第二章 泵与风机的结构和性能 第一节 泵与风机的部件结构一、泵的主要部件(一) (一) 离心泵的主要部件尽管离心式泵的类型繁多,但由于作用原理基本相同,因而它们的主要部件大体类同现在分别介绍如下:1、叶轮(impeller)叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体,提高液体能量的核心部件叶轮有开式(open impeller)、半开式(semi-open impeller)及闭式叶轮(closed impeller)三种,如图2—1所示开式叶轮没有前盘和后盘而只有叶片,多用于输送含有杂质的液体,如污水泵的叶轮就是采用开式叶轮的半开式叶轮只设后盘闭式叶轮既有前盘也有后盘清水泵的叶轮都是闭式叶轮离心式泵的叶轮都采用后向叶型2、轴和轴承(shaft and bearing)轴是传递扭矩的主要部件轴径按强度、刚度及临界转速定中小型泵刚度和临界转速确定多采用水平轴,叶轮滑配在轴上,叶轮间距离用轴套定位近代大型泵则采用阶梯轴,不等孔径的叶轮用热套法装在轴上,并利用渐开线花键代替过去的短键此种方法,叶轮与轴之间没有间隙,不致使轴间窜水和冲刷,但拆装困难轴承一般包括两种形式:滑动轴承(Sleeve bearing)和滚动轴承(Ball bearing)。
滑动轴承用油润滑一种润滑系统包括一个贮油池和一个油环,后者在轴转动时在轴表面形成一个油层使油和油层不直接接触另一种系统就是利用浸满油的填料包来润滑大功率的泵通常要用专门的油泵来给轴承送油如图 2-2a所示)滚动轴承通常用冷冻油润滑,有些电机轴承是密封而不能获得润滑的滚动轴承通常用于小型泵较大型泵可能即有滑动轴承又有滚动轴承而滑动轴承由于运行噪音低而被推荐用于大型泵如图2-2 b所示) 3、吸入室( suction room)离心泵吸入管法兰至叶轮进口前的空间过流部分称为吸入室其作用为在最小水力损失下,引导液体平稳的进入叶轮,并使叶轮进口处的流速尽可能均匀的分布按结构吸入室可分为直锥角吸入室、弯管形吸入室、环形吸入室、半螺旋形吸入室几种: (1)直锥形吸入室 图2—3所示,这种形式的吸入室水力性能好,结构简单,制造方便液体在直锥形吸入室内流动,速度逐渐增加,因而速度分布更趋向均匀直锥形吸入室的锥度约7o~8o这种形式的吸入室广泛应用于单级悬臂式离心水泵上2)弯管形吸入室 图2—4所示,是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式,这种吸入室在叶轮前都有一段直锥式收缩管,因此,它具有直锥形吸入室的优点。
3)环形吸入室 图2—5所示,吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同其优点是结构对称、简单、紧凑,轴向尺寸较小缺点是存在冲击和旋涡,并且液流速度分布不均匀环形吸入室主要用于节段式多级泵中4)半螺旋形吸入室 图2—6所示,主要用于单级双吸式水泵、水平中开式多级泵、大型的节段式多级泵及某些单级悬臂泵上半螺旋形吸入室可使液体流动产生旋转运动,绕泵轴转动,致使液体进入叶轮吸入口时速度分布更均匀,但因进口预旋会致使泵的扬程略有降低,其降低值与流量是成正比的相比较而言,直锥形吸入室使用最为普遍4、机壳(casing)机壳收集来自叶轮的液体,并使部分流体的动能转换为压力能,最后将流体均匀地引向次级叶轮或导向排出口机壳结构主要有螺旋形和环形两种(如图2-7、2-8所示)螺旋形压水室不仅起收集液体的作用,同时在螺旋形的扩散管中将部分液体动能转换成压能螺旋形压水室具有制造方便,效率高的特点它适用于单级单吸、单级双吸离心泵以及多级中开式离心泵单级离心式泵的机壳大都为螺旋形蜗式机壳环形压水室如图2—8所示,在节段式多级泵的出水段上采用环形压水室的流道断面面积是相等的,所以各处流速就不相等因此,不论在设计工况还是非设计工况时总有冲击损失,故效率低于螺旋形压水室 (图2-7)。
有些机壳内还设置了固定的导叶,就是所谓的导叶式机壳图2-7 螺旋形机壳 图2-8 环形机壳 5、密封装置(sealing instrument)密封装置主要用来防止压力增加时流体的泄漏密封装置有很多种类型,用得最多的是填料式密封和机械式密封图2-9所示)填料密封是将一些松软的填料用一定压力压紧在轴上达到密封目的填料在使用一段时间后会损坏,所以需要定期检查和置换这种密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的而机械密封装置有两个硬质且光滑的表面,一个静态一个旋转这种密封装置可以达到很好的密封要求,但他们不能用于含杂质流体输送系统,因为其光滑表面会被破环而失去密封作用这种密封装置在液体循环系统中非常普遍,因为他不需要维护运行很多年6、导叶(guide vane)导叶又称导流器、导轮,分径向式导叶和流道式导叶两种,应用于节段式多级泵上作导水机构径向式导叶如图2—10所示,它由螺旋线、扩散管、过渡区(环状空间)和反导叶(向心的环列叶栅)组成螺旋线和扩散管部分称正导叶,液体从叶轮中流出,由螺旋线部分收集起来,而扩散管将大部分动能转换为压能,进入过渡区,起改变流动方向的作用,再流入反导叶,消除速度环量,并把液体引向次级叶轮的进口。
由此可见,导叶兼有吸入室和压出室的作用流道式导叶如图2—11所示,它的前面部分与径向式导叶的正导叶相同,后面部分与径向式导叶的反导叶相类似,只是它们之间没有环状空间,而正导叶部分的扩散管出口用流道与反导叶部分连接起来,组成一个流道它们的水力性能相差无几,但在结构尺寸上径向式导叶较大,工艺方面较简单目前节段式多级泵设计中,趋向采用流道式导叶图2-11 流道式导叶 (二) 轴流泵的主要部件轴流泵的主要部件,如图2—12所示轴流泵的特点是流量大,扬程低其主要部件有:叶轮、轴、导叶、吸入喇叭管等,现分述如下1.叶轮叶轮的作用与离心泵一样,将原动机的机械能转变为流体的压力能和动能它由叶片、轮毂和动叶调节机构等组成叶片多为机翼型,一般为4~6片轮毂用来安装叶片和叶片调节机构轮毂有圆锥形、圆柱形和球形三种小型轴流泵(叶轮直径300mm以下)的片和轮毂铸成一体,叶片的角度不是固定的,亦称固定叶片式轴流泵中型轴流泵(叶轮直径300mm以上)一般采用半调节式叶轮结构,即叶片靠螺母和定位销钉固定在轮毂上,叶片角度不能任意改变,只能按各销钉孔对应的叶片角度来改变,故称半调节式轴流泵大型轴流泵(叶轮直径在1600mm以上),一般采用球形轮毂,把动叶可调节机构装于轮毂内,靠液压传动系统来调节叶片角度,故称动叶可调节式轴流泵。
2.轴对于大容量和叶片可调节的轴流泵,其轴均用优质碳素钢做成空心,表面镀铬,既减轻轴的质量又便于装调节机构3.导叶轴流泵的导叶一般装在叶轮出口侧导叶的作用是将流出叶轮的水流的旋转运动转变为轴向运动,同时将部分动能转变为压能4.吸入管吸入管与离心泵吸入室的作用相同中小型轴流泵多用喇叭形吸入管,见图2—12所示;大型轴流泵多采用肘形吸入流道,如图2-13 (三)、混流泵混流泵内液体的流动介于离心泵和轴流泵之间,液体斜向流出叶轮,即液体的流动方向相对叶轮而言即有径向速度,也有轴向速度其特性介于离心泵和轴流泵之间混流泵具有涡壳式和导叶式两种如图2-15所示为单级、单吸、立式结构的可潜式蜗壳混流泵,适用于输送清水或物理及化学性质类似于水的其他液体 (包括轻度污水)被输送介质温度不超过50℃也可用于农田排灌、市政工程、工业过程水处理、电厂输送循环水、城市给排水等多种领域,使用范围十分广泛如图2-16所示为单级、导叶混流式潜水泵,适用于抽送清水或在轻度污水场合下使用,输送介质温度不超过50℃本泵为机泵合一的结构,可潜入水中运行,故可在水位变化大,扬程较高的工况下工作,特别适用于城市排水、市政建设、工矿、船坞升降水位以及水位涨落大的江湖地区农田排灌之用。
二、风机主要部件(一)离心式风机的构造特点离心式风机输送气体时,一般的增压范围在9.807Kpa(1000mH2O)以下根据增压大小,离心风机又可分为:(1)低压风机:增压值小于l000Pa(约100mmH2));(2)中压风机:增压值自l000至3000Pa(约100至300mmH2O)(3)高压风机:增压值大于3000Pa(约300mmH2O以上)低压和中压风机大都用于通风换气,排尘系统和空气调节系统高压风机则用于一般锻冶设备的强制通风及某些气力输送系统我国还生产许多专门用于排尘、输送煤锅炉引排酸雾和防腐的各种专用风机最近国内又推出了一种外转子离心风机,它相当于将电动机的转子固定,定子直接嵌装于风机叶轮而转动,这样就把电机装入风机机壳内了离心式风机的整机构造可以参考图2-14所示的分解图根据用途不同,风机各部件的具体构造也有所不同,分别介绍如下1、吸入口和进气箱吸入口可分圆筒式、锥筒式和曲线式数种(图2-17)吸入口有集气的作用,可以直接在大气中采气,使气流以损失最小的方式均匀流入机内某些风机的吸入口与吸气管道用法兰直接连接进气箱的作用是当进风口需要转弯时才采用的,用以改善进口气流流动状况,减少因气流不均匀进入叶轮而产生的流动损失。
进气箱一般用在大型或双吸入的风机上2、叶轮叶轮的构造曾在前面泵的主要部件中有所介绍如前所述,它由前盘、后盘、叶片和轮毂所组成还曾指出叶片可分为前向、径向和后向三种类型见图2-18)防爆风机是由有色金属制成的,防腐风机则以塑料板材为材料3、机壳中压与低压离心式风机的机壳一般是阿基米德螺线状的它的作用是收集来自叶轮的气体,并将部分动压转换为静压,最后将气体导向出口机壳的出口方向一般是固定的但新型风机的机壳能在一定的范围内转动,以适应用户对出口方向的不同需要4、导流器导流器又称为进口风量调节器在风机的入口处一般都装置有导流器运行时,通过改变导流器叶片的角度(开度)来改变风机的性能,扩大工作范围和提高调节的经济性二)轴流式风机的主要部件轴流式风机的主要部件有:叶轮、集风器、整流罩、导叶和扩散筒等如图2—19所示近年来,大型轴流式风机还装有调节装置和性能稳定装置1.叶轮叶轮由轮毂和叶片组成,其作用和离心式叶轮一样,是实现能量转换的主要部件轮毂的作用是用以安装叶片和叶片调节机构的,其形状有圆锥形、圆柱形和球形三种叶片多为机翼形扭曲叶片叶片做成扭曲形,其目的是使风机在设计工况下,沿叶片半径方向获得相等的全压。
为了在变工况运行时获得较高的效率,大型轴流风机的叶片一般做成可调的,即在运行时根据外界负荷的变化来改变叶片的安装角如上海鼓风机厂与西德TLT公司联合制造的TLT型送引风机和一次风机均是动叶可调的2.集风器集风器的作用是使气流获得加速,在压力损失最小的情况下保证进气速度均匀、平稳集风器的好坏对风机性能影响很大,与无集风器的风机相比,设计良好的集风器风机效率可提高10%~15%集风器一般采用圆弧形3.整流罩和导流体为了获得良好的平稳进气条件,在叶轮或进口导叶前装置与集风器相适应的整流罩,以构成轴流风机进口气流通道 4.导叶轴流式风机设置导叶有几种情形:①叶轮前仅设置前导叶,②叶轮后仅设置后导叶,③叶轮前后均设置有导叶前导叶的作用是使进入风机前的气流发生偏转,把气流由轴向引为旋向进入,且大多数是负旋向(即与叶轮转向相反),这样可使叶轮出口气流的方向为轴向流出。