化工机器---离心泵

第一节泵的概述第二节离心泵的装置及分类第三节离心泵的基本原理第八节离心泵的主要零部件第四节离心泵的性能曲线及其确定第五节离心泵的汽蚀第六节离心泵的运转第七节离心泵的选择第九节离心泵的操作及故障排除第一章离心泵离心泵的认知、原理、结构分析离心泵的操作运行安装、维修本章学习指导•1本章学习的目的通过学习掌握工业上最常用的液体输送机械离心泵的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。•2本章应掌握的内容本章应重点掌握离心泵的工作原理、操作特性及其选型。•3本章学习中应注意的问题在学习过程中，加深对流体力学原理的理解，并从工程应用的角度出发，达到经济、高效、安全地实现流液体输送。第一节泵的概述一、在石油化工工业中的地位：概念：输送液体的机械叫做泵，泵的作用是为液体提供外加能量，提高液体的压强，以便将液体由低处送往高处或送往远处。地位：占有极为重要的地位，是保证石油化工连续、安全生产的重要机器之一，应用很广泛。二、泵的分类：1、按工作原理分：见书（第4页）（1）叶片泵：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能量。包括离心式、轴流式、混流式（2）容积式：利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量。包括往复式、旋转式输送机械（3）流体作用式：依靠能量转换原理以实现输送流体任务。如喷射泵2、按泵的用途分：供料泵、循环泵、成品泵、高温和低温泵、废液泵、特殊用泵等。三、泵的特点及应用范围离心泵主要适用于大中流量和中等压力场合；往复泵主要适用于小流量和高压场合；转子泵和漩涡泵则适用于小流量和高压的场合。其中离心泵具有适用范围广、结构简单及运转可靠等优点，广泛应用。第二节离心泵的装置及分类一、离心泵的装置包括叶轮和泵轴的旋转部件:平衡盘、推力盘、联轴器、套筒、紧圈、固定环由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件：吸气室、扩压器、弯道、回流器离心泵由两个主要部分构成：结构主要工作部件是叶轮和泵壳。叶轮通常是由5～7个弧形叶片和前、后圆形盖板所构成。叶轮用键和螺母固定在泵轴的一端。固定叶轮用的螺母通常采用左旋螺纹，以防反复起动因惯性而松动。轴的另一端穿过填料箱伸出泵壳，由原动机带动。泵壳呈螺线形，亦称螺壳或蜗壳。二、离心泵的分类：1、按叶轮吸入方式分：（1）单吸式离心泵：只有一个吸入口，应用广泛。Q=4.5~300m/h，H=8~150m（2）双吸式离心泵：有两个吸入口同时吸液。Qmax=2000m/h，H=10~110m2、按级数分类：（1）单级离心泵：只有一个叶轮，应用广泛，扬程低。（2）多级离心泵：有两个以上叶轮。一般为单吸式，H=100~650，Q=5~720m/h。3、按扬程分类：低压离心泵（H20m)、中压离心泵(h=20~100m)、高压离心泵(H100m)4、按泵的用途和输送液体性质分类：清水泵、泥浆泵、酸泵、碱泵、油泵、砂泵、低温泵、高温泵、屏蔽泵等。333第三节离心泵的基本原理一、离心泵的基本性能参数：•1.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或m3/h；•2.扬程（H）：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为m；应当注意，不要把扬程和升扬高度等同起来。用泵将液体从低处送到高处的高度，称为升扬高度。升扬高度与泵的扬程和管路特性有关，泵运转时，其升扬高度值一定小于扬程•3.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；•4.轴功率（N）：指离心泵的泵轴所需的功率，单位为W或kW。泵的轴功率N大于泵的有效功率N效•5.允许吸上真空高度及允许汽蚀余量：后续二、离心泵的工作原理：泵壳内必须先充满液体，否则，易出现“气缚”现象。原动机：轴＋叶轮，旋转离心力中心动能高速离开叶轮外围静压能叶片间液体:—液体被做功吸上原理：先将液体注满泵壳，叶轮高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动能，由于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由部分动能转变为静压能，即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。在液体被甩向叶轮外缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压（或真空），则常压液体不断补充至叶轮中心处。于是，离心泵叶轮源源不断输送着流体。何以得名离心泵，因为叶轮旋转过程中，产生离心力，离心力产生高速度。气缚现象•离心泵在启动前要灌满液体，以排出泵内的空气。•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，即：泵内存在空气，由于空气的密度远远小于液体，则产生的离心力小，不能将空气甩出去，使泵壳内形不成足够的真空度，不能吸液。这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。。防止方法：（1）吸入管末端安装单向底阀。底阀上装有滤网。（2）启动前灌泵。叶轮泵壳泵轴吸入口底阀滤网调节阀排出口吸入管排出管三、离心泵的理论扬程•先分析液体在叶轮中的流动情况→•再建立扬程方程式→•后分析其规律→得到管理（提高扬程）的要点1.液体在叶轮中的运动情况及速度三角形为简化液体在叶轮内的复杂运动，作两点假设：①叶轮内叶片的数目为无穷多理性叶片，即叶片的厚度为无限薄，从而可以认为液体质点完全沿着叶片的形状而运动，亦即液体质点的运动轨迹与叶片的外形相重合；②输送的是理想液体，由此在叶轮内的流动阻力可忽略。*相对运动速度ω：它是以与液体一起作等角速度的旋转坐标为参照系，液体质点沿叶片从叶轮中心流到外缘的运动速度，即相对于旋转叶轮的相对运动速度ω。*绝对运动速度c：它是以固定于地面的静止坐标作为参照系的液质点的运动，称为绝对运动，绝对运动速度用c表示。三者关系：速度三角形如图示：三个速度构成了速度Δ，α表示c与u之间的夹角，β表示ω与u反方向延长线之间的夹角，α，β称为流动角，其大小与叶轮的结构有关。根据余弦定理，则：液体质点在叶轮内的速度有三个：*圆周运动速度u：叶轮带动液体质点作圆周运动的速度，若将c分解为径向分量Cr和圆周分量Cu，则分别为：（得出的公式结论将在后面用）则：2、离心泵的基本方程：离心泵叶轮通过叶片传给液体的能量与液体的流动状态有关，即与速度三角形有关。对于理想液体通过理想叶轮时，按照基本能量方程中动量矩定理可知，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，得出：gcucugcucuHuuT1122111222coscos符号下加角标1者，指叶轮进口的参数，加下角标2者，指在叶轮出口的参数。该方程即为离心泵基本方程，也称欧拉方程。不仅适用于离心泵，且适用于离心式风机、离心式压缩机，是离心机械通用的基本方程对欧拉方程式的分析gcucugcucuHuuT1122111222coscosαα欧拉方程I式①在离心泵设计中，为提高理论压头，一般使α1＝90°（液体径向进入叶片间通道），cosα1＝0即液体进入叶轮流到时无预旋gcugcuHuT22222cosα欧拉方程I式又根据进出口速度三角形，根据余弦定律，可推导出欧拉II式gccgguuHT222212222212122ωωHp（静压头）Hc(动压头)离心力的作用下叶轮旋转所增加的静压头叶片间通道面积逐渐加大使液体的相对速度减少所增加的静压头液体流经叶轮后所增加的动压头（在蜗壳中其中一部分将转变为静压能）Hp用于克服装置中的流阻、液位差和反压。要求Hp大于这三者之和。Hc表现为液流的绝对速度增加。要求Hc不宜过大，因为Hc大流阻大。②根据速度三角形c2u=c2cosα2=u2–cr2ctgβ2w2α2c2u2cr2c2uβ2将上两式代入欧拉方程II式后，得：设叶轮的外径为D2，叶轮出口处的宽度为b2，理论流量QTœ=cr2A，则：β2β2α2称为离心泵的基本方程式3、有限叶片叶轮的理论扬程实际叶轮的叶片是有限的，液体在两叶片间流动时，除沿叶片由内向外流动以外，还有轴向涡流，叶片间的流道越宽，涡流就越严重，由于涡流的影响，液体经实际叶轮所获得的理论扬程小于实际扬程，引入环流系数K：Ht=Kht∞K与叶片数目、叶轮外径之比、叶片进出口安装角、叶片长度及宽度、液体黏度等因素有关，一般在0.6~0.9，叶片数越多，K值越大。4、叶片离角对理论扬程的影响ⅰ）后弯叶片（叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反）ⅱ）径向叶片ⅲ）前弯叶片静压小、动压大、噪音大、效率低、能量转换中损失大、适宜风机工况。介于后弯叶片与前弯叶片之间。22222βctggcuguHrT对叶片出口角β2的讨论：静压大、动压小、噪音小、效率高、工作平稳、不会过载。•比较以上三种情况:•1)尺寸和n相同的离心泵，在Q相同时，β2（前弯）越大，H越高•2)表面上，以用前弯叶片为宜,实际中，考虑到各种损失，多用后弯叶•3)Ht与所运送流体的性质无关。1.扬程主要取决于叶轮的直径和转速泵的封闭扬程(Q=0)的理论值为:Ht∞max=u2／g，要提高H，必须增大D2或提高n，D2关系到泵的外廓和重量，n受限于泵的汽蚀性能。离心泵n一般不超过8000～10000r／min，单级泵的H通常不超过150m。2.离心泵的扬程随流量而变，并与叶片出口角有关（弯曲方向）。当用径向叶片，即β2=90时,即H与Q无关；当用后弯叶片，即β290’时，ctgβ20，Q增大则Ht减小；(水泵)当用前弯叶片，即β290‘时，Q增大则Ht增加。（风机）3、离心泵的理论扬程与所输送的液体的性质无关。输送不同流体时，因密度ρ不同，则所产生的吸排压差△p=ρgH和功率P=ρgQH/η也是不同的如果泵内是空气，空气密度仅为水的1／800左右，泵能在吸排口间造成的压差就很小。例如H为100m的水泵，其排送空气时达到同样的H气，此时，它只能在吸排口间产生1.268kPa的压差，在大气压下这只能将水吸上约12.9cm高。根据上图（叶片出口角对理论扬程的影响）和扬程方程式，我们可以得出以下结论：四、离心泵实际扬程的计算：实际扬程不能进行精确计算，和理论值差异很大，在工程中确定离心泵的扬程有两种情况：1、管路系统所需实际扬程的计算：2、实验装置对离心泵实际扬程的计算：fABABABhgPPgCCHHH222泵性能实验装置示意图gPPguuZZHgPguZHgPguZ1221221222221211222五、离心泵的性能曲线离心泵的定速特性曲线：在既定的转速下，离心泵的扬程、功率、效率等参数与流量的函数关系曲线称之。通常，离心泵的特性曲线由制造厂附于泵的样本或说明书中，是指导正确选择和操作离心泵的主要依据。1.H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系2.N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系3.η-Q曲线：表示泵的效率与流量的关系离心泵性能曲线可以用理论分析和实验测定两种方法绘制1、理论分析法：依据离心泵基本方程将扬程、流量、功率、效率之间的关系绘制出来并研究讨论性能参数之间变化规律的方法。称为理论性能曲线，能够定性得出参数之间的关系。但是离心泵内部存在各种损失，使得实际与理论之间存在明显差别；2、实验测定法：在实际应用时均是利用实验的方法绘制离心泵的性能曲线，装置如图泵性能实验装置示意图HNQHQQNQ最高效率点为工作点一、Q-H曲线：离心泵都用后弯叶片，其Q-H曲线趋势下倾。由于叶片出口角的不同，曲线形状可分为三类：平坦型、徒降型、驼峰型三种1.陡降形(高比转数)1)叶片出口角β较小，H变化时Q变化较小2)用于H变动又不希望Q变化的场合(舱底水泵压载泵等)Q-HQ-ηQ-PQ-△hr2.平坦形(中低比转数泵)•1）叶片出口角β稍大，H变化时Q变化较大•2)用于那些经常需要调节Q而又不希望节流损失太大的场合(凝水泵、锅炉给水泵)。•3.驼峰形•1）叶片出口角β较大•2）其Q一H曲线就比较平坦，而在小Q时撞击损失又大，于是Q—H曲线就会出现驼峰。•3）有驼峰形Q—H曲线的泵，工作时可能发生喘振•4）应尽量避免使用•5）适当限制叶片出口角和叶片数，即可