离心泵基础讲义

1离心泵1离心泵的基本构成离心泵的主要部件有：叶轮、轴、吸入室、蜗壳、轴封箱和口环等，如图1所示。有些离心泵还装有导叶、诱导轮和平衡盘等。图1离心泵的基本构件1-轴；2-轴封箱；3-扩压管；4-叶轮；5-吸入室；6-口环；7-蜗壳离心泵的过流部件是吸入室、叶轮和壳，其作用简述如下：1.1吸入室吸入室位于叶轮进口前，其作用是把液体从吸入管引入叶轮，要求液体流过吸入室时流动损失较小，并使液体流入时轮时速度分布较均匀。1.2叶轮叶轮是离心泵的重要部件，液体就是从叶轮中得到能量的。对叶轮的要求是在流动损失最小的情况下使单位质量的液体获得较高的能头。1.3蜗壳蜗壳位于叶轮出口之后，其作用是把从叶轮内流出来的液体收集起来，并把它按一定的要求送入下级叶轮入口或送入排出管。由于液体流出叶轮时速度很大，为了减小后面管路中的流动损失。故液体在送入排出管以前必须将其速度降低，把速度能变成压力能，这个任务也要由蜗壳(或导叶)来完成。蜗壳在完成上述两项任务时，耍求流动损失越小越好。2离心泵的工作原理图2所示是离心泵的一般装置示意图。离心泵在启动之前，泵内应灌满液体，此过程称为灌泵。启动后工作时，驱动机通过泵轴带动叶轮旋转，叶轮中的叶片驱使液体一起旋转，因而产生离心力。在离心力作用下，液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，并流经蜗壳送入排出管。液体从叶轮获得能量，使压力能和速度能均增加，并依靠此能量将液体输送到储罐或工作地点。2图2离心泵的一般装置示意图1-泵；2-吸液蹋；3-阀；4-吸入管路；5-吸入管调节阀；6-真空表；7-压力表；8-排出管调节阀；9-单向阀；10-排出管路；11-流量计；12-排液罐在液体被甩向叶轮出口的同时，叶轮入口中心处就形成了低压，在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差，吸液罐中的液体在这个压差作用下，便不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断地吸入液体，一面又不断地给吸入的液体以一定的能头，将液体排出。离心泵便如此连续不断地工作。当用一个离心叶轮不能使液体获得满足工艺需要的能头时，可用多个叶轮串联(或并联)起来对液体做功。3泵有关术语的定义3.1隔离液(barrierfluid)引入到有压的双重机械密封(即双端面机械密封)之间、用于把泵内的流程液体与环境完全隔离开来的液体。此隔离液的压力始终高出被密封的泵内流程液体压力。3.2最高效率点(BEP)最佳效率点的英文缩写；在该点(该流量)泵达到最高效率。3.3缓冲液(bufferfluid)引入到无压的双重机械密封(即串联机械密封)之间、用于作为一种润滑液或缓冲液的液体。此缓冲液的压力始终低于被密封的泵内流程液体压力。3.4冲洗液由泵出口或外界引入到密封与泄压衬套之间、用于把泵内的流程液体与密封隔离开来的液体。此冲洗液的压力始终高出被密封的泵内流程液体压力。3.5急冷液引入到密封端盖处、用于冷却机械密封和轴的液体。如蒸汽、洁净水等介质。3.6最大允许转速制造厂的设计所允许的连续运转最高转速。3.7最小允许转速制造厂的设计所允许的连续运转最低转速。33.8最小连续稳定流量在不超过标准规定的振动限度下泵能够工作的最小流量。3.9最小连续热限制流量泵能够维持工作而其运行不致被泵送液体的温升所损害的最小流量。3.10正常工作点在正常工艺流程条件下指望该泵工作的那个工况点。3.11气蚀余量(NPSH)从基准面算起的泵吸入口的总绝对吸入水头，减去改液体的汽化压力(绝对压力)。对于卧式泵，基准面是泵轴中心线；对于立式管道泵，基准面是吸入口中心线；对其它立式泵，基准面是基础的顶面。3.12有效气蚀余量(NPSHA)3.13必要气蚀余量(NPSHR)3.14工作区指一台泵的水力性能有效区中该泵工作的那一段区间。3.15优先工作区在该区域内，该泵的振动处于本标准的基本限度之内。3.16允许工作区泵被允许工作的区域，这一区域是根据振动处在标准的上限之内、或根据温升、或根据其它限制而划定的。允许工作区由制造加以规定。图3振动与流量的特性关系4泵的主要工作参数离心泵的主要工作参数包括：流量、扬程、功率、效率、转速和汽蚀余量等。4.1流量流量是指泵在单位时间内输送的液体量，通常用体积流量Q表示，通用的单位是m3/h、m3/s或L/s。也可用质量流量m表示，其单位为kg/h或kg/s。质量流虽m与体积流量Q之间的关系为：m=ρQ式中ρ——液体密度，kg/m3。4.2扬程泵的扬程是指每公斤液体从泵进口(泵进口法兰)到泵出口(泵出口法兰)的能头增值，也就是单位质量液体通过泵以后获得的有效能头，即泵的总扬程，常用符号H表示，单位为典型振动特性振动扬程最大允许流量极限基准极限BEP基准极限优先工作区允许工作区4J/kg。目前，在实际生产中，泵的扬程仍习惯用被输送液体的液住高度m表示。虽然泵扬程的这一单位与高度单位一样，但不应把泵的扬程简单地理解为液体所能排送的高度，因为泵的有效能头不仅要用来提高液体的位高，而且还要用来克服液体在输送过程中的流动阻力，以及提高被送液体的静压能和速度能等。在工程应用中，有两种情况需要计算建的扬程。一是在已知的管路中输送一定的流量时，计算泵所需的扬程。根据泵给单位质量液体的能头H与输送液体所消耗的能头相等的能量平衡方程，可写出计算泵扬程的公式为(参见图2)。fhccgH2)(22J/kg(1)式中PA、PB——分别为吸液罐和排液罐液面上的压力，Pa；ρ——被送液体的密度，kg/m3，这里假设ρA＝ρB＝ρ=const；HA、HB——分别为吸液罐和排液罐液面至泵中心轴线的垂直高度，m；cA、cB——分别为吸液罐和排液罐液面的液体平均流速，m/s；∑hf——吸入与排出管内总流动阻力损失，J/kg，但不计液体流经泵的阻力损失。另一种情况是计算运转中的泵的扬程，这时可写泵入口与出口处液流的能量力程，即：222SDSDSDccgZHJ/kg(2)式中PS、PD——分别为泵入口和出口处的压力,Pa；ZSD——泵入口中心到出口处的垂直距离，m，cS、cD——分别为泵入口和出口处的液体平均流速，m/s。若泵入口和出口直径相差很小，根据连续方程，则cS≈cD，于是泵的扬程可可用下式计算：SDSDgZHJ/kg(3)在实际工程中，泵的扬程常用米液往来表示，为此，格单位质量的的头J/kg除以g(取g＝9.8N/kg)，则扬程单位变成用J/N表示了，即一牛顿液体通过泵后获得的有效能头，其单位为(N×m)/N＝m液柱了。公式(1)、(2)和(3)变为：fhgccgH2)(22m(1)’gccZgHSDSDSD222m(2)’SDSDZgHm(3)’以m表示的扬程H和压差△p的换算关系为：△p＝ρgH4.3转速泵的转速是指泵轴每分钟旋转的次数．用符号n表示，单位为转每秒，写作rpm。4.4功率5功率是指单位时间内所做的功，如果在一秒钟内把1牛顿重的物体提高lm的高度，这时就对物体做了lN·m的功，即功率等于1N·m/s，或lW。瓦单位在工程上使用太小，常用千瓦(kw)来表示。泵的功率分输入的轴功率N和输出的有效功率Ne。有效功率表示在单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的有效能头。因此，泵的有效功率为：1000QekW(4)式中ρ——液体密度，kg/m3；Ｈ——扬程，J/kg；Ｑ——体积流量，m3/s。如果扬程H的单位用m，流量的单位用m3/h,则泵的有效功率为：310367QekW(4)’4.5效率效率是衡量离心泵工作经济性的指标，用符号η来表示。由于泵工作时，泵内存在各种损失，例如其运动部件问产生相对摩擦而消耗一定的功率，所以不可能将驱动机输入的功率全部转变为液体的有效功率。轴功率N与有效功率Ne之差即为泵内损失功率，其大小用泵效率来衡量。因此泵的效率η等于有效功率与轴功率之比，表达式为：%100NNe（5）4.6离心泵的比转数相似定律只分别表示出一系列几何相似泵，相似工况点性能参数Q、H、N和n间的相似关系，但在泵的分类、设计、选择及系列化研究中，还需要一个表征叶片泵运转性能和叶轮几何特征的综合性能参数。这个包括Q、H和n等设计参数在内的综合性能参数就是比转数，用符号ns表示。比转数的概念最早在水轮机中应用，现在在离心泵的设计和理论研究中也具有非常重要的意义。4.6.1泵的比转数表达式根据相似定律有：22L)nn'(λHH'(a)35L)nn'(λNN'(b)将式(a)两边乘5／4次方，式(b)两边乘1／2次方，得：2525L45)nn'(λ)HH'(2325L21)nn'(λ)NN'(上两式相除，消去λL得：6nn')NN'()HH'(2145即4545H'N'n'HNn常数令45sHNnn称ns为比转数，是适合于水轮机工作参数N、H和n的。显然，把这种表达式应用到离心泵中并不合适，因为泵的设计参数是H、Q和n。为此把泵得功率用735ρgQHN(马力)代入上式得：43sHQ3.65nn（6）式(6)是我国习惯采用的比转数表达式。它是有因次的。在欧美国家习惯用43sHQnn，采用的单位不同，计算值不同，本质上没有区别。比转数的意义可以这样理解：在一系列相似叶片泵中，当介质为水时取出一台H＝1m、Q＝0.075m3/s、N＝1马力的泵作为标准泵，这台泵所具有的转速就等于该系列泵的比转数。比转数是由相似定律导出的综合性参数，它是工况的函数，对同一合泵来说，不同的工况就有不同的比转数。为便于对不同类型泵的性能与结构进行比较，应用最高效率点的比转数来代表这台泵的比转数。对双吸泵叶轮，计算ns时应以Q／2代入式(6)；对于多级泵，应以且Q/i(级数)代入式中。几何相似的泵，在各自最高效率点处的工况相似，故ns相等。比转数不同的离心泵，其几何形状一定不相似。比转数相同的离心泵，其几何形状也不—定完全相似。4.6.2比转数在泵中的应用图4ns与叶轮形状和性能曲线形状的关系7图7ns大小与相对性能曲线的关系图8用ns编制离心泵系列比转数在泵的分类、相似设计、制定系列化和选择使用等方面均有重要的应用。[1]用比转数对泵进行分类按照ns的大小，将泵分成低比转数、中比转数和高比转数离心泵，以及涡流泵和轴流泵，见图4所示。从式(6)可知，在泵的流量和转速不变，吸入口直径D0大致相等的情况下，比转数低则扬程高，为了得到高扬程，就必须加大叶轮出口直径D2，所以D2/D0值大，相对地显得叶轮出口宽度b2窄小，因而叶轮变得窄而长。但D2不能过大，b2也不能过窄狭，以免铸造困难，流动损失及轮阻损失增加，效率降低，所以离心泵的ns一般不小于30。比转数ns越大，扬程越低，D2相应减小，b2相应增大，D2/D0逐渐减小。当D2减小到一定程度，就得将叶轮出口边做成倾斜的，如图5所示。因为轮盖处流线比轮盘处流线短得多，这样两条流线上的能量不同，在出口处产生二次回流，增加流动损失。因此，当ns大到—定值时，叶轮就从离心式过渡到混流式。当再ns增加，D2继续减小，叶轮就从混流式变成轴流式了(见图6所示)。图5叶轮出口二次回流图6离心泵、混流泵和轴流泵的叶轮从叶轮的叶片形状来看，低比转数叶轮的叶片是柱面形的，因为这种叶轮流道狭长，叶片进口处b较小，叶片进口边与轴线基本平行，每条流线进口液流角基本相同，叶片制成柱面形，便于设计制造。当ns提高以后，叶轮流道加宽，这时为了增加叶片的面积和降低叶片进口处的圆周速度u1，提高泵的抗汽蚀性能，采取叶片进口边向吸入侧延伸布置。这时各条流线在叶片进口处的直径相差较大，为减小冲击损失，每条流线所对应的叶片进口角β1A再不能相等，而把叶片做成具有空间曲面形状的扭曲形叶片。随8ns的继续增加，叶片由进口处部分扭曲变成整个叶片扭曲形。比转数大小与泵的性能曲线也是密切相关的。图7示出水泵用相对最高效率点数值的百分比表示的性能曲线更清楚地说明了这点。从a表示的H一Q性能曲线变化情况可以看出，在低比