也变，N，电机功率要。NQ曲线变化。,2转速和叶轮直径的影响n变化，导致速度发生变化，H，Q和N也发生变化，但不变。,三离心泵的汽蚀现象离心泵运转时，液体在泵内压强的变化如图所示：,气蚀原理：液体压强随着泵吸入口向叶轮入口而下降，叶片入口附近KK面处的压强pK为最低，此后由于叶轮对液体作功，压强很快上升。假如：pKpv(t)，pv(t)被输液温度t时的饱和蒸汽压，则液体发生汽化产生汽泡，汽泡随同液体从低压区流向高压区，在高压的作用下迅速凝聚或汽泡破裂，与此同时，汽泡周围的液体会以极高的速度冲向原汽泡所占据的空间，在冲击点处可形成高达几万kpa的压强，冲击频率可高达每秒几万次之多，若当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时，众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击叶片，侵蚀叶片和叶轮，这种不正常现象称为汽蚀现象。,汽蚀发生时，会产生噪音和震动，叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成严重的蜂窝状空洞，损坏叶片。泵的流量，压头和效率急剧下降，严重时甚至吸不上液体，所以为保证离心泵正常运转，应避免汽蚀现象的产生，即须使pKpv(t)。,四离心泵的工作点与流量调节（1）管路特性曲线,（2）工作点,所谓离心泵的工作点是指离心泵的性能曲线（HQ曲线）与管路特性曲线的交点，即在HQ坐标上，分别描点作出两曲线的交点M点。如果HQ曲线方程可近似表示为H=ABQ2管路特性曲线方程表示为H=KCQ2，则工作点对应的流量和扬程由这两个方程联立求解。,这就是说，离心泵在特定的管路系统中运转时所提供的扬程和流量恰好等同于管路所需的扬程和流量。,(3)工作点的调节,改变出口阀的开度实际改变管路特性曲线原来Q所需Q。阀门关小，管路阻力增大，管路特性曲线上移，工作点由MM点，流量减小,改变泵的转速或叶轮直径实际改变泵的HQ曲线nn，MM点，Qn，MM点，Q,比较，两种流量调节措施可知：）用阀门调节流量快速方便，且流量可以连续变化，化工生产中应用最广。其缺点是阀门关小时，流动阻力增加，要额外多消耗一部分功率，且使泵在低效率点工作，经济上不合理。）方法不额外增加流动阻力，变化前后泵效率几乎不变，能量利用经济。但调节不方便，且变速装置或变速电动机价格贵，一般只有在调节幅度大，时间又长的季节性调节中才使用。,五、离心泵的相似及应用,（一）相似的产生及判据1相似问题的提出：在实际使用中，往往会遇到一些特殊尺寸泵，如用于水利灌溉的超大尺寸泵，其吸入口直径超过2米。这样的泵往往是先在实验室将其缩小研究，等性能稳定、符合要求后，在将其放大，这样保证在最小的制造成本下，制造出性能可以预知的大尺寸泵。这种问题的实质是要建立小泵与大泵之间随尺寸变化而性能变化的数学关系。建立了这种关系，我们便称这两台泵相似。而这种关系被称为相似定律。2相似的条件：-充分、必要条件两台泵相似，应满足以下条件：几何相似、运动相似、动力相似。,几何相似：两台泵对应位置的几何尺寸成同一比例。,运动相似：两台泵在对应位置上的速度三角形相似。,动力相似：两台泵在对应位置上的液体受同名力成同一比例。,（二）相似的有关定律原则：如两台泵相似，则对应工况点效率相等。表达式：,同一台泵变转速运行，对应工况相似-相似的特例,比例律,（三）比转速及应用比转速概念的提出实际上，判断两台泵是否相似用三个相似的计算是十分困难的。如受力相似，但实际的受力很难准确得出。理论推倒得出，如果两台泵相似，则对应点的值相等。2比转速的计算3比转速计算中的几点注意两台泵在对应点的比转速相等，两台泵相似。反之亦然。如不特指，一台泵的比转速只与某工况的H、Q、n有关，可以有无数个比转速。通常的比转速制最高效率点下的值。,（3）计算中的Q、H是指单极、单吸叶轮的流量、扬程。当为双吸泵，流量以H/2代入。当为多级泵，扬程以H/I代入，I是级数。（4）比转速是有单位的，是“r/min”.只是人们经常不用。比转速对泵性能的判断（1）泵的比转速分为高、中、低三类。（2）比转速还可以用来评估泵的性能。比转速低，叶轮“细而长”，泵适合小流量，高扬程。比转速高，叶轮“宽而短”，泵适合大流量，低扬程。,（3）用比转速的高低对泵分类。见表,（四）相似法解决的工程问题例1：已知泵在某工况点A（QA、HA）工作，此时转速为n1,如要求将工况点调到B（QB、HB）,采用改变转速法，应将转速调到多少？解：分析如A与B点是对应点，则流量之比等于转速之比，由此简单的就计算出应调整的转速。当A、B不是对应点时，其流量之比与转速之比没有关系，此时问题复杂化。（1）找出相似抛物线。当1（Q1、H1）、2（Q2、H2）对应相似时，,这说明：所有对应相似点都应在这条相似抛物线上。过B点的相似抛物线方程，（2）求出相似抛物线与n1曲线的交点A(QA,HA).可以用解析法或画图法。（3）求要调整的转速。A(QA,HA)与B（QB、HB）是对应点，显然应满足相似定律。,此题得解。,例2：已知泵在转速为n1时的曲线,要求推画泵在n2时的曲线？解：分析1、如在n1时取一点A，按比例率法求出该点在n2时的对应工况点B，则n2曲线上的一点就确定了。2、以次法类推，在n1线上取多点，重复类推，可计算出n2曲线上的多点。3、将n2线上的多点连成曲线，此线即为n2时的性能曲线。,六、离心泵的切割,一）切割的提出：叶轮的切割在实际工作中能调节泵的工况。叶轮外径在切割前后对比，其几何形状是不相似的，因此，切割前后不能通过相似定律来推算。二）切割的有关定律前提：认为叶轮切割前后，叶道进出口处对应工况点速度三角形相似。相似定律随比转速的变化而略有变化：1）中、低比转速泵的切割定律：,2）高比转速泵的切割定律：,3）切割定律运用中的注意事项：叶轮的切割是一次性的，应谨慎切割。叶轮的切割量是有限制的，通常比转速大，允许切割的百分比小，这和大比转速下叶轮的结构有关。切割后的工作点不是都能满足切割定律，只有对应工况相似点的参数可用该定律推算。对应相似工况的参数点应在切割抛物线上，该抛物线的方程表达为：H=K*Q2。其中：k=H1/Q12.(H1、Q1-表示切割抛物线上任意一点),三）切割问题在工程上的实际应用例1已知叶轮外径在D2时的性能曲线，现将叶轮切到D2，求此时泵的新性能曲线。解：分析总过程分为“选点、计算、立点、连线”四步。1、选点：在D2的性能曲线上选出有代表性的点A、B、C、。记录每点的工况（Q、H、N）2、按切割定律，求出刚选出每点的切割对应点的工况A、B、C、。3、将计算点标注出来。4、将标注的点连结，得出D2时的新性能曲线。,例2已知叶轮外径在D2时的性能曲线及工作点A（QA、HA），现用户提出在新工作点B（QB、HB）下工作，采用叶轮切割法实现，需将叶轮切割多少？解分析如A与B点是对应点，则流量之比等于切割前后外径之比由此简单的就计算出应切割的外径量。当A、B不是对应点时，其流量之比与外径之比没有关系。1、确定切割抛物线的方程：由新工况点B（QB、HB）可得，K=HB/QB2。绘出切割抛物线。2、绘图法确定切割抛物线与D2时的性能曲线的交点A（QA、HA），此点是B点的切割对应点。3、利用B（QB、HB）与A（QA、HA）点的切割定律，求出需切割的量。,七、离心泵的组合操作问题的提出：实际工作中，有时遇到这种情况，即仓库现有的离心泵不满足输送任务的要求，比如：要求的扬程与流量分别为H=110m，Q=80m3/h。而库存的泵性能为：1H=100m，Q=50m3/h，若干台。2H=60m，Q=80m3/h，若干台。显然，单台泵工作时无法达到要求的流量和扬程。为弥补单泵工作时这种不足，引出了泵的组合操作，即泵的串，并联。现以两台特性相同的泵为例来介绍：,一）两泵并联的合成特性曲线及工作点（1）泵并联设有两台型号相同的离心泵并联工作，并且各自的吸入管路相同，则两泵的流量和扬程必相同。因此，在同样的扬程下，并联泵的流量为单泵的两倍。在HQ坐标上将曲线横坐标加倍而纵坐标不变，得到的这条曲线叫做两泵并联的合成特性曲线。,特性方程：Q总=Q1+Q2+Q3+。QnH总=H1=H2=H3=。Hn,2）两泵并联系统的工作点对于两泵并联系统而言，管路特性曲线保持不变。两泵并联的合成特性曲线与管路特性曲线的交点M即为工作点，对应的坐标值Q，H即为两泵并联工作时的Q并，H并。由图可知：Q并Q单，但Q并2Q单，这是因为Q并增大导致管路阻力损失增加（H=HakQ2，QH）的缘故。Q并=2Q单，两泵并联时单泵在b点状态下工作。3）并联泵的总效率与每台泵在b点工作所对应的单泵效率相同。,二）两泵串联的合成特性曲线及工作点1）泵的串联设有两台型号相同的离心泵串联工作，每台泵的流量和扬程也必然相同。因此在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。在HQ标绘出两泵串联的合成特性曲线，将单泵的特性曲线纵坐标加倍，而横坐标不变。,2）两泵串联系统的工作点同理，管路特性曲线也是不变的。两线交点为工作点，两坐标值为H串和H单。由此可见，H串H单，Q串Q单，但H串2H单。3）串联泵的总效率与每台泵在b点工作所对应的单泵效率相同,特性方程：Q总=Q1=Q2=Q3=。QnH总=H1+H2+H3+。Hn,三）组合方式的选择通常说，1）如果管路以提高扬程为主要目的，则原则上采用串联操作，增加压头。但在串联增压的同时，泵的流量也有所增加。2）如属于单泵可以输液，只是流量达不到指定要求。以增大流量为目的，则原则上首先选择并联，在并联加流量的同时，管路的扬程也同时有增加。3）泵的实际串、并联还和管路的特性曲线有直接的关系。对阻力较大的管路，主要采用串联方式。对阻力较小的管路，主要采用并联方式。这在图解法中可以证明。,由图可知：）对管路特性曲线而言，Q1并=Q1串，并、串联相同。）对管路特性曲线而言，Q2并Q2串，采用并联。（低阻管路）对管路特性曲线而言，Q3并Q3串，采用串联。（高阻管路）上面介绍的是两台型号相同的离心泵的串、并联操作。,八、离心泵的主要零部件,一、叶轮一）对叶轮的基本要求：1）足够的强度和刚度2）流道形状符合流体流动规律3）流体速度分布均匀、阻力小，表面光滑4）材料耐磨。5）严格对称，良好的静平衡和动平衡效果6）结构简单，制造方便,二）叶轮的结构形式,三）叶轮的结构尺寸：1）进出口叶片安装角采用强后弯式。进口保持正冲角3-10，出口安装角A2=20-30。2）叶片数：Z=6-8。对输送含杂质的泵，Z=2-4。二、离心泵的过流部件1压出室及导叶：压出室及导叶是离心泵的转能部件。形状是符合液体流动规律的螺旋形。截面有圆形、矩形。从转能的角度，矩形转能程度最强，但阻力损失也最大，故实际还是采用圆形。,关于导叶：径向式-用于多级泵中。,流道式导叶,2、吸入室作用-将吸入管中的液体以最小的损失均匀的引入叶轮。形式-锥形、圆环形、半窝壳形。,三、转子轴向力及平衡,轴向力产生的原因1）叶轮两侧间隙内流体旋转速度不同，使流体作用与叶轮两侧的压力不同（后侧的压力大）。2）流体在叶轮中运动时，动量发生变化，而动量变化产生力。二、轴向力的理论计算：,P0,P1,Fo-叶轮左侧流体压力与动量力之和。F1-叶轮右侧流体压力。总合力：方向：与流体进入叶轮口的方向相反。多级泵的轴向力是各级叶轮的轴向力之和。一般说是从高压端