石油钻采设备及工艺-李振林 §7-1 离心泵的基本知识

§7-1离心泵的基本知识一、离心泵的工作原理二、离心泵的类型三、离心泵的整体结构返回四、离心泵的主要零部件一、离心泵的工作原理离心泵由叶轮、泵轴、、蜗壳等组成。叶轮与泵轴固装在一起，其上带有若干个叶片（6～12）。当动力机通过联轴器和泵轴带动叶轮旋转时，叶片就带动叶片间流道中的液体作圆周运动；在离心力的作用下，液体以较大的速度和较高的压力，沿着叶片形成的流道，自中心向外缘运动，并通过蜗壳和扩散管流向排出管。由于液体不断被排出，在泵壳内叶轮中心和吸入管内形成真空，吸入池中的液体在大气压或液罐内压力的作用下，源源不断地流进吸入管或叶轮蜗壳则收集从叶轮中高速流出并具有一定压力的液体，并引向扩散管和排出管；扩散管的过流面积是逐渐增大的，起着降低流速和进一步增加液体压力的作用，从而使泵形成连续的吸入和排出过程，不断地排出高能量的液体。必须将离心泵与吸入管汇和排出管汇组成如图所示的泵装置，才能正常工作。吸入管的下部安装有滤网和底阀，对液体起过滤作用，并防止管中液体倒流进吸入池。排出口处安装有阀门，用于调节流量。蜗壳的顶部安装有漏斗，启动泵之前用于向泵内灌水排除泵腔内的气体，或由专用的真空泵抽吸泵腔内的气体。启动泵之前要关闭排出阀门，启动后再打开。二、离心泵的类型1.离心泵的种类按泵轴布置方式分，主要有：①卧式泵：泵轴为水平布置；②立式泵：泵轴为垂直布置。按吸入方式分，主要有：①单吸泵：叶轮从一个方向吸入液体；②双吸泵：叶轮从两个方向吸入液体。按叶轮级数分，可分为：①单级泵：泵轮上只安装一个叶轮；②多级泵：泵轴上安装两个或两个以上的叶轮。按泵体的形式分，可分为：①蜗壳泵：叶轮排出一侧具有蜗形室的壳体；②透平泵：带导叶的多级泵。按壳体剖分方式分，可分为：①分段式泵：泵的壳体按照与泵轴垂直的平面剖分；②中剖式泵：壳体在通过轴心线的平面上分开。离心泵还可以按照其用途、叶片安装方式、压力大小及比转数的大小等进行分类。2.离心泵的名称代号：型号代号通常有首、中、尾三部分。首部是数字，表示泵的主要尺寸规格，一般为泵的吸入口直径（mm，in）；中部则用汉语拼音字母表示泵的型式或特征；尾部一般用数字表示泵的参数，老式泵大多是比转数ns除以10所得的值，新式泵则表示泵的单级扬程（m）和级数，有的还带有A、B、C等，表示泵中安装有切割过的叶轮等特殊含义。三、离心泵的整体结构（典型）1.单吸单级卧式离心泵2.双吸单级离心泵3.分段式多级离心泵4.蜗壳式多级离心泵四、离心泵的主要零部件离心泵的主要零部件由叶轮、泵轴、导叶及泵室（吸入室、压出室）压出室的作用是以最小的损失将从叶轮中流出的高速液体收集起来，引向出口，同时将一部分液体的动能转变为压能。有两种形式：环形压出室：流道各处有相等的横断面积，主要用于分段式多级离心泵的排出段（后段），或输送杂质的泵（如砂泵、泥浆泵、灰渣泵、注水泵等）。焊接结构的泵体通常采用环形压出室，以简化工艺。由于各处断面积相等，环形室中的流速并不相等，故存在冲击损失，使泵的效率降低。螺旋形压出室（蜗壳）：一般用于单级双吸泵或水平中剖式多级泵中。主要优点是：制造方便，泵性能曲线的高效区域比较宽广；缺点是：在非设计工矿运转时，产生不平衡的径向力。设计螺旋蜗室时，通常以液体在蜗室中作等速运动，并从叶轮中均匀流出为基本条件。螺旋形压出室中的蜗室只起收集液体的作用，在扩散管中才将液体的部分动能转化为液体的压能。吸入室的作用是将吸入管中的液体均匀地吸入叶轮，力求流动损失最少。吸入室有三种：锥形吸入室、环形吸入室和螺旋形吸入室。锥形吸入室：其末端圆滑地过渡到叶轮入口直径处，锥度70～180。它能在叶轮入口前造成不大的液流加速度，使叶轮前流速均匀，流动损失很小。小型单吸单级悬臂式离心泵多采用此种结构。环形吸入室：其吸入流道过流面积逐渐缩小，圆环液流速度略小于叶轮入口速度，以保证液流进入叶轮时有一个不大的加速度。这种吸入室的结构简单，轴线尺寸短，但液体进入叶轮时有冲击和漩流损失，常用在单吸分段式多级离心泵中。螺旋形吸入室：如图所示，其优点是液体进入叶轮时流动情况较好，速度比较均匀，但液体进入叶轮前有预旋，对比转数较大的泵，扬程损失比较明显。双吸单级泵和水平中剖式多级泵，一般采用此种结构。分段式多级离心泵都安装有导叶，其作用是收集由叶轮流出的高速液流，将一部分液动能转换成液压能，并引导液流均匀地进入下一个叶轮或压出室。分段式多级离心泵多采用如图所示的径向导叶，由正导叶、环形导叶过渡区和反导叶组成。正导叶（A-B段）内螺旋线部分用于保证液体作自由等速运动，扩散部分（B-C段）则用于将大部分动能转换成压能，过渡区（C-D段）用于变换液流方向，反导叶（D-E段）的作用是消除速度环量，把液体均匀地引向下一级叶轮实际上，导叶相当于安排在叶轮周围的几个蜗室，兼具吸入室和压出室的作用，也可以将蜗室看作只有一个叶片的导叶。有些离心泵中采用流道式导叶，目的是减小径向尺寸。泵轴是传递功率和力矩的主要零件。悬臂泵的叶轮安装在泵轴的一端，另一端安装支承；中小型多级泵一般采用光轴，叶轮滑配在轴上，用短键传力；大型多级泵有的采用阶梯轴，叶轮用热套法安装在轴上。泵轴与叶轮等组装在一起后，用锁紧螺母固定，成为高速旋转的转子，在泵总装前要进行小装（即部件装配），检查转子各部位的径向跳动。如果跳动过大，泵在运行中容易产生振动和偏磨，应消除。对于分段式多级泵，需要对转子部件作小装检查；对于悬臂泵，需要对托架部件作小装检查。离心泵的叶轮是使液体获得能量的主要部件。其形式有闭式、半开式和开式三种。叶轮通常为铸造件。闭式叶轮由前盖板、后盖板、叶片及轮毂等组成；半开式叶轮无前盖板开式叶轮无前、后盖板叶轮中的叶片有圆柱形（单向弯曲）和扭曲形（双向弯曲）之分。闭式叶轮的平面投影如图所示叶轮流道面积要求变化均匀，流道中心是内切圆心的连线。采用螺旋形压出室的泵俗称蜗壳泵。几个蜗壳泵安装在一根轴上，串连工作，就成为蜗壳式多级泵。蜗壳式多级泵，一般采用半螺旋形吸入室，每个叶轮均有相应的螺旋排出室，泵体水平中剖，吸入口和排出口都铸在泵体上。修泵时，只要把上泵体（泵盖）取下，即可取出整个转子。多级蜗壳泵的叶轮对称布置，当液体从吸入管进入空腔b和第一级叶轮后，被抛入蜗壳形排水室和泵壳中的流道K1，接着进入第二级叶轮的吸入口；由第二级叶轮抛出的液体经外部过流管流向最右边的第三级叶轮吸入口，再由流道K2进入第四级叶轮，尔后从第四级蜗壳式压出室进入排出管。优点：当叶轮的级数是偶数时，系统中由液体动力负荷引起的轴向力很小，可以大大减轻轴承的负荷。体积大，铸造和加工技术要求高；一般用于流量较大、扬程较高的城市给水、矿山排水和管道输油等场合。在油田注水和远距离输油作业中，需要提供较大的压力，因此，通常采用分段式多级离心泵。中压分段式多级离心泵的流量在5～720m3/h，扬程为100～650m液柱；高压分段式多级离心泵的扬程可达2800m。分段式多级离心泵，将若干级叶轮安装在一根轴上，串连工作。每级叶轮后均有导叶将液体引入下一级叶轮；泵体的两侧有吸入盖（前段）和排出盖（后段），中间为中段，用双头螺栓穿过吸入盖和排出盖的凸台，将各部分连成一体。优点是可以承受较高的压力，泵体由圆形中段组成，容易制造，具有互换性，可以按照压力需要增减中段级数；缺点是拆卸和装配比较困难。多级泵的第一级叶轮一般是单吸的（为了改善泵的吸入性能，也有用双吸的），其它各级叶轮是向着吸入口方向顺序排列着，因而自高压侧向低压侧有很大的轴向力，需要专门的平衡装置。双吸泵在油田广泛用于输油和输水，其特点是能够自动平衡轴向力，流量较大，一般在120～20000m3/h，扬程较低，为10～110m液柱。双吸单级离心泵，其叶轮相当于两个相同的叶轮背对背地安装在一根轴上并联工作。一般采用半螺旋形吸入室，泵壳水平中剖。吸入腔可能具有极高的真空度；除了采用填料密封外，还用管路从高压腔向填料密封装置引水，形成水封。叶轮进口外缘上的密封环，防止高压液体进入低压室。轴承安装在泵的两端，小泵多用滚动轴承，大泵多用滑动轴承，打开泵盖即可取出转子。吸入管与吸入腔相连，将液体从两侧引向导轮，由叶轮抛出的液体再经过蜗形排出室进入排出管。单吸单级卧式离心泵，在石油矿场上主要用于供水或作为砂泵、灌注泵等，应用广泛。流量大多在5.5～300m3/h，扬程在8～150m液柱范围以内。泵轴的一端在托架内用轴承支承，另一端悬出，称作悬臂端。悬臂上安装有一级叶轮；在叶轮和轴承之间有密封装置，将液力部分与轴承部分隔绝；轴承采用黄油或机油润滑。该泵具有后开门式结构。检修时，将托架止口以上的螺母松开，就可以将托架和叶轮全部取出，而不必拆卸吸入和排出管。