离心泵ppt课件

第二章离心泵2 1概述离心泵是一种典型的叶轮式泵 它在国民经济中应用很广 在石油矿场上 离心泵主要用于油田注水 采油 油品输送 钻井泵灌注和供排水等 1 2 2 1 1离心泵的工作原理图2 1为离心泵的结构示意图 3 4 离心泵开始工作后 发动机经泵轴带动叶轮1旋转 充满叶轮的液体受到叶轮上许多弯曲的叶片作用而随之旋转在离心力的作用下 液体沿叶片间流道 由叶轮中心甩向边缘再通过螺形泵壳 简称涡壳 流向排出管 5 随着液体的不断排出 在泵的叶轮中心形成真空 在大气压力的作用下 吸入池中液体通过吸入管源源不断地流入叶轮中心 再由叶轮甩出 6 叶轮的作用是把泵轴的机械能传给液体 变成液体的速度能和压力能 7 8 泵的蜗壳则是收集从叶轮甩出的液体并引向排出口处的扩散管 扩散管过流面积是逐渐增大的 它起着降低液流速度 使流体的部分速度能转变为压力能的作用 在有些泵上叶轮外缘装有导叶 其作用也是导流和转换能量 9 离心泵必须与吸入管汇和排出管汇等共同组成如图2 2所示的装置才能正常工作 10 吸入管的下部装有滤网和底阀1对液体起过滤作用 并防止管中液体倒流入吸入池 11 排出管汇装有用以调节流量的闸门 蜗壳的顶部装有漏斗 用以在开泵前向泵内灌水 排除泵腔内气体 启泵前一般要关闭排出闸门 启动后方打开 12 2 1 2离心泵的种类离心泵的种类很多 分类方法各不相同 按叶轮数目分 1 单级泵 泵轴上只装一个叶轮 图2 1 13 2 多级泵泵轴上装有两个以上的叶轮 液体依次通过各个叶轮 如图2 3所示 它的总压头是各级叶轮压头之和 14 15 1 单吸泵叶轮只有一个吸入口 图2 1 16 2 双吸泵叶轮从两侧吸入 图2 4 17 18 19 20 按泵壳能量转换部分的结构分 1 蜗壳泵泵壳作成截面逐渐扩大的蜗壳形 图2 4 流体从叶轮甩出后直接进入蜗壳的螺旋形流通 再被引入排出管线 21 2 导叶泵在泵壳内装有固定的导叶 导轮 如图2 3所示 液体从叶轮流出后先进入导叶转换能量 再流入泵壳 这种泵亦称透平泵 22 按照泵轴的位置可分为立式泵 等 23 卧式泵 卧式泵 24 按照所输送的液体性质又可分为水泵 热油泵 汽油泵 酸泵 碱泵 污水泵 电动潜油泵等 25 26 2 1 3离心泵的典型结构石油矿场上使用各种类型的离心泵 单级离心泵中最常见的是单级悬臂式BA型离心泵 图2 5为其典型结构 该系列的泵排量范围为5 330m3 h 扬程8 98米 27 其结构特点是叶轮装在悬臂轴的一端 从而省去了吸入端的密封 减少了从吸入端漏气的可能性 28 其优点是结构紧凑 造价低廉 使用方便 工作可靠 这种泵的排出管线可根据安装条件装成任何角度 水平 垂直或与水平成角30 60 等 这只需在法兰联结处加以调整即可 29 当排量较大而扬程不高时 一般采用sh系列的单级双吸泵 图2 4 它广泛用于矿场输水 输油 民用供水等 该系列泵一般流量为90 3500m3 h 扬程为10 104m 30 这种泵结构较简单 泵壳一般为水平剖分式 叶轮 轴和密封装置等可事先装好 然后整体装入泵壳中去 因而制造和检修都较方便 31 对这种泵应注意使泵壳两端密封可靠 以防吸入空气而破坏泵的正常工作 通常是用管子把泵腔中高压液体引到两端填料中间的液封环处 可防止空气侵入吸入端 亦有助于密封处的冷却和润滑 32 当需要扬程较大时 一般采用D或DA系列的分段式多级离心泵 图2 3 33 例如 油田注水中采用的3D100 150 吸入管径3英寸 额定流量100m3 h 额定压力15MPa 和150D一170 10 吸入管径150mm 单级扬程170m 10级 它们的结构如图2 3所示 34 这种泵中的液体连续流经各个叶轮和导叶 泵各级结构相同 整个泵体用长螺拄联接 它们可以在排量一定的情况下 根据工作需要选用不同的级数 从而得到不同的额定扬程 输送石油产品或其它腐蚀性介质的离心泵 在结构上与上述离心泵没有原则区别 只是在密封及泵的材料方面有特殊的要求 35 2 1 4离心泵的轴向力及平衡措施在单级离心泵中 设液体进入叶轮前的压力为P1 出叶轮后的压力为P2 则叶轮两侧所承受的作用力近似地如图2 6所示 36 这时一级叶轮所受到的轴向力为 37 对于单吸多级泵 每级叶轮都产生轴向力 泵轴承受的轴向力可高达数万牛顿 这种力使叶轮沿轴线向吸入口一侧窜动 引起零件磨损 所以要采取措施予以平衡 离心泵轴向力的平衡方法很多 可分为下述三种方法 38 对于单级泵 采用如图2 4所示的双吸叶轮 使叶轮两侧盖板上的压力相互抵消 可以有效地消除轴向力 39 对于多级泵 利用对称排列方式 即将总级数为偶数的叶轮 如图2 7所示那样背靠背或面对面地联在一根轴上 这种方法可有效地减少轴向力 40 另外还应在轴上装止推轴承以承受剩余的轴向力 水平中开式多级泵和立式多级泵 常采用此法 41 2 改造叶轮以平衡轴向力对于单吸单级离心泵 常采取适当改变叶轮结构 以达到减少或消除轴向力的目的 图2 8所示的为平衡孔法 是在叶轮后盖板上开一圈小孔 称为平衡孔 使后盖板密封环内的液压力与前盖板密封环内的液压力基本相等 只要使后盖板密封环直径与前盖板密封环直径相同 则轴向力基本上可以被平衡 42 如图2 9所示的为平衡管法 即在叶轮前 后盖板上都装有直径相同的密封环 并自后盖板泵腔处接一平衡管 同样使叶轮后盖板密封环内的压力等于吸入压力达到平衡轴向力的目的 43 图2 10所示的叶轮后盖板上加有径向筋板 亦称为副叶片 叶轮旋转时 筋板强迫叶轮后面的液体加快旋转 使压力下降 从而达到减小轴向力的目的 上述方法简单易行 缺点是增加了能量消耗 使泵的效率略有降低 44 3 平衡盘法油田使用的3D100 150注水泵 驱动功率800Kw 当扬程为1500m时 产生的轴向力约为1 2 104N 采用图2 11所示的平衡盘方案平衡轴向力的 45 平衡室位于多级泵的出口端 使其与泵的吸入口相通 即平衡室内压力P6基本等于吸入口压力P5 泵出口处的液体压力为P2 在b1入口处为P3 流经轴向间隙b1 b1约1 5 2mm 后压力降为P4 然后再经径向间隙b2后压力降至P5 46 由于平衡盘两侧面所受到的压力为P6与P4 它们的压力之差而产生一个轴向平衡力F 该力与叶轮所受到的轴向力A相平衡 47 由叶轮背面压力大于吸入口一侧压力而产生的轴向力A 向左 小于平衡盘所产生的平衡力F 向右 即A F时 泵轴带动叶轮及平衡盘向右移动 于是间隙b2增大 48 间隙b2增大 使阻力减小 导致流量增加 因流道b1的长度和宽度都没变 流量的增大 使流经b1的阻力损失 p1增加 因P4 p3 p1 因p3不变 p1的增加使P4减小 而P6 p5基本不变 P4减小使平衡盘上向右的力减小 即平衡力 减小 最终达到A F 49 当轴向力A 向左 大于平衡盘所产生的平衡力F 向右 时 即A F时泵轴带动叶轮及平衡盘向左移动 于是间隙b2减小 50 间隙b2减小 使阻力增大 导致流量减小 因流道b1的长度和宽度都没变 流量的减小 使流经b1的阻力损失 p1减小 因P4 p3 p1 因p3不变 p1的减小使P4加 而P6 p5基本不变 P4增加使平衡盘上向右的力增大 即平衡力 增大 最终达到A F 51 所以 在离心泵整个工作过程中泵轴随离心泵的工况在某一平衡位置左右来回窜动 从而自动地实现平衡 采用平衡盘平衡轴向力需要采用使轴可以在轴向自由浮动的轴承 52 2 1 5离心泵特性参数标志离心泵工作能力的基本特性参数有流量 扬程 压力 功率 效率和转速等 一般都在泵的名牌上标出 1 流量 单位时间内输送的流体量 体积或质量 通常用Q来表示体积流量 单位为1 s或m3 h 53 N为重量单位 m为长度单位 Nm即表示能量 能量也用J表示 以H表示单位重量液体经过泵后所增加的能量 则H J N Nm N m 54 3 55 2 1 3离心泵的工作特点离心泵的性能特点和能量转化方式与往复泵不同 如表2 1所示 56 2 2离心泵的基本工作理论液体在离心泵内的流动可以分为三部分 液体进入叶轮前在进液流道 吸入室 中的流动 在叶轮内的流动和在排液流道 压出室或导叶 中的流动 57 液体是在叶轮内被叶轮强制运动时获得能量 而在其余两个部分中流动时要消耗能量 离心泵是通过叶轮的转动 带动泵内液体 使之获得能量的 因此研究离心泵的工作理论 首先必须研究液体在泵内通过叶轮的运动 58 2 2 1叶轮内液体的运动1 三种速度液体在叶轮内的运动是复杂的 为了便于研究 我们先作如下假设 1 叶轮有无限多 无限薄的叶片 因此液体质点完全按照叶片形状规定的轨迹运动2 液体是理想的 即液体没有粘性 流动时无摩擦阻力损失 3 叶轮转速和液体流量是恒定的 59 我们可以把液体在叶轮内的流动看成在叶片推动下随叶轮以速度u作圆周运动和液体沿叶片以相对速度W作相对运动的合成 图2 12 60 即液体在叶轮内任一点的绝对速度c C U十w这种速度矢量合成图 称为速度三角形 由于要研究的是进叶轮前到出叶轮后的液体能量的变化情况 故我们只研究进口 出口的液流速度三角形 61 2 进 出口速度三角形当离心泵工作时 吸入池中液体在大气压力作用下 沿吸入管流向泵的叶轮进口 其速度为c0 在叶轮内 液体由轴向变为径向 并以速度c1流向叶片间的流道 如图2 13 62 一般离心泵的液体沿半径方向进入叶片 故其绝对速度的方向 1 90 绝对速度的大小为 c1 c1r Qi F1式中 Qi 流经叶轮的流量 F1 进口断面的环形有效过流面积 下角标r或u 表示径向或周向分速度 63 而进口处的圆周速度u1的方向为周向 大小为u1 nD1 60 n为叶轮转速 由于u1 c1的大小和方向皆己确定 故液体进入流道的相对速度 1即可确定 1 c1 u1 进口处的速度三角形见图2 13 即液体进入叶轮时的水力角 1就确定了 64 为了使液体进入叶片时与叶片不产生冲击 进口处相对速度 1的方向应和叶片进口表面相切 即相对速度 1与圆周速度u1反方向的夹角 l应与叶片结构角 lK相等 即使 l lK 当离心泵选定后 其叶轮的叶片结构角是不会变的 而 l的数值取决于c1和u1的大小 当泵轴转速一定时 u1为常数 速度c1的方向是一定的 其大小取决于流量 因此 l的数值也取决于流量 65 从图2 14可知 只有离心泵流量为额定流量 最优流量 时 l lK 符合无冲击的条件 而当流量增大或减小时都将产生水力冲击 66 在叶轮出口处的圆周速度u2 nD2 60 相对速度W2与叶片相切 即水力角 2 2K 绝对速度的径向分速度c2r Qi F2 F2为出口断面环形有效过流面积 因此 出口处的速度三角形就确定了 见图2 15 67 2 2 2离心泵的理论扬程了解了离心泵叶轮内液体运动情况以后 就能进一步研究泵内的能量转换规律 在离心泵中 影响叶轮和液体进行能量转换的因素很多 如叶轮转速 叶轮的尺寸 叶片的数量 叶片的角度和液体的性质等 为了研究主要因素的影响 先作以下两点假设 叶轮具有无限多 无限薄的叶片 这样就可以认为液体质点是完全按照叶片形状规定的轨迹运动的 液体是理想的 即液体没有粘性 流动时没有摩擦阻力损失 68 在上述假设的基础上 就可以利用动量矩定理来推导离心泵的基本能量方程式 图2 16中表示液体质点从进叶轮时的起始位置a 到流出叶轮时的最终位置b为止的运动情况 69 质点是沿着叶片形状所规定的轨迹运动的 根据动量矩定理 在稳定流情况下 单位时间内流过的液体质量 从一个断面到另一个断面的动量矩变化 等作用在这两个断面间的液流上的外力矩 70 以m表示每秒内流过叶轮的液体质量 那末 在半径为R1的叶轮进口处 液体相对于叶轮轴线的动量矩为M1 mc1l1 71 在半径为R2的叶轮出口处 液体相对于叶轮轴线的动量矩为M2 mc2l2 72 液体动量矩的增加应等于作用在液体上的外力矩M 即Mi M2 M1 mc2l2 mc1l1 Mi M2 M1 m c2l2 c1l1 2 12 73 由图2 16所示的速度三角形可知l2 R2cos 2l1 R1cos 1 74 考虑到m G g Qi 式中G 通过叶轮的液体的重量流量 N s g 重力加速度 m s 液体的密度 kg m3 将上式子及l2 R2cos 2 l1 R1cos 1代入式 2 12 Mi M2 M1 m c2l2 c1l1 可得Mi Qi c2R2cos 2 c1R1cos 1 g 2 13 75 假设液体通过叶轮时没有能量损失 根据能量守恒定律 叶轮消耗的机械功率应全都变为液体的水力功率 即Mi gQiHi 2 14 式中 叶轮的旋转角速度 Hi 叶轮传递给每一N重量液体的能量 称为泵的理论压头 因为假定叶轮叶片为无限多 所以Hi用Hi 表示 76 所以 离心泵的理论压头Hi 等于Hi Mi gQi Qi c2R2cos 2 c1R1cos 1 gQi c2R2cos 2 c1R1cos 1 g c2R2 cos 2 c1R1 cos 1 g因为R2 u2 R1 u1所以Hi 1 g u2c2cos 2 u1c1cos 1 米液柱 2 15 上式就是离心泵的基本能量方程式 77 因c2cos 2 c2u c1cos 1 c1u 故式 2 15 Hi 1 g u2c2cos 2 u1c1cos 1 可改写为Hi 1 g u2c2u u1c1u 米液柱 2 16 78 由于在一般离心泵中 液体通常是沿径向进入叶轮 即 1 90 因此 基本能量方程式Hi 1 g u2c2u u1c1u 可简化为Hi u2c2u g 2 9 79 从式 2 17 Hi u2c2u g可见 离心泵的理论压头与出口圆周连度 或叶轮外径D2及转速n 出口绝对速度的周向分量c2u 或 2及 2等 有关 当叶轮的外径越大 转速越高以及 2越大 2越小时 离心泵给出的理论压头也越大 80 在基本能量方程式中 没有包含液体物理性质的参数 如密度 粘度等 所以此式适用于输送任何物理性质的液体 81 2 叶片数为有限时对理论扬程的影响实际上 离心泵叶轮叶片数通常在3 12之间 一般不超过9个 于是液体在叶轮中的运动除了有一个均匀的相对运动以外 还存在一个相对的轴向旋涡运动 而使其不完全与叶片的形状相同 使泵理论扬程降低 82 大量实验表明 有限叶片数的叶轮所产生的理论扬程要比无限多叶片数的叶轮理论扬程小15 20 此外 叶轮出口角 泵壳结构等也对理论扬程有影响 为此引入扬程修正系数K Hi KHi 上式中Hi为叶片有限时离心泵的理论扬程 K值通常在0 7 0 9之间 叶片越多 K也就越大 83 3 叶片出口角对理论扬程的影响从图2 15可以看出 c2u u2 c2rctg 2k 84 将此关系代入式 2 9 Hi u2c2u g中可得到Hi u2 u2 c2rctg 2k g 由上式可以看出 除u2 c2r外 叶片的出口结构角也直接影响泵的理论扬程 85 按叶片出口角大小可以分成三种情况 图2 17 1 2k 90 叶片向叶轮旋转方向的后方弯曲 2 2k 90 叶片在出口处为径向 3 2k 90 即叶片向叶轮旋转方向的前方弯曲 86 为了便于比较 设三种叶轮的D2 n Qi等条件都相同 u2及c2r相同 从图2 15可以看出 2k增加 c2r增大 因此理论扬程Hi 也就增大 87 从表面上来看 似乎使用叶片向前弯曲的叶轮最为有利 然而实际上离心泵叶轮的叶片全部采用向后弯曲 即 2k 90 的结构 88 这是在因为 2k越大 c2越大 液体得到的主要是动能 从以后的分析可以知道要将这些动能转变为压能 就会有较大的损失 因为泵内液体的速度越大 其沿程损失和局部损失越大 所以一般离心泵的出口角 2k 15 40 而石油工业用离心泵多取为 2k 25 30 有的石油化工用泵也采用 2k 30 90 89