15离心泵叶轮设计步骤

第一章离心泵基础理论目录第一节离心泵工作原理与分类第二节离心泵主要部件及其作用第三节离心泵的典型结构第四节离心泵的主要性能参数第五节泵的基本方程式第六节叶轮几何参数对性能的影响第七节叶轮内部流动机理第八节泵的相似定律第九节比例定律和切割定律第十节泵的工作范围和型谱工作原理与分类首先，我们了解一下离心泵的工作原理，通过图片和动态FLASH对离心泵做一个感性的认识！离心泵主要由叶轮、轴、泵壳、轴封及密封环等组成。一般离心泵启动前泵壳内要灌满液体，当原动机带动泵轴和叶轮旋转时，液体一方面随叶轮作圆周运动，一方面在离心力的作用下自叶轮中心向外抛出，液体从叶轮获得了压力能和速度能。当液体流经蜗壳到排液口时，部分速度能将转变为静压力能。在液体自叶轮抛出时，叶轮中心部分造成低压区，与吸入液面的压力形成压力差，于是液体不断地被吸入，并以一定的压力排出。泵工作原理简图如下图所示。若您不能看到图片，请安装FLASH播放器。请点击播放观看动画！工作原理与分类泵的分类按照作用原理分类可以分为叶片式泵、容积式泵和其他类型的泵三大类。其它类型泵：射流泵、气体扬水泵、水锤泵、电磁泵、水轮泵等按照用途分类①农业灌溉和排涝②工业及城市供水用泵③电力工业用泵(例火电站用锅炉给水泵、冷凝泵等)④化学工业用泵：耐蚀离心泵、液下泵、高温/低温泵⑤石油工业部门用泵：钻井、抽油、注水、输油、炼油⑥矿山用泵：排水、水力采煤、输煤、钢铁除鳞⑦造船工业用泵：n高、立式、防水腐蚀（铜合金制造）⑧轻的食品等工作用泵：纸浆、药液、饮料、陶瓷泥浆（无堵塞、耐蚀）⑨水利建设用泵：引渠工程、南北水洞⑩尖端科技用泵：核能，火箭输送燃料及氧化剂的涡轮泵—小体积，n极高按照叶片式泵的结构形式分类1、按主轴方向：①卧式②立式③斜式2、按叶轮种类：①离心式②HL式③ZL式3、按吸入方式：①单吸②双吸4、按级数：①单级②多级5、按叶片安装方法：①可调叶片②固定叶片（叶片安放角是否可调节）6、按壳体部分方式：①分段式②中开式③节段式按泵体形式分类①涡壳式②双涡壳式③透平式（带导叶的离心泵）④简袋式（内壳体外装有圆筒状的耐压壳体）⑤双层壳体按泵体支承方式①悬架式②托架式③中心支承式特殊结构的叶片式泵①潜水电泵②贯流式泵③屏蔽泵④磁力泵⑤自吸式泵⑥管道泵⑦无堵塞泵离心泵的主要部件及其作用接下来，我们一起了解一下离心泵的主要部件。（1）泵壳泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。大多数单级泵的壳体都是蜗壳式的，多级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。一般蜗壳式泵壳内腔呈螺旋型液道，用以收集从叶轮中甩出的液体，并引向扩散管至泵出口。泵壳承受全部的工作压力和液体的热负荷。下图为吸入室类型。(a)直锥形（b）弯管形（c）螺旋形吸水室的作用：①将液体从吸水管路引入叶轮的进口处（引水）②为了使泵有较好的能量性能和汽蚀性能，要求液体流过吸水室时水力损失最小且液体流入叶轮进口时速度分布均匀下图为压出室类型。(a)导叶(b)空间导叶(c)螺旋压水室(d)环形压水室压出室作用：把叶轮出口处流出来的液体收集起来，并把它送入压水管路，即①收集液流②部分动能转化为压能（减少水力损失）③消除旋转（2）叶轮叶轮是惟一的作功部件，泵通过叶轮对液体作功。叶轮型式有闭式、开式、半开式三种。闭式叶轮由叶片、前盖板、后盖板组成。半开式叶轮由叶片和后盖板组成。开式叶轮只有叶片，无前后盖板。闭式叶轮效率较高，开式叶轮效率较低。离心式叶轮的结构型式（a）单吸闭式（b）单吸半开式（c）单吸开式（d）双吸式（3）密封环密封环的作用是防止泵的内泄漏和外泄漏，由耐磨材料制成的密封环，镶于叶轮前后盖板和泵壳上，磨损后可以更换。（4）轴和轴承泵轴一端固定叶轮，一端装联轴器。根据泵的大小，轴承可选用滚动轴承和滑动轴承。（5）轴封轴封一般有机械密封和填料密封两种。一般泵均设计成既能装填料密封，又能装机械密封。离心泵的典型结构部分离心泵结构悬架式悬臂泵（IS型）1—泵壳；2—叶轮；3—密封环；4—叶轮螺母；5—泵盖；6—密封部件；7—中间支承；8—轴；9—悬架部件托架式悬臂泵（B型）S型双吸中开式泵1—泵体；2—泵盖；3—叶轮；4—轴；5—密封环；6—轴套；7—联轴器；8—轴承体；9—填料压盖；10—填料D型多段式多级泵1—吸入段；2—中段；3—压出段；4—轴；5—叶轮；6—导叶；7—密封环；8—平衡盘；9—平衡圈；10—轴承部；11—螺栓液下泵和高速泵内混式自吸泵结构1—回流阀；2—回流孔；3—吸入阀；4—泵体；5—气水分离室；6—蜗室；7—叶轮；8—机械密封件；9—轴承体部件离心泵的性能参数了解了离心泵的原理和结构后，我们来了解性能参数！流量Q泵的流量是指泵在单位时间内由泵出口排出液体的体积量，以Q表示.1.体积流量Q：单位为m3/h、L/min、m3/s2.质量流量Qm：单位为kg/s、t/hQm=ρQ,常温清水ρ=1000kg/m3扬程H泵的扬程指单位重量的液体通过泵后获得的能量，以H表示，单位是m，即排出液体的液柱高度。（通常a1=a2=1）说明：泵的扬程表征泵本身的性能，只和泵进、出口法兰处液体能量有关，而和泵装置无直接关系，但利用能量方程，可以用泵装置中液体的能量表示泵的扬程.转速n泵的转速指泵轴单位时间内的转数，以n表示，单位是r/min。功率和效率①有效功率pu泵的有效功率是指单位时间内泵输送出的液体获得的有效能量，也称输出功率。式中Q——泵的流量，m3/s；H——泵的扬程，m；ρ——介质密度，kg/m3；g——重力加速度，g＝9.81m/s2。②轴功率pa泵的轴功率是指单位时间内由原动机传到泵轴上的功，也称输入功率，单位是W或kW。③效率η泵效率η是泵的有效功率与轴功率之比。特性曲线泵的特性曲线反映泵在恒定转速下的各项性能参数。国内泵厂提供的典型的特性曲线如下图所示，一般包括H-Q线、N-Q线、η-Q线和NPSHr-Q线。泵生产厂商一般都提供全特性曲线，包括不同叶轮直径下的H-Q线、等效率线、等轴功率线及NPSHr-Q线。某型号泵性能曲线泵的基本方程式关键几何参数如右图所示，叶轮和涡壳的关键几何参数如下：叶轮出口直径D2叶轮进口直径D1叶片出口宽度b2进口安放角出口安放角涡壳基圆直径D3涡壳进口宽度b3速度三角形离心泵工作时，液体一方面随着叶轮一起旋转，同时又从转动着的叶轮里向外流。离心泵叶轮中任意一点i的液流绝对速度ci等于圆周速度ui；和相对速度ωi的向量和，即：式中ci——i点液流的绝对速度，m/s；ui——i点处液流随叶轮旋转的速度，即圆周速度，m/s；ωi——i点液流的相对于旋转叶轮的速度，m/s；βi——ωi与ui反方向的夹角，称相对液流角。该三个速度构成一个封闭的三角形，称为速度三角形，见右图。速度三角形反映了液体在叶轮内的流动状态。速度三角形欧拉方程——离心泵水力学基本方程式液体进入叶轮受到叶片推动而增加能量，建立叶轮对液体做功与液体运动状态之间关系的能量方程，即离心泵的基本方程式——欧拉方程式。它可以由动量矩定理导出。式中HT——离心泵的理论扬程，m；c2u——叶轮出口处液流绝对速度在圆周方向的分速度，m/s；c1u——叶轮进口处液流绝对速度在圆周方向的分速度，m/s；u2——叶轮出口处的圆周速度（u2=R2ω），m/s；u1——叶轮进口处的圆周速度（u1＝R1ω），m/s。当液流无预旋进入叶轮时，c1u＝0；欧拉方程也可简写成：从欧拉方程看出，离心泵的理论扬程HT决定于泵的叶轮的几何尺寸、工作转速，而与输送介质的特性与密度无关。因此同一台泵在同样转速和流量下工作，无论输送何种液体（如水和水银），叶轮给出的理论扬程均是相同的，不同密度的介质功率值不同。有限叶片数和无限叶片数理论扬程的差别离心泵叶轮的叶片数一般为5～8片，在理论研究时引入了无限叶片数的假定。无限叶片数下，液体受到叶片的约束，液体相对运动的流线和叶片形状完全一致。有限叶片数下，由于液流的惯性存在轴向旋涡运动，因此液体相对运动的流线和叶片形状并不一致，如下图所示，C2C2∞，β2β2∞，所以HTHT∞。有限叶片数和无限叶片数叶轮产生的理论扬程的差别称为叶轮中的流动滑移，如右图所示。研究表明，滑移并不意味着能量损失，而只说明同一工况下实际叶轮由于叶片数有限，而不能象无限叶片一样控制液体的流动，也就是液流的惯性影响了速度的变化。为此，引出了滑移系数的概念。实际水泵的扬程计算公式H=ηh{u2(σu2-vm2/tgβ2)/g-(u1vu1)/g}液体在叶轮中的流动说明：图中绝对速度C和公式中的V是同一参数。下标标注不明显，请查阅相关教程！叶片泵基本方程式HT∞=（u2vu2∞-u1vu1)/g由速度三角形vu2∞=u2-vm2/tgβ2，vu2＝（σu2-vm2/tgβ2），得无穷叶片的理论扬程HT∞=u2（u2-vm2/tgβ2）/g-（u1vu1)/g有限叶片的理论扬程HT=u2（σu2-vm2/tgβ2）/g-（u1vu1)/g实际扬程计算公式H=ηh〔u2（σu2-vm2/tgβ2）/g-（u1vu1)/g〕滑移系数σ可以通过下表选取：(FromHauptmann,1989)进口无旋扬程计算公式H=ηhu2（σu2-vm2/tgβ2）/g其中u2＝pnD2/60，σ＝1-psinβ2/z，vm2＝Q/ηv/(pD2b2ψ2),ψ2=1-zsu2/(pD2sinβ2)。ηh和ηv是估算的，与水泵流量，水泵比转数和结构设计有关。目前，基于一元理论计算的水泵扬程误差较大，其主要原因有以下几个方面：进口无旋的假设是有误差Stodola滑移系数的假设和计算是有一定的误差β2的安放值与作用值有误差统计公式ηh和ηv的计算值有误差几何参数对泵性能的影响叶片数z叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数的依据为：一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦;另一方面使叶轮流道具有足够的长度。以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。随着z的增多，叶片对液体的作用增强，流动滑移减弱，泵的扬程增加。右图表示了同一个泵体中叶片数对扬程曲线的影响，叶片数越少，最优工况扬程和效率越低，扬程曲线越陡。叶片出口安放角叶片出口安放角是泵重要几何参数之一，对性能影响很大，在一定范围内，随着的增大，在相同流量工况下，扬程增加。因此，增大叶片出口角，减小叶轮外径是提高低比速离心泵效率的有效措施之一。改变叶片出口安放角后的速度三角形如下图所示。出口安放角增大后，圆周方向的分速度增大，在一定范围内，泵的扬程将提高。出口安放角通常取值范围为：15度-40度。根据国外研究结果表明：比转速中等的离心泵叶片出口安放角取27度可以获得较优的性能。改变出口安放角后的出口速度三角形和扬程变化下图表示了减少叶片数、降低叶片曲率，同时增大b2和减小叶片出口安放角有可能最优工况流量不变。叶轮出口宽度改变叶片出口宽度是扩大泵的性能范围通常采用的方法之一。出口宽度b2改变时对泵性能的影响，可从以下分析得知。根据据流量公式式中Q-流量，m3/s；-叶轮外径，m；-叶片出口宽度，m；-水泵的容积效率，%；-出口处叶片的排挤系数；-流体出口速度的轴面分速度，m/s。从上式可知，当其他条件不变时，b2和v2m成反比，即出口宽度b2的变化将引起轴面分速度v2m发生变化，而v2m的变化将直接影响水泵的性能。如下图所示，当b2增大到b2′时，则v2m将降低至v2m′，同时v2u增大至v2u′，泵的扬程增大。同时可见，若保持出口面积不变，加大叶片出口宽度b2，可适当地减小D2，从而可以减小圆盘摩擦损失，提高泵的效率。改变出口宽度后的出口速度三角形和理论扬程变化下图表示了当叶轮直径和出口角不变时，叶片出口宽度对b2最优工况的影响。叶轮外径叶轮外径也是泵的主要参数之一。从理论扬程特性曲线公式可以看出：叶轮外径直接影响扬程。但是，叶轮外径的大小对圆盘摩擦损失有重要的影响。叶轮圆盘摩擦损失与外径D2的关系可以由下式表示式中Δhm3-圆盘摩擦损失，kW；K-圆盘摩擦系数；-流体密度，kg/m3；D2-叶轮外径，m；n-转速，r