容积泵原理

第二章容积泵容积泵(又称正排量泵)是依靠工作室的周期性容积变化而输送液体的，其分类如表2—1。表2—1容积泵的大致分类表2—1所示容积泵中除液环泵是一种气体输送机械外，其余所有泵的共同特点是：(1)平均流量恒定。即泵的流量只取决于工作室容积的变化值及其频率，理论上与排出压力无关，且与输送液体的温度；粘度等物理、化学性质无关(实际上，由于介质的性质和排出压力不同，密封或泵阀处的泄漏量也有所不同，因此也可以说有一点关系)。当泵的转速一定时，泵的流量即是恒定的，(2)泵的压力取决于管路特性。如果输送的流体是不可压缩的，在理论上可以认为容积泵的排出压力将不受任何限制，即可根据泵装置的管路特性，建立泵的任何所需的排出压力，泵的铭牌上排出压力都有规定，这并不是说该泵的排出压力不会再升高，而只是说，由于受到配带原动机的额定功率和泵本身结构强度的限制，不允许高出这一排出压力使用而已。容积泵允许降压使用，此时不会产生超载，也没有机件损伤的问题，只是没有充分发挥原设计的功能而已。(3)对输送的液体有较强的适应性，原则上可以输送任何介质，不受其物理性能或化学性能的限制。当然在实际应用中，有时也会遇到不能适应的情况，但其原因多半是因为与液体接触的材料和制造工艺以及密封技术暂时不能解决的缘故。其他类型泵就不能做到这一点。(4)具有良好的自吸性能，启动前通常不需灌泵。第一节往复泵往复泵是泵类产晶中出现昀早的一种，至今已有2100多年的历史，往复系包括活塞泵，和柱塞泵。它适于输送流量较小，压力较高的多种介质，如低粘度，高粘度、易燃，易焊、剧毒等多种液体。特别是当流量小于l00m3／h，排出压力大于10MPa时更加显示出它有较高的效率和良好的运行性能。因此直至目前仍广泛应用于国民经济的各个领域中，如在石油工业中用它来输送原油，柴油或盐水，作为油井压井、输油管线再启动以及清管器动力等。一、往复泵的工作原理及分类(一)住复泵的工作原理如图2-1所示，往复泵通常由两部分组成。一部分是直接输送液体，把机械能转换为液体压力能的液力端，另一部分是将原动机的能量传给液力端的传动端。液力端主要有液缸体，活塞(柱塞)，吸入阀和排出阀等部件。传动端主要有曲柄，连杆，十字头等部件。图2-1单作用往复泵示意图1—吸入阀；2—排出阀；3—液缸体；4-活塞；5—十字头；6—连杆；7—曲柄当曲柄以角速度u逆时针旋转时，活塞向右移动，液缸容积增大，压力降低，吸水池中液体在压力差的作用下克服吸入管和吸入阀等的阻力损失进人到液缸中。当曲柄转过B点后活塞向左移动，液体被挤压，液缸体内液体压力急剧增加，在这一压力作用下吸入阀关闭而排出阀被打开，液缸内液体在压力差的作用下被排送到排出管路中去。当往复泵的曲柄以角速度ω不停地旋转时，往复泵就不断地吸入和排出液体。(二)往复泵的分类往复泵的分类方法很多，一般可按以下几种方式进行分类。1．按传动方式分类(1)动力往复泵——由电动机或柴油机为原动机，通过曲柄连杆等机构带动活塞作往复运动的。昀常用的是电动往复泵，(2)直接作用往复泵--由蒸汽，压缩空气或压力油为原动机和泵的活塞直接相连作往复运动的。昀常见的有蒸汽往复泵，(3)手动往复泵——依造人力通过杠杆等作用使活塞作往复运动的，如手摇试压泵等。2．按活塞构造形式分类(1)活塞式往复泵——在液力端往复运动副上，、运动件上有密封元件的往复泵，(2)柱塞式往复泵——在液力端往复运动副上，运动件上无密封元件的往复泵，(3)隔膜式往复泵——依靠隔膜片往复鼓动达到吸入和排出液体的往复泵。3．按泵的作用方式分类，（1)单作用往复泵——吸入阀和排出阀装在活塞的一侧（图2-1)。活塞往复一次，只有一次吸人过程和一次排出过程，(2)双作用往复泵—活塞两侧都装有吸入阀和排出阀(图2-2)。活塞往复一次有两次吸入过程和两次排出过程，(3)差动泵——排出阀和吸入阀裴在活塞的一侧，泵的排出管或吸入管与活塞另一侧(即没有吸入阀和排出阀的工作室)相通(图2-3)。活塞往复一次有一次吸人过程和两靶排出过程或两次吸人过程和一次排出过程。4．按泵缸位置分类分为卧式泵和立式泵。5．按排出压力P2(MPa)的大小分类低压泵P24中压泵4p232高压泵32p2100超高压泵P21006，按活塞每分钟的往复次数分类、低速泵n＜80，中速泵80n250，高速泵250n550超高速泵n550图2-2双作用往复泵图2-3差动泵二、往复泵的主要性能参数往复泵的主要性能参数有流量，扬程，转速，功率和效率等。它们表示了往复泵在一定转速下，以水为介质在昀高效率时的性能参数。新泵出厂时，各性能参数均标在泵的铭牌上。为正确使用泵，必须了解泵的性能数，现分别简介如下。（一）、流量泵在单位时间内所输出的液体量，称为流量或排量．用符号Q表示，单位为m3/s或m3／h。（二）、扬程泵给1N重液体的外加能量，称为扬程或泵的压头。用符号H表示，单位为N.m／N，将N约去，其单位为m液柱，简写为m。铭牌上的扬程是指全杨程。一般以泵轴线为界；泵一侧把液体从水池吸入的高度称吸水扬程，用符号“Hx”表示；，泵另一侧把液体送入高位槽的高度称压水扬程，用符号“Hy”表示。泵的扬程为：H=Hx+Hy因管路阻力损失，该泵实际上只把液体从水池液面送入高位槽上液面。两液面的高差称为液体的升扬高度(Z)，即Z=H′x+H′y式中：H′x—实际吸水杨程H′y—实际压水杨程从式中看出，显然HZ。严格说来，根据伯努利方程式，扬程是位压头；动压头，静压头和阻力损失四项之和，而升扬高度则只是其中的一项位压头而已。故决不可将泵的杨程理解为液体的升扬高度。（三）、转速泵每分钟的转数；称为转速。用符号fo表示，单位为r／min。铭牌上的转速是额定转速，泵在此转速下，铭脾上的各性能参数才能达到。四，功率和效率泵的功率指轴功率，即原动机传给泵轴的功率。用符号N表示，单位为W；即Nm／s。泵每秒钟对排出液体所做的净功；称有效功率。用符号Ne表示。Ne=ρ.g.H.Q(W)(2-1)式中ρ—液体密度，kg/m，H—泵的扬程,mQ—泵的流量，m／s。泵的有效功率和轴功率的比值，称泵的效率，用符号η表示；即η=Ne/N×100﹪(2-2)泵效率的高低标志着泵性能的好坏及原动机动力的利用程度，是—项重要的技术经济指标。由式(2-1)和式(2-2)可得出Q、H、q和N的关系N=Ne/η=ρ.g.H.Q/η(2-3)由于泵在运行时，可能出现超负荷情况，因此，制造厂配的电动机功率为轴功率的(1.1~I.2)倍，即(1.1～1.2)N。若需要自配电机时，则可由下式进行计算选配。N配=(1.1~I.2)ρ.g.H.Q/η(W)(2-4)系数的选取由轴功率大小而定，轴功率小取大值，轴功率大则取小值。例：某泵输送常温清水，当流量为25m3/h，扬程为16m，试计算泵的有效功率是多少?若泵的效率为66％，其轴功率是多少？试确定电动机的配用功率。解：根据式(2-1)计算Ne=ρ.g.H.Q(W)已知：ρ=1000kg/m3H=16mQ=25m3/h代入上式：Ne=（1000×9.81×16×25）/3600=1.09Kw根据式(1-2-3)计算N=Ne/η=ρ.g.H.Q/η已知：η=66％Ne=1.09Kw代入上式：N=1.09/0.66=1.65Kw根据式(1-2-4)计算N配=(1.1~I.2)N取系数为1.2，已知N=1.65Kw，代入上式得：N配=1.2×1.65=1.98Kw由于电动机的功率是标准的，从电机样本中查得N配=2Kw。三、空气室的工作原理及结构往复泵由于结构及工作特点必然产生流量和压力的脉动，从而降低了泵的吸人性能、缩短泵和管路的使用寿命，特别是在排出管路较小、管路较长、系统中没有足够大的背压时，可能因惯性水头过大而冲并泵阀造成实际流量大于理论流量的所谓“过流量现象”。因此，为了改善往复泵的工作条件，尽可能减少不稳定现象对往复泵工作的影响，通常采用在泵上装置空气室的办法来减少流量和压力的脉动。空气室应尽可能安装在靠近泵的进出口管路处或液力端上，装在靠近进口的称吸人空气室，装在出口的称为排出空气室。空气室分为常压式和预压式两种，常压空气室是在密闭容器中充常压空气，预压空气室是在闭密容器中加一弹性原件(如橡胶囊)其内充有压缩空气。(一)排出空气室空气室内有一定体积的气体，当往复泵的瞬时流量大于平均流量时，排出管路内的阻力增加，泵内压力上升，空气室内的气体被压缩，从而储存了一部分液体，这样就减少了在排出管路中的流量。同样，当泵的瞬时流量小于平均流量时，管路内的阻力也相应减少，泵内压力下降，这时空气室内气体就膨胀，把储存的一部分液体排到管路中去，增加了管路中的流量，从而减少了管路中流量和压力的脉动。因此，在整个工作过程中虽然活塞排出的流量按正弦规律变化，但是在空气室的作用下排出管路中的流量仍较均匀。从上述分析可知，在工作过程中空气室中气体的体积是变化的，因此，压力也是变化的，管路中的流量不可能是绝对均匀，如果把排出空气室作得足够大，则空气室中气体体积的变化就相对减少，可使流量脉动戍压力脉动降低到允许的范围以内。昀早采用的空气室是立式厚壁圆筒，在工作前容器中充以常压空气，在泵工作时，空气室内液面随液缸体内的压力变化而变化，这样可以减少排出管路中流量的脉动。但是这种结构体积庞大，并且被压缩了的空气容积过小，如在9．8lxl0Pa(100kgf／cm)时，压缩空气的容积只占空气室容积的1％。此外，由于液体与空气室内的气体直接相接触，气体在高压下易溶于液体中而被不断带出，在连续工作时，空气室中气体的量会逐渐减少，甚至会失去空气室的作用，为了减小空气室的体积，提高其工作效能和可靠性，近年来普遍采用隔膜式预压空气室。采用预压空气室后，由于空气室中充人一定压力的气体，从而就可以减少进出空气室的液体量，预压空气室中一般充空气，但对手易燃、易爆的液体应充惰性气体。因此，在同样工作条件下可以减小空气室的容积、减轻重量。目前应用较多的有两种形式。1．球形空气室如图2-4所示。它有壳体1、稳定片2，气囊3，顶盖4、压力表5、充气阀6等主要零件组成。壳体下部与排出管路相连，上部通过充气阀充气，压力表指示气囊中的压力，工作时随着排出压力的变化，气囊上下移动，起到减小排出管路中流量脉动的作用。这种空气室的结构简单、外形尺寸小、缓冲量较大、检查和更换方便，但由于皮囊变形容易产生疲劳破坏，所以对其材料及制造工艺的要求较高，这种球形空气室的结构在石油矿场得到广泛应用。2．筒式预压空气室由于球形空气室皮囊的材料容易因变形而产生疲劳破坏，寿命较短，所以在石油矿场的钻井泵上采用多简式预压空气室，当某一个空气室失效时，其它空气室仍可继续起作用。如图2-5所示为三筒式预压空气室，每个空气室的壳体1内装有带孔衬管2，外面套上皮囊3，在壳体与皮囊间充入压缩气体。当泵工作时液体经衬管诸孔将皮囊胀开，使空气室内的空气进一步压缩，而停泵时气体压力把皮囊与衬管间的液体排出，皮囊收缩到衬管外壁上。这种空气室的结构简单，当某个空气室失效时其它空气室仍可继续使用。但是在拆卸时需要提出较重的外壳，且皮囊容易被挤入衬管的小孔中。(二)吸入空气室为了减少在吸入过程中由于惯性水头所造成的活塞表面的压力降低，在吸人管路上靠近泵的进口处装置空气室，如图1-2-6，空气室把吸人管路分成两段，空气室前的二段较长，而从空气室到泵进口的一段较短。在吸入过程中，随着流量增加，吸入管路中的阻力也增加，这时液缸体内的真空值也随之增大，当空气室中的真空值低于液缸体中的真空值时，也即空气室中的压力高于液缸体中的压力时，空气室中的气体膨胀，把空气室中的一部分液体排到液缸体中，从而减小了吸人管路中的流量。当泵的吸入量减少时或者在排出过程中，由于空气室中的真空值增大，在这一真空值的作用下，液体沿吸入管路进入空气室中。空气室在储存和排出液体的过程中，气体的体积要发生变化，空气室中的真空值也随着发生变化，吸入管路中的流量也不会绝对均匀。把吸入空气室做得足够大时，空气室中气体体积的变化相对减小；真