各种泵结构原理

第 二章 流体输送机械,第 一 节 液体输送机械,2-1-1 离心泵 离心泵的操作原理、构造与类型 离心泵的基本方程式 离心泵的主要性能参数与特性曲线 离心泵性能的改变 离心泵的气蚀现象与允许吸上高度 离心泵的工作点与流量调节 2-1-2 其他类型的泵,流体输送机械：向流体作功以提高流体机械能的装置。 输送液体的机械通称为泵； 例如：离心泵、往复泵、旋转泵和漩涡泵。 输送气体的机械按不同的工况分别称为: 通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。,本章的目的： 结合化工生产的特点，讨论各种流体输送机械的操作原理、基本构造与性能，合理地选择其类型、决定规格、计算功率消耗、正确安排在管路系统中的位置等,2-1-1离心泵,一离心泵的操作原理、构造与类型 1、操作原理,由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。,叶轮紧固于泵轴上 泵轴与电机相连， 可由电机带动旋转。,吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装 一止逆阀。 泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。 离心泵的工作过程： 开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。 开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在 此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以 很高的速度（15-25 m/s）流入泵壳。,在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使 大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排 出口流入排出管道。 泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压 强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便 经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。,离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。,气 缚 离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。,为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。,2、基本部件和构造 1）叶轮 a)叶轮的作用 将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。 b)叶轮的分类,闭式叶轮,开式叶轮,半闭式叶轮,叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。,没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒 的液体悬浮物。,只有后盖板，可用于输送浆料或含固体 悬浮物的液体，效率较低。,单吸式叶轮,双吸式叶轮,液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。,相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力。,2）泵壳 泵壳的作用 汇集液体，作导出液体的通道； 使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。,导叶轮 为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动的带有叶片的圆盘，称为导叶轮。导叶轮上的叶片的弯曲方向与叶轮上叶片的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓的改变方向，使能量损失减小，使动能向静压能的转换更为有效。,3）轴封装置 A 轴封的作用 为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。 B 轴封的分类,填料密封：,机械密封：,主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。,主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。,端面密封,3、离心泵的分类 1）按照轴上叶轮数目的多少,单级泵,多级泵,轴上只有一个叶轮的离心泵，适用于出口压力不太大的情况；,轴上不止一个叶轮的离心泵 ，可以达到较高的压头。离心泵的级数就是指轴上的叶轮数，我国生产的多级离心泵一般为29级。,2）按叶轮上吸入口的数目,单吸泵,双吸泵,叶轮上只有一个吸入口，适用于输送量不大的情况。,叶轮上有两个吸入口，适用于输送量很大的情况。,3）按离心泵的不同用途,水泵,输送清水和物性与水相近、无腐蚀性且杂质很少的液体的泵, （B型）,耐腐蚀泵,接触液体的部件（叶轮、泵体）用耐腐蚀材料制成。要求：结构简单、零件容易更换、维修方便、密封可靠、用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等。（F型）,油泵,输送石油产品的泵 ，要求密封完善。（Y 型）,杂质泵,输送含有固体颗粒的悬浮液、稠厚的浆液等的泵 ，又细分为污水泵、砂泵、泥浆泵等 。要求不易堵塞、易拆卸、耐磨、在构造上是叶轮流道宽、叶片数目少。,二、离心泵的基本方程式,1、离心泵基本方程式的导出 假设如下理想情况： 1）泵叶轮的叶片数目为无限多个，也就是说叶片的厚度 为无限薄，液体质点沿叶片弯曲表面流动，不发生任 何环流现象。 2）输送的是理想液体，流动中无流动阻力。,在高速旋转的叶轮当中，液体质点的运动包括：,液体随叶轮旋转 ；,经叶轮流道向外流动。,液体与叶轮一起旋转的速度u1或u2方向与所处圆周的切线方向一致，大小为：,液体沿叶片表面运动的速度1、2，方向为液体质点所处叶片的切线方向，大小与液体的流量、流道的形状等有关,单位重量液体由点1到点2获得的机械能为:,单位重量理想液体，通过无数叶片的旋转，获得的能量称作理论压头，用H表示。,两个速度的合成速度就是液体质点在点1或点2处相对于静止的壳体的速度，称为绝对速度，用c1、c2来表示。,HC: 液体经叶轮后动能的增加 HP: 液体经叶轮后静压能的增加； 静压能增加项HP主要由于两方面的因素促成： 1）液体在叶轮内接受离心力所作的外功，单位质量液体所 接受的外功可以表示为：,2）叶轮中相邻的两叶片构成自中心向外沿逐渐扩大的液体 流道，液体通过时部分动能转化为静压能，这部分静 压能的增加可表示为：,单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:,（a）,根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：,代入（a）式，并整理可得到：,(b),一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使1=90°，即cos1=0,离心泵的基本方程式 离心泵理论压头的表达式,理论压头与理论流量QT关系 流量可表示为叶轮出口处的径向速度与出口截面积的乘积,从点2处的速度三角形可以得出,代入 H=u2c2cos2/g,离心泵基本方程式,表示离心泵的理论压头与理论流量，叶轮的转速和直径、叶轮的几何形状间的关系。,对于某个离心泵（即其2、2、b2固定），当转速一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：,2、离心泵基本方程式的讨论 1）离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系 当叶片几何尺寸（b2，2）与理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。 2）离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系 根据叶片出口端倾角2的大小,叶片形状可分为三种:,a）后弯叶片(20 。泵的理论压头随流量Q的增大而减小,b）径向叶片（2=90。，图a），ctg2=0 。泵的理论压头不随流量QT而变化。 c）前弯叶片(290。，图c)，ctg20 。泵的理论压头 随理论流量QT的增大而增大。,前弯叶片产生的理论压头最高，这类叶片是最佳形式的叶片吗？ NO,静压头的增加：,动压头的增加：,前弯叶片，动能的提高大于静压能的提高。 由于液体的流速过大，在动能转化为静压能的实际过程中，会有大量机械能损失，使泵的效率降低。 一般都采用后弯叶片,3、实际压头 离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异，原因在于流体在通过泵的过程中存在着压头损失，它主要包括： 1）叶片间的环流 2）流体的阻力损失 3）冲击损失 理论压头、实际压头及各种压头损失与流量的关系为,三离心泵的主要性能参数与特性曲线,1、离心泵的性能参数 1）离心泵的流量 指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用Q表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力 。 2）离心泵的压头 泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。,离心泵的压头取决于： 泵的结构（叶轮的直径、叶片的弯曲情况等） 转速 n 流量 Q，,如何确定转速一定时， 泵的压头与流量之间 的关系呢？ 实验测定,H的计算可根据b、c两截面间的柏努利方程：,离心泵的压头又称扬程。必须注意，扬程并不等于升举高度Z，升举高度只是扬程的一部分。,3）离心泵的效率 离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率来反映能量损失。这些能量损失包括： 容积损失 水力损失 机械损失 泵的效率反应了这三项能量损失的总和，又称为总效率。 与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关,4）轴功率及有效功率 轴功率：,电机输入离心泵的功率,用N表示，单位为J/S,W或kW,有效功率：,排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Ne表示,轴功率和有效功率之间的关系为 ：,有效功率可表达为,轴功率可直接利用效率计算,2、离心泵的特性曲线,离心泵的H、 、 N都与离心泵的Q有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线： HQ 、Q 、 NQ 离心泵的特性曲线 注意：特性曲线随转速而变。 各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点,1）HQ曲线：表示泵的压头与流量的关系，离心泵的压头普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外） 2）NQ曲线：表示泵的轴功率与流量的关系，离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。 离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。 3）Q曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再增大，效率便下降。,离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。 与最高效率点所对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。 注意：在选用离心泵时，应使离心泵在该点附近工作。一般要求操作时的效率应不低于最高效率的92%。,四、离心泵性能的改变,1、液体性质的影响 1）液体密度的影响,离心泵的流量,与液体密度无关。,离心泵的压头,与液体的密度无关,HQ曲线不因输送的液体的密度不同而变 。 泵的效率不随输送液体的密度而变。,离心泵的轴功率与输送液体密度有关 。,2）粘度的影响 当输送的液体粘度大于常温清水的粘度时， 泵的压头减小 泵的流量减小 泵的效率下降 泵的轴功率增大 泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正 当液体的运动粘度小于20cst（厘池）时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。,2、转速对离心泵特性的影响 当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可表示为：,比例定律,3、叶轮直径的影响 1）属于同一系列而尺寸不同的泵，叶轮几何形状完全相似，b2/D2保持不变，当泵的效率不变时，,2）某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2变小，b2/D2变大 若切削使直径D2减小的幅度在20%以内，效率可视为不变，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相等, 此时有：,-切割定律,五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度,1、气蚀现象,气蚀产生的条件 叶片入口附近K处的压强PK等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压,气蚀产生的后果：,气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，表面出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落 液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。 2、离心泵的允许吸上高度 离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。,贮槽液面0-0与入口处1-1两截面间列柏努利方程,若贮槽上方与大气相通