叶片式泵原理及设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,叶片式泵风机原理及设计,闫国军主编,1,目 录,第1章 叶片泵概述,第2章 叶片泵基本理论,第3章 叶片泵的相似理论,第4章 叶片泵的空化和空蚀,第5章 叶片泵的运转特性及调节,第6章 离心泵叶轮的水力设计,第7章 压水室和吸水室的水力设计,第8章 轴向力、径向力及其平衡,第9章 泵的轴封,第10章 轴 流 泵,第11章 叶片泵试验,2,第一章 叶片泵概述,1.1 叶片泵的原理和分类,1.1.1 叶片泵的工作原理,泵是以液体为工作介质，把原动机的机械能转换为液体能量的机械，容积式泵和叶片式泵(简称叶片泵)是应用最为广泛的两类泵。,在叶片式泵中，能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的液体介质之间进行的，叶片与液体介质之间的作用力是惯性力。,3,1.1.1 叶片泵的工作原理,叶片式泵在结构上区别于容积式泵的一个基本特点是，其高压侧（压水室）与低压侧（吸水室）之间是通过叶轮流道相互贯通的，而容积式泵的高、低压侧相互之间必须是严格密封的。,叶片式泵 容积式泵（齿轮泵）,4,1.1.1 叶片泵的工作原理,叶轮旋转时在进口处能够形成真空度的大小分析,在旋转坐标系下处于相对静止液体中任意一点半径,R,处的压力为,则叶轮进口处的真空度为,5,1.1.1 叶片泵的工作原理,假设泵的转速,n,=1500rpm，,=157s-1，,R,2,=0.2m，,R,1,=0.1m。如果泵启动时叶轮、吸水管中充满空气，密度,=1.293kg/m,3,，则泵叶轮进口处的真空度为：,如果泵启动时叶轮、吸水管中灌满水，叶轮进口最大真空度为：,当然真空度只能小于0.1MPa，如果绝对压力低于水的饱和蒸汽压，水就会汽化。实际上泵启动时转速是逐渐升高的，一旦泵叶轮进口处的真空度达到能够吸上水的程度，水流就会在大气压力的作用下推开底阀开始流动，叶轮就连续向外排水，泵就可以启动正常工作了。,6,1.1.1 叶片泵的工作原理,叶片泵启动时必须注满水，使水体淹没叶轮后才能启动，图1-1中的底阀（单向阀）就是为灌液体时用的，以防止灌泵的液体进入吸液池而灌不满叶轮。,如果泵进口是有压来流，或者吸液池液面高于叶轮形成倒灌，或者通过技术措施使吸水管路形成足够的真空度比如自吸泵，那么叶片泵也就不需要灌水，能够直接启动了。,叶片泵在工作过程中吸水管路应该具有良好的密封条件，防止漏气，以避免破坏叶片泵正常工作所需的真空条件。,7,1.1.2 叶片泵的主要部件,对叶片泵性能产生关键影响的部件是叶片泵过流部分的结构，在离心泵中，过流部件包括吸水室、叶轮和压水室。,叶轮及其驱动轴系是转动件，其他都是静止件。,8,1.1.2 叶片泵的主要部件,一、,吸水室,吸水室（吸入室、吸液室）位于叶轮之前，其功用是将液体从吸水管路引入叶轮的进口处。,为了使泵有较好的性能，要求液体流过吸水室时水力损失最小和液体进入叶轮进口时速度分布均匀,按结构吸水室可分为直锥形吸水室、弯管形吸水室、环形吸水室、半螺旋形吸水室等几种,锥形吸水室、螺旋形压水室,环形吸水室,9,1.1.2 叶片泵的主要部件,二、叶轮,叶轮是将能量传给液体的部件。,液体流过叶轮时从叶轮处得到能量，于是液体的动能与压能均增大，叶轮是泵过流部件的核心。,根据液体从叶轮流出的方向不同，叶轮分为,离心式,(径流式)、,混流式,(斜流式)和,轴流式,三种，相对应的泵称之为离心泵、混流泵和轴流泵。,离心泵或混流泵的叶轮按结构不同有,闭式、半开式和开式,三种,10,1.1.2 叶片泵的主要部件,三、压水室,压水室位于叶轮出口之后，其作用是收集从叶轮中高速流出的液体，使其速度降低，转变速度能为压能并且把液体按一定要求送入下级叶轮进口或送入排出管路。,压水室主要分为,螺旋形压水室、导叶、环形压水室,等。,11,1.1.2 叶片泵的主要部件,四、,结构部件,叶片泵的主要部件除了过流部件外，还有泵壳、密封环、轴和轴承、轴封等结构部件。,1泵壳,泵壳也称泵体，它将吸水室、压水室、叶轮室等非转动的固定部分联结成一体。,根据泵体的外观，可将泵基本分为蜗壳式和圆筒式两种结构型式。根据壳体剖分面的情况，又有中开式与整体式之分。,2口环,离心泵叶轮的吸入口外缘与泵壳之间留有一定的间隙，此间隙过小将引起机械磨损，过大泄漏量大。为使间隙尽量地小同时又使磨损后便于更换与修复，一般在叶轮吸入口外侧及相对应的泵体部位上分别镶装一个口环，此环磨损后很容易更换。由于其既可减少泄漏，又能承受磨损，所以称为减漏环或承磨环。,12,1.1.2 叶片泵的主要部件,3泵轴和轴承,泵轴借轴承的支承，带动泵体中的叶轮旋转，它是泵的主要零件。轴上除装有叶轮外，还装有轴套、联轴器或皮带轮等零件、组合成为泵的转子。泵轴的放置方式有立式、卧式或斜式之分。,轴承是支撑泵转子的部件，承受径向和轴向载荷。一般轴径在70mm以下的泵轴采用滚动轴承，轴径大于100mm的泵则用滑动轴承。,4轴封机构,在泵轴穿出泵壳的地方，旋转的泵轴和固定的泵体之间设有轴封机构，起着密封的作用。一般叶片泵最常用的是填料密封和机械密封。,5平衡机构,泵运转时在叶轮上会产生很大的轴向力，轴承难以承受，必须用各种平衡方法将大部分轴向力平衡掉，使轴承不承受或承受很小一部分轴向力。,13,1.1.3 叶片泵的分类和型号,一、叶片泵的分类,14,1.1.3 叶片泵的分类和型号,2. 叶片泵的型号,15,1.2 叶片泵的主要性能参数,叶片泵的工作状况通常用性能参数来表示，其主要性能参数有,流量、扬程、转速、效率和空化余量,等，空化余量是表示叶片泵抗空化性能的主要参数。,一、流量,q,流量是泵在单位时间内通过泵出口截面的液体量(体积或质量)。,体积流量,用,q,V,表示，单位是m,3,s，m,3,h，ls等。一般没有特别指明，用表示体积流量。,质量流量,用,q,m,表示，单位是kgs 、kgh等。,流量和体积流量的关系为,16,1.2 叶片泵的主要性能参数,二、扬程,H,扬程,是泵出口截面（泵出口法兰处)和泵进口截面(泵进口法兰处)单位重量液体的能量差值，也就是单位重量液体通过泵获得的有效能量。,按扬程定义其单位是m,，即被抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。,泵的扬程表征泵本身的性能，只和泵进、出口法兰处的液体的能量有关，而和泵装置无直接关系.。,17,1.2 叶片泵的主要性能参数,三、转速,n,转速是叶轮和轴单位时间内旋转的圈数，单位为转每分（rmin）。一般叶片泵转速与原动机转速相同。,四、功率和效率,泵的功率通常是指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称,轴功率,，用,P,表示。泵的有效功率又称输出功率，用,P,e,表示，它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。,18,1.2 叶片泵的主要性能参数,轴功率和有效功率之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比，即：,泵内的损失可分为机械损失、容积损失和水力损失，相应的效率用机械效率,m,、容积效率,v,和水力效率,h,来表示，则泵的总效率,五、空化余量NPSH,（,详见第五章 ）,19,1.3 叶片泵的典型结构,1卧式单级悬臂泵,只装一个叶轮的泵称为,单级泵,。按其转子支承方式，将这种泵分为,悬臂式,和,两端支承式,两类。,下图示为IS型单级单吸卧式离心泵的典型结构。IS型泵主要用来输送温度低于80的清水或物理、化学性质类似于水的其它液体。输送流量范围6.3400m3h，扬程5125m。,IS型离心泵的叶轮5由叶轮螺母2、止动垫圈3 和平键固定在泵轴12的左端，泵轴的另一端装联轴器。填料轴封由轴套7、填料9、填料环8和填料压盖10等零件组成。该泵泵轴的两个支承轴承都位于泵轴的右边，称为悬臂泵。,IS型泵的泵脚与泵体1铸为一体，整台泵的质量主要由泵体承受，支架13仅起辅助支承作用，这种带悬架的悬臂式泵称为悬架式悬臂泵。,IS型泵拆开连接泵体和泵盖的螺栓，叶轮等就可以一起从泵体内拆出，具有构紧凑、检修方便等优点。,20,1.3 叶片泵的典型结构,21,1.3 叶片泵的典型结构,托架式悬臂泵,（B型）图1-5所示的悬臂式是B型单级单吸式离心泵，它的泵脚与托架3铸为一体，泵体10悬臂安装在托架上，所以这种泵称为托架式悬臂泵。,B型泵的泵体相对于托架可以有不同的安装位置。根据使用要求，可使泵压出口朝上、朝下、朝前或朝后。,检修这种泵时，需要将吸入管路和压出管路与泵体分离，与悬架式悬臂泵相比，维修不方便。B型泵靠托架支撑泵体和转子，因此托架较笨重，泵的整体总量也因此增加。,22,1.3 叶片泵的典型结构,23,1.3 叶片泵的典型结构,卧式单级双吸式悬臂泵,。双吸叶轮可看成由两个单吸叶轮背靠背组成，铸成一体，双吸式叶轮的两侧分别采用了半螺旋形和变截面直管状吸水室。,与单吸叶轮相比，流量大，吸上性能好，但效率会低一些，结构较复杂。,双吸叶轮结构上是对称的，不会产生轴向力，但由于制造和装配误差、液流也不会完全对称等，还会存在一定的轴向力，需要轴承承受。,在图1-7的结构中叶轮5直接装在电动机轴2的一端，由泵体4和泵盖3组成的泵壳与电动机1的机壳直接相联，因此称之为连体泵，整体结构紧凑，质量轻。,24,1.3 叶片泵的典型结构,25,1.3 叶片泵的典型结构,单级立式泵,泵轴为铅直方向结构的泵称之为立式泵。,单级泵采用立式结构最主要的目的是为了减小占地面积，节约基建投资。,图1-8所示为YG型单级单吸立式管道泵，其叶轮2远离泵轴6的支承部位，悬臂安装在泵轴的下端。因YG型泵的专用驱动电动机8能承受泵的轴向力，泵轴本身无轴承支承，它靠能传递轴向力的夹壳联轴器7与电动机轴刚性连接，使整个泵转子由电动机轴承支承，以简化泵的结构。,该泵泵体1上的泵吸入口和压出口位于同一水平线上，这使泵能直接安装在直管道之中，称之为管道泵。,26,1.3 叶片泵的典型结构,27,1.3 叶片泵的典型结构,单级双吸卧式双支承的S型泵,28,1.3 叶片泵的典型结构,蜗壳式多级泵,蜗壳式多级泵不论卧式还是立式，一般都采用中开式结构，检修方便，且有利于使叶轮对称布置，消除作用在转子上的轴向力。但这种结构的工艺性较差，级数越多，泵体、泵盖的形状也就越复杂，泵的外形尺寸越大，特别是级与级之间还要相应地配置些级间流道，泵的外形显得复杂。,采用叶轮对称布置平衡轴向力，如果首级叶轮常为双吸式的，泵的总级数为奇数，如果首级叶轮是单吸式时，则总级数应为偶数。,29,1.3 叶片泵的典型结构,蜗壳式多级泵,30,1.3 叶片泵的典型结构,节段式多级泵,节段式多级泵采用径向剖分结构，在所需要的级数叶轮、中段（导叶）的两端装入吸入段和排出段，然后用穿杠把紧连接紧固起来，是应用最为广泛的多级泵结构。,其主要特点是各中段（及导叶）的形状尺寸皆相同，可以按照需要的扬程增减泵的级数，结构紧凑，有利于提高标准化、通用化程度，但其检修拆装不如中开式泵方便。这种泵的单吸式叶轮只能按一个方向依次布置，其轴向力多用平衡盘平衡。,节段式多级泵多采用双支承结构，小型泵也用悬臂式结构的。,31,1.3 叶片泵的典型结构,32,1.3 叶片泵的典型结构,33,1.3 叶片泵的典型结构,双壳泵,（图1-18、1-19）具有双层壳体，其外层泵壳呈圆筒形状，故也称筒式泵。在外层泵壳内，装有由内泵壳和叶轮等零件组成的泵芯，泵芯能整体抽出或装入，以便于检修。,双壳泵能承受很高的压力，便于实现结构上的对称布置，这样有利于水流、热流和应力的均匀分布，从而减小了因热胀冷缩带来的不良影响，因此双壳泵主要用于输送高温流体，如大型锅炉给水泵、高温油泵等。,34,1.3 叶片泵的典型结构,35,1.3 叶片泵的典型结构,轴流泵,36,1.3 叶片泵的典型结构,混流泵,37,1.3 叶片泵的典型结构,自吸泵,指在吸入管内不用充满液体(但泵体中必须有足够的液体)的情况下启动泵，泵本身能够自动排除吸入管内的气体，而后进入正常工作状态。泵在初次启动时必须灌入足够液体，以后启动时则由存留在泵体内的液体来保证泵能再次启动。,为了实现离心式自吸泵的自吸，结构上必须满足三个条件：,一、保证泵停车后，泵体内储存足够的液体，为此需要在泵体的进口处配有单向阀，并且泵体进口高于叶轮中心线以防止泵体内的液体在泵停车后因虹吸作用而被排到吸液池中去。,二、,有效地进行气液分离。需要有足够容积的气液分离室，泵体的出口到叶轮中心线有足够的高度。,三、分离出来的液体能不断地返回到叶轮中。因此对于内混合式自吸泵要有回流孔。,38,1.3 叶片泵的典型结构,39,1.3 叶片泵的典型结构,40,1.4 叶片泵的应用,叶片泵的应用和发展,早在15世纪末意大利著名学者达芬奇提出了离心泵的概念。法国物理学家坦尼斯巴本在1689年制造出了离心泵的试验模型，1705年巴本又在试验泵的基础上加以改进，制造出第一台多叶片的、并且采用螺旋形压水室的泵，可以称得上现代意义上的离心泵。而后在很长的时间内，叶片泵在实际应用上没有得到发展，后来汽轮机问世，发电技术进步以及电动机问世，出现了高速原动机，于是离心泵以及比它稍后出现的轴流泵和混流泵迅速地得到发展，在很大的领域内排挤掉了容积式泵，而成为应用最广泛的泵。,现在叶片泵应用范围非常广泛，其应用领域涉及,农田排灌、城市和工业给排水、发电、石油、化工、钢铁、采矿、船舶、食品、医药,等等各个领域。技术水平也达到了相当的高度，其功率由几百瓦到数万千瓦，转速最高达数万转每分，扬程可达数千米，流量可达近百立方米每秒。,41,