第二章_流体输送机械

2概述一、化工生产中为什么要流体输送机械？连续流动的各种物料或产品由低处送至高处由低压送至高压设备克服管道阻力流体输送机械……——为输送流体而提供能量的机械按工作原理分：动力式（叶轮式）：离心式，轴流式；容积式（正位移式）：往复式，旋转式；其它类型：喷射式，流体作用式等。固体的输送，可采用流态化的方法气体的输送和压缩，主要用鼓风机和压缩机。液体的输送，主要用离心泵、漩涡泵、往复泵。3二、为什么要用不同结构和特性的输送机械化工厂中输送的流体种类繁多：1、流体种类有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易挥发的、易燃易爆的以及有毒的等等；2、温度和压强又有高低之分；3、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。三、本章的目的1.理解并掌握常用输送机械的操作原理、结构与性能。2.合理选型、定规格、计算功率、安装位置。42.1离心泵2.1.1离心泵构造、原理及主要部件一、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56为什么叶片弯曲？泵壳呈蜗壳状？思考：吸入导管压出导管泵轴泵壳叶轮底阀：、：、：、泵轴及轴封装置泵壳叶轮32172、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：常压流体被甩出高速流体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8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910二、主要部件叶轮（Impeller）:离心泵的关键部件，是流体获得机械能的主要部件，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,其转速一般可达1200～3600转/min，高速10700～20450转/min。根据其结构可分为：1、叶轮：思考：三种叶轮中哪一种效率高？开式半开式闭式1112哪种形式的叶轮做功效率高？闭式叶轮效率最高，半开式叶轮效率次之，开式叶轮效率最低；原因在于叶片间的流体倒流（外缘压力高，叶轮中心压力低）回叶轮中心，做了无用功；增加了前后盖板使倒流的可能性减小。按照吸液方式可以将叶轮分为单吸式和双吸式两种。2.泵壳从叶轮中抛出的流体汇集到泵壳中，泵壳是蜗壳形的,故其流道不断地扩大，高速的液体在泵壳中将大部份的动能转化为静压能，从而避免高速流体在泵体及管路内巨大的流动阻力损失。因此泵壳不仅是液体的汇集器，而且还是一个能量转换装置。133.轴封装置前面已提到泵启动后在叶轮中心产生负压（吸入口在泵体一侧），故其会吸入外界的空气；液体经过叶轮的做功，获得机械能经过泵壳的汇集，能量转换成静压能较高的流体进入排出管，对半开式，与闭式叶轮，叶轮四周的高压流体可能泄漏到盖板与泵体间的空隙（叶轮可旋转，泵体相对固定，叶轮轴与泵体间必有间隙），故其会向外界漏液。泵轴与泵壳之间的密封成为轴封。密封方式有：填料密封与机械密封，填料密封适用于一般液体，而机械密封适用于有腐蚀性易燃、易爆液体。填料密封：简单易行，维修工作量大，有一定的泄漏，对燃、易爆、有毒流体不适用；机械密封：液体泄漏量小，寿命长，功率小密封性能好，加工要求高。14以上三个构件是离心泵的基本构造，为使泵更有效地工作，还需其它的辅助部件：导轮：液体经叶轮做功后直接进入泵体，与泵体产生较大冲击，并产生噪音。为减少冲击损失，设置导轮，导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。这此叶片的弯曲方向与叶轮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，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。底阀（单向阀）：当泵体安装位置高于贮槽液面时，常装有底阀，它是一个单向阀，可防止灌泵后，泵内液体倒流到贮槽中。滤网：防止液体中杂质进入泵体。15离心泵的分类吸液方式单吸：液体只从一侧吸入双吸：液体同时从两侧吸入。具有较大的吸液能力S型单级双吸离心泵IS、IR型单级单吸离心泵16TSWA型卧式多级泵单级：只有一个叶轮DL型立式多级泵DFW型卧式离心泵ISG型管道离心泵多级：多个叶轮，可提供更高的扬程叶轮个数172.1.2离心泵的理论压头与实际压头H=he泵对单位重量流体提供的机械能管路系统输送单位重量流体所需的机械能2.1.2.1理论压头假设：（1）叶轮内叶片数目无穷多，叶片的厚度无穷小,即叶片没有厚度；（2）液体为粘度等于零的理想流体；（3）泵内为定态流动过程。f2e2hgugpzh泵的压头（或扬程）：指泵对单位重量的流体所提供的有效能量，以H表示。182流体输送机械—2.1.2离心泵的理论压头与实际压头2.1.2.2实际压头由于前弯叶片的绝对速度c2大，液体在泵壳内产生的冲击剧烈得多，转化时的能量损失大为增加，效率低。故为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。流体通过泵的过程中压头损失的原因：（1）叶片间的环流：由于叶片数目并非无限多，液体有环流出现，产生涡流损失。（2）阻力损失：实际流体从泵进口到出口有阻力损失。（3）冲击损失：液体离开叶轮周边冲入蜗壳四周流动的液体中，产生涡流。a理论压头b环流损失d冲击损失c阻力损失HQ192流体输送机械—2.1.2离心泵的理论压头与实际压头实际压头的意义：泵提供的压头必须满足流体输送的需要，而流体输送伴随着位压头（升扬高度），静压头、动压头的变化和阻力损失（管路阻力损失，不含有泵的流动阻力损失，泵的阻力损失计入泵的效率），因此f2e2hguzgphH202流体输送机械—2.1.3离心泵的主要性能参数2.1.3离心泵的主要性能参数bch0真空表压力表测定离心泵性能参数的装置bcf,2cc02bb22hgugphHgugpbcf,2b2cbc02hguugpphH由于两截面间的管长很短，其阻力损失通常可以忽略，两截面间的动压头差一般也可以略去，则可得gpphHbc0（1）压头和流量由b、c两截面间的柏努利方程：212流体输送机械—2.1.3离心泵的主要性能参数（2）有效功率Ne、轴功率N和效率η有效功率Ne：离心泵单位时间内对流体做的功Ne=HQρg，W轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的能量，W。NeN泵的效率η：泵对外加能量的利用程度，η100%。为什么？泵运转过程中存在以下三种损失：①容积损失ηV该损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。在三种叶轮中，开式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮液时，叶片通道不易堵塞；闭式叶轮的渗漏量较小，但在磨损后渗漏便严重。②水力损失ηh该损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦损失（即前述环流损失、摩擦损失、冲击损失）。③机械损失ηm该损失包括旋转叶轮盖板外表面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。222流体输送机械—2.1.3离心泵的主要性能参数离心泵的轴功率N可直接用效率来计算：一般小型离心泵的效率50~70%，大型离心泵效率可达90%。/gHQN泵的轴功率，W泵的压头，m泵的流量，m3/s流体密度，kg/m3泵的效率232流体输送机械—2.1.3离心泵的主要性能参数（3）叶轮转速n1000~3000转/min（或r.p.m）；2900转/min最常见。泵在出厂前，必须确定其各项性能参数，即以上各参数值，并把它标在铭牌上；这些参数是在最高效率条件下用20℃的水测定的。242流体输送机械—2.1.4离心泵特性曲线2.1.4离心泵特性曲线（Characteristiccurves）由于离心泵的各种损失难以定量计算，使得离心泵的特性曲线H～Q、N～Q、η～Q的关系只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。右图所示为4B20型离心泵在转速n＝2900r/min时的特性曲线。若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。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。4B20离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWQ/(m3/h)NHη图2-124B20型离心泵的特性曲线25262流体输送机械—2.1.4离心泵特性曲线由图2－12可知：（1）H～Q曲线：Q↑，H↓(Q很小时可能例外)。当Q＝0时，H也只能达到一定值，这是离心泵的一个重要特性。（2）N～Q曲线：Q↑，N↑。当Q＝0时，N最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损。（3）η～Q曲线：有极值点(最大值)，于此点下操作效率最高，能量损失最小。在此点（设计点）对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92％ηmax。4B20离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWQ/(m3/h)NHη图2－124B型离心泵的特性曲线272流体输送机械—2.1.5离心泵特性曲线的影响因素2.1.5离心泵特性曲线的影响因素（1）密度ρ对特性曲线的影响①Q与ρ无关，但ms=ρQ与ρ有关。②H与ρ无关。③N=HQρg/η。教材附录泵性能表上列出的轴功率是指输送20℃清水时的N。N随ρ的增大而增大，所选泵用于输送比水的ρ大的液体应先按N’=ρ’N/ρ核算轴功率，若N’≥表中的电机功率，应更换功率大的电机，否则电机会烧毁。NHQ00282流体输送机械—2.1.5离心泵特性曲线的影响因素（2）流体粘度μ对特性曲线的影响μ↑、∑hf↑、Q↓、H↓、η↓、N↑(η↓的幅度超过QH↓的幅度，N↑)。泵厂家提供的特性曲线是用清水测定的，若实际输送流体μ比清水μ大得较多，特性曲线将有所变化，应校正后再用。校正方法可参阅有关书刊。若液体的运动粘度小于2×10-5m2/s，如汽油、煤油、轻柴油等，则对粘度的影响可不进行修正。/gHQN29离心泵的黏度换算系数大流量小流量QHcQcHc输送清水时的最高效率30例：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如附图所示。当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为0.025MPa，测得泵的轴功率为3.35kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试由该组实验测定数据确定出与泵的特性曲线相关的其它性能参数。解：与泵的特性曲线相关的性能参数有泵的转速n、流量Q、压头H、轴功率N和效率。其中流量和轴功率已由实验直接测出，压头和效率则需进行计算。以真空表和压力表两测点为1，2截面，对单位重量流体列柏努力方程1z2z真空表压力表3122212121122fppuuHHzzgg6212120.280.025100.531.6mHO10009.81ppHzzg%2.6435.315.2NNe把数据代入，得在工作流量下泵的有效功率为泵轴功率为kW15.2W2150360081.91000256.31HQgNe32（3）转速n对特性曲线的影响2r2w2c2u22'w2'c2'ur2cr2'c不同转速下的速度三角形泵的特性曲线是在一定转速下测得的，实际使用时会遇到n改变的情况，若n变化20％，可认为液体离开叶轮时的速度三角形相似，α2不变（如图所示)，则泵的效率η不变（等效率）。nnQQ（2-14a）2)(nnHH（2-14b）3)(nnNN（2-14c）比例定律u-圆周速度w-相对速度c-绝对速度33（4）叶轮直径D2对特性曲线的影响泵的特性曲线是针对某一型号的泵(D2一定)而言的。一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使D2变小，可以降低Q和H而节省N。