常见泵的分类及工作原理

1124第十六章常见泵的分类和工作原理泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。第一节泵的分类及在电厂中的应用一、泵的分类（一）按照泵的工作原理来分类，泵可分为以下几类1、容积式泵容积式泵是指靠工作部件的运动造成工作容积周期性地增大和缩小而吸排液体，并靠工作部件的挤压而直接使液体的压力能增加。容积泵根据运动部件运动方式的不同又分为：往复泵和回转泵两类。按运动部件结构不同有：活塞泵和柱塞泵，有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵和水环泵。2、叶轮式泵叶轮式泵是靠叶轮带动液体高速回转而把机械能传递给所输送的液体。根据泵的叶轮和流道结构特点的不同，叶轮式泵又可分为：离心泵（centrifugalpump）轴流泵（axialpump）混流泵（mixed-flowpump）旋涡泵（peripheralpump）喷射式泵（jetpump）（二）其它分类1、泵还可以按泵轴位置分为：（1）立式泵（verticalpump）1125（2）卧式泵（horizontalpump）2、按吸口数目分为：（1）单吸泵(singlesuctionpump)（2）双吸泵(doublesuctionpump)3、按驱动泵的原动机来分：（1）电动泵（motorpump）（2）汽轮机泵（steamturbinepump）（3）柴油机泵（dieselpump）（4）气动隔膜泵（diaphragmpump如图16－1为泵的分类图16－1泵的分类二、各种类型泵在电厂中的典型应用离心泵凝结水泵、给水泵、闭式水泵、凝补水泵、定子冷却水泵、定排水泵、炉水循环泵轴流泵循环水泵往复泵EH油泵齿轮泵送风机液压油泵、磨煤机液压油泵、引风机1126电机润滑油泵螺杆泵空预器导向轴承油泵、空预器支撑轴承油泵、空侧交流密封油泵喷射泵主机润滑油系统射油器、射水抽气器水环式真空泵水环式真空泵第二节离心泵的理论基础知识离心泵主要包括两个部分：1.旋转的叶轮和泵轴（旋转部件）。2.由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件。正常运行时，叶轮高速旋转，在惯性力的作用下，位于叶轮中心的流体被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳内，在蜗壳内液体的部分动能会转换成静压能。于是较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。同时，叶轮中心由于液体的离开而形成真空，如果管路系统合适，则外界的液体会源源不断地吸入叶轮中心，以满足水泵连续运行的要求。如图16－2所示。图16－2离心泵的工作原理一、离心泵的性能参数1127（一）流量指泵在单位时间内能抽出多少体积或质量的水。体积流量一般用m3/min、m3/h等来表示。（二）扬程又称水头，是指被抽送的单位质量液体从水泵进口到出口能量增加的数值，除以重力加速度，用H表示，单位是m。（三）功率是指水泵在单位时间（S）内所作功的大小，单位是KW。水泵的功率可分为有效功率和轴功率。1、有效功率又称输出功率:指泵内水流实际所得到的功率，用符号P0表示。2、轴功率:轴功率又称输人功率，是指动力机传给泵轴的功率，用符号P表示。轴功率和有效功率之差为泵内的损失功率，其大小可用泵的效率来计量。（四）效率反映了水泵对动力机传来动力的利用情况。它是衡量水泵工作效能的一个重要经济指标，用符号表示。（五）转速指泵轴每分钟旋转的次数，用符号n表示，单位是r/min.（六）汽蚀余量汽蚀余量是指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量。单位用m标注，用NPSH表示。二、离心泵的性能曲线泵的性能曲线，标志着泵的性能。泵各个性能参数之间的关系和变化规律，可以用一组性能曲线来表达。对每一台泵来讲，当一台泵的转速一定时，通过试验的方法，可以绘制出相应的一组性能曲线，即水泵的基本性能曲线。性能曲线一般以流量为横坐标，用扬程、功率、效率和汽蚀余量为纵坐标来绘制曲线。（一）流量与扬程曲线图16－3离心泵的流量与扬程的曲线1128如图16－3所示，水泵作为一种通过管道来提升或移动流体的机械。水泵能提升流体到达垂直管道的A点，即流量为零，泵的作功只是与流体的重力与质量相等。（即流体的势能）因此，A点也被称为关断水头（SHUTOFF-HEAD）；如果想象转动出水管从A点到F点，则水管变为水平管，则泵出的流体的势能变为零而流量变为最大值。可以看出，调整出水管道的倾斜角度（即调整出水管道的阻力），即可得到我们想要的流量和扬程。(二)流量与效率曲线如图16－4所示，离心泵效率曲线可以看作是一条弹道曲线，其效率表现为从其最高效率点（BEP）向两侧下降的变化趋势。即泵的效率随流量的增加而增加，到达高效点后，其效率随着流量的增加而减少。图16－4泵的流量与效率曲线(三)流量与功率曲线一般来讲，离心泵的轴功率随流量的增加而逐渐增加，曲线有上升的特点。（但在一些特殊的泵中，其功率会保持直线甚至会随流量的增加而下降）当流量为零时，轴功率最小。因此，为便于离心泵的启动和防止超载，启动时，应将出水管路上的阀门关闭，启动后再逐渐打开。轴流泵的启动与离心泵相反。如图16－5所示。1129图16－5离心泵的流量与功率的曲线(四)流量与汽蚀余量曲线NPSHr(theNetPositiveSuctionHeadrequired)-即泵的必需汽蚀余量，它代表了泵的最低运行要求，如果泵的入口压力未达到规定的NPSHr，则泵就会发生汽蚀不能运行。离心泵的汽蚀余量曲线一般设计为：当流量从零和高效区之间变化时，其NPSHr几乎是一条直线或有很小的变化，但是通过高效区的范围后，则其NPSHr会以指数变化剧增。如图16－6所示。图16－6离心泵的流量与NPSHr的关系1130图16－7离心泵的性能曲线总结：如图16－7为离心泵的性能曲线。（1）当泵运行在“A”点时，其对应的流量为“Q”，扬程为“H”；此时泵的效率最高，其能耗也在中间水平，同时其必需汽蚀余量也处于将要剧升的边缘。（2）当泵运行到“B”点时，其流量减少而压头升高。泵运行在高效率区的左边，其效率下降损失增加。但其功率相应减少，NPSHr也相应减少。但是，由于效率的下降和流量的减少，泵开始振动并加热泵内的流体。当热量不能被流体带走时，温度就会升高，达到对应的饱和温度后，液体开始汽化，引起泵的振动和损坏。（3）当泵运行在“C”点时，其流量增加而压头降低。同时泵的效率也下降。泵的功率会升高甚至会过负荷。而泵的NPSHr迅速增加，离开泵的流量大于进入泵的流量，泵内压力变低，当达到对应压力、温度下的饱和状态时，泵内的液体开始汽化沸腾，泵开始发生汽蚀，引起泵的损坏。如图16－8所示。图16－8泵的叶轮因汽蚀损坏图1131图16－9泵的运行区域图总之，对于泵的运行来讲，正常运行时泵应运行在“A”区，如图16－9所示。此时泵的效率最高，能耗利用率最好。为了避免泵的损坏，泵的运行要避开“C”“D”区。而可以短时间运行在“B”区。“B”区在“A”区的左边，即在高效区的左边，此时泵的效率较差，损失较多。同时其轴向推力也较大，易造成推力轴承的损坏。所以为了保证泵的运行安全，可以按照泵的相似定律来对泵进行改造或改变泵的转速，以达到在保证泵的安全运行的前提下，满足系统流量和压力的要求。对于运行人员，我们要熟悉泵的运行曲线并熟练地应用它们，只要泵运行在高效区内并很好地作好维护工作，它就能保证安全长期运行。三、泵在系统中的运行所有泵的设计都是为了满足系统运行要求的。这个要求即是系统的总动力水头(TDH)（TotalDynamicHead).泵的运行状态随着系统的改变而改变。如系统所需的流量改变，则对应的泵的工作点也会改变，即泵的压头、效率、NPSHr都随着变化。如果变化太大，则就会影响泵的安全经济运行。(一)系统的总动力水头(TDH)包括以下四个方面：1.Hs-静压头（thestatichead)。是指泵送液体的来源和目的地之间的高度差，当泵入口的液体表面位置不同时，其静压头是不同的。2.Hp-压力水头（thepressurehead)。它表示液体表面的压力之差。3.Hv-速度水头（thevelociythead)。它表示液体流过系统时的能量消耗。𝐻v=v22𝑔.式中v-液体流经管道时的速度。g-重力加速度。4.Hf-摩擦水头（frictionhead).它表示液化流经系统时的摩擦损失。1132（1）对于管道：Hf=Kf×L100（16－1）式中：Kf-每种材料直径管道每一百米的摩擦常数。（可通过查表获得）L-实际管道的长度（2）对于阀门和异型件：Hf=K×Hv100（16－2）式中：K-各种阀门及异型件的摩擦常数。（可通过查表获得）综上所述：总动力水头(TDH)=Hs+Hp+Hv+Hf（二）泵的工作点如图16－10所示：当泵在一个系统中正常运行时，泵对液体的耗功与系统对液体的总动力水头（TDH）是相平衡的。但是强调的是，随着系统的变化，如阀门的开闭，由TDH也发生的变化，其平衡就会打破，泵的工作点也就发生了变化。所以在设计之初，我们必须计算好系统的TDH，并选择合适的泵，使总动力水头（TDH）与最高效率点（BEP）相匹配。图16－10泵的运行曲线四.泵的相似定律与变转速运行在电力生产中，变转速的泵随处可见，如由液力偶合器带的给水泵或由小汽轮机接带的水泵、风机等等。特别是近年来变频装置的成熟与普及，使得变速泵的运行越来越多。它可以减少管道的节流损失，更加节能。所以我们应掌握变频泵的运行规律。（一）泵的相似定律的前提条件：11331.几何相似—两台水泵在结构上完全相仿，对应尺寸的比值相同，叶片数、对应角相等；2.运动相似—两台水泵内对应点的液体流动相仿，速度大小的比值相同、方向一致（即速度三角形相似）；3.动力相似—两台水泵内对应点的液体惯性力、黏性力等的比值相同(二)符合相似条件的两台水泵，以下各式成立：Q2Q1=n2n1(D2D1)3（16－3）H2H1=(n2n1)2(D2D1)2（16－4）P2P1=(n2n1)3(D2D1)5(ρ2ρ1)（16－5）式中:Q1，Q2—泵1、泵2的流量；n1，n2—泵1、泵2的泵轴转速；D1、D2—泵1、泵2叶轮外径；P1，P2—泵1、泵2、的轴功率；ρ1、ρ2—泵1、泵2、输送介质的密度（两相似泵可以近似地认为容积率、水力效率、机械效率相等。）对于同一台泵来讲，相似定律则可写成：Q2Q1=n2n1（16－6）H2H1=(n2n1)2（16－7）P2P1=(n2n1)3（16－6）式中：Q----泵的流量，m3/sH----泵的扬程,mP----泵的功率,kwn----泵的转速,r/min从上式看出，对于变转速泵，其流量的变化与转速的一次方而正比；扬程与转速的二次方成正比；功率与转速的三次方成正比。1134当叶轮的直径变化时，流量与直径的三次方成正比；扬程与直径的二次方成正比；功率与直径的五次方成正比。此时也叫切削定律。当泵转速在20%左右变化时，其效率可认为变化不大。相似定律同样适用于离心式风机。（三）泵与风机的曲线群知道了某一转速下的泵的性能曲线，根据相似定律，我们可以得到不同转速下的泵的性能曲线，也能得到不同叶轮直径下的泵的性能曲线。如图16－11，16－12所示。图16－11不同直径下泵的特性曲线1135图16－12不同转速下泵的性能曲线五、泵与风机的运行调整当泵与风机运行在系统中的时候，其主要有两个任务，一个是要满足系统的要求，保证系统所需要的流量和压力。同时为了保证自身的运行安全，需要对泵的运行区域进行设定，防止泵的损坏。主要包括：泵的入口有保证足够的有效汽蚀余量（NPSHa）必须汽蚀余量（NPSHr）；泵应该运行在