石油大学离心泵浦

1,離心泵浦之工作原理、主要構件/機能,中油石油公司煉製事業部高雄煉油廠修護組轉動機械課戴士奇94.11.21,2,內容,離心泵浦種類離心泵浦主要零件離心泵浦揚程比速度NPSH空蝕性能曲線配管,3,泵浦分類,4,API610離心式泵浦種類,5,離心泵浦主要零件,CourtesyCentrifugalPumpSourcebook,6,離心泵浦主要零件,泵殼與擴散器葉輪與磨蝕環軸與軸套填料箱盤更或機械軸封軸承,7,泵殼,包容葉輪及泵液，使泵液在其中被增速、增壓、改變方向、而流出以達到該泵浦的要求（流量、壓力等）。,8,泵殼種類以外形分,水平分開式：殼分上下兩半以螺絲鎖緊，如一般大流量的雙吸入口式泵浦或多段式泵浦。垂直分開式：泵殼垂直分開，如一般單段離心泵、及高壓式多段泵浦。,9,泵殼種類以內部構造分,漸開擴散式（volute）：內殼以葉輪中心為圓心逐漸展開至出口處為最大半徑。渦輪擴散式（diffuser）：內殼中以葉輪中心為圓心，製一同心的固定葉片在葉輪的外圍。,10,泵殼,葉片,擴散器,漸開擴散式volute,渦輪擴散式diffuser,11,泵殼,漸開式泵殼內葉輪周圍的空間大小不同，於是周圍之壓力亦不相同，葉輪及軸上受一種徑向的壓力，為消除此種壓力，可改為使用渦輪式擴散器，因為渦輪式擴散器在葉輪四週，各處的空間都一樣。四周圍壓力平衡，沒有徑向推力產生，但構造上較複雜。,12,泵殼的材質,一般是使用鑄鐵、鑄鋼，為特殊用途有使用合金鋼、不銹鋼或內部襯耐蝕材料者(如Teflonliner)。,13,泵殼損壞之原因,泵浦產生空蝕現象：在泵殼內部產生孔蝕，使泵殼逐漸損壞。泵送腐蝕液：使泵殼造成腐蝕，甚至破裂穿孔。軸承損害使葉輪磨損泵殼，泵殼因而磨損。,14,泵殼的修理,輕微的磨損或裂痕可用補銲，若須重新鑄造時須考慮其腐蝕性，可使用不銹鋼鑄造，以TeflonLiner泵殼。試壓須為設計出口壓力的15倍。,15,葉輪,葉輪是泵浦的心臟，當葉輪旋轉時，葉輪就將一定量之液體以其圓周速度旋轉產生速度，再經泵殼而轉變成壓力水頭(PressureHead)。離心泵浦所產生之流量與壓力之大小，完全決定在葉輪之大小、形狀、轉速與葉輪之形狀。,16,葉輪依吸口方式,單吸口式葉輪：液體只由一邊之進口圈(葉輪眼)進入。為平衡單吸口密閉式葉輪兩邊的軸向推力，經常在葉輪背面鑽一平衡孔，以減少兩邊之推力差。雙吸口式葉輪：形狀恰如兩個單吸口式葉輪背靠背作成，液體同時由葉輪兩側之進口圈進入。,17,雙吸口式葉輪優點,軸向水力推力甚小，不必使用較大之止推軸承。雙吸口式之吸入口面積大於單吸口式，故在同一容量下其所需要吸引水頭較小。,18,單吸口式葉輪優點,形狀較簡單，其外殼構造也較單純，製造方便、價廉，廣用於小型泵浦，並有保養容易之優點。,19,葉輪依構造型式,開放式葉輪半開放式葉輪閉合式葉輪,CourtesyCentrifugalPumpSourcebook,20,葉輪開放式,幾個輪葉裝接於輪轂（hub）上，而無圍板或側板(Shroud)，強度低，易變形或斷裂，長的輪葉須加肋骨或部份圍板以增加強度，方能應用。通常此種葉輪係用於小型泵浦，或具有磨蝕性液體的泵浦。開放式葉輪之缺點為葉輪與泵殼內壁間，須保持一定之間隙，其間隙隨使用長久磨損增大後，效率就隨之降低。,21,葉輪半開放式,半開放式葉輪係開放式葉輪之輪葉加設後側板者。後側板之作用為減小液體對葉輪後端輪轂之壓力，並阻止外物滯留於該處，以免影響泵浦與填料箱之正常操作。,22,葉輪閉合式,閉合式葉輪之輪葉係由兩側板圍夾起來，液體通路被限定於葉輪進口圈，經葉輪內部到外徑周邊之間。閉合式葉輪若再加裝磨蝕環(WearingRing)，則其流量之漏損可降低到最低程度，對於泵浦之效率可以提高很多，故廣用於清潔液體之泵送。,23,磨蝕環,磨蝕環(WearingRing)是裝置在葉輪與外殼之間，能很方便及經濟的更換。,24,磨蝕環種類,磨蝕環可分三種：平型曲折型L型,CourtesyPumpHandbook,平型,曲折型,L型,25,磨蝕環種類,一般是按照泵送液體，前後的壓力差及泵浦轉速來決定，其中以平型較常用。,26,磨蝕環之間或與其他動件的間隙,請參照API610Table2-2,27,磨蝕環材料,磨蝕環材料為：二種不同之銅合金鑄鐵與青銅鋼與青銅蒙鈉合金與青銅鑄鐵與鑄鐵一般多段離心泵磨蝕環的間隙為標準間隙，加容差的兩倍。,28,磨蝕環更換時機,當間隙變為建議值之兩倍時消耗安培數一樣，而泵浦容量（capacity）下降。,29,軸與軸套,離心泵浦的軸主要作用為從驅動器傳遞扭力於葉輪和其他轉動部分的零件上，軸的變形量須於轉動部分和固定部分間的最小容差範圍內，儘量避免摩擦。軸套是用來保護軸，以免磨損或腐蝕，減低保養成本。一般除小型泵浦外，皆須加裝軸套。,30,填料箱,填料箱是泵浦密封、防漏的地方。盤更與機械軸封是常用的密封。,31,典型盤更填料箱密封,5圈盤更燈籠環：注入潤滑或清洗液體的地方盤更格欄：約制盤更，維持壓縮，以得適當密封。,典型盤更填料箱密封包含下列3大部份,32,典型盤更填料箱密封,B.燈籠環,密封液體注入接頭,C.盤更格欄,A.機械盤更,33,機械軸封,機械軸封主要是靠兩垂直於軸的光滑平面相互滑動，而能完全達到防止泵液洩漏的裝置。密封裝置課程將有詳細介紹，在此不再贅述。,34,軸承,離心泵的軸承分為：徑向軸承：按使用情況有平軸承、滾珠軸承、滾筒軸承。軸向軸承：亦可分為球軸承、滾筒軸承、止推環或止推塊。,35,揚程(水頭),任何液體中一點的壓力，可以想成由水柱的重量所造成，水柱的高叫靜水頭(statichead)，以呎表示。,36,靜水頭與壓力的關係,h：水頭、揚程(ft)p：壓力(psi)sp.gr：比重,37,能量轉換,離心泵浦提供液體速度，當液體離開泵浦時，這些速度能量很快轉換成壓力能。,38,為什麼談離心泵浦時，須用head，而不是壓力？,對一台離心泵浦，葉片直徑及轉速一定時，產生特定的head，與液體密度無關。如下3圖，同一台離心泵，泵送不同密度的液體，得相同的head，但壓力則不同。,39,同樣泵浦揚程一定,液體密度0.75揚程(head)100ft壓力32.5psi,40,同樣泵浦揚程一定,液體密度1.0揚程(head)100ft壓力43psi,41,同樣泵浦揚程一定,液體密度1.2揚程(head)100ft壓力52psi,42,能的形式表示,在液體流動系統中，所有形式的能，都可以用feetofliquid表示。各種形式的head如下：,suctionliftsuctionheadstaticdischargeheadtotalstaticheadfrictionheadvelocityhead,Pressureheadtotaldynamicsuctionlifttotaldynamicsuctionheadtotaldynamicdischargeheadtotaldynamichead,43,Staticsuctionlift,來源供應低於泵浦中心線,Totalstatichead,StaticDischg.head,Staticsuctionlift,44,Staticsuctionhead,來源供應高於泵浦中心線,Staticsuctionhead,Totalstatichead,StaticDischg.head,45,Staticdischargehead,來源供應低於泵浦中心線,Totalstatichead,StaticDischg.head,Staticsuctionlift,46,Staticdischargehead,來源供應高於泵浦中心線,Staticsuctionhead,Totalstatichead,StaticDischg.head,47,Totalstatichead,來源供應低於泵浦中心線,Totalstatichead,StaticDischg.head,Staticsuctionlift,48,Totalstatichead,來源供應高於泵浦中心線,Staticsuctionhead,Totalstatichead,StaticDischg.head,49,Frictionheadhf,克服管線、管件的阻力所需要的head。與管線尺寸、流量、液體性質有關。,50,速度頭Velocityheadhv,液體在某速度V運動的能量，以相當多少feet的head表示，等於水要掉下的距離才能得到該速度。速度頭可以下式計算：,g：32.2ft/sec.2V：液體速度fps,51,速度頭,速度頭通常不重要，可以忽略。但在低head的系統中，速度頭就成為重要的大因素了。,52,壓力頭Pressurehead,當泵送系統開始或終止於一個不是大氣壓力的槽子，壓力頭一定要考慮。槽中的壓力先換算成feetofliquid。,53,比速度與葉片形式,比速度Ns是一無因次的泵浦設計指標，用來分類葉片形式及葉片比例。,N：rpmQ：流量gpm，在最佳效率點H：一級的TDH，在最佳效率點,54,比速度與葉片形式,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),55,比速度與葉片形式,Ns決定葉片的形狀或類別。當Ns增加時，D2/D1減小，若D2/D1=1時是一台真正的軸流葉片。,D2：葉片出口直徑D1：進口直徑,56,比速度與葉片形式,徑向葉片產生head，主要靠離心力。Ns較大的泵浦產生head，一部份靠離心力，一部份靠軸向力。再大的Ns泵浦產生head，大部份靠軸向力，少許由離心力產生。Ns10000就完全是軸向力產生head。,57,比速度與葉片形式,徑向葉片低流量、高揚程軸向葉片高流量、低揚程,58,NPSH,簡單地說，NPSH是分析一台泵浦吸入端的能量狀況，以決定泵浦中最低壓力點時，液體是否會蒸發。,59,NPSH,NPSH：NetPositiveSuctionHead靜正吸端水頭NPSH在HydraulicInstitute中定義為：NPSH=Totalstatichead(ft，在吸端噴嘴)Vp(ft，液體的蒸氣壓),60,蒸氣壓,液體施力於周遭的壓力與溫度有關，這個壓力叫蒸氣壓，是每一個液體的獨特性質，隨溫度增加而增加。,61,蒸氣壓,當液體蒸氣壓達到周遭介質壓力時，液體開始沸騰或蒸發。當周遭介質壓力降低時，發生蒸發的溫度跟著降低。,62,NPSH,從以上很明顯得知，如果我們要有效泵送流體，一定要保持該流體在液態。NPSH只是一個測量吸端head，用來防止在泵中最低壓力點，發生蒸發。,63,NPSHR,NPSHR是泵浦設計的一個功能。當液體經泵吸，流到葉片眼，速率增，壓力降。接著液體撞擊葉片，由於振動及亂流，導致壓力降。葉片vane的離心力，更進一步提高速度，降低壓力。,64,NPSHR,NPSHR是泵吸端所須之絕對正水頭，以克服在泵中的壓力降，使得液體壓力大於其蒸氣壓。NPSHR在特定泵中，隨速度及流量而變，泵浦製造廠家通常會提供這個曲線資料。,65,NPSHA,NPSHA是泵浦所在操作系統中的功能，當液體到達泵的吸端時，它是超過液體蒸氣壓的絕對壓力。,66,NPSHA,PB,LS,PB：大氣絕對壓力（ft）,abs.Vp：在泵送最大溫度下液體之絕對蒸氣壓（ft）,abs.p：密閉吸槽液體表面壓力（ft）,abs.LS：最大靜吸揚程（ft）LH：最小靜吸揚程（ft）hf：吸端管線在所需流量下之摩擦損失（ft）,NPSHA=PB（Vp+LS+hf）,SUCTIONSUPPLYOPENTOATMOSPHEREwithSuctionLift,67,SUCTIONSUPPLYOPENTOATMOSPHEREwithSuctionHead,PB：大氣絕對壓力（ft）,abs.Vp：在泵送最大溫度下液體之絕對蒸氣壓（ft）,abs.p：密閉吸槽液體表面壓力（ft）,abs.LS：最大靜吸揚程（ft）LH：最小靜吸揚程（ft）hf：吸端管線在所需流量下之摩擦損失（ft）,NPSHA=PBLH（Vp+hf）,PB,LH,68,CLOSEDSUCTIONSUPPLYwithSuctionLift,LS,PB：大氣絕對壓力（ft）,abs.Vp：在泵送最大溫度下液體之絕對蒸氣壓（ft）,abs.p：密閉吸槽液體表面壓力（ft）,abs.LS：最大靜吸揚程（ft）LH：最小靜吸揚程（ft）hf：吸端管線在所需流量下之摩擦損失（ft）,NPSHA=p（Vp+LS+hf）,p,69,CLOSEDSUCTIONSUPPLYwithSuctionHead,PB：大氣絕對壓力（ft）,abs.Vp：在泵送最大溫度下液體之絕對蒸氣壓（ft）,abs.p：密閉吸槽液體表面壓力（ft）,abs.LS：最大靜吸揚程（ft）LH：最小靜吸揚程（ft）hf：吸端管線在所需流量下之摩擦損失（ft）,NPSHA=pLH（Vp+hf）,p,LH,70,空蝕,空蝕是描述泵浦NPSHA不足所發生的現象。液體壓力降低到蒸氣壓或以下時，小蒸氣泡開始產生，當這些氣泡沿著葉片往高壓的區域移動時，氣泡很快崩潰。,71,空蝕,氣泡崩潰快速，可能會聽到一些噪音，好像是在泵送沙礫。氣泡崩潰時產生的力，一般足以在葉片表面上，造成疲勞破壞的小氣袋，這個動作持續進行，嚴重時對葉片造成點蝕破壞。,72,空蝕,確認空蝕現象，最簡單的方式是伴隨的噪音。除了葉片損壞，空蝕一般導致容量降低，這是由於泵中有蒸氣；揚程也降低且不穩；馬力消耗可能沒有規律；振動及機械破壞如軸承破壞也可能發生。,73,防止空蝕,防止空蝕發生唯一的方法是確認：,本公司離心泵浦採購標準PS-16.0002：NPSHANPSHR0.3MorNPSHANPSHR10%NPSHANPSHANPSHR0.6M需做NPSHTEST,74,性能曲線,離心式泵浦的性能可以用曲線表示。一般性能曲線含總揚程TDH、制動馬力、效率、NPSHR等對泵浦流量範圍的關係。,75,API610性能曲線ISO格式,76,API610性能曲線US格式,77,徑流泵性能曲線,曲線平緩,BHP漸升,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),78,混流泵性能曲線,揚程曲線較徑流泵陡,關斷揚程是設計揚程的150200%,幾乎保持一定,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),79,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),80,性能曲線,上述三種泵浦的區別並非絕對，有很多泵浦的性能曲線介於三者之間。例：法蘭西式Francis輪葉泵介於徑流泵與混流泵之間，多數的渦輪泵(turbine)依其比速度也在同樣的範圍。,81,系統曲線,對特定的葉輪直徑與速度，離心式泵浦的性能曲線就固定，然而到底在何點運轉？就要看系統特性而定，一般叫做系統水頭曲線systemheadcurve。,82,系統水頭曲線,泵浦在性能曲線上何點運轉？當系統水頭曲線改變或泵浦性能曲線改變時，何種變化會發生？,將系統水頭曲線與泵浦性能曲線畫在一起，可得知：,83,動系統水頭dynamicsystemhead,在摩擦系統中，阻力隨流量增加，因此動態系統水頭與流量關係成為曲線。在特定的流量，動態系統水頭為靜態系統水頭與總摩擦損失之和。,84,動系統水頭,靜態系統水頭130ft,15006”pipe,85,動系統水頭,靜態系統水頭130,摩擦阻力,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),86,管線設計,配管設計對離心式泵浦的運轉成敗有很深的影響。坑設計、吸管設計、進出口管線尺寸、管線支撐等須小心考慮。,87,管線設計,出口管線尺寸主要基於經濟考量。出口管線尺寸對應產生的摩擦水頭，關係泵浦尺寸、動力消耗的選擇。因此出口管線的價格須與泵浦尺寸、動力消耗的價格做比較。,88,管線設計,吸端管線的尺寸與設計更重要，很多的離心式泵浦故障，就是肇因於吸端管線不良。,89,管線設計,吸端管線的尺寸不應小於泵浦吸端連接口尺寸，大部份情形，吸端管線尺寸要大一號。吸端管線越短越直越好。,90,管線設計,吸端管線的速度應在58fps範圍內，除非吸允情形出奇的好。較高的速度將增加摩擦損失，導致麻煩的空氣或蒸氣分離。,91,管線設計,如果泵浦吸端噴嘴附近有彎頭或三通，情形會更複雜，不均勻的流動形式或蒸氣分離，使得液體無法均勻的進入葉輪。這樣破壞水力平衡，導致振動、可能空蝕及軸的過度彎曲，最後軸裂開或軸承提早損壞可能發生。,92,管線設計,使用偏心大小頭上平下斜，不要用同心大小頭,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),93,管線設計,使用偏心大小頭上平下斜,從來源到泵浦吸管往上傾斜,(CourtesyGouldsCentrifugalFundamentals),94,管線設計,沒有使用偏心大小頭,從來源到泵浦吸管未往上傾斜,閘閥不應放在泵浦與逆