泵与压缩机-绪论1

泵与压缩机主讲:冯进长江大学机械工程学院第一章绪论§1.1本课程的任务§1.1.1教学内容本课程重点学习离心泵、离心式压缩机和往复活塞式压缩机的结构形式、工作理论、性能特点和应用技术。§1.1.2教学目的掌握泵和压缩机的结构形式、工作原理、性能特点和应用技术，培养学生对泵和压缩机合理选型、使用维护、调节控制和技术改造的能力。§1.1.3教学要求1.了解离心泵、离心压缩机和往复活塞式压缩机的典型结构和技术特点。2.掌握离心泵、离心压缩机和往复活塞式压缩机的工作原理和基本方程。3.熟悉离心泵、离心压缩机和往复活塞式压缩机的性能特点和性能参数。4.掌握离心泵和离心压缩机的性能曲线和特性换算方法，往复活塞式压缩机主要性能参数的计算方法。5.掌握离心泵、离心压缩机和往复活塞式压缩机的运行调节控制方法。6.了解离心泵、离心压缩机和往复活塞式压缩机的选型方法。§1.1.4主要参考书1.泵与压缩机，钱锡俊，石油大学出版社，1988。2.离心式压缩机原理，西安交通大学透平压缩机教研室，西安交通大学出版社，1980。3.容积式压缩机原理与结构设计，西安交通大学压缩机教研室，西安交通大学出版社，1985。4.压缩机的安装维护与故障分析，崔天生，西安交通大学出版社，1993。§1.2泵和压缩机的作用§1.2.1定义1.流体机械：以流体为工作介质进行能量转换、处理和输送的机械。2.泵：输送液体介质并提高其能头的流体机械称为泵。3.压缩机：输送气体介质并提高其能头的流体机械则称为压缩机。§1.2.2用途1.给流体增压，实现流体输送，使其满足特定工作或生产工艺的要求；2.作为生产环节的动力源，为执行元件、控制元件提供流体动力；泵和压缩机广泛应用与国民经济的各个领域，如矿山（通风、排水、风动工具动力）、冶金（鼓风机、燃油输送、水输送）、机械（液压、润滑、气动）、石油化工（连续生产的进出料、仪表、锅炉）、国防（飞机、火箭）、交通(火车、汽车、轮船)、农业（排灌施肥、农药），因此泵和压缩机属于通用机械。§1.3泵和压缩机的分类§1.3.1分类喷射式轴流式混流式离心式透平式叶片式速度式回转式隔膜式活塞式往复式容积式泵和压缩机§1.3.2特点1.容积式泵与压缩机的特点依靠工作容积的周期性变化来实现流体的增压和输送。当增压流体为液体时，称为容积式泵。当增压流体为气体时，称为容积式压缩机。2.叶片式泵与压缩机的特点依靠旋转的工作叶轮，将机械能传递给流体介质，并转化成流体的能头。根据介质在叶轮内的流动方向，主要分为离心式和轴流式，如离心泵和离心压缩机、轴流泵和轴流压缩机等均属此类。3.喷射式泵与压缩机的特点喷射式也可认为属于速度式，但它没有叶轮，依靠一种流体介质的能量来输送另一种流体介质，如喷射泵等。§1.4泵和压缩机的发展趋势§1.4.1泵技术的发展现状1.泵企业概况现在国内泵企业约1000家，占世界泵企业10000家的1/10；国内泵产值2004年约220亿人民币，约占世界泵产值270亿美元的1/10，世界十大泵企业产值约占世界泵总产值的22%，我国十大泵企业的产值也约占全国泵产值的22%。世界2004年按销售值排列十大泵企业：1、美国ITT（17.01亿美元）；2、美国FLOWSERVE（10.3亿美元）；3、丹麦格兰富（10.1亿美元）；4、日本荏原（10.0亿美元）；5、德国KSB（9.0亿美元）；6、瑞士苏尔寿（6.83亿美元）；7、英国威尔（5.84亿美元）；8、德国威乐（5.84亿美元）；9、美国IDEX（4.27亿美元）；10、美国PENTAIR（4.0亿美元）国内2004年按销售值排列前十大泵企业：上海凯泉泵业集团；沈阳水泵厂有限公司；上海KSB；上海电力修造厂有限公司；大耐泵业有限公司；石家庄泵业有限公司；湘电长沙水泵厂有限公司；博泵科技有限公司；上海连成泵业有限公司；上海东方泵业有限公司。国内泵产值年增长率10.5%，约为国家经济增长率的1.5倍，是世界泵年增长率4.3%的2.5倍。2.泵技术的现状和发展1).我国泵产品图样的来源可分为联合设计、引进、自行开发等几种(1)联合设计产品。以沈泵所为主的研究单位，20世纪60～80年代，组织有关泵厂进行了许多种泵的联合设计。如IS(IB)型单级单吸离心泵；IH型化工泵；S(SH)型双吸离心泵；D(DG)型节段式多级泵；W型旋涡泵；Y型油泵；JC型深井泵；HW型混流泵；QJ型深井潜水泵；IR型热水泵；BPZ型喷灌自吸泵；FY型耐腐蚀液下离心泵；3G型三螺杆泵等。(2)引进产品。80年代以前我国引进的泵技术很少，到改革开放初期，大量从国外引进泵技术，并随着外国泵公司以合资或独资的形式陆续进入我国，也带进了一些新的泵产品技术。引进的这些泵产品，技术比较成熟，性能比较先进，对推动我国泵技术的发展起了重要作用，成为我国泵产品的主体，至今仍大量生产。其中有的产品在结构或性能方面也存在问题，应进一步改进。(3)外国在华合资（独资）泵企业的产品。例如：上海KSB－Omega(RDL)双吸泵、锅炉给水泵、冷凝泵；嘉立特（茬原）－化工流程泵；佛山（安德里兹）－纸浆泵；南京古尔兹－ISO型单级单吸离心泵、P型节段式多级离心泵；大连帝国－屏蔽泵；沈阳飞力－潜水排污泵；苏州格兰富－冲压泵；兰州耐驰－螺杆泵。这些产品的质量大都比国内产品好，尽管价格高，但销售情况很好。(4)自行开发产品。AY油泵；TSWA多级离心泵；ZJ渣浆泵；管道泵；直联离心泵；高楼给水泵；空调泵；潜水排污泵；立式排污泵；潜水轴流泵（混流泵）；双吸泵；纸浆泵等。这些产品大部分通用化、标准化程度不高，性能也有待进一步提高。2).关键泵产品从部分进口到现在基本全部国产化由于引进产品和KSB等著名企业的进入，我国泵的生产能力显著提高。国民经济部门的主要关键用泵基本上都可以生产。例如：超临界锅炉给水泵（温度压力25～35MPa）；乙烯和加氢装置用高速泵、高压多级泵；钢厂高压除鳞泵；东深、南水北调工程用大型调水泵；矿用大流量高扬程（1000m）排水泵；电厂用烟气脱硫泵；炼厂用高温油浆泵。3).以CAD为主的新技术广泛应用(1)泵的模具、叶片和重要零件开始用数控机床加工，从而可以提高泵的制造质量。(2)泵水力设计与绘型软件逐渐代替人工计算和绘图，快速、准确。(3)泵内流场计算从准三元非粘性流动向全三元粘性流动进展。(4)内部流场测量。由探针进行测量内部流场发展到使用激光多普勒测速仪（LVD）进行测量，现在开始使用粒子图象测速技术（PIV）。PIV方法突破传统的单点测量的限制，可瞬时无接触测量一个截面上的速度分布，具有较高的测量精度。(5)优化设计方法。为了提高泵的性能，许多学者进行了优化设计方法研究。归纳起来主要有以下几种方法：以优秀模型统计资料为基础的速度系数优化法；以水力损失最小为目标的损失极值优化法；以某一指标为目标函数的准则筛选优化法。值得说明的是目前的优化设计方法，可能只对具体泵的设计有指导意义。另外CFD等先进技术的问世，在很大程度上冲淡了对优化设计的兴趣，近两年研究优化设计方法的学者逐渐减少。4).无堵塞泵和低比转速泵技术取得进展(1)我国自行总结出的无堵塞泵设计方法，基本达到实用程度，国内广泛使用。设计方法主要包括：沿流道中线断面变化规律设计双流道叶轮；方格网保角变换方法设计螺旋离心式叶轮；根据叶轮外径、蜗室最大外径和喉部面积三要素设计旋流式叶轮。(2)低比转速泵理论和设计的研究广泛而深入无过载设计方法得到推广应用，采用长短叶片和短叶片偏置取得良好效果。5).轴流泵模型达到国外同类模型的先进水平2004年9月25日至2005年1月16日，全国27个模型，参加了水利部南水北调工程水泵模型天津同台测试。模型比转速500～1500，基本复盖了轴流泵的使用范围。和原模型相比，效率提高约2%，流量提高约5%。有7个模型的平均效率超过85%，已达到国外同类模型的先进水平。国家南水北调等重要工程的低扬程水泵，大部分将从这些模型中选用。3.泵技术发展展望1).注意发现和开发新领域用泵泵是一种通用机械，应用非常广泛，而且新领域用泵不断出现。例如：心脏泵、喷水推进泵、计算机冷却泵、空调泵、导热油泵、油气混输泵、烟气脱硫泵、石油平台注水泵等。可能还存在着应当用泵的地方而没有用泵，新的用泵领域也会不断出现，这就需要我们注意发现并致力开发。2).CFD、PIV等先进技术结合实际开展试验研究3).树立精品意识，重视标准化、通用化4).重视关键技术和关键产品的研究与开发要提高泵的技术水平必须解决关键技术问题。例如：渣浆泵磨损机理的研究；高效斜流泵水力模型研究；自吸泵简化结构、提高效率的研究；便于检修的高效、大流量、高扬程矿山排水泵和输油泵的研究开发；新型船用泵的研究开发；大型烟气脱硫泵、煤液化用高温、高压泵的研究开发；屏蔽泵、磁力泵提高可靠性的研究；新型计量泵（隔膜泵）的研究开发；提高部分流泵效率的研究等。5).采用复合技术实现泵技术的创新与发展(1).离心叶轮和旋涡叶轮的结合，成为离心旋涡自吸泵。(2).射流喷头和离心泵结合，成为离心射流自吸泵。(3).水泵叶轮和水轮机转轮的结合，成为水轮泵。(4).离心泵和活塞隔膜泵结合，构成一种强力自吸泵。(5).诱导轮和离心轮结合，提高了泵的抗汽蚀性能。(6).双吸叶轮和单吸叶轮结合，能解决汽蚀和轴向力平衡问题。(7).长短叶片结合使用，解决叶轮进口堵塞和出口扩散问题。(8).短叶片向长叶片背面偏置，可防止轴向旋涡和出口流动分离。(9).下装低扬程叶轮提液，上装高扬程叶轮加压的长轴液下泵（双轮液下泵），解决长轴液下泵制造困难，运行不可靠问题。(10).把机械密封的动、静环装在末级叶轮的后密封环处，成为轴向力平衡装置，利用叶轮前、后的压差平衡轴向力。如能解决动、静环的磨损问题，经济效益十分显著。(11).把平衡盘工作原理移置到叶轮后盖板处，由于形成径向、轴向两个间隙，可以像平衡盘一样自动平衡轴向力。(12).糊状填料密封，这种密封由美国赤士顿公司首先使用，并在我国销售，它是由石墨、纤维、聚四氟乙烯、硅胶等组成的糊状物，在使用过程中，可以用注射枪注入（补充）。据说在有些情况下使用，效果不错。尽管目前还不能在所有的泵上使用，但是这种思路十分可贵，有希望成为密封技术的一项突破。(13).渣浆泵叶轮采用扭曲叶片，可能会因为符合流动状态而减轻磨损，并能提高效率。采用复合技术的成功实例不胜枚举，要用好用活复合技术，要求有较宽的知识面，并敢于创新。§1.4.2压缩机技术的现状及发展趋势多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术，消化吸收和自主开发基础上，攻克不少难关，取得重大突破。例如，催化裂化装置用的主风机和富气压缩机、加氢装置用的循环氢压缩机、新氢压缩机，乙烯三大压缩机，化肥四大压缩机组等已大量在石化生产中应用。其中，水平剖分式离心压缩机和轴流式压缩机制造技术已接近或达到国际同类产品先进水平，往复式活塞压缩机达到国际同类产品水平。1.透平压缩机在石化领域，目前国内离心压缩机在高技术和特殊产品等方面还不能满足国内的需要。另外在技术水平、质量、成套性等方面与国外还有差距。随着我国石化生产规模的不断扩大，离心压缩机在大型化方面将面临新的课题，国内在设计制造这些大型气体压缩机上还没有成熟的经验。离心式压缩机需要向大容量发展，以满足我国石化生产规模不断扩大的要求，同时随着新技术的发展、新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，透平压缩机的发展趋势主要表现为：不断开发高压和小流量产品；进一步研究三元流动理论，将其应用到叶轮和叶片扩压器等元件的设计中，以期达到高效机组；低噪声化，采用噪声防护以改善操作环境。在制冷空调领域，目前透平压缩机在大冷量范围内仍保持优势。离心式压缩机的运动零件少而简单，且制造精度低，所以其制造费用相对低且可靠性高。由于受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的影响，离心式制冷压缩机的发展相对较为缓慢。在目前的技术条件下，离心式制冷压缩机主要用于大型建筑内的空