水泵基本参数及特性曲线讲解.ppt

1,第一章 概 论,水工艺泵与泵站的作用及发展,2,前 言,学时安排：水泵基础理论（20）+泵站（16） 课堂任务 （1）有关基础知识（包括概念、公式定律及分析思路）； （2）介绍与专业生产联系较紧密的技能常识； （3）介绍泵业发展新动向及研究前沿课题。 课后任务 自学，作业 参考课堂内容查阅资料 课外科研,3,一、泵的定义,定义： 将其它形式的能量转化为机械能并传递给被输送介质的动能和压能的一种机械 背景知识： 泵是我国三大耗能机械产品（汽车、机床、水泵）之一，水泵效率提高1%即相当于我国新建了一座300MW发电厂。 我国风机、泵的总用电占全国用电量的31%，占工业用电的约50%，各工业部门机泵用电量均占60%以上。 例如：电力72.43%；化肥76%；炼油58.15%；油田63.3%,4,二、泵的分类,根据不同的标准有不同的分类方法： 介质性质（用途）： 清水泵、污水泵、渣浆泵、油泵 泵体结构： 叶片泵、容积泵（往复泵或活塞泵、转子泵）、其他类型泵（螺旋泵、气升泵、射流泵、水锤泵） 叶片泵按输送特性或工作原理分为：离心泵、轴流泵、混流泵 小知识 给排水、石油化工、航空航天、水利水电中最常用的泵为叶片泵 叶片泵定义：通过高速旋转的叶轮把机械能传给被抽吸液体的机械。,5,离心泵,6,轴流泵,7,混流泵,8,三、作用和地位,1、作用：输送、加压、混合 水泵及水泵站是给排水工程的主体动力工程 一种医用泵人体血液体外循环泵，即是泵与给排水工程关系的最好例子，即心脏与肌体的关系，输送介质即为血液。 2、泵站在给排水中的位置 给水厂： 取水泵站（取自水源）净水处理工艺构筑物（过滤反冲洗）送水泵站（至用户管网） 污水处理厂： 污水泵站（收集污水）水处理工艺构筑物（回流污泥泵房、排污泵）排水泵站（或自排入水体） 输送管道工程：中途加压泵站（给水）、提升泵站（排水）,9,四、泵的研究现状,泵应用研究所关心的两大问题 工程实用性：不同类型的泵应满足各行各业工艺要求，且具有易维修及耐久性； 经济运行：泵工艺制造方面造价低，实际运行费用低。 主要研究 泵的设计理论：提高效率、汽蚀防治、消除驼峰（小流量不稳定运行）、无过载设计等 泵的优化运行 研究动态 特种泵的设计 低比转速泵、超低比转速泵、渣浆泵（固液两相流）、高温高扬程泵（锅炉水）、低温高压泵（液态氮、液态二氧化碳）、电动潜油泵、砂泵、磁力驱动离心泵。其他特种泵如往复泵（扬程高，流量稳定）,10,四、泵站的研究现状,节能改造措施 近年来，节能改造更换耗能大的老设备；改造设备包括切割叶轮外径、减少叶轮级数，改用高效率泵和机电；合理设计选型等，进一步节能的潜力在于运行中的优化调度。 设计选型的误区 一般没有过多考虑经济运行，而按最不利工况选泵。实际工业生产中，各厂的原料一般达不到设计要求，减量较大，处理量时大时小，靠阀门调节流量能耗很大。,第二章,11,第二章 叶 片 式 水 泵,泵的工作原理、基本构造及主要零件,第二章,12,第一节 离心泵的工作原理与基本构造,一、叶片泵发展的历史 二、叶片泵特点 依靠叶轮高速旋转完成能量转换 三、叶片泵的分类 根据水流通过叶轮时的受力方向： 径向流离心泵主力为离心力 轴向流轴流泵主力为轴向升力 斜向流混流泵主力为离心力和轴向升力的合力,第二章,13,一、工作原理,P4图2-1 转速H 半径H 质点绕定位的中心轴作圆周运动时受到离心力作用,第二章,14,二、构成,P4图2-2单级单吸式离心泵 ， 图2-3叶轮 叶轮、泵壳、泵轴、轴承、进水口、扩压室、支座、轴封 吸水管、出水管,第二章,15,三、工作过程,P5图2-3 1、离心、真空工作、连续 2、能量的转换及损失,第二章,16,第二节 离心泵主要零件,根据工作原理理解主要部件的结构及其作用 P5图2-4 重点五大部件，结合认识实习进一步建立感性认识 依次为： 叶轮、泵壳、泵轴、填料函、检漏环、轴承、泵座、联轴器,第二章,17,一、叶轮,1、作用：通过其旋转时介质流体获得离心力 2、形状、型式 根据吸水方式分为:单吸式、双吸式（P5图2-3、P6图2-5） 根据盖板数分为:封闭式、敞开式、半开式（P6图2-6） 其形状（前弯式、后弯式、径向式、空间式叶片等）通过水力计算决定 3、材料:铸铁、铸钢、青铜及其它新型材料（特点：耐磨、耐腐蚀、机械强度）,第二章,18,第二章,19,二、泵壳,1、作用: 水流通道、导流，其渐扩面的设计应尽量减小速度梯度，保证良好的水力条件 2、形状:蜗壳形、螺旋形 特点：渐扩断面时流速保 持常数，出口扩散管使流速降低增加压能以减小水力损失 3、材料: 铸铁、青铜（特点：耐压、耐磨、耐腐蚀、抗冲击） 4、其他: 充水、放气孔真空、压力表测压螺孔,第二章,20,三、泵轴,作用: 叶轮的旋转中心，其转速不能与共振的临界转速相当或成倍数以防止共振 材料: 碳素钢、不锈钢(特点：抗扭强度、刚度、挠度),第二章,21,四、填料函,作用: 轴封装置，泵轴穿出泵壳时，轴与泵壳之间的缝隙 组成: 填料又叫盘根（阻水、阻气）；压盖（压紧填料）； 水封环、水封管（水封水有水封管流入轴与填料的间隙，起冷却与润滑的作用）,第二章,22,五、减漏环,作用: 减少叶轮入口的外圆与泵壳内壁接缝处高低压的交界面的泵壳内高压水向吸水口回流、承磨（承磨环） 形式:单环型、双环型、双环迷宫型 材料:,第二章,23,其它零件,六、轴承座 作用：支承 分类 构造特性：滚动、滑动 荷载大小：滚柱、滚珠 荷载特性：径向、止推 2.冷却：空冷、水冷 七、泵座 作用：将泵体与底板或基础相固定,第二章,24,其它零件,八、联轴器 作用： (P10图2-14) 连接泵轴与电机轴、传递电机出力 九、轴向力平衡措施 (P10图2-15、16) 单吸离心泵，由于叶轮在轴向上缺乏对称性，工作是 前后两侧水压力不同，产生轴向推力 习题： 1、理解离心泵的工作原理及工作过程 2、离心泵主要部件及作用,第二章,25,参观模型室,参观内容： 1.泵的型式 (1)离心泵叶片、轴流泵叶片、混流泵叶片 (2)双吸离心泵、单吸离心泵 (3)单级离心泵、多级离心泵 2.泵体构造 叶片（叶轮）、泵壳、泵轴、填料函、检漏环、轴承、泵座、联轴器 3.水环真空泵,4.射流泵 5.轴流泵装置模型 6.离心泵装置 7.离心泵的起动过程（抽真空启动、闸阀的操作） 8.离心泵主要性能参数的测量与计算,第二章,26,复习,叶片泵工作原理 离心泵泵体结构及基本零件 叶轮(叶片、流道)、泵壳、泵轴、轴承、填料盒（填料、水封管、水封水）、减漏环、连轴器、轴向力平衡措施、泵座,第二章,27,第三节 叶片泵的基本性能参数,(掌握定义、单位、符号及参数间的影响关系 ) 流量单位时间内通过水泵出口的液体数量 Q（ ）（ ） 扬程单位重量液体从泵进口到出口所增加能量 H（ ） 轴功率水泵从动力机实际获得的功率 （泵轴传递的功率）N（kW） 有效功率轴功率扣除泵轴承摩擦及泵内水力损失、容积损失、机械损失等造成的功率损失后水泵的输出功率 (Nu=rQH),第二章,28,第三节 叶片泵的基本性能参数,效率水泵有效功率与水泵轴功率之比 转速水泵叶轮每分钟的转速 rpm 注意：水泵的各项性能参数与叶轮转速有关,第二章,29,第三节 叶片泵的基本性能参数,允许吸上真空高度 水泵在给定的条件下保证不产生气蚀的最大吸上真空高度（单位：m） 汽蚀余量（NPSH） 为不发生汽蚀，在水泵进口单位重量的水所具有的能量减去水的饱和气化压头后所剩余的值(单位：m) 注意： 满足水泵的吸水条件是保证水泵正常运行的必要条件 两个概念从不同侧面反映水泵吸水性能的好坏,第二章,30,本章需要了解：,泵理论描述水泵基本性能参数间的关系 （扬程、功率、效率、汽蚀性能曲线、相对性能曲线等） 泵的应用水泵样本提供水泵铭牌、性能曲线、泵的构造、尺寸及安装图等 泵的铭牌提供 泵型号、设计工况点的扬程、流量、允许吸上真空高度（极限值）、转数、效率、轴功率、重量等,第二章,31,第四节 离心泵基本方程,一、叶轮中液体的流动分析 液体质点进入叶轮后做复合圆周运动,第二章,32,叶轮中液体的流动分析,1、两个坐标系 （1）动坐标系：旋转的叶轮 （2）静坐标系：固定不动的泵壳或泵座 2、相对运动、牵连运动实际运动 相对速度水流在液槽中以速度沿叶片而流动 牵连速度水流随叶轮以u一起作旋转运动 绝对速度水流对固定坐标而言的绝对速度,第二章,33,流动分解示意图,第二章,34,叶片内流场速度矢量的分析,3、速度角 绝对速度与圆周速度的夹角 相对速度与圆周运动的反向延长线夹角 4、速度三角形 推导基本方程式涉及进出、口速度三角形分别以下标“1”、“2”表示各项速度及角度 5、讨论叶片形状后弯式叶片,第二章,35,进、出口速度三角形,第二章,36,后弯式叶片示意,第二章,37,二、基本方程式的推导,手段 建立叶轮对液体做功与液体运动之间的关系 目的 推算水泵的理论扬程,第二章,38,2.1 三点假定,一维流动假定（流动理论）液流运动均匀一致，同半径同名速度相等 恒定流假定 理性流体假定（无粘性、无摩擦、不可压缩）,第二章,39,2.2 液槽内液流分析(P19图2-20）,第二章,40,方程推导,液槽内水流动量矩的变化等于质量动量矩的变化 用动量矩表达这一关系： 通过叶轮的水流获得的能量用其动量矩的增值表示 液流施加于水流的能量即为所有作用在液体上的外力矩之和 式中： QT 、HT 通过叶轮的理论流量、扬程,第二章,41,2.3 理想流体假定下的理论功率： 2.4 功率的另一表达式基本方程：(2-14),第二章,42,三、基本方程式的讨论,3.1 减小进水角获得正值扬程 基本方程为第一项，说明水流垂直流入叶轮可以提高扬程 3.2 理论扬程与出口圆周速度有关，提高转速、增加叶轮直径均可增加扬程 3.3 扬程与密度无关，但消耗功率不同,第二章,43,3.4 用余弦定律推导扬程的另一种表达式 由相对运动能量方程，可得右式前两项为势扬程： 第一项是离心力对单位重量液体所作之功，使经过叶轮的液体压能增加 第二项表示由于相对速度下降水流压能的增加 第三项为动扬程,第二章,44,理论分析,理论分析（P18图2-19 公式2-15） 理论扬程基本方程 =90 90 90 （后弯式叶片理论扬程最小）,=,第二章,45,后弯式叶片示意,第二章,46,前弯、后弯、径向叶片特点,叶片进水角 叶片出水角 =90径向式叶片 90叶片背面向叶片工作面呈前弯式 90叶片工作面向叶片背面呈后弯式 前弯式叶片的缺点： 流道短、弯度大，水力损失大； 后弯式叶片的优点（P17、18）： 流道平缓、长、弯度小，液槽水损小 （流速梯度变化小） 一般为20至30。,第二章,47,出口叶片角对性能的影响,第二章,48,四、基本方程的修正,4.1 三点假定中恒定流的假定基本满足 泵在启动与停机时，泵与系统处于非稳定状态工作，特别是碰上突发事故时（如断电和停电等）尤为如此，此外，近年来处于环保与节能考虑，人们利用风能和太阳能泵系统直接进行供水、灌溉、排涝等工作。由于风能与太阳能的随机特性，这种形式的泵系统实际上是在变速下工作。 我们采用离心泵稳定工作特性曲线来估算非稳定工作特性，在频率较低、工作参数变化较小的情况下，还是可取的。,第二章 第四节,49,四、基本方程的修正,4.2 对一维流动假定的修正 P16 图2-19 叶栅的实际情况不能满足一维流假定液槽中实际流速分布不均匀 .( 有限的叶栅使流线向逆时针方向偏离),第二章,50,4.2 对一维流假定的修正,反旋问题: 叶轮转动时在叶轮出口附近,液流的惯性使叶片迎水面（压力面、工作面）流速降低、压力提高，叶片背水面（吸力面）流速提高、压力降低，由此产生了反旋现象。,第二章,51,4.2 对一维流动假定的修正,由于液流的惯性使叶片迎水面（工作面）流速提高、压力降低，叶片背水面（压力面）流速降低、压力提高，由此产生了反旋现象。（尾流-射流结构），反旋使扬程降低，引入修正系数P,第二章 第四节,52,4.3 对理想流体的修正,引入水力效率进行修正 泵壳内的水力损耗包括叶轮进出口的冲击、叶槽中的紊动、转弯和摩阻损失。 实际扬程表达式： （2-22）,第二章,53,小结,叶片泵的基本性能参数(6个) 流量、扬程、轴功率、效率、转速、允许吸上真空高度（汽蚀余量） 水泵铭牌参数 基本方程推导 进、出口速度三角形、动量矩方程、功率表达式 基本方程分析 几个重要的角度：1（进口冲角）、2（叶片安放角）、1（90） 叶轮直径、叶轮转速,第二章,54,第五节 离心泵装置的总扬程,理想扬程修正实际扬程 静扬程 装置扬程 总扬程,第二章,55,第五节 离心泵装置的总扬程,引言： 基本方程从流动分析角度推出了扬程表达式，本节从装置或工程角度，通过水流经过水泵后所获得的比能，由此反映水泵做功的情况，即扬程。 概念： 水泵装置水泵机组配上进出、口管路及一切附件后的系统 (外界条件：江河水位、水塔高度、管网压力) 实际扬程的确定：运行中通过读表（进口真空表、出口压力表）、设计中通过对地形及水压的估算,第二章,56,一、测定扬程,P17 图2-20 列1-1、2-2断面的能量方程（水泵进出水管断面） 水泵扬程： 令 、 分别为真空表（正值）和压力表读数（相对压力） 单位：,第二章,57,一、测定扬程,则 得 (2-27) 忽略真空表和压力表的位置差及进、出口速度水头差即有 水泵扬程等于真空表（真空值）和压力表（相对压力水头）读数之和,第二章,58,二、根据原始资料估算扬程,水泵做功扬程消耗于 进、出水管道中水头损失和提升液体的高度 以泵轴线o-o断面为基准面 列进水管进、出口断面0-0、1-1能量方程（229） 列出水管进、出口断面2-2、3-3能量方程（230） 代入 得,第二章,59,式中： 吸水地形高度； 压水地形高度； 水泵净（静）扬程， 管路总损失 管路上的沿程损失和局部损失 注意！ 装置总扬程涉及的进、出水池液面应为自由液面，否则需换算.,作业：P107 习题13,第二章,60,第六节 离心泵特性曲线,扬程、功率、效率随水流量变化规律 曲线表示方法：试验性能曲线、相对性能曲线、综合性能曲线（型谱图）通用性能曲线（轴流泵）、全面性能曲线等 汽蚀曲线,第六节 离心泵特性曲线,复习：扬程表达式,新问题：,1、实际工作除对扬程提出要求外，还对流量提出要求，对于泵的其他基本参数在选型和使用时，也应有相关要求，故需要提出一种能直接反映泵的基本参数之间关系的方程特性方程 2、水泵实际工作流量和扬程往往是在某一个区间内变化的，当实际工作偏离设计工况时，泵内的流态变得很复杂，由于理论方法很难得到精确的表达式，因此采用性能实验和汽蚀试验绘制经验曲线性能曲线，同时根据对试验点回归得出经验方程 设计工况设计离心泵时所采用的工况，此时离心泵效率最高,一、性能曲线名称及形式,1.1名称（在转速一定下） 扬程曲线： Q-H 功率曲线： Q-N 效率曲线： Q- 气蚀曲线： Q-Hs,一、性能曲线名称及形式,1.2 形式 实验性能曲线：各参数随流量的变化规律 全面性能曲线：反映水泵工况、水泵制动工况、水轮机工况和水轮机制动工况的四象限性能曲线 相对性能曲线：相似水泵的性能曲线，不同比转速 通用性能曲线：对离心泵为在不同转速下的各性能曲线，对轴流泵为在不同叶片安放角下的性能曲线 综合性能曲线：不同水泵高效区性能曲线,二、理论性能曲线 （定性分析）,2.1 公式推导（P28） 由 得,理论特性曲线 试验特性曲线,2.2 对理论扬程的修正 (1)对一维流假定的修正：反旋引起扬程下降 曲线1 (2)对理想流体假定的修正： 泵内摩阻损失 曲线2，冲击损失 曲线3 (3)对泄漏与回流的修正：容积损失 曲线4 (4)对机械磨损的修正：机械损失对扬程无影响，对功率有影响 （轴承、填料轴封、圆盘摩擦损失）,离心泵的理论特性曲线,Q,H,2.3 效率 的概念,1.水力效率 2.容积效率 3.机械效率 概念： 有效功率 水功率 轴功率 4 .总效率：,泵效率知识,在泵正常工作范围内： 水力阻力损失功率占30% 叶轮圆盘损失功率占8.2%（提高圆盘及泵体表面光滑度，尽量减小叶轮外径） 止推轴承摩擦损失功率占6%（合理的轴向力平衡措施可减小） 水力损失组成: 主要由叶轮、圆盘摩擦损失、叶轮流道摩擦损失、叶轮流道扩散损失组成,实测特性曲线（P32图227）,扬程曲线 效率曲线 功率曲线 汽蚀曲线,三. 实测特性曲线的讨论,3.1 与理论特性线的关系： 定性分析理论特性曲线有助于了解实测特性线的变化趋势，水泵厂通过实测的方法得到水泵特性线 3.2 前弯式叶片的弊端 (1) 前弯式叶片：水泵扬程和轴功率随流量的升高而升高，造成电机过载，对电机的稳定运行不利 (2) 动扬程大（C2），水力损失大，效率低。,三. 实测特性曲线的讨论,3.3 性能曲线具有“扬程随流量的上升而下降”的特性，一方面有利于电机稳定运行，另一方面与管网“阻力随流量的增加而上升”的特性相匹配，便于在能量供求关系平衡的条件下达成工况点自动稳定。 3.4 在最高效率点周围的一定范畴为水泵运行高效区（不低于最高效率的10%） 3.5 启动时，水泵在零流量下运行，其功率（30%N）消耗于机械摩擦，泵壳温度上升，故离心泵关阀启动时间不宜过长,三. 实测特性曲线的讨论,3.6 选配电机（P33表2-1） （2-50） 考虑因素：选择水泵运行过程中可能遇到的最大轴功率 小知识：对于低比转速离心泵需要进行无过载设计 3.7 气蚀曲线反映相应流量下水泵允许的最大吸上真空高度，并非运行时的实际真空值 3.8 水泵抽吸其他液体时应根据该液体的密度（功率）及粘度（扬程）进行换算,作业:,第六节习题：P108 习题5、6（第五版）,第七节 离心泵定速运行工况,讨论额定转速下离心泵的运行参数随流量的变化,第七节 离心泵定速运行工况,引言： 特性曲线反映水泵本身潜在的工作能力 水泵装置的实际工况反映水泵实际做功情况 概念： 工况点水泵装置在某瞬时的实际出水量、扬程和功率以及吸上真空高度。,一、管道阻力特性曲线及表达式,P35图2-28 1.1 定义：水流经过管道时，水头损失与流量的关系曲线 式中：S管路阻力损失 当V1.2m/s 当v1.2m/s,1.2 管路系统特性曲线及方程表达式,P35图2-29 物理意义：曲线上任一点K的纵坐标H表示水泵输送流量Q所需提供的静扬程，以及为此而消耗于管路中的水力损失 ，即,二、图解法求水箱出流工况点,P36图2-30 2.1 直接法(a)：能量线与管路系统特性线求交点 物理意义：水箱所提供总比能H与管道所消耗的总比能 数量相等 2.2 折引法(b)：从能量线上扣除管路阻力特性曲线后与横轴求交 物理意义： 水箱所提供的比能H全部消耗于连接管路的摩阻 上,直接法 折引法,能量线与管路系统 特性线求交点,从能量线上扣除管路阻力 特性曲线后与横轴求交,三、图解法求离心泵装置的工况点,3.1 工况点求解步骤 P37 图2-31（直接法） 图2-32（折引法） 直接法步骤：绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；结合进出水池水位差（净扬程）绘出管路系统特性线；交点M为水泵装置工况平衡点,直接法求解步骤,绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；结合进出水池水位差（净扬程）绘出管路系统特性线；交点M为水泵装置工况平衡点,折引法求解步骤,绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；从泵特性曲线上扣除管路特性线所对应的阻力损失，静扬程对应的高度所求交点，在加上扣除的损失，即为对应的泵流量和扬程。,3.2 动态平衡分析,P32图2-36 小于工况点流量点K：泵提供比能大于管路所需能耗，多余能量使流量增加，工况点右移直至M 大于工况点流量点D：泵提供比能小于管路所需能耗，不足能量（抽力不够）使流量减少，工况点左移直至M,3.3 极限工况点,定义：管道上所有闸阀全开时水泵的工况点。 注意：管路特性线随闸阀开度不止一条,讨论观点： 管路特性曲线是不同阀门开度对应管路曲线上不同的点 ,对于固定管路无论阀门开度如何 ,管路特线曲线仅一条,错误观点：将管路特性线定义为不同阀门开度对应的最大流量与管路所需耗能的关系线。 正确观点：管路特性线随闸阀开度不止一条，对于同一开度，管路特性先反映了不同流量下，管路阻力特征。极限工况点为闸阀全开时水泵及管路特性线的交点。,讨论,四、离心泵工况点的改变,P38 图2-33 离心泵工况点随水位变化 4.1 工况点变化（客观上）：管路特性线的改变 例如：水位的变化、用水流量的变化、管路特性（管道堵塞或破裂、闸阀开度改变）的变化等,工况点变化的结果可能是水泵工况偏离高效区，对此需进行调节,4.2 工况点的调节（主观上）：为使水泵装置高效运行， 例如： 闸阀调节通过改变管路特性改变能量供求平衡关系 变速调节通过改变水泵转速的方法改变水泵特性线 变径调节切削调节，通过改变叶轮外径的方法改变 水泵特性线 变角调节轴流泵通过改变叶片安放角改变水泵特性线,五、数解法求离心泵装置工况点,实质：联立水泵特性线方程、管路特性线方程，方程组的根即为水泵工况点 5.1 水泵特性线方程 用待定系数法或多项式系数求解的最小二乘法求解 一般： 离心泵高效区： 、 分别为水泵的虚扬程和虚阻耗 5.2 方程组的解：,作业,1、第五版： P109 习题811 2、选作：编程用最小二乘法或待定系数法求14SA-10型泵特性线，并与H=58+0.000013Q2联立求工况点 参考：P40第五版,