流体机械

1一、往复泵、离心泵、单螺杆泵的结构特点，工作原理，外特性曲线。根据工作原理、外特性曲线分析优缺点。1.往复泵往复泵依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复运动使缸内工作容积交替增大和缩小来输送液体的或使之增压容积式泵。1.1往复泵结构及工作原理图1-1为卧式单缸单作用往复式活塞泵的示意图。它主要由液缸、活塞、吸入阀、排出阀、阀室、曲柄（或曲轴）、连杆、十字头、活塞杆，以及齿轮、皮带轮和传动轴等零部件组成。当动力机通过皮带、齿轮或其它传动件带动曲轴或曲柄以角速度按图示方向，从左边水平位置开始旋转时，活塞向右边（亦即泵的动力端）移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力ap的作用下，推开吸入阀，进入液缸，直到活塞移到右死点为止。这个过程，称作液缸的吸入过程。曲柄继续转动，活塞开始向左（液力端）移动，缸套内液体受挤压，压力升高，吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管进入排出池，直到活塞移到左死点时为止。这一过程称作液缸的排出过程。曲柄连续旋转，每一周（2π~0）内活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程。在吸入或排出过程中，活塞移动的距离以S表示，称作活塞的冲程长度S曲柄半径用r表示，它们之间的关系为rS2。21-曲柄；2-连杆；3-十字头；4活塞；5缸套；6排出阀；7排出四通；8排出空气包；9排出管；10阀箱；11吸入阀；12吸入管图1-1往复泵工作示意图1.2往复泵的结构特点及分类按照结构特点，石油工程用往复泵大致可以按以下五方面分类：①按缸数分，有单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。②按直接与输送液体接触的工作机构分，有活塞泵，如图1-2（a）所示，由带密封件的活塞与固定的金属缸套形成密封副；有柱塞泵，如图1-2（b）所示，由金属柱塞与固定的密封组件形成密封副。③按作用方式分，主要有单作用式和双作用式，如图1-3（a）（b）所示。单作用式泵中．活塞（柱塞）在液缸中往复一次，该液缸作一次吸入和一次排出。双作用式泵中，液缸被活塞（或柱塞）分为两个工作室，无活塞杆的为前工柞室（或前缸），有活塞杆的为后工作室（或后缸），每个工作室都有吸入阀和排出阀，活塞往复一次，液缸吸入和排出各两次。此外，如图1-3（c）所示的差动式往复泵，近些年来在石油工程上也有应用。3图1-2往复泵工作机构示意图(a)活塞泵；(b)柱塞泵（a)(b)(c)图1-3往复泵作用方式示意图（a)单作用式；（b）双作用式；（c)差动式④按液缸的布置方案及其相互位置分。有卧式泵、立式泵、V形或星形泵等。⑤按传动（或驱动）方式分，有机械传动泵．如曲柄—连杆传动、凸轮传动、摇杆传动、钢丝绳传动往复泵等；蒸汽驱动往复泵；液压驱动往复泵等。近几年来，液压驱动往复泵在油田越来越受到重视。通常以上述几项主要特点来区分各种不同类型的往复泵。在石油工程中应用比较普遍的有如图1-4所示的三缸单作用卧式话塞泵，图1-5所示的双缸双作用卧式活塞泵，它们主要用作钻井泵；还有三缸、五缸单作用卧式柱塞泵及其它类型的往复泵，主要作压裂、固井及注水等泵使用。4图1-4三缸单作用卧式活塞泵1-机座总成；2-主动轴总成；3-被动轴总成；4-缸套活塞总成；5-泵体总成；6-吸入管汇系统；7-排出空气包；8-吊架总成图1-5双缸双作用卧式活塞泵1.4往复泵的基本特性参数和外特性曲线①泵的流量泵的流量是指单位时间内泵通过管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内的体积表示，称作体积流量，代表符号为Q，单位为sL或sm3。有时也以单位时间内的重量表示，称作重量流量，代表特号为G，单位为sN，即gQG式中——输送液体的密度，3mkg；g——重力加速度，2sm9.8。往复泵的曲轴旋转一周（2π~0），泵所排出或吸入的液体体积，称作泵的每转排量，它只与泵的液缸数目及几何尺寸有关。②泵的压力泵的压力通常是指泵排出口处单位面积上所受到的液体作用力，即压强，代表符号为p，单位为MPa。5③泵的功率和效率泵是把动力机的机械能转化为液体能的机器。单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量，称作泵的输入功率或主轴功率，以axN表示；而单位时间内液体经泵作用后所增加的能量，称作有效功率，或输出功率，以N表示。功率的单位为kW。泵的总效率是指有效功率与输入功率的比值。④泵速泵速是指单位时间内活塞或柱塞的往复次数，也称作冲次，以n表示，单位为1min。1.5往复泵的特性曲线往复泵的工作特性主要体现在流量Q、压力p、冲次n、轴功率axN以及效率等几方面，这些参数是互相联系的。本节通过对往复泵特性的讨论，着重分析钻井泵实际使用中的几个问题。往复泵的特性曲线主要表示泵的流量、输入功率及效率等与压力间的关系。往复泵在单位时间排出的液体体积取决于活塞（柱塞）断面面积F、冲程长度S、冲次n以及泵缸数i和流量系数，即60iFSnQ（单作用泵）或602SnfFiQ（双作用泵）因此，泵的流量与压力是无关的。若以横坐标表示泵的流量Q，纵坐标表示压力p，则泵的理论特性曲线（p—Q曲线）应是垂直于横坐标的直线，如图1-47（a）中的实线所示。流量不同，垂直线的位置也不同。实际上，随着泵压的提高，泵的密封处（如活塞一缸套、柱塞—密封、活塞杆一密封之间）的漏失量将增加，即流量系数要相应变小，所以，流量随着泵压的增高而略有减小，反映在p—Q曲线上，则略有倾斜，如图1-6（a）中虚线所示。对钻井泵，其压力是随着井深增加而加大的，因此，井的深度较大时，即使缸套与冲数不变，流量也将稍有减小。机械传动往复泵的输入功率axN、总效率及容积效率v等与泵压p间的变6化规律，如图1—6（b）所示。图1—6往复泵的特性曲线(a)泵的P—Q特性曲线；（b）泵的N—P、—P曲线应该指出，往复泵的p—Q特性曲线是与传动方式紧密相关的，上述的p—Q曲线，只适合纯机械传动往复泵。因为动力机转速和机械传动的传动比一定时，泵的冲次n不变。在一定的冲次下，只要活塞面积和冲程长度一定，流量也不变。这时，泵压与外载基本上呈正比变化关系。机械传动的往复泵，在外载变化的条件下，不能保持恒功率的工作状态。而当往复泵在某些软传动（如液力传动等）条件下工作时，随着泵压的变化，泵的冲次和流量能自动调节，以保证往复泵在一定的范围内接近恒功率工作状态。此时，泵的p—Q特性近似按双曲线规律变化。1.6往复泵的优缺点及其应用优点：①可获得很高的排压，且流量与压力无关，吸入性能好，效率较高，其中蒸汽往复泵可达80%~95%；②原则上可输送任何介质，几乎不受介质的物理或化学性质的限制；③泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动而变动。其他的泵都不具有往复泵的上述突出优点，但它们的结构比较简单，使用操作比较方便，而且还有体积小、重量轻、流量均匀，并能系列化批量生产的优点。缺点：流量不是很稳定。同流量下比离心泵庞大；机构复杂；资金用量大；不易维修等。72.离心泵离心泵和轴流泵在国民经济的各个部门以及人民生活中都有广泛的应用。在石油工程上，离心泵主要用在油田注水、油井采油、油品输送以及作为钻井泵的灌注用泵等；而轴流泵一般用作热电站中的循环水泵、油田供水用泵等。本章主要介绍离心泵的结构、工作原理、特性曲线、水力设计和选择使用等问题。2.1离心泵的工作原理图3-1为离心泵的基本结构。离心泵开始工作后，充满叶轮的液体由许多弯曲的叶片带动旋转。在离心力的作用下，液体沿叶片间流道，由叶轮中心甩向边缘，再通过螺形泵壳（简称螺壳）流向排出管。随着液体的不断排出，在泵的叶轮中心形成真空，吸入池中的液体在大气压力作用下，通过吸入管源源不断地流入叶轮中心，再向叶轮甩出。叶轮的作用是把泵轴的机械能传给液体，变成液体的压能和动能；螺壳的作用则是收集图3-1离心泵工作原理示意图从叶轮甩出的液体，并导向排出口的1—叶轮；2—叶片；3—螺壳扩散管。由于扩散管的断面是逐渐增4—吸入管；5—排出管大的，使得液体的流速平缓下降，把部分动能转化为压能。在有些泵上，叶轮外缘装有导叶，其作用也是导流及转换能量。在吸入管上及排出口的扩散管后分别装有真空表和压力表，用以测量泵进口处的真空度及出口压力，从而了解泵的工作状况。在泵的螺壳顶部，装有漏斗，用以在开泵前向泵内灌水。泵的吸入管下端装有滤网及阀，起过滤作用，并在开泵前灌泵时防止液体倒流入吸入池。排出管上装有用以调节流量的排出阀门。2.2离心泵的分类8离心泵通常按叶轮数目、叶轮结构、泵壳结构特点及其用途等进行分类。⑴按照叶轮数目划分①单级泵。在泵轴上只有一个叶轮，如图3-1所示。②多级泵。在同一根轴上装有两个或两个以上的叶轮，液体依次通过各个叶轮，如图3-2所示。它的总压头是各级叶轮压头之和。⑵按照叶轮吸入方式划分①单吸泵。叶轮只有一个吸入口，如图3-1。②双吸泵。叶轮从两侧吸入，如图3-3所示，它的流量较大。⑶按照泵壳结构划分图3-2多级离心泵①螺壳泵。泵壳为扩散的螺旋线形状，如图3-3。液体从叶轮出来，直接进入泵壳的螺旋形流道，再被引入排出管线。螺壳泵的泵壳都是沿轴线水平剖分的。②透平泵。泵壳为纵向接缝，在泵壳内有导叶，如图3-2所示。液体从叶轮中流出后，先经过导叶的导流和转换能量，然后才流入泵壳中。此外，按照所输送液体的性质可分为：水泵、热油泵、汽油泵、酸泵、碱泵、污水泵、电动潜油泵等。按照叶轮比数的不同，可分为低比数泵、正常比数泵和高比数泵。2.3离心泵的基本特性参数和外特性曲线与第一章往复泵一样，标志离心泵工作能力的基本特性参数，包括流量、压头（或扬程）、功率、效率和转速等，一般都在泵的铭牌上标出。①流量。是指泵在单位时间内所输送的液体体积，用Q来表示，单位为L/s9或/hm3。②压头（或扬程）。是指每一单位重量（N）的液体通过泵后，其能量的增加值，用H来表示，其单位为J/N或m；由于一般离心泵的工作压力不高，所以通常不采用MPa作为单位，而只用“m液柱”来表示压头的大小。③功率。离心泵的功率通常是指泵的轴功率，也就是动力机输入到泵轴的功率，以axN表示，其单位为kW。单位时间内流过离心泵的液体从泵那里得到的能量叫做有效功率，用N表示。泵的有效功率为kW10smN3gQHgQHN（3—1）式中——液体的密度，3kg/m。图3-3多级式螺壳泵1—双吸式叶轮；2—泵壳④效率。任何泵不可能把动力机输入的轴功率完全传递给液体，成为有效功率，因为在泵内有各种能量损失。泵的效率为有效功率与轴功率之比10图3-33离心泵特性试验系统示意图1—离心泵；2—转速表；3—测功机；4—速度；5—流量表；6—调节阀门；7—水箱；8—真空表（或压力表）axNN（3—2）⑤转速。指泵轴每分钟的转数，用n来表示，其单位为r/min。离心泵的主要特性参数有：压头H，流量Q，功率axN，效率，转速n和吸上真空度sH或汽蚀余量h。各参数之间都有一定的内在联系。表示主要特性参数间关系的曲线称为泵的特性曲线。本节只讨论前5个参数间的关系。吸上真空度与汽蚀余量将在本章第六节中讲述。离心泵的特性曲线包括在一定转速下的压头一流量（H—Q）曲线、功率一流量(axN—Q）曲线和效率一流量（—Q）曲线。对应不同的转速有不同的特性曲线。一般用流量作横坐标，其他几个参数作纵坐标，如图3-32所图3-32离心泵的特性曲线示。每一个流量都有相对应的压头、功率和效率，它代表泵的一种工作状态（简称工况）。对应最高效率时的工况称为最优工况，相应的参数用下标“opt”表示。设计泵时所选定的一组参数，即设计工况应与最优工况相重合。因为目前泵内的水力损失还难以计算，所以不可能用计算方法来确定泵的特性曲线，只能通过试验来确定。图3-33为离心泵特性试验系统示意图。关于试验方法及测量技术，将在实验课中讲述。应当指出，泵制造厂的样本上所绘出的离心泵特性曲线，都是用清水在20C条件下试验测定的，因此都是输水特性曲线。当泵输送液体的粘11度、密度等与20C的清水不同时，还需要进行特性曲线的换算。H—Q特性由线它是离心泵选择和使用的主要依据。H—Q特性曲线有陡降式、平坦式和驼峰式三