2016给排水《水泵及水泵站》.

泵与泵站郑州大学水利与环境学院2016年9月讲授：夏龙兴（15838106986）基础知识（绪论）1离心泵基本方程式3离心泵实验特性曲线4工作点确定5叶轮相似定律和变速调节6切削调节7离心泵并联运行工况8水泵装置扬程2水泵选型与变配电12水泵基本操作和常用水泵10水泵汽蚀与安装高程9机组设备布置及SCADA系统13管路设计1411泵站水锤15泵房工艺设计16排水泵站工艺设计特点17泵站工程设计概论•第一讲基础知识（绪论）•1泵与泵站•（1）泵:把原动机的机械能转化为液体的能量的一类机械。•（2）叶片泵:依靠叶轮的高速旋转把原动机的机械能转化为液体能量的一种机械。•（3）泵与泵站的作用：泵作为一种通用机械用途很广，如采矿、冶金、电力、石化、房地产等行业，特别是农业灌溉排水，市政给排水发挥重要作用。泵是泵站的主要设备；泵站是给水排水工程的重要组成部分，为泵和其它设备运行、管理提供良好环境的场所，是整个工程的动力源泉。•2叶片泵的分类•依据叶片的形状和叶轮出水方向的不同划分为三大类。•离心泵:径向出流,水流质点主要受离心力作用。•轴流泵:轴向出流,水流质点主要受轴向升力的作用。•混流泵:斜向出流,水流质点既受离心力又受轴向力作用。•3离心泵的主要零件及其部位,作用•(1)叶轮：最主要部件，通过叶轮旋转给水体施加能量。•(2)泵轴：固定叶轮，带动叶轮旋转，传递能量。•(3)泵壳:蜗壳形,底部有放水孔。汇集水流、导流。•(4)泵座：固定泵壳。•(5)填料盒:泵轴穿出泵壳地方安装,防止漏水漏气。•单吸离心泵填料盒主要作用防止漏水（叶轮背面附近）•双吸离心泵填料盒主要作用防止漏气（叶轮进口附近）•(6)减漏环:叶轮进口与泵壳之间安装,防止高压水回流。•(7)轴承座：支承泵轴。(8)联轴器：将电机轴与水泵轴连接•4离心泵的工作原理•离心泵起动前泵壳及进水管灌满水，起动后叶轮作高速旋转,水受到离心力的作用被甩出叶轮，由泵壳汇集流出出水管；而叶轮进口处，由于水被甩出形成真空，吸水池的水在大气压的作用下进入吸水管流入叶轮,如此循环。•5水泵的性能参数•(1)流量Q:单位时间内通过泵出口的水体体积。m³/s。•(2)扬程H:单位重量液体通过水泵后获得的能量。mH2O•反映水泵做功本领大小的参数。•(3)轴功率N：原动机传给泵轴上的功率。KW•有效功率：Nu＝γQH•(4)效率η:反映水泵对能量的有效利用程度。•η＝Nu/N＝γQH/N•γ－KN/m³，Q－m³/s，H－m，N－KW•(5)转速n:r/min•(6)允许吸上真空高度Hs及允许气蚀余量第二讲水泵装置扬程与离心泵基本方程式•一装置需要扬程•1、水泵装置:水泵及其配套的管路和附件构成的系统。•2、水泵装置需要扬程:•对于水泵装置，单位重量水体从进水池到达出水池,经过管路所需要的能量。包括提水高度和进、出水管路水力损失。•H＝Hst＋∑h•Hst－静扬程mH2O，Hst＝Z2－Z1•∑h－进、出水管路水力损失mH2O。•二离心泵基本方程式•水泵是能量转换的机械。离心泵是依靠叶轮旋转来抽水的，那么水流在旋转的叶轮中究竟如何运动？旋转的叶轮能够产生多大扬程？扬程与叶轮构造和旋转运动有何关系？如何计算？本节借助于离心泵基本方程的推导和分析阐述上述问题。•1、叶轮中液体的运动分析•A、坐标系：静坐标取地球，动坐标取叶轮。•B、运动分解•相对运动:液体质点相对叶轮流出W•牵连运动:叶轮对地球转动U•绝对运动:液体质点对地球的运动C•C、运动与速度合成•叶片进口速度三角形C1＝W1＋U1•叶片出口速度三角形C2＝W2＋U2•2、基本方程式水泵叶轮将原动机的机械能转换为液体能量，反映旋转机械进行能量转换的定理只有动量矩定理。（1）动量矩定理质点系对转轴的的动量矩对时间的变化率，等于作用在质点系的外力对转轴的力矩之和。（2）三点假定A:液体是恒定流B:叶片无限多，严格约束每个叶槽水流为均匀流C:理想液体,不可压缩,不计水力损失。（3）研究对象微元为一个叶槽水体；叶轮中所有叶槽水体。（4）微元水体动量矩定理：一个叶槽水体动量矩的变化，即dt时间内流入和流出水体dm的动量矩变化。利用动量矩定理则:dm/dt(C2COSα2R2－C1COSα1R1)＝M（5）叶轮整个水体动量矩定理对整个叶轮积分并引入流量QTdVρ/dt＝ρQTρQT(C2COSα2R2－C1COSα1R1)＝∑M•引入功率:方程两端同乘旋转角速度ω•ρQT(C2COSα2R2ω—C1COSα1R1ω)＝Nt•引入水功率:NT＝γQTHT•ρQT(C2COSα2R2ω－C1COSα1R1ω)＝γQTHT•(C2COSα2R2ω－C1COSα1R1ω)/g＝HT•引入圆周速度U＝Rω•(C2COSα2U2－C1COSα1U1)/g＝HT•引入轴面分速CU＝C×COSα•HT＝(U2C2U—U1C1U)/g3、基本方程讨论及修正（1）一般离心泵α1＝90º,以提高水泵的杨程,改善吸水性能。HT＝U2C2U/g，α2＝6～15º（2）基本方程（理论扬程）与液体种类无关（3）增大叶轮直径和提高转速可以提高扬程（4）基本方程适用于一切叶片泵（理论扬程只与叶轮进出口速度有关，与叶片形状无关）（5）修正:H＝ηTHT/(1＋P)ηT－水力效率P－修正叶片无限多第三讲离心泵实验特性曲线与工作点确定一离心泵实验特性曲线1、定义与用途水泵性能参数及其曲线很难计算,一般用实验测定有关参数并绘制实验特性曲线，用以反映参数之间的内在联系及变化规律。它是合理选择水泵,使用水泵和分析解决水泵运行过程中实际问题的重要依据。2、设计工况点（额定工作点,最高效率点）：设计水泵时采用的一组参数。3、高效区在最高效率点两侧一个范围水泵的效率比较高,要求选泵和水泵运行工况在此范围内,两个端点的效率约为最高效率点的90%。4、离心泵关阀起动当Q＝0时,功率N最小，符合电动机轻载起动要求,也容易很快把水压出去。另外，水泵启动之前抽真空引水灌泵，也必须把出水闸阀关闭。5、选配电动机NP＝KNN—泵实际运行时可能出现的最大轴功率（单泵运行，水源水位最高时）。K－根据水泵功率不同选用,1.1～1.6二水泵工作点确定•1、装置需要扬程曲线•H＝Hst＋SQ²•管路阻力参数S＝(λL/D＋Σζ)/2g(πD²/4)²2、图解法确定水泵工作点装置需要扬程曲线与水泵扬程曲线的交点，实质为供、需能量平衡点。•3、数解法确定水泵工作点H＝Hst＋SQ²(1)H＝Hx－SxQ²(2)离心泵高效区曲线一般用二次方程拟合。高效区内选两点代入方程可求虚扬程Hx和虚参Sx。Sx＝(H1－H2)/(Q2²－Q1²)Hx＝H1＋SxQ1²(1),(2)式联立求解可得工作点(HA,QA)第四讲叶轮相似定律和工况调节•一、水泵工作点调节方法•1、装置扬程曲线发生改变•闸阀调节，水源水位改变(自动调节)。•2、水泵性能曲线改变•变速调节、变径调节、变角调节。•3、调节目的•（1）满足水压水量的变化要求•（2）使水泵在高效区运行，节能第四讲叶轮相似定律和工况调节•二、叶轮相似律•反映两台工况相似水泵工作参数与几何尺寸之间的变化规律。•（1）几何相似•两台水泵叶轮对应点尺寸线性成比例•B2/B2M＝D2/D2M＝－－－＝λ•δ1＝δ1M，δ2＝δ2M－－－•（2）运动相似•两个叶轮对应点水流速度大小成比例,角度相等•C2/C2M＝U2/U2M＝nD2/nMD2M＝－－－＝λn/nM•β1＝β1M－－－•（3）工况相似•两台水泵如果满足几何相似且运动相似，那么称两台•泵工况相似。第四讲叶轮相似定律和工况调节•1、第一相似律•Q＝ηVF2C2R，F2＝πD2B2ψ2•Q/QM＝ηVF2C2R/ηVM×F2M×C2RM•＝n/nM×(D2/D2M)³×ηV/ηVM•2、第二相似律•H＝ηhHT＝ηh/(1＋P)×U2C2U/g•H/HM＝ηh×U2×C2U/ηhM×U2M×C2UM•＝（n/nM）²×(D2/D2M)²×ηh/ηhM•3、第三相似律•N＝γQH/η，η＝ηV×ηh×ηM•N/NM＝(n/nM)³×(D2/D2M)^5×ηMM/ηM•第四讲叶轮相似定律和工况调节•两台工况相似的水泵如果尺寸相差不大(不超过三倍),近似认为效率相等,则•Q/QM＝n/nM×(D2/D2M)³•H/HM＝(n/nM)²×(D2/D2M)²•N/NM＝(n/nM)³×(D2/D2M)^5••比例律:•同一台水泵当转速改变前后,工况相似点的参数满足以下规律•Q1/Q2＝n1/n2•H1/H2＝(n1/n2)²•N1/N2＝(n1/n2)³•第四讲叶轮相似定律和变速调节•三变速调节•1、图解法•已知原工作点A(QA,HA),转速为n,现在所需流量QB，问水泵转速调节至多少?•解：（1）求调速后水泵工况点B•HB＝Hst＋SQB²•（2）通过B点作一条相似工况抛物线•H＝KQ²，K＝HB/QB²，•与转速为n时的扬程曲线交于点C(QC,HC)。•（3）B，C两点工况相似,则n¹＝n×QB/QC第四讲叶轮相似定律和变速调节•2、数解法•（1）HB＝Hst＋SQB²•（2）H＝Hx－SxQ²，H＝KQ²，K＝HB/QB²•两个方程联立求解得C(QC,HC)•（3）n¹＝n×QB/QC第四讲叶轮相似定律和变速调节•例题一：某水泵转速为n＝950r/min时的性能方程：•H＝45.833－4583.333Q²，装置扬程H＝10＋17500Q²。求•1.水泵装置工作点•2.当所需流量QB＝0.028m³/s，HB＝23.1m,采用变速调节，•求调速后水泵转速n¹?•3.求转速为n¹时的性能方程？•解：1.数解法求水泵工况点•水泵性能方程H＝45.833－4583.333Q²•装置扬程H＝10＋17500Q²•联立求解得：QA＝40.28l/s，HA＝38.396m第四讲叶轮相似定律和工况调节•2.变速调节计算•相似工况抛物线K＝HB/QB²＝23.1/0.028²＝29464.286•H=KQ²与水泵性能方程H＝45.833－4583.333Q²联立求解得•相似工况点C的流量Qc＝（4583.333＋29464.286）½/45.833½•n¹＝n×QB/Qc＝950×0.028/Qc＝725r/min•3.H＝(n¹/n)²Hx－SxQ²＝26.694－4583.333Q²第四讲叶轮相似定律和工况调节五调速方法与调速原则1、调速方法变频调速,变极调速(调速电机)。2、调速原则（1）首先满足供水流量和水压要求。（2）定速泵与调速泵搭配运行或几台调速泵运行，使调速泵和定速泵尽可能都在高效区运行。（3）电机高效运行，负载率不小于50％；降速不超过20%；调速后的转速不能接近机组临界转速。第四讲叶轮相似定律和工况调节•作业:•1、已知转速为n时的性能方程H＝Hx－SxQ²以及H＝Hst＋SQ²，若水源水位上升，净扬程减小到Hst1，若保持流量不变，求变速调节后的转速n¹？•2、已知原工作点A(QA,HA),叶轮外径为D2,原水泵工作点效率偏低，采用变径调节方法使水泵在高效区运行，求切削后水泵叶轮外径D2¹？•3、教材习题第四讲叶轮相似定律和工况调节•1、切削律•在一定切削量范围内,叶轮切削前后工况相似点有•以下规律:•Q/Q1＝D2/D2¹•H/H1＝(D2/D2¹)²•N/N1＝(D2/D2¹)³•2、切削适用条件•（1）适用于离心泵•（2）切削量不能太大,不宜超过12％•（3）切削前后工况相似点•第四讲叶轮相似定律和工况调节•3、水泵原工作点A，叶轮外径D2，现需要工作点(QB,HB)，若采用切削调节使水泵流量等于QB,问切削后的叶轮外径D2¹?•（1）、求切削后水泵工况HB＝Hst＋SQB²•（2）、通过B点作出相似工况抛物线H＝KQ²•K＝HB/QB²，与原水泵扬程曲线交于C(QC,HC)。•（3）、B,C两点工况相似，则QB/QC＝D2¹/D2，•切削百分比:（D2－D2¹）/D2×100%，进行效率修正。第五讲离心泵并联运行工况确定图解法•为