Petrel裂缝分析与裂缝建模技术

第三章泵3-1离心泵工作原理与装置3-2离心泵的性能参数3-3离心泵的基本方程式3-4离心泵的特性曲线3-5离心泵的分类及结构3-6离心泵的运行和调节3-7离心泵的选用3-8离心泵的故障及排除方法3-9其他类型泵一、概述前言流体输送设备流体从低处→高处；低压处→高压处；所在地→较远处；需要对流体做功，增加流体的机械能。流体输送设备（通用机械）：液体输送设备——泵；气体输送设备——通风机、鼓风机、压缩机或真空泵；作用：向系统输入能量，补充所需机械能；用于流体的输送或加压。泵的定义泵是把机械能转换成液体的能量，用来增压输送液体的机械。泵是国民经济中应用最广泛、最普遍的通用机械，除了水利、电力、农业和矿山等大量采用外，尤以石油化工生产用量最多。而且由于化工生产中原料、半成品和最终产品中很多是具有不同物性的液体，如腐蚀性、固液两相流、高温或低温等，要求有大量的具有一定特点的化工用泵来满足工艺上的要求。这方面的技术发展产品开发一直是十分活跃的。根据泵的工作原理和结构分类离心泵漩涡泵混流泵轴流泵往复泵转子泵齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、滑片泵喷射泵、空气升液泵、电磁泵单吸泵、双吸泵单级泵、多级崩蜗壳式泵、分段式泵立式泵、卧式泵屏蔽泵、磁力驱动泵高速泵单级泵、多级泵离心漩涡泵电动泵蒸汽泵柱塞泵隔膜泵计量泵叶片式泵容积式泵其他类型泵泵第一节离心泵的工作原理与装置一、离心泵的工作原理：离心泵在启动之前，应先用被输送液体灌满泵壳和吸水管道（通常称为灌泵），然后，关闭漏斗下方的阀门，驱动电机，使叶轮和液体作高速旋转运动，此时，液体受到离心力作用被甩出叶轮，经蜗形泵壳中的流道而流入泵的压液管道，由压液管道而输入管网中去。在这同时，离心泵叶轮中心处由于液体被甩出而形成真空，吸液池中的液体便在大气压力作用下，沿吸液管而源源不断地流入叶轮吸入口，又受到高速转动叶轮的作用，被甩出叶轮而输入排出管道。这样，就形成了离心泵的连续输送液体。(a)排出阶段叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）→流体流入涡壳(动能→静压能)→流向输出管路。(b)、吸入阶段液体自叶轮中心甩向外缘→叶轮中心形成低压区→贮槽液面与泵入口形成压差→液体吸入泵内。离心泵结构示意图气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。离心泵的工作原理二、离心泵装置：离心泵装置主要由离心泵、电动机、吸入管、排出管和阀门、仪表等组成。底阀由单向阀和防污网组成。单向阀的作用是允许液体从吸液池流进吸入管，而不允许液体反向流动，主要作用是保证泵在启动前能灌满液体。防污网可防止吸液池中的杂物被吸入泵体内。泵出口单向阀在停泵时靠排出管中液体的压力自动关闭，防止液体倒流入泵内冲坏叶轮。排出口截止阀在开、停或检修泵时截断流体，对小型泵还可用于调节泵的流量。真空表和压力表分别用于测定泵的进出口的压力，可根据表的读数判断压的运行是否正常。流量计用来检测泵的瞬时流量。第二节离心泵的性能参数一、流量（q）:离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为L/s、m3/s或m3/h；二、扬程（H）：离心泵对单位质量的液体所能提供的有效能量以液柱高度表示的值，也称为压头，其单位为m；离心泵的扬程是表征离心泵作功能力的的一个重要性能参数，其值与泵的构造、尺寸、叶轮转速、所输送的液体流量等有关。离心泵的扬程应当与完成一定输送任务的管路系统所要求提供的机械能相适应。用伯努利方程式可以导出泵扬程的计算式，单位：mzhhHHgvvgppHdsds2212212zhhHHHdsds当p1=p2=pb且v1=v2≈0时，上式改写为：Hs+Hd+△z=Hg，hs+hd=∑h，上式又变为：H=Hg+∑h当p1=p2=pb且v1=v2≈0时，扬程的计算公式也可用压力表和真空表的读数py和pz来表示：zgvvgpgpHsdzy222第二节离心泵的性能参数三、功率（P）：单位时间内所做的功。有三种：1、有效功率Pu：单位时间内泵对输出的液体所做的有用功即泵的输出功率（单位：kW）。它和流量、扬程的关系为：1000ρgqHPu2、轴功率Pa：单位时间内原动机传递到泵主轴上的功率。又称泵的输入功率。3、电动机Pgr：泵在工作时有可能出现超负荷的现象，为保证电动机工作安全，配用电动机功率均留有一定余量一般取:Pgr=(1.1-1.2)Pa。第二节离心泵的性能参数四、效率：1、泵效率（）：由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，通常用效率来反映能量损失；泵效率是衡量泵性能高低的一个技术经济指标，其计算公式为：%100aupp2、机组效率（gr）：%100grugrpp一般小型泵的效率为0.6-0.7，大型泵可达到0.8-0.9。第二节离心泵的性能参数五、转速（n）:离心泵泵轴每分钟转动的次数，（单位：r/min或rpm）。中小型泵一般采用电动机直接传动，其转速与电机转速相同。常用的转速有：2900r/min、1450r/min、970r/min、730r/min等。六、比转数（ns）：也称为比转速，它是既反映叶片式泵（如离心泵、轴流泵、混流泵）叶轮的基本形状，又反映泵的基本性能（流量、扬程、转速）的综合参数，可用下式计算：4365.3Hqnns比转数是无量纲数。同一台泵在不同的工况条件下有不同的比转数。一般取最高效率工况时的比转数作为泵的比转数。由比转数大致可推断出泵的叶轮形状、性能及性能曲线的变化规律。如表3-1所示。大流量、小扬程的泵，比转数大；反之，小流量、大扬程的泵，比转数小。比转数小的泵，叶轮出口宽度小，叶轮外径D2大，D2与叶轮进口处直径D0的比可以大到等于3，叶轮中的流道长，流量小但扬程高。此时的叶片泵为离心泵。当叶轮形状结构的变化达到D2/D0为1.1-1.2，比转数为300-500时，这种叶片泵就成了混流泵。当D2/D0为0.8左右，比转数为500-1000时，叶片泵则变为轴流泵了。Hg11KK000p七、离心泵的吸入性能：（一）、离心泵的气蚀现象：1、产生原因：当水泵运行时，如果叶轮叶片入口处某局部的绝对压力等于或低于所输送液体温度下的汽化压力，液体便发生汽化，产生许多气泡，气泡内将充满蒸汽和液体中析出的气体。这些气泡随着液体带到叶轮高压区，在高压的作用下迅速凝结而破裂，在此同时，周围的流体质点以高速冲向原来气泡占有的空间，质点相互撞击而形成高频的局部水击，压力可高达上千兆帕。这种水击会对金属表面形成持续、反复的冲击，导致金属表面疲劳而破坏，这种破坏称为机械剥蚀。除此以外，在气泡破裂所释放的凝结潜热的助长下，原气泡内的活泼气体又会对金属产生化学腐蚀作用，加剧了材料的破坏。金属表面在机械剥蚀和化学腐蚀的长期联合作用下，会出现蜂窝状破坏，这种现象称为汽蚀现象。2、汽蚀对水泵产生的危害：（1）、缩短泵的使用寿命：由于机械剥蚀和化学腐蚀使叶轮和蜗壳多处变得粗糙多孔，产生显微裂纹，严重时出现蜂窝状侵蚀，甚至产生空洞。（2）、影响泵的性能：汽蚀发生时液体的汽化以及液体中气体的析出，形成了大量气泡，使液流的过流断面面积减小，局部区域流速加大，并产生涡流，以致流动损失增大，严重还有可能出现断流，因此汽蚀会导致泵的扬程和效率降低。（3）、产生振动和噪声：汽蚀发生时，局部水击会产生许多不同频率范围内的噪声，如果水击的频率和机组的固有频率接近将会引起机组振动。机组的振由又会促使更多气泡的产生和破灭。这种相互激励，最后可能导致机组的强烈振动，称之为汽蚀共振。如果机组发生汽蚀共振必须紧急停止水泵运行。（二）、离心泵的允许吸上真空高度：Hsc为试验求出的泵的吸上真空高度，由于泵在Hsc工作时，泵仍有可能产生汽蚀，故我国规定留0.3m的安全余量。泵在正常工作时吸入口所允许的最大真空度，由于它用液体的液柱表示，故称之为允许吸上真空高度。3.0scsaHHHsa值是在标准状态下以清水试验得出的，若泵的使用条件有变化，则以下式换算。)()33.10('gpgpHHvbsasa已知泵的允许吸上真空高度，可求出泵的允许最大安装高度。sssaanhgvHH22第三节离心泵的基本方程式复习：离心泵的扬程扬程（压头）：泵提供给单位重量液体的能量称为泵的扬程，用H表示，单位m。离心泵的扬程是表征离心泵作功能力的一个重要性能参数，其值与泵的构造、尺寸、叶轮转速、所输送的液体流量等有关。离心泵的扬程应当与完成一定输送任务的管路系统所要求提供的机械能相适应。一、液体通过叶轮的流动：离心泵工作时，液体一方面随叶轮作旋转运动，同时又经叶轮流道向外流动，因此液体在叶轮内的流动状况十分复杂，是一种复合运动。如图3-4所示（u1、ω1、c1、u2、ω2、c2的含义？）。速度三角形的α表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角，β表示相对速度与圆周速度反方向延线的夹角，一般称为流动角。图3-4液体在叶轮中的流动二、离心泵基本方程式:离心泵基本方程式从理论上表达了泵的压头与其结构尺寸，转速及流量等因素之间的关系。它是用于计算离心泵理论压头的基本公式。理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用HT表示。理想情况:1、叶轮有无限多个叶片，且叶片厚度可忽略不计。2、泵中的液流是稳定液流。3、液体为不可压缩的理想液体，且不考虑摩擦阻力。根据动量矩定理，单位时间内质点系对某轴的动量矩变化，等于在同一时间内作用于该质点系的所有外力对同轴的力矩，可推导出液体由叶轮入口流到出口所获得的能量与液体在叶轮中的运动状态之间的关系式为：)(11122uucucugHTHT∞：无限多叶轮时的理论扬程，单位m；g:重力加速度，单位：m/s2；u1、u2：叶轮进口、出口的圆周速度，单位m/s；c1u、c2u：进口、出口绝对速度的圆周分速度，单位m/s。该方程式即为离心泵的基本方程，也称欧拉方程。它不仅适用于离心泵，而且适用于离心式风机和离心式压缩机，是离心机械通用的基本方程。根据三角函数关系，还可进一步推导出：离心泵基本方程形式：22222222221ucosuctgcuugHgcgcHrTuT三、影响泵的扬程的因素：1、叶轮的转速和直径：由下式可知，理论扬程随叶轮圆周速度u2的增大而增大。gcgcHuT22222ucosu所以，叶轮的转速和直径增加，理论扬程增大。u2的计算公式：60222nDru2、叶片的几何形状：ω2ω2ω2222后弯叶片径向叶片前弯叶片影响因素讨论：后弯叶片径向叶片前弯叶片guHctgo2222,0,90guHctgo2222,0,90guHctgo2222,0,90根据上面的讨论，理论扬程HT∝随着β2的增大而提高。由图此可见，前弯叶片所产生的HT∞最大，似应采用之，但实际上离心泵多采用后弯叶片，并且一般取β2=20°-30°。原因是：液体总扬程由动扬程和势扬程两部分组成，对前弯叶片，虽然总扬程大，但势扬程所占比例小，动扬程所占比例大，流动损失大，泵的效率低，经济性不好。而对于后弯叶片，虽然总扬程小，但势扬程所占比例大，动扬程所占比例小，流动损失小，泵的效率高，经济性好第四节离心泵的特性曲线离心泵的H、N、η均与Q有关，H-Q、N-Q、η-Q三者之间的关系均由实验测得，称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线。这些曲线由泵的制造厂提供，并附于泵样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。图3-7为IS100-80-125型离心泵的一组特性曲线。图3-7离心泵的特性曲线