过程流体机械-离心泵

MarineAuxiliaryMachinery1§4-1离心泵构造、原理一、构造和原理1、离心泵的构造：吸入口排出管泵轴轴封泵壳叶轮第四章离心泵MarineAuxiliaryMachinery22、离心泵的工作原理流体在泵内都获得了什么能量？其中那种能量占主导地位？思考：常压流体高速流体被甩出机械旋转的离心力逐渐扩大的泵壳通道高压流体灌满液体叶轮旋转离心力甩出液体蜗壳内进行能量的转换流体被压出叶轮中心形成真空在压力差的作用下流体被压入泵内MarineAuxiliaryMachinery3气缚现象泵启动前为什么要灌满液体？思考：液体未灌满ρ气ρ液离心力甩不出气体叶轮中心的真空度不够吸不上液体泵无法正常工作未灌满底阀漏液其它地方泄漏MarineAuxiliaryMachinery4二、主要部件作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高1、叶轮：结构形状分为三种思考：三种叶轮中哪一种效率高？MarineAuxiliaryMachinery5但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？闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大低压区高压区泵内液体泄漏MarineAuxiliaryMachinery62、泵壳（蜗壳形）思考：泵壳的主要作用？②能量转换装置①汇集液体，并导出液体Why?A↑p↑u↓MarineAuxiliaryMachinery7三、离心泵分类叶轮级数吸入液体方式叶轮形式能量转换方式泵轴中心位置单级泵单吸泵开式叶轮蜗壳式立式泵多级泵双吸泵半开式导叶式卧式泵闭式叶轮MarineAuxiliaryMachinery8四、离心泵特点优点压力、流量范围广，工作平稳，流量均匀结构简单、紧凑，可与高速原动机直接相连体积小、重量轻、检修方便，价格便宜运行费用低，调节性能好，液体中的颗粒对运行影响小缺点无自吸能力，启动前需要先灌水或者抽出吸入管内空气液体黏度对泵的性能影响较大，当液体粘度增加时，泵的流量、压头和效率会显著降低在小流量、高压头时效率不如往复泵MarineAuxiliaryMachinery9§2-2离心泵的叶轮理论液体从离心泵叶轮获得能量从而提高了其压强泵的结构转速流量H叶轮的直径叶片的弯曲情况取决于……MarineAuxiliaryMachinery10一、离心泵简化假设②叶轮内叶片的数目为无穷多，且叶片厚度不计理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用H∞表示。∞表示理想叶轮参数①流体为理想液体问：由①、②可以得出什么结果？由①液体在泵内无摩擦阻力损失由②流体与叶片的相对运动的运动轨迹可视为与叶片形状相同实际上流体在离心泵中的流动相当复杂简化其过程→建模→用数学语言来表达MarineAuxiliaryMachinery11圆周运动速度相对运动速度绝对运动速度c液体的复合运动随叶轮做旋转运动叶轮内由里向外做相对运动u二、离心泵的速度三角形1.液体质点在叶轮内的运动MarineAuxiliaryMachinery122.离心泵的速度三角形圆周速度u：流体随叶轮作圆周运动的速度相对速度w：流体在叶轮内作相对于叶轮运动的速度绝对速度c：流体相对于泵壳所作的绝对运动的速度三种速度三种速度组成速度三角形，其间的关系为：液体质点的三种速度wuc+=cuwcrcuMarineAuxiliaryMachinery13速度三角形中的三种角α角：绝对速度c与圆周速度u之间的夹角；β角：相对速度w与圆周速度u反方向之间的夹角，又称为流动角；βy角：叶片切线与沿圆周速度u反方向之间的夹角，又称为叶片安装角；三种角当β=βy即流动角等于叶片安装角时，液体沿叶片形线运动，无冲击损失cuwαβMarineAuxiliaryMachinery14速度三角形中几种速度的计算1111bDπQAQcr==∞601∞1nDπu=602∞2nDπu=222∞2==bDπQAQcr叶片数无限，流体相对速度一定与叶片表面相切b2D2cuwcrcuyββ2=2设计时，一般都是使设计流量下的2/1πα=01uc叶轮出口叶轮进口MarineAuxiliaryMachinery15三、基本能量方程式(Euler方程)设时间Δt内流过叶轮液体的理论体积流量为Q，液体密度为ρ叶片进口处的动量矩为ρQc1∞R1cosα1叶片出口处的动量矩为ρQc2∞R2cosα2作用在理想叶轮轴上的理论力矩为M∞MarineAuxiliaryMachinery16动量矩定理：从一个断面到另一个断面动量矩的变化等于同一时间内作用在这两断面间流体上的外力矩tαRcαRcQρtMΔ)cos-cos(Δ11∞122∞2∞=因∞22∞2cosucαc=∞11∞1cosucαc=)-(1∞12∞2∞RcRcQρMuu=叶轮传给液体的功率为)-()-(∞1∞1∞2∞21∞12∞2∞∞ucucQρωRcRcQρωMNuuuu===又因∞∞HgQρN=gucucHuu/)-(∞1∞1∞2∞2∞=所以基本能量方程式(Euler方程)H表示单位重量理想流体通过理想叶轮时获得的总压头MarineAuxiliaryMachinery17根据速度三角形并利用余弦定律2gcc+2gww+2gu-u=H21222212122∞∞∞2∞∞∞∞--2gc-c2∞12∞22gww2221∞∞-离心力的作用而增加的压力能流道断面积↑使液体相对速度↓而增加的压力能因绝对速度的增大而增加的动能2gu-u2122∞∞MarineAuxiliaryMachinery18设计时，一般都是使设计流量下的2/1πα=→0=cos1αgcugcuHu//cos22222∞离心泵理论压头的表达式，称为离心泵基本方程讨论H∞—Q的关系rcbDcbrQ2222222sin2yctggbQgrH2222∞2-)(表明了H∞与Q、ω、叶轮构造及尺寸（β2y、r2、b2）之间的关系b2D2MarineAuxiliaryMachinery19四、叶片形式分析根据叶片的出口安装角β2y的大小可将叶轮的形式分为三类：后弯叶轮：β2y90o，即叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相反径向叶轮：β2y=90o，即叶片出口处的切线方向为径向前弯叶轮：β2y90o，即叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相同1.叶片形式的分类yyyMarineAuxiliaryMachinery202.叶片形式对H∞的影响yyructggbDQugugctgcuugcuH222222222222∞-)-(H∞Qβ2y=90β2y90β2y90H∞随Q增加而线性的减小yctgbDuQ2222当时，H∞＝0，此时guH22∞当Q=0时，guH2∞2后弯叶片β2y90°，ctgβ2y0，β2y越小，H∞越小rycuctg22min2此时流体没有获得任何能量，这是后弯叶轮的最小极限角MarineAuxiliaryMachinery21rycuctg22max2前弯叶片β2y90°，ctgβ2y0，β2y越大，H∞越大径向叶片β2y=90°，ctgβ2y=0guH2∞2guH2∞2H∞随Q增加而线性的增加。当Q＝0时guH22∞当时guH2∞22此时全部为动压头，流体不能克服管路阻力，这是前弯叶轮的最大极限角当β2ymin增加到β2ymax时，H∞由零增加到最大值。在这个范围内，β2y越大，液体获得的能量越多MarineAuxiliaryMachinery22这样，似乎可以得出结论：前弯叶轮压头大，效果好；而后弯叶轮压头小，效果差；径向叶轮压头居中，效果居中这种结论不全面，因为还存在动压头和静压头的比例问题，而这个分配比例在考虑到流体的粘性时，却直接影响叶轮的运行效率等问题，这是工程中所十分关心的因此，还须在讨论β2y对H∞中的动压头和静压头比例的影响之后，才能最终作出结论MarineAuxiliaryMachinery233.叶片形式对静压Hst∞和动压Hd∞的影响gwwguuHst2-2-2∞22∞12∞12∞2∞+=动压2gcc=H2122d∞∞∞-静压在进口和出口截面近似相等，稳定工况条什下(α1=90°)可以认为c2r∞≈c1r∞≈c1∞2gc=2gc-c=2gc-c=H2∞2u2∞2r2∞22∞12∞2∞d则动压反力度Ω表示静压在总压中所占比值的大小，即∞∞∞∞∞∞∞-1-ΩHHHHHHHddst===∞2∞2u∞2u22∞2u2uc-1cug2gc-1所以MarineAuxiliaryMachinery24后弯叶轮，因β2yminβ2y90°，c2u∞u2∞，所以0.5Ω1,即叶轮总压中大部分为静压，因而效率较高，噪声较小。且Ω和Hst∞随β2y的增加而减小径向叶轮，因β2y＝90°，c2u∞＝u2∞，所以Ω＝0.5,即叶轮总压中有一半是Hst∞前弯叶轮，因β2ymaxβ2y90°，c2u∞u2∞，所以0Ω0.5,即叶轮总压中小部分为Hst∞，由于动压比例较大，效率较低，噪声较大。且Ω和Hst∞随β2y的增加而减小MarineAuxiliaryMachinery251）从叶片间流速看，前弯叶轮流道短，扩散度大，流动易分离，局部损失大；后弯叶轮流道长，变化均匀，流动不易分离，局部损失小2）从叶片曲率看，前弯叶轮曲率大，迫使流体沿旋转方向抛出，运动方向变化大，流动损失大；后弯叶轮曲率小，损失小3）从能量转化看，前弯叶轮动压头所占比例大，而实际中需要静压头克服管路阻力，而不需要高的动压头。因此，要把动压头在导叶或蜗壳中部分地转化为静压头。而能量转化总伴随损失，速度越高，损失越大MarineAuxiliaryMachinery26不同叶轮形式的比较后弯叶轮径向叶轮前弯叶轮反作用度0.5Ω1Ω＝0.50Ω0.5效率高居中低噪声小居中大原动机过载不会会会应用场合离心泵、大功率风机冷却用泵、风机小功率风机MarineAuxiliaryMachinery27五、实际压头HQ理论压头环流而致之压头减小摩擦损失冲击损失实际压头实际情况与理想情况的差别：流体流动的阻力实际压头始终小于理论压头摩擦损失液体被叶轮甩出冲向蜗壳冲击损失叶片并非无限多流体非理想流体轴向涡流环流MarineAuxiliaryMachinery28环流系数K：有限叶片数叶轮内，理想流体所获得的理论扬程小于无限叶片数叶轮内理想流体所获得的理论扬程的程度对于水泵221)(-1132+11=RRZπKMarineAuxiliaryMachinery29六、泵的功率和效率轴功率Nb:原动机传送给泵轴的功率有效功率Ne：是指液体从叶轮获得的能量，Ne=QHρg电机泵有效功率NeNα轴功率Nb指示功率Ni电动机功率指示功率Ni：泵轴传给叶轮的功率原动机功率N：考虑超载和传动方式等因素的影响，选择的原动机功率1、泵的功率MarineAuxiliaryMachinery30能量损失2、泵内损失和效率机械损失N机械效率ηm92～95％水力损失H容积损失Q填料和轴承的摩擦损失Nm1圆盘摩擦损失Nm2bmbbimNNNNNηΔ-==机械损失N叶轮旋转时，盖板表面及浸在液体中泵轴部分与液体间产生的摩擦损失。占轴功率的2～10%轴承和轴封损失相对其它损失来说较小，约为轴功率的1～5%。机械密封损失更小b2D2MarineAuxiliaryMachinery31容积效率ηv内部泄漏损失：内部循环外部泄漏损失：漏到外部TvQQη=容积损失Q运动部件和固定部件之间存在着间隙泵的泄漏损失一般为4～10%压力差低压区高压区MarineAuxiliaryMachinery32水力效率ηh摩擦损失：由粘性和过流部件形状及表面粗糙度冲击损失：流动冲角βiThHHHHHη+==水力损失H摩擦损失指：液体沿程阻力损失与局部阻力损失之和沿程阻力损失和局部阻力损失都与v2成正比冲击损失与流动的冲角有关。泵在设计流量工作时，液体进入叶