离心泵基础知识.docx

1、离心泵基础知识2-2 离心泵离心泵结构简单,操作容易,流量均匀,调节控制方便,且能适用于多种特殊性质物料,因此离心泵就是化工厂中最常用的液体输送机械。近年来,离心泵正向着大型化、高转速的方向发展。2、2、1 离心泵的主要部件与工作原理图2-1 离心泵活页轮一、离心泵的主要部件1.叶轮叶轮就是离心泵的关键部件,它就是由若干弯曲的叶片组成。叶轮的作用就是将原动机的机械能直接传给液体,提高液体的动能与静压能。根据叶轮上叶片的几何形式,可将叶片分为后弯、径向与前弯叶片三种,由于后弯叶片可获得较多的静压能,所以被广泛采用。叶轮按其机械结构可分为闭式、半闭式与开式(即敞式)三种,如图2-1所示。在叶片的两

2、侧带有前后盖板的叶轮称为闭式叶轮(c图);在吸入口侧无盖板的叶轮称为半闭式叶轮(b图);在叶片两侧无前后盖板,仅由叶片与轮毂组成的叶轮称为开式叶轮(a图)。由于闭式叶轮宜用于输送清洁的液体,泵的效率较高,一般离心泵多采用闭式叶轮。叶轮可按吸液方式不同,分为单吸式与双吸式两种。单吸式叶轮结构简单,双吸式从叶轮两侧对称地吸入液体(见教材图23)。双吸式叶轮不仅具有较大的吸液能力,而且可以基本上消除轴向推力。2.泵壳泵体的外壳多制成蜗壳形,它包围叶轮,在叶轮四周展开成一个截面积逐渐扩大的蜗壳形通道(见图22)。泵壳的作用有:汇集液体,即从叶轮外周甩出的液体,再沿泵壳中通道流过,排出泵体;转能装置,因

3、壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致,减少了流动能量损失,并且可以使部分动能转变为静压能。若为了减小液体进入泵壳时的碰撞,则在叶轮与泵壳之间还可安装一个固定不动的导轮(见教材图2-4中3)。由于导轮上叶片间形成若干逐渐转向的流道,不仅可以使部分动能转变为静压能,而且还可以减小流动能量损失。注意:离心泵结构上采用了具有后弯叶片的叶轮,蜗壳形的泵壳及导轮,均有利于动能转换为静压能及可以减少流动的能量损失。3.轴封装置离心泵工作时就是泵轴旋转而泵壳不动,泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用就是防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出,或外界空气漏入泵内。轴封装置保证离心泵正常、高效运转,常用的轴封

4、装置有填料密封与机械密封两种。二、离心泵的工作原理装置简图如附图。1.排液过程离心泵一般由电动机驱动。它在启动前需先向泵壳内灌满被输送的液体(称为灌泵),启动后,泵轴带动叶轮及叶片间的液体高速旋转,在惯性离心力的作用下,液体从叶轮中心被抛向外周,提高了动能与静压能。进而泵壳后,由于流道逐渐扩大,液体的流速减小,使部分动能转换为静压能,最终以较高的压强从排出口进入排出管路。2.吸液过程当泵内液体从叶轮中心被抛向外周时,叶轮中心形成了低压区。由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强,在该压强差的作用下,液体便经吸入管路被连续地吸入泵内。3.气缚现象当启动离心泵时,若泵内未能灌满液体而存在大量气体

5、,则由于空气的密度远小于液体的密度,叶轮旋转产生的惯性离心力很小,因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度,这种虽启动离心泵,但不能输送液体的现象称为气缚。因此,离心泵就是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方,在吸入管路应安装单向底阀与滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出,滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳与管路。若泵的位置低于槽内液面,则启动时就无需灌泵。 2、2、2 离心泵的主要性能参数与特性曲线一、离心泵的主要性能参数 离心泵的性能参数就是用以描述一台离心泵的一组物理量1. (叶轮)转速n:10003000rpm;2900rpm最常见。2.

6、流量Q:以体积流量来表示的泵的输液能力,与叶轮结构、尺寸与转速有关。泵总就是安装在管路中,故流量还与管路特性有关。3. 压头(扬程)H:泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸与转速有关。扬程并不代表升举高度。一般实际压头由实验测定。4. 功率: (1)有效功率:指液体从叶轮获得的能量;此处Q的单位为m3/s(2)轴功率:指泵轴所需的功率。当泵直接由电机驱动时,它就就是电机传给泵轴的功率。5. 效率:由于以下三方面的原因,由电机传给泵的能量不可能100%地传给液体,因此离心泵都有一个效率的问题,它反映了泵对外加能量的利用程度:容积损失;水力损失;机械损失。二、离心泵的特性曲线从前面

7、的讨论可以瞧出,对一台特定的离心泵,在转速固定的情况下,其压头、轴功率与效率都与其流量有一一对应的关系,其中以压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形称为离心泵的特性曲线。由于它们之间的关系难以用理论公式表达,目前一般都通过实验来测定。包括HQ曲线、NQ曲线与Q曲线。图2-3 某种型号离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供,标绘于泵的样本或产品说明书中,其测定条件一般就是20清水,转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图2-3所示。1.讨论(1) 从HQ特性曲线中可以瞧出,随着流量的增加,泵的压头就是下降的,即流量越大,泵向单位重量流体提供的机械能越小。但就是,这一规律对流

8、量很小的情况可能不适用。(2) 轴功率随着流量的增加而上升,流量为零时轴功率最小,所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外,这一规律还提示我们,离心泵应在关闭出口阀的情况下启动,这样可以使电机的启动电流最小,以保护电机。 (3) 泵的效率先随着流量的增加而上升,达到一最大值后便下降。但流量为零时,效率也为零。根据生产任务选泵时,应使泵在最高效率点附近工作,其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。(4) 离心泵的铭牌上标有一组性能参数,它们都就是与最高效率点对应的性能参数,称为最佳工况参数。三、离心泵特性的影响因素1.液体的性质:(1) 液体的密度:离心泵的压头与流量均与液体的密度无关,有

9、效功率与轴功率随密度的增加而增加,这就是因为离心力及其所做的功与密度成正比,但效率又与密度无关。(2) 液体的粘度:若粘度大于常温下清水的粘度,则泵的流量、压头、效率都下降,但轴功率上升。所以,当被输送流体的粘度有较大变化时,泵的特性曲线也要发生变化。2.转速离心泵的转速发生变化时,其流量、压头、轴功率与效率都要发生变化,泵的特性曲线也将发生变化。若离心泵的转速变化不大(小于20),则可以假设:转速改变前后液体离开叶轮处的出口速度三角形相似;转速改变前后离心泵的效率不变。从而可导出以下关系:,(比例定律) (2-2)3.叶轮外径当泵的转速一定时,压头、流量与叶轮的外径有关。对于某同一型号的离心

10、泵,若对其叶轮的外径进行“切割”,而其她尺寸不变,在叶轮外径的减小变化不超过5时,离心泵的性能可进行近似换算。此时可以假设:(1) 叶轮外径变化前后,叶轮出口速度三角形相似;(2) 叶轮外径变化前后,离心泵的效率不变;(3)叶轮外径变化前后,叶轮出口截面积基本不变。从而可以导出以下关系:,(切割定律) (2-3)与比例定律同样,要注意公式使用的条件。例2-1:以20oC的水为介质,在泵的转速为2900r/min时,测定某台离心泵性能时,某次实验的数据如下:流量12m3/h,泵出口处压强表的读数为0、37MPa,泵入口处真空表读数为0、027MPa,轴功率为2、3Kw。若压强表与真空表两测压口间

11、垂直距离为0、4m,且泵的吸入管路与排出管路直径相同。测定装置如附图。求:这次实验中泵的压头与效率。解:(1)泵的压头以真空表与压强表所在的截面为411与22,列出以单位重量为衡算基准的伯努利方程,即其中,p1=-2、7104Pa(表压), p2=3、7105Pa(表压)因测压口之间距离较短,流动阻力可忽略,即Hf1-20;故泵的压头为:H(2)泵的效率,即58、1。分析说明:在本实验中,若改变出口阀的开度,测出不同流量下的若干组有关数据,可按上述方法计算出相应的H及值,并将H-Q、N-Q、-Q关系标绘在坐标纸上,即可得到该泵在n2900r/min下的特性曲线。2、2、3 离心泵的工作点与流量

12、调节一、管路特性曲线前面介绍的离心泵特性曲线,表示一定转速下泵的压头、功率、效率与流量的关系。在特定管路中运行的离心泵,其实际工作的压头与流量不仅取决于离心泵本身的特性,而且还与管路特性有关。即在泵送液体的过程中,泵与管路就是互相联系与制约的。因此在讨论泵的工作情况前,应先了解管路特性。管路特性曲线表示液体通过特定管路系统时,所需的压头与流量的关系。如图所示的送液系统,若液体贮槽与受液槽的液面均维持恒定,输送管路的直径均一,在图2-4中11与2-2间列伯努利方程式,则可求得液体流过管路系统所需的压头(即要求离心泵提供的压头),即: (2-4)该管路输送系统的压头损失可表示为: 因故 (2-5)

13、 式中Qe管路中液体流量,m3/s;d管路直径,m;L管路长度,m;摩擦系数,无因次。式中Le与分别表示局部阻力的当量长度与阻力系数。对特定的管路系统,上式中等式右边各物理量中,除了与Qe外,其它各物理量为定值。且,则 (2-6)将上式代入,可得:,即为管路特性方程。 (2-7)对特定的管路,且在一定条件下操作,则z与均为定值,并令: (2-8)若液体在管路中的流动已进入阻力平方区,则此时与Qe无关,并令: (2-9)则可得特定管路的特性方程: (2-10) 它表示在特定管路中输送液体时,在管内流动处于高度湍流状态下,管路所需的压头He随液体流量Qe的平方而变。将此关系方程标绘在相应的坐标图上

14、,即可得到He-Qe曲线。这条曲线称为管路特性曲线。此线的形状由管路布置与操作条件来确定,与离心泵性能无关。二、离心泵的工作点将泵的HQ曲线与管路的Qe曲线绘在同一坐标系中,两曲线的交点称为泵的工作点M。如图2-4所示。图2-4 管路特性曲线与泵的工作点1.说明 (1) 泵的工作点由泵的特性与管路的特性共同决定,可通过联立求解泵的特性方程与管路的特性方程得到;(2) 安装在管路中的泵,其输液量即为管路的流量;在该流量下泵提供的扬程也就就是管路所需要的外加压头。因此,泵的工作点对应的泵压头与流量既就是泵提供的,也就是管路需要的;(3) 工作点对应的各性能参数()反映了一台泵的实际工作状态。三、离

15、心泵的流量调节 由于生产任务的变化,管路需要的流量有时就是需要改变的,这实际上就就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性与泵的特性共同决定,因此改变泵的特性与管路特性均能改变工作点,从而达到调节流量的目的。1.改变出口阀的开度改变管路特性出口阀开度与管路局部阻力当量长度有关,后者与管路的特性有关。所以改变出口阀的开度实际上就是改变管路的特性。图2-5 改变阀门开度时工作点变化关小出口阀,增大,曲线变陡,工作点由M变为M1,流量下降,泵所提供的压头上升;相反,开大出口阀开度,减小,曲线变缓,工作点由M变为M2,流量上升,泵所提供的压头下降。如图2-5所示。采用阀门调节流量快速简便,且流量可

16、连续变化,适合化工连续生产的要求,因此应用很广泛。其缺点就是当关小阀门时,管路阻力增加,消耗部分额外的能量,实际上就是人为增加管路阻力来适应泵的特性。且在调节幅度较大时,往往使离心泵不在高效区下工作,不就是很经济。2.改变叶轮转速改变泵的特性如图2-6所示,转速增加,流量与压头均能增加。这种调节流量的方法合理、经济,但曾被认为就是操作不方便,并且不能实现连续调节。但随着的现代工业技术的发展,无级变速设备在工业中的应用克服了上述缺点。就是该种调节方法能够使泵在高效区工作,这对大型泵的节能尤为重要。图2-6 改变泵转速时工作点变化3.车削叶轮直径这种调节方法实施起来不方便,且调节范围也不大。叶轮直

17、径减小不当还可能降低泵的效率,因此生产上很少采用。在生产中单台离心泵不能满足输送任务要求时,可采用离心泵并联或串联操作。例2-2 确定泵就是否满足输送要求。将浓度为95%的硝酸自常压贮槽输送至常压设备中去,要求输送量为36m3/h,液体的升扬高度为7m。输送管路由内径为80mm的钢化玻璃管构成,总长为160m(包括所有局部阻力的当量长度)。输送条件下管路特性曲线方程为:(Qe单位为L/s)。现采用某种型号的耐酸泵,其性能列于下表中。问:（1）(1) 该泵就是否合用？（2）(2) 实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？Q(L/s)03691215H(m)19、51917、916、514、4

18、12(%)01730424644已知:酸液在输送温度下粘度为1、1510-3Pas;密度为1545kg/m3。摩擦系数可取为0、015。解:(1)对于本题,管路所需要压头通过在贮槽液面(1-1)与常压设备液面(2-2)之间列柏努利方程求得:式中管内流速:管路压头损失:管路所需要的压头:以(L/s)计的管路所需流量:由附表可以瞧出,该泵在流量为12 L/s时所提供的压头即达到了14、4m,当流量为管路所需要的10 L/s,它所提供的压头将会更高于管路所需要的13、06m。因此我们说该泵对于该输送任务就是可用的。另一个值得关注的问题就是该泵就是否在高效区工作。由附表可以瞧出,该泵的最高效率为46%

19、;流量为10 L/s时该泵的效率大约为43%,为最高效率的93、5,因此我们说该泵就是在高效区工作的。(2)实际的输送量、功率消耗与效率取决于泵的工作点,而工作点由管路特性与泵的特性共同决定。题给管路的特性曲线方程为: (其中流量单位为L/s)据此可以计算出各流量下管路所需要的压头,如下表所示:Q(L/s)03691215H(m)77、5459、18111、9115、7220、63可以作出管路的特性曲线与泵的特性曲线,如图所示。两曲线的交点为工作点,其对应的压头为14、8m;流量为11、4L/s;效率0、45;轴功率可计算如下:分析说明:(1)判断一台泵就是否合用,关键就是要计算出与要求的输送

20、量对应的管路所需压头,然后将此输送量与压头与泵能提供的流量与压头进行比较,即可得出结论。另一个判断依据就是泵就是否在高效区工作,即实际效率不低于最高效率的92%(2)泵的实际工作状况由管路的特性与泵的特性共同决定,此即工作点的概念。它所对应的流量(如本题的11、4L/s)不一定就是原本所需要的(如本题的10L/s)。此时,还需要调整管路的特性以适用其原始需求。思考题:1、就是不就是所有情况下离心泵启动前都要灌泵？2、离心泵结构中有哪些就是转能部件？3、离心泵铭牌(标牌)上标出的性能参数就是指该泵的最大值不？4、离心泵的扬程与升扬高度有什么不同？2、2、4 离心泵的气蚀现象与安装高度离心泵在管路

21、系统中安装高度就是否合适,将直接影响离心泵的性能、运行及使用寿命,因此在管路计算中应正确确定泵的安装高度。一、离心泵的气蚀现象由离心泵工作原理可知,在离心泵叶轮中心附近形成低压,这一压强的高低与泵的吸上高度密切相关。1.泵的吸上高度就是指贮槽液面与离心泵吸入口之间的垂直距离。当贮槽上方压强一定时,若泵吸入口的压强越低,则吸上高度就越高,但就是泵吸入口的低压就是有限制的。当在泵的流通(一般在叶轮入口附近)中液体的静压强等于或低于该液体在工作温度下的饱与蒸汽压pV时,液体将部分气化,产生气泡。含气泡的液体进入高压区后,气泡就急剧凝结或破裂。因气泡的消失而产生了局部真空,周围的液体就以极高的速度流向

22、原气泡中心,瞬间产生了极大的局部冲击压力,造成对叶轮与泵壳的冲击,使材料受到破坏。2.气蚀现象:通常把泵内气泡的形成与破裂而使叶轮材料受到损坏的过程,称为气蚀现象。离心泵在汽蚀状态下工作:(1)泵体振动并发出噪音;(2)压头、流量效率大幅度下降,严重时不能输送液体;(3)时间长久,在水锤冲击与液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下,叶片表面出现斑痕与裂缝,甚至呈海绵状逐渐脱落。离心泵在正常运行时,必须避免发生气蚀现象。为此,叶轮入口附近处液体的绝对压强必须高于该液体在工作温度下的饱与蒸汽压。这就要求离心泵有适宜的安装高度。通常由离心泵的抗气蚀性能(又称吸上性能)来确定其安装高度。二、离心泵

23、的抗气蚀性能一般采用两种指标来表示离心泵的抗气蚀性能(又称吸上性能)1.离心泵的允许吸上真空度允许吸上真空度就是指为避免发生气蚀现象,离心泵入口处可允许达到的最高真空度(即最低的绝对压强)。其值通过实验测定。由于实验中不易测出叶轮入口附近处的最低压强的位置,因此以测定泵入口处的压强代替。如图所示,假设大气压强为pa,泵的入口处的液体静压强为p1,则允许吸上真空度的定义为: (2-11)式中离心泵的允许吸上真空度,m液柱;pa当地大气压,若贮槽为密封槽,则应为槽内液面上方的压强,Pa;p1泵入口处的静压强,Pa;液体的密度,Kg/m3。图2-7 离心泵的吸液示意图注意:离心泵的允许吸上真空度值越

24、大,表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能越好。值大小与泵的结构、流量、被输送液体的性质及当地大气压等因素有关,通常由泵的制造工厂实验测定。实验值列在泵的样本或说明书的性能表上。应注意,该实验就是在大气压为10mHgH2O(9、81104Pa)下,以20oC清水为介质进行的。因此若输送其它液体,或操作条件与上述的实验条件不同时,应按下式进行换算: (2-12)式中 操作条件下,输送液体时允许吸上真空度,m液柱; 实验条件下,输送清水时的允许吸上真空度,m水柱; Ha当地大气压,mH2O; pv操作温度下液体的饱与蒸气压,Pa; 操作温度下液体的密度,Kg/m3; 10实验条件下的大气压强,mH2O

25、;0、24实验条件下水的饱与蒸气压,mH2O;1000实验条件下水的密度,Kg/m3不同海拔高度的大气压强见教材表21 应予指出,由允许吸上真空度定义可知,它不仅具有压强的意义,此时单位为m液柱,又具有静压头的概念,因此一般泵性能表中把它的单位写成m,两者数值上就是相等的。允许吸上真空度也就是泵的性能之一,一些离心泵的特性曲线图中也画出HsQ曲线。应注意在确定离心泵安装高度时应按泵最大流量下的Hs值来进行计算。2.离心泵的气蚀余量为防止气蚀现象的发生,在离心泵的入口处液体的静压头与动压头之与必须大于操作温度下的液体饱与蒸汽压头某一数值,此数值即定义为离心泵的气蚀余量h,其定义为 或 m (2-

26、13)式中: pv在操作温度下液体的饱与蒸气压,Pa。目前在国产泵样本的性能表中,离心油泵中的气蚀余量用符号h表示,离心水泵的气蚀余量用NPSH表示,本节中为简化均用h表示。而允许吸上真空度即将被停止使用。而临界汽蚀余量 m (2-14)当流量一定且流体流动进入阻力平方区时,气蚀余量h仅与泵的结构及尺寸有关,它就是泵的抗气蚀性能参数。离心泵的hc由泵制造厂实验测定,其值随流量增大而增大。为确保离心泵的正常操作,将所测得的临界汽蚀余量hc加上一定的安全量后,称为必需气蚀余量hr,并且列入泵产品样本性能表中。离心水泵用(NPSH)r表示,离心油泵用hr表示。在一些离心泵的特性曲线图上,也绘出hrQ

27、曲线。也应注意在确定离心泵安装高度时应取可能出现的最大流量为计算依据。三、离心泵的允许安装高度由离心泵的吸液示意图2-7,列出伯努力方程式,可求得离心泵的允许安装高度Hg: m (2-15)若已知离心泵的必需气蚀余量hr,则有: (2-16)若已知离心泵的允许吸上真空度,则有: (2-17)四、讨论1.从前面的讨论中容易使人获得这样一种认识,即汽蚀就是由于安装高度太高引起的,事实上汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因:离心泵的安装高度太高;被输送流体的温度太高,液体蒸气压过高;吸入管路的阻力或压头损失太高。允许安装高度这一物理量正就是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。由此,我们又可以有这样一个推

28、论:一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀,如被输送物料的温度升高,或吸入管线部分堵塞。2.有时,计算出的允许安装高度为负值,这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。3.允许安装高度Hg的大小与泵的流量有关。由其计算公式可以瞧出,流量越大,计算出的Hg越小。因此用可能使用的最大流量来计算Hg就是最保险的。4.安装泵时,为保险计,实际安装高度比允许安装高度还要小0、5至1米。(如考虑到操作中被输送液体的温度可能会升高;或由于贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高)。5.当液体的操作温度较高或其沸点较低时,应注意尽量减小吸入管路的压头损失(如可以选用较大的吸入管径,减少管件与阀门,缩

29、短管长等);或将离心泵安装在贮槽液面以下,使液体利用位差自动流入泵体内。2、2、5 离心泵的选用、安装与操作一、 离心泵的类型:1.清水泵:适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单,操作容易。(IS型、B型、D型、sh型)2.耐腐蚀泵:用于输送具有腐蚀性的液体,接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成,要求密封可靠。(F型)3.油泵:输送石油产品的泵,要求有良好的密封性与冷却系统。(Y型)4.杂质泵:输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液,叶轮流道宽,叶片数少。(P型)单吸泵;双吸泵;单级泵;多级泵;二、 离心泵的选用1.根据被输送液体的性质与操作条件确定泵的类型。2.确定输送系统的

30、流量与所需压头。流量由生产任务来定,所需压头由管路的特性方程来定。3.根据所需流量与压头确定泵的型号(1)查性能表或特性曲线,要求流量与压头与管路所需相适应。(2)若生产中流量有变动,以最大流量为准来查找,压头也应以最大流量对应值查找。(3)若H与Q与所需要不符,则应在邻近型号中找H与Q都稍大一点的。(4)若几个型号都满足,应选一个在操作条件下效率最高的(5)为保险,所选泵可以稍大;但若太大,工作点离最高效率点太远,则能量利用程度低。泵的类型与型号选出后,应列出该泵的性能参数。4.核算泵的轴功率。若输送液体的密度大于水的密度时,则要核算泵的轴功率,重新配置电动机。三、离心泵的安装与操作1.安装:(1) 安装高度不能太高,应小于允许安装高度。(2)