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1、过程流体机械,3-1 2012. 2,3 化工泵,泵是把原动机的机械能转换给液体的势能或动能的机械 3.1 泵的分类及用途,分类 按工作原理和结构型式分 按泵形成的流体压力分 低压泵 6 MPa 按输送介质分 清水泵、杂质泵、油泵、耐腐蚀泵等,泵,叶片式泵（透平式泵）,离心泵 轴流泵 混流泵 旋涡泵,容积式泵,其它类型泵,往复泵,活塞泵 柱塞泵 隔膜泵,回转泵,齿轮泵 螺杆泵 滑片泵,喷射泵 水锤泵 真空泵,用途 水利、灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程 化工生产用泵特点 数量大、种类多，输送的介质往往有腐蚀性，有的在高温、高压下工作,在各种泵中，离心泵应用最为广泛，因为它具有
2、结构简单、体积小、质量轻、流量稳定、易于制造和便于维护等一系列优点,本章主要内容 着重讨论离心泵的工作原理、气蚀、性能、调节和选型应用等 对其它类型泵的简介,3.2 离心泵的典型结构与工作原理,离心泵的典型结构、分类及命名方式 典型结构 叶轮、转轴、吸液室、压液室、扩压管（在泵壳上）、密封、密封环等,扩压管,叶轮,密封环,吸液室,主轴,压出室,密封,吸液室 把液体从吸入管吸入叶轮 叶轮 旋转吸入的液体，使其获得压力能和动能 压出室（蜗壳） 把从叶轮流出的液体收集起来送入扩压管，同时是液体减速增压 扩压管 接出口管，进一步将液体的动能转换为压力能,离心泵的分类 按流体吸入叶轮的方式分类 单吸式泵
3、 双吸式泵 按级数分类 单级泵 多级泵,按泵体形式分类 蜗壳泵 筒形泵 按主轴安放方位分类 卧式泵 立式泵 斜式泵,离心泵的命名方式 离心泵的命名目前还没有国家标准，但一般用汉语拼音字母来代表泵的名称,泵的类型，A或B或C表示叶轮外径经过一、二、三次切割,多级泵级数，单级泵不标,新-扬程或流量-扬程，老-比转速,泵的基本型式，用拼音字母表示,泵的吸入口直径，新型-mm，老型-in,注意 IS单级单吸清水离心泵的命名方式不同：它由基本型式代号、吸入口直径（）、压出口直径（）和叶轮名义直径来表示 例如：IS50-40-120,离心泵的工作原理及基本方程 离心泵的性能参数 流量 qV 单位时间内从离
4、心泵的排液口排出的液量，单位一般是 m3/min或 m3/h 理论流量单位时间内流入泵作功部件里的液体量,扬程 H 单位质量液体流过泵后的总能量的增值，单位为 m-液柱 H = Eout Ein 式中，E 为单位质量液体的总机械能 理论扬程作功元件对流经叶轮的单位质量液体所作的功,扬程计算式,由于泵进出口截面上的动能和高度差均不大，而液体密度为常数，因此扬程主要体现的是压力的提高,转速 n 离心泵叶轮的转速，单位是 r/min 气蚀余量（净正吸头）NPSH 表示气蚀性能的主要参数，单位是 m 泵的允许吸上真空度（Hs），或泵的允许吸入高度，单位以 m-液柱表示,功率 有效功率单位时间内泵排出的
5、液体从泵中取得的能量 Ne = gr qVH / 1000，kW 内功率（水力功率）单位时间内作功元件所给出的能量 轴功率 N单位时间内有原动机传递到泵主轴上的功,效率 容积效率衡量泵泄漏量大小也即密封好坏的指标 hV = (qVtHt qHt)/qVtHt 水力效率衡量液体流经泵的阻力损失大小的指标 hhyd = H / Ht,离心泵中的能量损失,由于液体流过离心泵时有能量损失，使泵的扬程 H 比理论扬程 Ht 小。可按下式计算,离心泵能量损失能头由三部分组成。 沿程摩擦损失能头 液体流经吸液室、叶轮、转能装置、压液室及扩压管等时，由于粘性阻力，将产生摩擦损失，使机械能转换为热能,局部阻力损
6、失 包括流道的转弯、收缩及扩大等所产生的阻力能头 冲击损耗能头 液体流入叶片流道及转能装置时产生的冲击损耗能头 能量损失可以用水力效率衡量,机械效率衡量泵运动部件间机械摩擦损失及轮阻损失大小的指标 hm = r gqVtHt / N 泵效率（总效率）衡量泵工作是否经济的指标。总效率为上述各种效率的乘积 h = hV hhyd hm 不同类型泵的效率参考值见表4-2,离心泵工作原理及基本方程 离心泵的工作过程 在启动离心泵之前应关闭出口阀门，灌泵使泵内充满液体。开启出口阀门，启动原动机使叶轮旋转，叶轮驱使液体旋转产生离心力，甩向压液室，并经扩压管排出泵,同时，在泵的吸液室形成真空，在吸液槽和叶轮
7、入口中心线处的液体间就产生了压差，槽中的液体在这个压差作用下不断地经吸入室进入叶轮之中，从而使离心泵连续地工作,离心泵工作原理 通过高速旋转的叶轮将转动机械能传递给液体，使液体获得动能和压力能，再通过扩大的压液室和扩压管的流道，进一步把大部分动能转换为压力能，从而提高泵出口液体的压力,离心泵的基本方程式,液体在叶轮中的运动分析 假定 液体是理想流体 流动是稳态的 离心泵叶轮具有无限多、无限薄的叶片,运动分析 叶轮圆周速度 u 又称为牵连速度，其值 = 叶轮旋转角速度相应点半径值 相对速度 w 液流相对于叶轮的速度 液流绝对速度 c 牵连速度与相对速度的矢量和,a 液流绝对速度与圆周速度间的夹角
8、 b 液流相对速度与圆周速度反方向间的夹角 液流绝对速度可以分解为周向分速度和径向分速度（轴面速度）,液流绝对速度的周向分速度,液流绝对速度的径向分速度,离心泵的速度三角形,c,u,w,a,b,w,进一步说明 如果叶片为无限多、无限薄的叶片，故液体的流入、出速度和叶轮轮缘切线的夹角与叶片和叶轮轮缘切线的夹角相等 如果为有限个有一定厚度的叶片，由于涡流的存在，两者不相等，此时后者用 bA表示，称为叶片的安装角（离角）,离心泵的基本方程式 欧拉涡轮方程式 表示旋转叶轮传递给单位质量液体的能量，也称理论扬程,根据三角形的余弦定律,势扬程 动扬程,实际叶轮的型式分析 叶轮是整个离心泵最重要的部件，叶轮
9、的结构型式 闭式叶轮 半开式叶轮 开式叶轮,闭,开,闭式叶轮,开式叶轮,半开式叶轮,闭式叶轮最常见，它的漏液少、性能好、效率高；缺点是制造难度较大，泵送有颗粒料浆时容易堵塞流道 半开式叶轮分前半开式和后半开式叶轮两种，前者效率较低，后者效率基本与闭式叶轮相同。半开式叶轮制造难度较小，成本较低，且适应性强,半开式叶轮适用于输送含有固体颗粒、纤维等悬浮物的液体。 开式叶轮是只有叶片和叶片加强筋，无前后盖板的叶轮。叶轮效率低，应用较少；主要用于输送粘度较高的液体，以及浆状液体,叶轮叶片的型式 后弯型叶片 径向型叶片 前弯型叶片,后弯型叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相反，叶片离角b2A 90，通常多采
10、用这种叶轮，因为它的效率高，稳定工作范围宽 径向型叶片的离角b2A = 90 , 径向直叶片也属于此类型，后者加工较容易。其效率介于后弯型和前弯型叶片叶轮之间,前弯型叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向相同，即b2A 90 ，由于液流在这种液道中流程短转弯大，其效率较低，稳定工作范围较窄，在离心泵中很少采用,实际叶轮的理论扬程 实际上，叶片数是有限的，液体存在涡流和滑移，应作修正 斯陀道拉公式,普夫莱德尔公式 m 滑移系数（环流系数） p 修正系数,叶片离角对理论扬程的影响 若液体进入泵时无预旋，切向分速度 c1u为零，无限多叶片叶轮的理论扬程方程式可改写为,当离角b2A增大时，Ht 随之增大；反之，
11、 Ht 将减小 当 b2A = 90 时，Ht = u22 / g 当 b2A 90 时，若取c2u = 2u2则 Ht = 2 u22，则势扬程降为零，泵的理论扬程全部表现为动扬程的形式，能量损失增大,b2A 的取值一般小于 90 b2A = 16 40 取值在这一范围的叶轮称为强后弯叶片型或水泵型叶轮,3.3 离心泵的工作特性,在很多情况下，根据输送液体和管路系统的实际情况，除了要求泵有足够的扬程外，为了使离心泵能正常工作，还要求离心泵的入口压力不得低于某,一相应的最低允许值，或者说要求泵的入口处的真空度不得高于某一相应的允许最高真空度。该真空度常用液柱高度来表示，称为离心泵入口允许吸上真
12、空度,泵的吸入特性就是指泵在工作时，其入口允许吸上真空度与流量间的关系特性 现在已经用离心泵的汽蚀余量与流量的关系特性替代上述关系特性，来表示泵的吸入特性,离心泵的汽蚀及预防措施 汽蚀现象 在泵的特性试验中，如果设法使吸液池的压力pA逐渐降低，当降低到某种程度时，离心泵的扬程突然会出现明显的下降，液流变得不稳定，,其功率和效率曲线也有明显的变化，而且泵的噪音和振动也都加剧，离心泵的正常工作被破坏，这就是所谓的汽蚀现象 汽蚀现象通常在输送温度较高的液体时更容易发生,汽蚀发生的机理及其危害 汽蚀发生的机理 液体在泵叶轮中流动时，由于叶片的形状和液流在其中突然改变方向等流动特点，决定了叶道中的压力分
13、布，在叶片入口附近的非工作面上存在着某些局部低压区,当处于低压区的液流压力降低到对应温度的饱和蒸气压时，液面便开始气化（同时还可能将溶解在液体内的气体逸出）而形成许多气泡，气泡随液体流到压力较高出时，外面的液体压力高于气泡内的压力，则气泡就会凝结溃灭（重新溶解）形成空穴,在气泡溃灭的瞬间，气泡周围的液体迅速冲入气泡溃灭形成的空穴，就像无数小弹头一样，连续地打击金属表面（其压力可高达数百大气压，频率可达 2000 3000Hz），并伴有局部的高温、高压水击现象，其结果会使金属表面会因冲击疲劳而剥裂水滴石穿,由液体气化、凝结、冲击，形成高压、高温、高频冲击载荷，造成的金属材料的机械剥裂与电化学腐蚀
14、破坏的综合现象称为汽蚀 一般认为汽蚀对流道表面材料的破坏主要是机械剥蚀造成的，而化学腐蚀则进一步加剧了材料的破坏,汽蚀的危害 泵的过流部件表面受到机械性质的破坏，此外，如果液体气化时放出的气体有腐蚀性，还会产生一定的化学性质的破坏（但前者的破坏是主要的）。严重时，叶轮的表面（尤其在叶片入口附近）呈蜂窝状或海绵状的裂痕，更为严重的是叶片或盖板穿孔,泵的性能突然下降。汽蚀使过流部件和流体之间的能量转换遭到严重的干扰，流道不但受到气体堵塞，而且流动损失增大，使泵的性能下降，严重时，泵中液流中断，泵不能工作 汽蚀使泵产生噪音和振动。发生汽蚀时，气泡在压力较高处不断地溃灭，产生强烈的水击，使泵产生振动和
15、噪音,汽蚀也是水力机械向高流速发展的巨大障碍。因为液体流速越高，会使压力变得越低，更易气化发生汽蚀,形成汽蚀的条件 泵发生汽蚀是由于叶道入口附近某些局部低压区处的压力降低到液体的饱和蒸汽压，导致部分液体气化所致，所以，凡是能使局部压力降低到液体气化压力的因素，都可能是诱发汽蚀的原因,当液体介质一定时，发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置两个方面决定的，故研究汽蚀发生的条件应该从这两个方面考虑,从吸入液面到泵内流道低压区K点列柏努利方程,液体从叶道进口到K点过程中叶轮加给液体的部分扬程,从泵的吸入装置方面考虑：液面压力，泵的安装高度或吸入管路的阻力损失 ，都会使压力pK，从而使泵的汽蚀容易产生 从
16、泵自身情况考虑：从泵入口到低压区之间的阻力损失和液流速度都会使pK，低压区 K 的位置对汽蚀也有影响,液体的性质的影响：液流的温度，液体的挥发性，则液体的饱和蒸汽压，不必等pK降到很低时，泵就会发生汽蚀。因此，高温液体、易挥发的液体容易引起汽蚀,汽蚀余量与汽蚀判别式 汽蚀余量,不发生汽蚀条件 pK pV,忽略 z 的影响,有效汽蚀余量NPSHa,泵必需的汽蚀余量NPSHr,有效汽蚀余量 NPSHa 是指有效净正吸入压头 泵必需的汽蚀余量 NPSHr 相当于过去的最小气蚀余量 如果用泵入口的参数计算，有,有效汽蚀余量实质上就是流到泵入口处的液体所具有的能量头比气化压力所富余的部分能量头。显然，有效汽蚀余量NPSHa 越大，泵越不会发生汽蚀 有效汽蚀余量数值的大小与泵吸入装置的条件有关，而与泵本身的结构尺寸无关,泵必需的汽蚀余量是表示泵入口到叶轮内最低压力点 K 处的静压能量头降低值。它与泵结构和液体的流动状态有关，与管路特性无关，它是离心泵的一个特性参数，NPSHr愈小表示该泵的
