第二章流体输送机械

第二章流体输送机械在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处，或从低压送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。为液体提供能量的机械称为液体输送机械。为气体提供能量的机械称为气体输送机械，本章重点：离心泵的工作原理、性能参数及流量调节第一节液体输送机械2-1.1离心泵离心泵具有结构简单、流量大而且均匀、操作方便的优点。它在化工生产中得到广泛地应用，约占化工用泵的80～90％。一、离心泵工作原理离心泵蜗壳形泵壳内，有一固定在泵轴上的工作叶轮。叶轮上有6～12片稍微向后弯曲的叶片，叶片之间形成了使液体通过的通道。泵壳中央有一个液体吸入口与吸入管连接。液体经底阀和吸入管进入泵内。泵壳上的液体压出口与压出管连接，泵轴用电机或其它动力装置带动。启动前，先将泵壳内灌满被输送的液体。启动时，泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体沿着叶片间的通道从叶轮中心进口处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。于是液体以较高的压力，从压出口进入压出管，输送到所需的场所。当叶轮中心的液体被甩出后，泵壳的吸入口就形成了一定的真空，外面的大气压力迫使液体经底阀吸入管进入泵内，填补了液体排出后的空间。这样，只要叶轮旋转不停，液体就源源不断地被吸入与排出。离心泵若在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不能输送液体。此现象称为“气缚”。为便于使泵内充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的底阀，底阀为止逆阀，滤网是为了防止固体物质进入泵内，损坏叶轮的叶片或妨碍泵的正常操作。二、离心泵的主要部件离心泵的主要部件有叶轮和泵壳。1、叶轮从离心泵的工作原理可知，叶轮是离心泵的最重要部件。按结构可分为以下三种：a．敞式叶轮敞式叶轮两侧都没有盖板，制造简单，清洗方便。但由于叶轮和壳体不能很好地密合，部分液体会流回吸液侧，因而效率较低。它适用于输送含杂质的悬浮液。b．半蔽式叶轮半蔽式叶轮吸入口一侧没有前盖板，而另一侧有后盖板，它也适用于输送悬浮液。c．蔽式叶轮蔽式叶轮叶片两侧都有盖板，这种叶轮效率较高，应用最广，但只适用于输送清洁液体。蔽式或半蔽式叶轮的后盖板与泵壳之间的缝隙内，液体的压力较入口侧为高，这使叶轮遭受到向入口端推移的轴向推力。轴向推力能引起泵的振动，轴承发热，甚至损坏机件。为了减弱轴向推力，可在后盖板上钻几个小孔，称为平衡孔，让一部分高压液体漏到低压区以降低叶轮两侧的压力差。这种方法虽然简便，但由于液体通过平衡孔短路回流，增加了内泄漏量，因而降低了泵的效率。按吸液方式的不同，离心泵可分为单吸和双吸两种，单吸式构造简单，液体从叶轮一侧被吸入；双吸式比较复杂，液体从叶轮两侧吸入。显然，双吸式具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。二．泵壳离心泵的外壳多做成蜗壳形，其内有一个截面逐渐扩大的蜗形通道。从离心泵的的工作过程可以看到，泵壳的作用是集液和能量转换。叶轮在泵壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转。由于通道逐渐扩大，以高速度从叶轮四周抛出的液体可逐渐降低流速。减少能量损失，从而使部分动能有效地转化为静压能。有的离心泵为了减少液体进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间安装一固定的导轮，导轮具有很多逐渐转向的孔道，使高速液体流过时能均匀而缓慢地将动能转化为静压能，使能量损失降到最小程度。泵壳与轴要密封好，以免液体漏出泵外，或外界空气漏进泵内三、理论压头假设：①叶片的数目无限多，叶片的厚度无限薄，从而可以认为液体完全沿着叶片的弯曲表面流动，无任何环流现象；②液体是理想流体，无摩擦阻力损失。在叶轮的进、出口截面到机械能衡算式，从而导出离心泵理论压头TH为222TcosucHg（2-15）（3）流量对理论压头的影响2222TV2ctguuHqggA（2-18）2222Arbv22r22222sinqAcrbc（4）叶片形状对理论压头的影响当泵转速n、叶轮直径2D、叶轮出口处叶片宽度2b、流量vq一定时，TH随叶片形状2而变。①径向叶片，2=90，2ctg=0，TH=22ug与vq无关。②后弯叶片，2222T90,ctg0,uHg③前弯叶片，2222T90,ctg0,uHg由此可见，前弯叶片产生的TH最大，似乎前弯叶片最有利，实际情况是否果真如此呢？我们分析如下：TH=位头（z）+静压头（pg）+动压头（22ug）而290的前弯叶片流体出口的绝对速度2c很大，此时增加的压头主要是动压头，静压头反而比后弯叶片小。动压头虽然可以通过蜗壳部分地转化为静压头，但由于2c大，液体在泵壳内产生的冲击剧烈得多，转换时的能量损失大为增加，效率低。故为获得较多的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片（oo230~25）。2-1.2离心泵的主要性能参数为了正确选择和使用离心泵，需要了解离心泵的性能。离心泵的主要性能参数为流量、扬程、功率和效率。一．流量泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。用符号Q表示，单位为Ｌ/ｓ或m3/ｈ。二．扬程泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量，用符号Ｈ表示，单位为米液柱。离心泵压头的大小，取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。泵的压头可用实验方法测定。在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方程式，即或式中pM—压力表读出压力（表压），N/m2；pV—真空表读出的真空度，N/m2；u1、u2—吸入管、压出管中液体的流速，m/s；ΣHf—两截面间的压头损失，m。由于两截面之间管路很短，其压头损失∑Hf可忽略不计。若以HM及HV分别表示压力有和真空表上的读数，以米液柱（表压）计。则上式可改写为三效率液体在泵内流动的过程中，由于泵内有各种能量损失，泵轴从电机得到的轴功率，没有全部为液体所获得。泵的效率就是反映这种能量损失的。泵内部损失主要有三种，即容积损失、水力损失及机械损失，现将其产生原因分述如下：１．容积损失容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。因此，从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比值称为容积效率η1。２．水力损失水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。所以泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率η2。３．机械损失机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量，故泵的轴功率大于泵的理论功率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率之比称为机械效率η3。泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即η＝η1×η2×η3对离心泵来说，效率一般约为0.6~0.85左右，大型泵可达0.90。四．功率泵的有效功率可写成Ne＝QHpg式中Ne—泵的有效功率，W；Q—泵的流量，m3/s；H—泵的压头，m；p—液体的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。已知g=9.81m/s2；1kW=1000W，则有效功率可用kW单位表示，即由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率N要大于液体实际得到的有效功率，即泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值2-1．3离心泵的特性曲线一、离心泵的特性曲线压头、流量、功率和效率是离心泵的主要性能参数。这些参数之间的关系，可通过实验测定。离心泵生产部门将其产品的基本性能参数用曲线表示出来，这些曲线称为离心泵的特性曲线。以供使用部门选泵和操作时参考。特性曲线是在固定的转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值，国产4B20型离心泵在n=2900r/min时特性曲线。图上绘有三种曲线，即１．Ｈ－Q曲线Ｈ－Q曲线表示泵的流量Q和压头Ｈ的关系。离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，Ｈ－Q曲线的形状有所不同。如有的曲线较平坦，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；有的曲线比较陡峭，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。２．Ｎ－Q曲线Ｎ－Q曲线表示泵的流量Q和轴功率Ｎ的关系，Ｎ随Q的增大而增大。显然，当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。因此，启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。３．η－Q曲线η－Q曲线表示泵的流量Q和效率η的关系。开始η随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降。该曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高。所以该点为离心泵的设计点。选泵时，总是希望泵在最高效率工作，因为在此条件下操作最为经济合理。但实际上泵往往不可能正好在该条件下运转，因此，一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区。高效率区的效率应不低于最高效率的92%左右。泵在铭牌上所标明的都是最高效率下的流量，压头和功率。离心泵产品目录和说明书上还常常注明最高效率区的流量、压头和功率的范围等。二．离心泵的转数对特性曲线的影响离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的。当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为,,上式称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。三．叶轮直径对特性曲线的影响当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为,,上式称为切割定律。四．液体物理性质的影响泵生产部门所提供的特性曲线是用清水作实验求得的。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度及密度对特性曲线的影响。１．粘度的影响所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改变。２．密度的影响离心泵的压头与密度无关，这可以从概念上加以说明。液体在一定转速下，所受的离心力与液体的密度成正比。但液体由于离心力的作用而取得的压头，相当于由离心力除以叶轮出口截面积所形成的压力，再除以液体密度和重力加速度的乘积。这样密度对压头的影响就消除了。但是，泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水不同时，不能使用该泵所提供的Ｎ－Ｑ曲线，而应重新计算。以20oC的水为介质，在泵的转速为2900r/min时，测定某台离心泵性能时，某次实验的数据如下：流量12m3/h,泵出口处压强表的读数为0.37MPa，泵入口处真空表读数为0.027MPa，轴功率为2.3Kw。若压强表和真空表两测压口间垂直距离为0.4m，且泵的吸入管路和排出管路直径相同。测定装置如附图。求：这次实验中泵的压头和效率。解：（1）泵的压头以真空表和压强表所在的截面为41－1'和2－2'，列出以单位重量为衡算基准的伯努利方程，即212222121122fHgpguzHgpguz其中，2121,4.0uumzz，p1=-2.7×104Pa（表压），p2=3.7×105Pa（表压）因测压口之间距离较短，流动阻力可忽略，即Hf1-20；故泵的压头为：H＝m87.4081.91000107.2107.34.045（2）泵的效率581.010003.2360081.910001287.40NgHQ，即58.1％。分析说明：在本实验中，若改变出口阀的开度，测出不同流量下的若干组有关数据，可按上述方法计算出相应的H及η值，并将H-Q、N-Q、η-Q关系标绘在坐标纸上，即可得到该泵在n＝2900r/min下的特性曲线。3-1．4离心泵的工作点与流量调节当离心泵安装在一定的管路系统中工作时，其压头和流量不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特性。一．管路特性曲线将泵的H～Q曲线与管路的eH～Qe曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点