各种泵的结构原理

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（15-25m/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。按吸液方式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：60211nru60222nru液体沿叶片表面运动的速度ω1、ω2，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cpHHHgCCgPP2212212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)(221222122222121uurrdrrFdrrrrr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：22221单位重量流体经叶轮后的静压能增加为:gguuHP2222212122222212222212122gccgguuH（a）根据余弦定理，上述速度之间的关系可表示为：111212121cos2ucuc222222222cos2ucuc代入（a）式，并整理可得到：gcucuH/)coscos(111222(b)一般离心泵的设计中，为提高理论压头，使α1=90°，即cosα1=0gcuH/cos222——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sin2222cbrQT从点2处的速度三角形可以得出222222sincosctgcuc代入H=u2c2cosα2/g)sin(22222ctgcugu)2(1222222brctgQuugT22222)(1ctggbQrgTH——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β2、γ2、b2固定），当转速ω一定时，理论压头与理论流量之间呈线形关系，可表示为：TBQAH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，β2）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β2的大小,叶片形状可分为三种:a）后弯叶片(β290，b)，ctgβ20。泵的理论压头随流量Q的增大而减小b）径向叶片（β2=90。，图a），ctgβ2=0。泵的理论压头不随流量QT而变化。c）前弯叶片(β290。，图c)，ctgβ20。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H静压头的增加：g2g2uu22212122动压头的增加：g2cc2122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：bcfccbbhgugPZHgugP)(2222bcfbcbchguugPPZH)(222gPPZHbc/)(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η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：/eNN有效功率可表达为gQHNe轴功率可直接利用效率计算/gQHN2、离心泵的特性曲线离心泵的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压头的实验来测定，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。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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。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：nnQQ''2)'('nnHH3)'('nnNN——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