02 流体输送机械解析

第二章流体输送机械FluidTransportationMachinery工作介质：液体——泵气体——风机或压缩机工作原理：动力式（叶轮式）：离心式、轴流式等；容积式（正位移式）：往复式、旋转式等；流体作用式：喷射式。2.分类：1.定义：为流体提供机械能，完成输送任务的机械设备2.1概述2.2离心泵本节主要内容（1）离心泵的主要部件与工作原理（2）离心泵的性能参数及特性曲线（3）离心泵的汽蚀现象与安装高度（4）离心泵的工作点与流量调节（5）离心泵的类型与选择旋转部件：包括叶轮和泵轴静止部件：泵壳、填料函和轴承等2.2.1离心泵的主要部件离心泵由两个主要部分构成：（1）作用：将泵轴机械能传给流体，使通过泵的流体具有较高的动能和静压能——给能装置半开（闭）式闭式开式1.叶轮――泵的关键部件（2）组成：叶轮上有4～12片向后弯曲的叶片（3）分类：按结构分为3种分类：按吸液方式分2种（a）单吸式（b）双吸式2.泵壳作用：①收集和导出液体；②实现动能到静压能的转换——转能装置（流道截面↑，流速↓，静压能↑，部分动能变为静压能）3.轴封装置作用：防止高压液体沿泵轴漏出；防止外界气体沿轴进入泵壳内。旋转的泵轴与固定的泵壳之间的密封，称为轴封。种类：①填料密封：填料函，离心泵中最常见的密封。②机械密封：主要由装在泵轴上的动环和固定在泵壳上的静环组成，两环的端面借弹力使之相互贴紧而起到密封作用，因此又称端面密封。1一叶轮2一泵壳3一叶片4一吸入管5一底阀6一排出管7一泵轴2.2.2离心泵的工作原理充液（灌泵）：防止气缚排液：出口切线方向排出吸液：叶轮中心吸入（1）启动前，泵内要先灌满被送液体以防气缚现象产生，关闭出口阀。启动电动机后，再打开出口阀。（3）排液：液体离开叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流速减慢，液体的部分动能转换成静压能。具有较高压强，被输送到所需的管路系统。（4）叶轮中心处液体被甩向外周时，会产生一定的负压，在大气压的作用下液体会自动吸入到叶轮中央区。（2）启动后，泵轴带动叶轮转动，叶轮带动叶片高速旋转，使叶片间液体旋转并在惯性离心力作用下被甩向叶轮边缘，汇聚于泵壳内。同时泵轴的机械能通过叶轮传给流体，使其具有较高的动能和静压能。由于泵内存有空气，空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，这种现象称为气缚现象。——表明离心泵无自吸能力灌泵的必要性：防止气缚（1）流量（qV）：单位时间内泵所输送的液体体积，m3/s；（2）压头（H）：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，J/N=m；2.2.3离心泵的性能参数emeVPqWqHg（3）轴功率（P）：离心泵的泵轴所需的功率，W或kW；（4）有效功率（Pe）：单位时间内液体从泵中叶轮获得的有效能量，W或kW；容积损失ηv：由于泵的泄漏所造成的损失。部分高压液体由平衡孔或叶轮与泵壳间的缝隙泄漏造成的能量损失。水力损失ηH：因液体粘性产生的摩擦阻力，以及在泵的局部处因流速与方向改变引起的环流和冲击而产生的能量损失。机械损失ηm：由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的机械摩擦引起的能量损失。一般小型泵，效率为60~85%，大型泵效率可达90%（5）效率（）：由电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。evHmPP（1）H-qV曲线：泵的压头与流量的关系（2）P-qV曲线：泵的轴功率与流量的关系（3）η-qV曲线：泵的效率与流量的关系2.2.4离心泵的特性曲线1.离心泵的特性曲线由厂家以20℃清水为工作介质在一定转速下通过实验测得，是正确选择和操作离心泵的主要依据。离心泵特性曲线（1）H~qV曲线：（2）P~qV曲线：qV=0时，PPmin离心泵启动时，应关闭出口阀门HqVPqV所需起动电流最少离心泵在一定转速下有一最高效率点——离心泵的设计工况点最高效率点对应的qV、H、P值称为最佳工况参数离心泵铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。离心泵的高效工作区：92max%（3）η~qV曲线：ηqV2.影响离心泵性能的因素和性能换算（1）密度的影响qV不变，H不变，η基本不变P随ρ变化（2）粘度的影响H，qV，而Pμ，ηemeVPqWqHgP（3）离心泵转速的影响当液体的粘度不大，转速变化小于20%时，认为效率不变，有：23222222111111()()VVqnHnPnqnHnPn——比例定律（4）离心泵叶轮直径的影响当叶轮直径变化不大，转速n不变时，有：——切割定律23222222111111vvqHqHDDPDDDPD【例】用清水测定某离心泵的特性曲线，如图。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。1z2z真空表压力表22212121122fppuuHzzHgg2mHO621210.280.025100.531.610009.81ppHzzg215642335..%.PeP把数据代入，得在工作流量下泵的有效功率为泵轴功率为31625100098121502153600..W.kWevPHqg解：以真空表和压力表两测点为1，2截面，列柏努力方程在截面1-1与2-2间列柏努利方程：22fpuHzHgg特定的管路系统：ezlld、、、一定操作条件一定：△p一定202ug其中：2.2.5离心泵的工作点与流量调节1.管路特性曲线258ellkgd令202puHzg令g22222512248eeVfeVllllquHdgdgdllqgd而认为流体流动进入阻力平方区，变化较小。为一常数亦为一常数则20VHHkq——管路特性方程管路特性曲线HqV0H管路特性曲线反映了被输送液体对输送机械的能量要求泵特性曲线工作点解析法：管路特性方程泵特性方程工作点：管路特性曲线与泵特性曲线交点。2.工作点20VHHkq()VHfq离心泵流量的调节实质就是改变泵的工作点3.离心泵的流量调节改变管路特性：即改变离心泵出口管路上调节阀门的开度。灵活方便，耗能大；改变泵特性：改变泵的转速、泵的串联与并联。改变泵特性曲线，节能，投资大。（1）改变出口阀门开度适用：调节幅度不大，需经常改变的场合关小出口阀leqV,H管特线变陡工作点左上移（A—B）特点：方便、快捷，流量连续变化关小阀门消耗阻力，不经济（2）改变泵的转速qVM1qVMqVqVM2(D1DD2)n1nn2n2(D2)n(D)n1(D1)M2MM1H适用：调节幅度大，时间又长的季节性调节。n泵H～qV曲线上移工作点右上移H，qV特点：泵在高效率下工作，能量利用经济;需变速装置或切削叶轮。（3）离心泵的并联qV并=2q’V单2qV单H并=H’单H单（4）离心泵的串联H串=2H’单2H单qV串=qV’单qV单11’00’Hg2.2.6离心泵的汽蚀现象与安装高度1.离心泵的汽蚀现象现象：噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。严重时，泵不能正常工作。防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压pK超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压pV。212Vappuhg1gg有效汽蚀余量必需汽蚀余量rh允许汽蚀余量0.5rhh212pug1gVpgpkg泵入口处压头叶轮压力最低处压头饱和蒸汽压头必需汽蚀余量hr有效汽蚀余量ha2.离心泵的汽蚀余量判别汽蚀条件：hahr,pkpv时，不汽蚀ha＝hr,pk＝pv时，开始发生汽蚀hahr,pkpv时，严重汽蚀在0-0’和1-1’间列柏努利方程：11’00’离心泵的安装高度Hg3.离心泵的安装高度2011010012gfafppuHHgggpphHgg001VfgppHhHg允最大安装高度001VgrfppHhHgmax最大允许安装高度（1）清水泵：输送物理、化学性质类似水的清洁液体IS系列：单级单吸式，最常用D系列：多级式，扬程较高Sh系列：双吸式，流量大（2）耐腐蚀泵：输送酸、碱等腐蚀性液体F系列：单级单吸式，最常用IH系列：单级单吸式，效率高于F型（3）油泵：输送易燃易爆的石油产品等Y系列：单吸式YS系列：双吸式2.2.7离心泵的类型与选用1.离心泵的类型按所输送液体的性质分：按叶轮的吸液方式分：（1）单吸泵（2）双吸泵按叶轮数目分：（1）单级泵（2）多级泵：D、DG型1-泵体；2-泵盖；3-叶轮；4-轴；5-密封环；6-叶轮螺母；7-止动垫圈；8-轴盖；9-填料压盖；10-填料环；11-填料；12-悬架轴承部件（1）根据输送液体的性质确定泵的类型；（2）按最大流量确定输送系统的流量和压头；（3）选择泵的型号；qV泵qV需,H泵H需（4）核算泵的功率；（5）确定合适的安装高度Hg。2.离心泵的选用离心泵的安装与使用应注意的问题：（1）泵的安装高度必须低于允许安装高度；（2）泵启动前必须向泵内灌满被输送的液体；（3）泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小；（4）停泵前应先关闭出口阀门，以免排出管内的液体倒流入泵内，使叶轮受损；（5）泵运转中应定时检查、维修等。3.离心泵的安装与使用【例】用离心泵输20℃清水到某设备中，泵的前后分别装有真空表和压强表，已知泵吸入管路的压头损失2.4m，动压头0.2m，操作条件下的必须汽蚀余量2.5m，求：(1)真空表的读数(2)当水温由20℃升到60℃时（此时的pV=19.92kpa），发现真空表和压强表读数跳动，流量骤然下降，试判断出了什么故障，并提出排除措施，当地的大气压为98.1kpa。【例】如图所示的输水系统，管路直径为Ф80mm×2mm，当流量36m3/h时，吸入管路的能量损失为6J/kg，排出管路的压头损失为0.8m，压强表读数246kpa，吸入管轴线到U形管汞面的垂直距离h＝0.5m，当地大气压为98.1kpa，求：（1）泵的升扬高度与扬程（2）泵的轴功率（η＝0.7）（3）泵吸入口压差计读数R2.3其他类型泵本节主要内容（1）往复泵的工作原理及设备；（2）旋涡泵的工作原理及设备；（3）齿轮泵的工作原理及设备；2.3.1往复泵主要部件：泵缸、活塞和单向活门1.构造与工作原理工作原理：——活塞对流体直接做功，提供静压能单动泵—流量不均匀双动泵三联泵（1）流量单动泵：理论流量VqASn理实际流量VVVqq理V——泵的容积效率，在0.9~0.97之间。——流量由泵特性决定，而与管路特性无关。2.往复泵的性能参数流量调节方法：1.改变活塞的往复次数或冲程；2.旁路调节。（2）压头（扬程）在电机功率范围内，由管路特性决定。管路特性2H2管路特性1H1泵特性HqV——正位移特性流量只与泵特性有关，而压头只与管路特性有关qVqV理（3）功率与效率VqHgP——往复泵的总效率，一般为0.65~0.85。适用压头高、流量小的液体，但不能输送腐蚀性大及有固体的悬浮液。具有正位移特性2.3.2齿轮泵主要构件：泵壳一对相互啮合的齿轮一个主动轮一个从动轮1.结构一种特殊的离心泵2.3.3旋涡泵2.特点（1）启动泵时，要打开出口阀门，改变流量时，旁路调节比安装调节阀更经济；（2）能量损失大，效率低（30%~40%），不适合输送高粘度液体；（3）压头比离心泵高2~4倍，适用于高压头、小流量、低