离心泵工作原理[1]

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,*,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,*,水泵与运行,联系方式：,李洪峰、谢建波,编制,能源与动力,1,离心泵,第一节,离心泵的工作原理和性能特点,3-1-1 离心泵的工作原理,主要工作部件是叶轮和泵壳。叶轮通常是由57个弧形叶片和前、后圆形盖板所构成。,叶轮用键和螺母固定在泵轴的一端。固定叶轮用的螺母通常采用左旋螺纹，以防反复起动因惯性而松动。,轴的另一端穿过填料箱伸出泵壳，由原动机带动。泵壳呈螺线形，亦称螺壳或蜗壳。,图3-1 悬臂式单级离心泵,3-1-1 离心泵的工作原理,充满在泵中的液体随叶轮回转，产生离心力，向四周甩出,在叶轮中心形成低压，液体便在液面压力作用下被吸进叶轮。,从叶轮流出的液体，压力和速度增大。,蜗壳-汇聚并导流。扩压管A增大，流速降低，大部分动能变为压力能，然后排出。,叶轮不停回转，吸排就连续地进行,液体通过泵时所增加的能量，是原动机通过叶轮对液体作功的结果。,3-1-2 液体在叶轮中的流动情况,为研究简化，我们假定：,(1)液体由无限多个完全相同的单元流束所组成,所有液体质点流动轨迹都相同，都与叶片断面相符合，在相同半径上各液体质点的流动状态亦均相同。,这只有在叶片无限多、厚度无限薄且断面形状完全相同的理想叶轮中才可能实现。,(2)液体在流动时没有摩擦、撞击和涡流损失,设液体为无粘性的理想液体，液流处于无撞击、旋涡的理想工况,3-1-2 离心泵的扬程方程式,叶轮带动液体高速旋转而将机械能传给液体 （,delivery lift or delivery head,）,所产生的扬程与叶轮尺寸和转速密切相关，而流量又明显地会随工作扬程而改变。,需要研究决定离心泵扬程的各种因素以及扬程与流量的关系,即研究离心泵的扬程方程式,3-1-2 液体在叶轮中的流动情况,叶轮以,回转时，液体质点有两种运动：,圆周速度 - 随叶轮运动的速度，用,u表示；,相对速度 - 相对于叶轮的运动速度，用w表示, 它与叶片型线相切。,绝对速度 - 相对于泵壳的运动速度；是u和w,的向量和。,液体质点进出叶轮时的绝对运动路径即可由图中的,A。C。表示。,3-1-2 液体在叶轮中的流动情况,叶轮中任一质点的三个速度向量u、w、c都构成为一个速度三角形，如图,C和u间的夹角用,表示,w和u反方向的夹角用,表示；,C的周向分速度用Cu表示,C的径向分速度用Cr表示,3-1-2 液体在叶轮中的流动情况,各符号下角标1者，指叶轮进口的参数,加下角标2者，指在叶轮出口的参数。,在叶轮中各处，速度三角形中u、w的方向都已确定，而,U=,nD/60,3-1-2 液体在叶轮中的流动情况,D质点所处位置的叶轮直径，mm；,B质点所处位置的叶轮宽度，m；,排挤系数(一般为0.750.95)，用以考虑叶片厚度使流道截面积减小的影响；,v,泵的容积效率。,可见，当叶轮的流量、转速和尺寸既定后，叶轮内各处的速度三角形也就确定。,3-1-2 扬程方程式,根据液体力学知识，我们能推出扬程方程式：,由上图（叶片出口角对理论扬程的影响），和扬程方程式，我们可以得出以下结论,扬程主要取决于叶轮的直径和转速,泵的封闭扬程 (Q=0) 的理论值为:,H,t,=u2g，,要提高H，必须增大D,2,或提高n,D,2,关系到泵的外廓和重量,n受限于泵的汽蚀性能,离心泵n一般不超过800010000rmin,单级泵的H通常不超过150m,离心泵的扬程随流量而变,当用径向叶片，即,2=,90时,即H与Q无关,当用后弯叶片，即,2,0，Q增大则H,t,减小,当用前弯叶片，即,2,90时，Q增大则H,t,增加,3-1-2 扬程方程式,比较以上三种情况,尺寸和,n相同的离心泵，在Q相同时，,2,（,前弯,）,越大，H越高,表面上，以用前弯叶片为宜,实际中，考虑到各种损失，多用后弯叶片,H,t,与所运送流体的性质无关 （,character,）,如果泵内是空气，空气密度仅为水的1800左右，泵能在吸排口间造成的压差就很小。,例如H为100m的水泵，其排送空气时达到同样的H,气,，它只能在吸排口间产生1.268kPa的压差，在大气压下这只能将水吸上约12.9cm高。,离心泵没有自吸能力,图3-5 离心泵定速特性曲线理论分析,3-1-3 流量-扬程曲线,H,t,和Q,t,是下倾直线,Ht和Qt,也是下倾直线（斜率小些）,存在摩擦、旋涡、撞击等水力损失,沿程摩擦损失与流速(流量)的平方成正比,非设计工况进、出叶轮的撞击损失，(设计工况 = 零),Q,t,-H曲线为减除这两部分扬程损失后的曲线。,3-1-3 流量-扬程曲线,漏泄造成的,v,密封环内部漏泄和轴封外部漏泄,多级泵还存在级间漏泄,当泵设有平衡孔(管)或平衡盘时，有附加的容积损失。,总漏泄量一般为理论流量的410,QH曲线为考虑了漏泄流量g后的损失,3-1-3 流量-功率曲线,根据Q,t,和H,t,，求出泵的水力功率,P,h,=,gQ,t,H,t,即可作出Q,t,一P,h,曲线。,如将P,h,加上机械摩擦功率损失，即可得到理论流量与轴功率的关系曲线Q,t,一P。,再将Q,t,一P曲线中的各Q,t,值减去相应的漏泄流量g，即可得到实际流量与轴功率的关系曲线Q一P,3-1-3 流量-功率曲线,机械损失包括:,轴封及轴承的机械摩擦损失,约占轴功率的15，采用机械轴封时损失较小；,叶轮的圆盘摩擦损失,是盖板使两侧液体因受离心力作用而形成回流所导致的能量损失,约占轴功率的210,它与叶轮,D,2,的五次方和n的平方成正比。,提高n和相应减小叶轮外径(H不变时）可减小圆盘摩擦损失。,3-1-3 流量-效率曲线,根据Q一H曲线和Q一P曲线，求出每一流量时的效率, =,gQH/P,然后可得关系曲线Q,图36 离心泵的定速特性曲线,3-1-3实测的定速特性曲线,实际定速特性曲线是由制造厂通过实验测定的。,(1)离心泵都用后弯叶片，其QH曲线趋势下倾。由于叶片出口角的不同，曲线形状可分为三类：,3-1-3实测的定速特性曲线,陡降形(高比转数),叶片出口角较小，,H变化时Q变化较小,用于H变动又不希望Q,变化的场合(舱底水泵压载泵等),平坦形(中低比转数泵),叶片出口角稍大，,H变化时Q变化较大,用于那些经常需要调节Q而又不希望节流损失太大的场合(凝水泵、锅炉给水泵),3-1-3实测的定速特性曲线,驼峰形,叶片出口角较大,其,Q一H曲线就比较平坦，而在小Q时撞击损失又大，于是QH曲线就会出现驼峰,有驼峰形QH曲线的泵，工作时可能发生喘振,应尽量避免使用,适当限制叶片出口角和叶片数，即可避免出现驼峰,3-1-3实测的定速特性曲线,(2)Q-P,曲线向上倾斜,即轴功率随,Q增大而增加。,在Q=0时,轴功率最小（3550 ）,这时泵的H(亦称封闭扬程)也不很高,泵关闭排出阀起动电流较低，可减小电网电压的波动,但封闭运转时，效率为零，泵会发热,3-1-4 管道特性曲线和泵的工况点,液体流过管道时所需的压头与流量间的函数关系,包括两个部分,位置头，压力头，与流量没有关系,消费于克服管道阻力,下图曲线,A就是表明上述函数关系的管路特性曲线的一般形状,3-1-4 管道特性曲线和泵的工况点,静压头Hu是一条水平线,管路阻力,h=Q,2,，,是一条二次抛物线,倾斜程度取决于阻力,纵坐标起点位置取决于管路的静压头,当管路阻力变化，如,K,值增加，曲线变陡,如静压头变化，管路曲线相应向上平移,3-1-4 管道特性曲线和泵的工况点,将特性曲线和管路的特性曲线画在一张图上,QH曲线与管路特性曲线的交点即泵的工况点,点C工况产生的H正好等于液体以此工况的Q流过该管路时所需的压头,大多数离心泵的HQ曲线是向下倾斜，其工况点是稳定的,3-1-4 管道特性曲线和泵的工况点,如干扰使泵的Q,增加,泵工况点右移至,D,产生的H,D,将不能满足较大Q流过该管路所需的H,D,，,泵的流速和流量将随之减少，直至回到Q,c,，即工况点回到C,为止。,反之，,Q减小，点左移，H,D,大于所需H，Q会增加，点又回到C。,可见，是稳定工况点。,3-1-4 管道特性曲线和泵的工况点,如Q一H是驼峰形，管路特性与Q一H会有两交点，靠左边的是不稳定工况点,当管路特性改变时，例如A或A”，工况点也会相应变为C或C”,如泵特性曲线发生改变，工况点也会改变,同一泵在管路情况改变时Q将发生较大变化,泵在额定工况下效率最高，应尽可能使泵在额定工况点附近工作。,选择题,1 下列泵中理论流量与排出压力有关的是,。,A 往复泵 B 叶片泵 C 螺杆泵 D,离心泵,2 下列泵中必须设置安全阀的是,。,A 旋涡泵 B 齿轮泵 C 离心泵 D,水环泵,3. 离心泵的理论压头与,无关。,A 泵的几何尺寸 B 叶轮的转速,C 液体的种类 D 液体的流速,思考题,4,，离心泵的水力损失的含义是什么?它包括哪几部分损失?,5,为什么离心泵在设计工况运行时效率最高?,6,，根据离心泵特性图说明用节流调节法如何能减少流量。并指出节流造成的压头损失。,7,画出离心泵特性图说明回流阀开启后，回流管路与主管路的合成特性曲线，并标出该,3-1-5离心泵额定扬程和流量的估算,离心泵的H与叶轮出口处的u,2,有很大关系。铭牌失落的离心泵可按经验公式估算其额定扬程,式中，系数K：(115)X10,-4,D,2,叶轮外径,排送冷水的离心泵，设计的进口流速大约在3ms左右，因此其额定流量可按下面公式估算：,式中，D。为泵吸口直径，（英寸）,3-1-6离心泵的优点,1流量连续均匀，工作平稳,Q容易调节。所适用的Q范围很大，常用范围5 20000m3h。,2,转速高,可与电动机或汽轮机直接相连,结构简单紧凑，尺寸和重量比同样流量的往复泵小得多，造价低。,3，对杂质不敏感，易损件少,管理和维修较方便。,无论在陆上或船上，离心泵的数量和使用范围超过了其它类型泵。,3-1-6离心泵的缺点,4本身没有自吸能力,为扩大使用范围,在结构上采取特殊措施制造各种自吸式离心泵,在离心泵上附设抽气引水装置。,5泵的,Q随工作扬程而变,H升高，Q减小,达到封闭扬程时，泵即空转而不排液,不宜作滑油泵、燃油泵等要求Q不随H而变的场合,3-1-6离心泵的缺点,6扬程由D,2,和n决定的，不适合小Q、高H,这要求叶轮流道窄长，以致制造困难，效率太低。,离心泵产生的最大排压有限，故不必设安全阀。,水泵系统常见故障及原因：,水泵漏水，检查漏水部位,1.,外套筒连接处，紧固泵头螺母，如不能消除，建议更换外套筒密封圈,2,.,机械密封处漏水，更换机械密封，可能原因干转或密封质量问题。,水泵噪音,:,1.泵内有异物，建议清除异物,2.流量跑位，建议关小阀门,水泵系统常见故障及原因：,电机噪音,电机缺油，加注油脂,电机轴承问题，更换轴承,水泵流量跑位，电机过载，关小水泵出口阀门,水泵系统常见故障及原因：,气蚀,1.,泵内或系统内气未排尽，解决办法排尽泵内的气,2.流量跑位，解决办法关小出口阀门,3.吸程过高或底阀漏，解决办法检查系统并整改,水泵系统常见故障及原因：,电机跳闸,1.检查电机对地及相间绝缘是否良好,2.电机控制相关元器件是否可靠正常,3.负荷是否过载,水泵系统常见故障及原因：,扬程流量达不到要求,1.,泵内有气，对水泵排气,2.水泵进口或出口堵塞，清除堵塞杂物,电机温度高或电流大,1.,电机接线星三角是否接错,2.水泵是否在工作曲线范围内,低压区,产生气泡高压区气泡破裂产生局部真空水力冲击发生振动、噪音，对部件产生麻点、蜂窝状的破坏现象。,离心泵的汽蚀,离心泵汽蚀的危害,43,泵的流量,小于,设计流量时，压力最低的部位在此。,泵的流量,大于,设计流量时，压力最低的部位在此。,离心泵的汽蚀,一、气蚀现象及危害,44,二、气蚀余量,h,指泵的入口处的液体具有的压头与液体汽化时的压头(饱和蒸汽压头,p,v,/,g,）,之差。,又称NPSH静正吸上水头（Net Positive Suction Head）,有效气蚀余量,h,a,泵工作时，实际具有的气蚀余量。,必需气蚀余量,h,r,为避免气蚀所必需的气蚀余量。,必需气蚀余量,h,r,很难用理论准确求得，均用试验确定。等于试验中的临界气蚀余量,h,c,加上0.3m。（,h,r,h,c,+ 0.3m）,必需气蚀余量,h,r,取决于泵的结构型式和流量。,必需气蚀余量,h,r,和允许吸上真空高度均由试验得出，均来表示泵的吸入性能好坏。,4,离心泵的汽蚀,cavitation,45,h,a,h,r,H,当有效气蚀,h,a,降到低于必需气蚀余量,h,r,时，产生噪音、振动、压头明显降低，称不稳定气蚀区。,当有效气蚀,h,a,进一步降低，噪音和振动并不强烈，压头和流量脉动消失，特性曲线呈一条下垂线，称“断裂工况”，也称“稳定气蚀”。,H,Q,三、气蚀特性曲线,第五节 离心泵的汽蚀,cavitation,46,h,a3,h,r,H,H,Q,h,a2,h,a1,Z,s3,Z,s2,Z,s1,不同的吸高Zs（Zs,3,Zs,3, Zs,3,）,吸高Zs越大，有效气蚀余量,h,a,越小，,断裂工况向小流量的方向移动泵，不发,生气蚀的流量范围越小。,有效气蚀余量,h,a,三、气蚀特性曲线,第五节 离心泵的汽蚀,cavitation,47,四、防止气蚀的措施,避免发生气蚀的措施,）降低液体温度（使对应的液体饱和压力降低）；,）减小吸上高度或变净正吸入为灌注吸入（使吸口压力增大）；,）降低吸入管阻力（采用粗而光滑的吸管，减少管路附件等）；,）关小排出阀或降低泵转速（降低流量）。,提高泵抗蚀性能的措施,）改进叶轮入口处形状（加大进口直径、加大叶片进口边的宽度、增大叶轮前盖板转弯处的曲率半径、采用扭曲叶片、加设诱导轮）；,）采用抗蚀材料（铝铁青铜、2G,r,13、稀土合金铸铁、高镍铬合金）；,）叶轮表面光滑，叶片流道圆滑。,离心泵的汽蚀,cavitation,48,第三章 离心泵,第三节 离心泵的相似理论和比转数,1.离心泵的相似理论的作用：,对泵设计、研究和使用有重要意义，新产品设计时需要在其指导下进行模型试验，以便验证和改进设计。在现有的产品资料基础上，利用相似关系来设计新泵，是快捷、可靠的设计方法；,根据相似理论，可以了解泵在改变转速或线性尺寸时性能参数的变化关系；,用相似理论可推导出离心泵的相似准则数比转数，作为离心泵进行分类的依据,。,49,确定两台泵液体流动相似，必须满足三个条件：,（1） 几何相似,两泵过流部分各相应的几何尺寸比值相等:,离心泵的相似理论和比转数,两泵同名安装角、叶片数、和厚度相等：,2.离心泵的相似条件,50,（2）运动相似,两泵各对应点的相应速度方向相同，比值相等：,2.离心泵的相似条件, 几何相似是运动相似的前提，几何相似不一定运动相似,而运动相似则必,定几何相似；如果几何相似，又运动相似，即两泵工况相似。,两泵叶轮同名点速度三角形相似：,离心泵的相似理论和比转数,51,（3）动力相似,两台泵在对应流体质点上同名力方向相同，比值相等。,流体主要受惯性力、粘性力、重力和压力的作用,只要前两种力相似就认为满足了动力相似的要求,由流体力学，惯性力和粘性力的相似准则是雷诺数Re。,离心泵的Re=D2u2,。,试验证明，在输送水或粘度不是特别大的油时，一般Re,10,5,，阻力系数与Re无关。,两台泵只要几何相似和运动相似一般都认为能满足动力相似的要求。,2.离心泵的相似条件,离心泵的相似理论和比转数,52,两台满足相似三条件的离心泵，存在以下关系。,1.流量相似关系,如果尺寸比值不是很大，满足相似三条件的离心泵,v,=,v,，可得：,离心泵的相似理论和比转数,53,2. 扬程相似关系,3. 功率相似关系,两台满足相似三条件的离心泵，存在以下关系。,以上三式表达了满足相似三条件的离心泵各主要性能参数间的关系，称为相似三定律。,离心泵的相似理论和比转数,54,4.比例定律：对于一台泵，若输送的液体介质不变，其流量、扬程和功率随,转速的变化规律，,称为比例定律,。,55,4.离心泵的比转数,比转数通常指其额定工况的比转数。,我国所用的单位是：,转速nrmin；流量Q m,3,s:扬程H m,一个只包含泵的设计参数Q、H、n，而不包括几何尺寸的离心泵相似准则数，称为比转数n,s,，即:,国际标准中，以型式数K来代替比转数n,s,。,第三节 离心泵的相似理论和比转数,56,1）n,s,小的泵，叶片较“窄长”，反之相反；,2）n,s,小的泵，H/Q的比值较大，反之相反；,3）n,s,小的泵，HQ曲线较平坦，反之相反；,4)n,s,增大，H-Q曲线变陡、P-Q曲线变平、高效区变窄。,57,THE END,THANKS EVERYONE,