《第二章流体输送机械原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章流体输送机械原理（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第二章流体输送机械2-1 概述化工生产中，下列流体输送场合需要利用流体输送机械：1）将流体从低处送到高处；2）将流体从底压处送到高压处；3）将流体从甲地送往乙地（管道运输如石油，天然气输送） ；4）抽气（使设备如反应装置维持一定的真空度） 。按工作原理对流体输送机械进行分类有下列几类：1）离心式，如离心泵；2）往复式，如往复泵，往复压缩机；3）旋转式，如旋转泵；（2 和 3 为正位移泵）4）流体动力作用式，如喷射泵。在流体输送机械中，输送流体的通常称为泵，输送气体的通常称为风机和压缩机。下面对流体输送机械的操作原理，基本构造，性能特点和选用原则将重点讨论离心泵。第一节 流体输送设备2-2 离
2、心泵一.操作原理、主要部件与类型1.操作原理最常用的液体输送机械是离心泵。图 2-1 离心泵的装置图。其基本部件是旋转的叶轮和固定的泵壳。叶轮与泵轴相连，叶轮上有若干弯曲的叶片。泵轴由外界的动力带动时，叶轮便在泵壳内旋转。液体由入口沿轴向垂直地进入叶轮中央，在叶片之间通过而进入泵壳，最后从泵的切线出口排出。离心泵的操作原理如下。开动前泵内要先灌满所输送的液体。开动后，叶轮旋转，产生离心力。液体因而从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高；并以很高的速度流入泵壳，在壳内减速，使大部分地动能转换为压力能，然后从排出口进入排出管路。叶轮内的液体被抛出后，叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通
3、，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力(常为大气压 )与泵内压力(负压) 的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排出液体的位置。只要叶轮不停地转动，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此可见离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力，故名离心泵。2离心泵开动时如果泵壳内和吸入管路内没有充满液体，它便没有抽吸液体的能力，这是因为空气的密度比液体小得多，叶轮旋转所产生的离心力不足以造成吸上液体所需的真空度。象这种因泵壳内存在气体而导致吸不上液的现象，称为“气缚”。为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装有止逆阀。 离心泵的出口管路上也装有阀门，用于调节泵的流量。2.
4、主要部件与构造离心泵最基本的部件为叶轮与泵壳，如图 2-2 所示。 叶轮是离心泵的心脏部件。普通离心 泵的叶轮如图 2-3 所示，它分为闭式、开式与半开式三种。图中的(c)为闭式，前后两侧有盖板，2 至 6 片弯曲的叶片装在盖板内，构成与叶片数相等的液体通道。液体从叶轮中央进入后，经过这些通道流向叶轮的周边。图 2-2 叶轮与泵壳有些叶轮的后盖板上钻有小孔，以把后盖板前后的空间连通起来，叫平衡孔。因为叶轮在工作时，离开叶轮周边的液体压力已增大，有部分会渗到叶轮后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了轴向推力，将叶轮推向泵入口一侧，引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会发生振动。平衡孔能使一
5、部分高压液体泄漏到低压区，减轻叶轮两侧的压力差，从而起到平衡轴图 2-3 叶轮型式向推力的作用，但也会降低泵的效率。 有前、后盖板的叶轮称为闭式叶轮。有些离心泵的叶轮没有前、后盖板，轮叶完全外露，称为开式(图 2-3)；有些只有后盖板，称为半开式 (图 2-3)。它们用于输送浆料，粘性大或有固体颗粒悬浮物的液体时，不易堵塞，但液体在叶片间运动时易发生倒流，故效率也较低泵壳就是泵体的外壳，它包围旋转的叶轮，并设有与叶轮垂直的液体入口和切线出口。泵壳在叶轮四周形成个截面积逐步扩大的蜗牛壳形通道，故常称为蜗壳(图 2-2)。叶轮在壳内旋转的方向是顺着蜗壳形通道内逐渐扩大的方向(即按叶轮旋转的方向来说
6、叶片是向后弯的) ，愈近出口，壳内所接受的液体量愈大，所以通道的截而积必须逐渐增大。更为重要的是以高速从叶轮四周抛出的液体在通道内逐渐降低速度，使一大部分动能转变为静压能，既提高了流体的出口压力，又减少了液体因流速过大而引起的泵体内部的能量损耗。所以，泵壳既作为泵的外壳汇集液体，它本身又是个能量转换装置。有些泵壳内在叶轮外周还装一个固定的带时片的环，称为导轮(图 2-4)。导轮上的叶片(导叶)的弯曲方向与叶片上的弯曲方向相反，其弯曲角度正好与液体从叶轮流出的方向相适应，引导液体在泵壳的通道内平缓地改变流动方向，使能量损耗减小，由动压头转变为静压头的效率提高。当离心泵只有一个吸入口和一个叶轮时，
7、称为单级单吸离心泵，用于出口压力不需很大的3情况。若所要求的压头高，可采用多级泵。多级泵轴上所装叶轮不止个，液体从几个叶轮多次接受能量，故可达到较高的压头。离心泵的级数就是它的叶轮数。多级泵壳内，每个叶轮的外周都有导轮，引导液体改变方向(单级泵一般不设导轮)。我国生产的多级泵一般为 2 级到 9 级，最多可达 12 级。若输送的液体量大，则采用双吸泵。双吸策的叶轮有两个吸入口，好象两个没有前盖板的叶轮背靠背地并在一起，其轴向推力可得到完全于衡。由于叶轮的厚度与直径之比成倍地加大，又有两个吸入口，故用于输送量很大的情况。3. 化工生产中常用的几种离心泵(1)水泵 凡是输送清水和物性与水相近、无腐
8、蚀性且杂质很少的液体的泵都称水泵。其特点是结构简单，操作容易。 图 2-4 有导轮的离心泵(2)耐腐蚀泵 耐腐蚀泵的主要特点是接触液体的部件用耐腐蚀材料制造，因而要求结构简单，零件容易更换，维修方便密封可靠。用于耐腐蚀泵的材料有：铸铁、高硅铁、各种合金钢、塑料、玻璃等。(3)油泵 输送石油产品的泵称为油泵。油品的一个重要特点是易燃，因而对油泵的重要要求是密封完善。采用填料函进行密封时，要从泵外边连续地向填料函的密封圈注入冷的封油，封油的压力稍高于填料函内侧的压力，以防泵内的油从填料函溢出。封油从密封圈的另一个孔引出。油泵亦可按需要而采用机械密封。(4)杂质泵 输送含有固体颗粒的悬浮液、浆液等的
9、泵称为杂质泵，包括污水泵、砂泵、泥浆泵等等。对这类泵的要求是不易堵塞、易拆卸、耐磨。二离心泵的基本方程式1. 离心泵的压头离心泵的压头是表征离心泵作功能力的的一个重要性能参数，其值与泵的构造、尺寸、叶轮转速、所输送的液体流量等有关。离心泵的压头应当与完成一定输送任务的管路系统所要求提供的机械能相适应，下面讨论通过理论分析推导出表示离心泵理论压头的离心泵基本方程，并阐述实际压头和理论压头的关系。2. 液体通过叶轮的流动 图 2-5 液体在叶轮中的流动离心泵工作时，液体一方面随叶轮作旋转运动，同时又经叶轮流道向外流动，因此液体在叶轮内的流动状况十分复杂。如图 2-5 所示，液体质点沿着轴向以绝对速
10、度 c0 进入叶轮，在叶片入口处转为径向运动，此时液体一方面以圆周速度 u1 随叶轮旋转，其运动方向与流体质点所在处的圆周切线方向一致，大小与所在处的半径及转速有关；另一方面以相对速度 w1 在叶片间作相对于旋转叶轮的相对运动，其运动方向是液体质点所在处的叶片切线方向，大小与液体流量及流动的形状有关。两者的合速度为绝对速度 c1，此即为液体质点相对于泵壳(固定于地面 )的绝对运动速度。同样，在叶片出口处，圆周速度为 u2，相对速度为 w2，两者的合速度即为液体在叶轮出口处的绝对速度c2。由上述三个速度所组成的矢量图，称为速度三角形。如图 2-5 所示， 表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角，
11、 表示相对速度与圆周速度反方向延线的夹角，一般称为流动角。43. 离心泵基本方程式 离心泵基本方程式从理论上表达了泵的压头与其结构尺寸，转速及流量等因素之间的关系。它是用于计算离心泵理论压头的基本公式离心泵的理论压头是指在理想情况下离心泵可能达到的最大压头。所谓理想情况就是：（1）叶轮为具有无限多叶片（叶片厚度为无限厚）的理论叶轮，因此液体质点将完全沿着叶片表面而流动，无任何侧流现象；（2）被输送的液体为理想液体，粘度为零，故无阻力损失。参见图 2-5，在叶轮进口和出口处针对某一叶片的流动截面列柏努利方程，得（2-2-1）g2cpHg2cp1( 提问：（1）为什么上式中没有阻力损失项；（ 2）
12、式中 c 用 w 或 u 代替能否成立。 指明 表示理论压头和不考虑位压头的理由) 整理式（2-1-1 ） ，得 + （2-2-1a）gp12c21式中静压头的增加由两个部分组成，一部分为离心力对流体做功所得，其值为 ，g2u1另一部分为流体自叶轮进口流向出口时，因流道扩大，流体质点与叶片相对速度（相当于管内流动的流速）变小（相当于管径扩大流速减少） ，减少的动压头转变为静压头，其减小的量为。 g2w1(注意 w1w2，而 c190C 2h min （2-2-25）g2upe,e例V13当流量一定且流动已进入阻力平方区（在通常情况下此条件可基本得到满足）时，h min 只与泵的结构尺寸有关，是
13、泵的一个抗汽蚀性能参数，该参数由泵制造厂通过实验测定。式（2-2-24）是实验测定 h min 的基础。实验测定中以泵的压头（即扬程）较正常值下降 3%为准来确定h min。为确保泵正常工作，根据有关标准，将所测定的 h min 加上 0.3 m 的安全量作为实际允许的汽蚀余量，记为 h 允许h 允许 =h min+0.3h 允许 是表示泵的吸上性能的两个参数之一，该参数由泵制造厂通过实验测定后附于产品样本中，于是泵的允许安装高度可根据 h 允许 按下式计算（2-2-26）例例gpz)es(fVa,S 3允许吸上真空度允许吸上真空度是表示泵的吸上性能的另一个参数，用 HS 表示。将大气压头与汽
14、蚀时泵入口处静压头之差称为最大吸上真空度，用 HS,max 表示，即HS,max= gpmin,ea同样地，实际允许的吸上真空度应比最大吸上真空度小，通常规定两者的差为 0.3m，即HS=HS,max-0.3HS 的数值也由泵制造厂家附于产品样本中，于是根据 HS 可由下式计算泵的允许安装高度（2-2-27）)es(f2eS, hguz例h 允许 与 HS 两者之间存在一定联系，比较式（2-2-26）和式（2-2-27）即可得出两者的关系（2-2-28）g2uhgpeVaS例由式（2-2-26）或式（2-2-27）均可求得 zS，允许 ，为确保正常操作，泵的实际安装高度 zS 应比 zS，允许
15、 小 0.51m。4. 实际操作条件下 HS 的校正应当强调指出：离心泵的 h 允许 和 HS 是在规定条件下测得的数值，这些条件为：实验介质为水，水温 20C，压力为 1.013105。当实际操作条件偏离规定条件时，应当进行校正，校正式如下14（2-2-29）10)24.g10p()3.10(HVSS式中 pS 为实际操作条件下吸入口液面上的实际压力，如敞口液面，p S 为当地大气压，如为封口贮槽，则为液面上贮槽压力；p V 为被输送的液体在操作温度下的饱和蒸汽压。解释式(2-2-29)的由来和含义：式中中括号内第二项为对液面压力的修正；第三项为对液体饱和蒸汽压力的修正；中括号外为对密度的修正，1000 为规定条件下 20C 水的密度， 为被输送的实际液体的密度；H S 为泵样本上按规定条件测得的允许吸上真空度；H S 为修正后的允许吸上真空度。八离心泵的选择，安装和操作1.选择（1）确定输送系统的流量和压头流量按生产条件确定，有变化时按最大流量计算，根据实际的输送管路计算在最大流量下管路所需的压头（利用管路特性方程） 。（2）选择泵的类型与型号类型：根据操作条件确定。型号：按实际需要选
