化工原理第二章离心泵

第二章流体输送机械授课人：张栋强联系方式：[e-mail]兰州理工大学石油化工学院流体输送机械流体输送机械：就是向流体做功以提高其机械能的装置。---真空泵压缩机鼓风机通风机气体输送机械泵液体输送机械按照输送流体的性质分类：泵按照其工作原理和结构可分为:特点：依靠旋转的叶片向液体传送机械能特点：机械内部的工作容积不断发生变化、回转式等往复式容积式：如轴流式、喷射式等、离心式速度式：如泵一、离心泵的构造和工作原理二．离心泵主要构件的结构及功能三、离心泵的主要性能参数四、离心泵的工作点与流量调节五、离心泵的安装高度六、离心泵的选用、安装与操作复习：1.流量测量（变压头流量计；变截面流量计）。2.变压头流量计（测速管、孔板流量计和文丘里流量计）3.变截面流量计（转子流量计）4.流体输送机械（液体输送机械；气体输送机械）5.泵的分类（速度式；容积式）底阀泵轴叶轮压出导管泵壳吸入导管第一节离心泵一、离心泵的构造和工作原理：、：、：、泵轴及轴封装置泵壳叶轮3211、离心泵的构造：1）开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。2）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（15-25m/s）流入泵壳。2.离心泵的操作原理：3）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。4）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。气缚现象：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。思考：泵启动前为什么要灌满液体根据结构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。3．离心泵主要构件的结构及功能1）叶轮——叶片（+盖板）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闭式叶轮的内漏最小，故效率最高，敞式叶轮的内漏最大。敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象思考：三种叶轮中哪一种效率高？平衡孔：在后盖板上钻有小孔，以把后盖前后空间连通起来。按吸液方式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。单吸式叶轮2）泵壳a)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。b)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轴封的分类轴封装置填料密封：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4、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2~9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、离心泵的理论压头和实际压头1、压头的意义泵的压头：泵向单位重量流体提供的机械能。用H表示，单位是m。管道输送流体系统正常工作时：H=he22efpuhzhgg泵产生的压头主要用于是液位高度增加，静压头增大以及克服流动过程中的压头损失。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。2、离心泵的理论压头1）离心泵基本方程式的导出理论压头离心泵在上述理想情况下产生的压头，就做理论压头，用H∞表示。——离心泵基本方程r—叶轮半径；—叶轮旋转角速度；Q—泵的体积流量；b—叶片宽度；—叶片装置角。意义：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。离心泵的基本方程gcugcuHu22222cos2222cot1[()]2Qrgb-w2c2222u2w1c111u12）离心泵基本方程式的讨论（1）理论压头与流量Q、叶轮转速、叶轮的尺寸和构造r2、b2、2）有关；（2）叶轮直径及转速越大，则理论压头越大；（4)在叶轮转速、直径一定时，流量Q与理论压头H的关系受装置角2的影响如下：（3）理论压头H与液体密度无关。这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。叶片后弯，290，ctg20，即H随流量增大而减小；叶片径向，2=90，ctg2=0，即H不随流量而变化；叶片前弯，290，ctg20，即H随流量增大而增大。w2w2w2222后弯叶片径向叶片前弯叶片思考：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！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主要取决于叶片数目、装置角2、叶轮大小等因素，而几乎与流量大小无关。（1）叶片间的环流运动具体原因如下：考虑这一因素后，图中理论压头线a变为直线b。（2）阻力损失考虑到这项损失后，压头线变为曲线c。此损失可近似视为与流速的平方呈正比。bc（3）冲击损失在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，则冲击损失越大。设计流量w2c2222u2w1c111u1bcd考虑到这项损失后，压头线应为曲线d。q-HH实际压头设计流量理论压头、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离心泵的主要性能参数允许汽蚀余量轴功率和效率压头流量转速铭牌(一)．压头与流量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/s或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，思考：转速一定时，出厂前如何确定泵的压头呢？流量计真空表压力表h0cbHgugpbb22fcchhgugp022-gppHbcgppbc)()(真表实验测定在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式：（二）轴功率、有效功率及效率电机输入离心泵的功率,用N表示，单位为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：反映泵对外加能量的利用程度，无量纲，用表示。效率：NNeNgHQ电机泵电功率电N电出传传电出NNNNe电电出电功率NNNe三者关系（如图）：NNe机械损失容积损失水力损失小型水泵：一般为5070%大型泵：可达90%以上（1）容积损失：（2）水力损失（3）机械损失内漏环流损失、阻力损失和冲击损失泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦与效率有关的各种能量损失：例2-1用水对一离心泵的性能进行测定，在某一次实验中测得：流量10m3/h，泵出口压力表读数0.17MPa，泵入口的真空表读数160mmHg，轴功率1.07kW。真空表与压力表两测压截面的垂直距离为0.5m。试计算泵的压头及效率。思路：eNNeNeNHQgH机械能衡算具体解题步骤见P60，例2-1四．离心泵的特性曲线及应用1、离心泵特性曲线离心泵的H、η、N都与离心泵的Q有关，它们之间的关系由确定离心泵性能的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：H～Q、η～Q、N～Q——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）H～Q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）N～Q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）η～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。设计点０2高效区与最高效率相比，效率下降5％～8％Q，H，N，有最大值。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。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%。注意：2、液体性质对离心泵特性的影响1）液体密度的影响sin2222cbrQT离心泵的流量与液体密度无关。离心泵的压头gcuH/cos222与液体的密度无关H～Q曲线不因输送的液体的密度不同而变。泵的效率η不随输送液体的密度而变。/gQHN离心泵的轴功率与输送液体密度有关。故，N~Q曲线上移。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2×10-5m2/s时，如汽油、柴油、煤油等粘度的影响可不进行修正。3、转速对离心泵特性的影响2nnHHnnQQ3nnNN若不变，则NNeNgHQ比例定律思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为H=A+BQ2，则新转速n下泵的特性曲线方程表达式？当转速变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形相似的近似假定，可推知：HnnHQnnQ2222QnnBAHnn22QBnnAHHn0Qn2BQAH泵在原转速n下的特性曲线方程转速增大4、叶轮尺寸对离心泵特性的影响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