离心泵设计讲解

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1、4泵（Pump）主讲内容4泵4.1 泵的分类、特点、结构、工作原理4.2 泵叶轮上能量计算、伯努利方程应用4.3 离心泵的吸入特性、气蚀原理、相似理论4.4 其他泵类结构、工作原理、选泵4. 泵Pump4.1 概 述泵用来输送液体的叶轮机械。即把机械能转换为液体能的叶轮机械。vane pump 叶轮式 （透平式）（ 一）泵的种类 离心式 centrifugal pump 轴流式 axial-fiow pump 混流式 mixed-flow pump 旋涡式 turbulence pumpturbine 往复式：活塞泵；柱塞泵；隔膜泵泵 容积式彳 回转式：齿轮泵；螺杆泵；滑片泵；罗茨泵；L滚动活

2、塞泵；摇摆转子泵；J其他类型：喷射泵；震动泵；水锤泵；真空泵；酸蛋泵的种类很多，应用面很广，属于通用机械，各部门都离不开泵，特别是离心泵。如：水 利、农业、化工、石油、采矿、造船、城市、环保、医药、卫生、军事、交通、各类厂矿等 其中离心泵占 95%以上。一.离心泵的工作原理 与离心式压缩机工作原理相同。 靠叶轮的高速旋转，由叶片拨动液体旋转，使液体产生离心力，离心力使液体产生动 能和压能，实现机械能向液压能（液力能）的转化。 吸入原理：叶轮中心被吸空后，形成真空，液体在外界大气压力的作用下，推动液体沿 吸入管进入泵轮。二.离心泵的特点优点： 排量大、平稳均匀。 结构简单、紧凑，尺寸小，重量轻。

3、制造安装成本低。 易损件少，检修、管理和使用方便。 可与高速电机直接驱动，速度越高，压头越高。 容易实现多级，满足高压头。缺点：（1）不适应小流量工况。 同功率下没有往复式泵的压力高。 输送高粘度、含砂、杂质液体的问题多。 泵吸入管与泵腔内需要灌满液体后启动。女如高压水泵：11级，H=2300 m 电动潜油离心泵： 180、 201、 330、 453、 526 级， H=20003500 m。 高速泵 ：n=10000 r/min , 单级扬程： H=1150 mn=25000 r/min , 单级扬程： H=1760 m（三） 离心泵的分类1. 按叶轮数目分： 单级泵：悬臂式单叶轮结构 多

4、级泵： 2526 个叶轮。2. 按吸入方式分： 单吸式：一个吸入口。 双吸式：二个吸入口。3. 按扬程分（压力分）： 低压泵： H 20 m 水柱 （ p 160 m 水柱 （ p 1.6 Mpa） 。4. 按用途分：清水泵、污水泵、酸泵、减泵、热油泵、稠油泵5. 其他：卧式泵、立式泵、斜式泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵、潜水泵等。 四） 离心泵的主要结构普通离心泵结构： 泵壳蜗壳轴叶轮盘根密封吸入管排出管轴支架等。1）.叶轮：闭式叶轮清水泵 半开式叶轮污水泵、稠油泵、砂泵、高速泵、部分流泵 开式叶轮轴流泵。双吸叶轮双吸清水泵。2）. 密封装置： 叶轮与壳体吸入口之间： 平接密封环式 泵壳与轴之间

5、：（属于外泄漏）填料密封式。石棉绳填料；石墨浸石棉填料。 机械密封。端面动、静环接触式密封。分：内装式；外装式属于内泄漏）迷宫式密封环式3）.轴向力平衡装置轴向力的产生：由于吸入口压力 p1 与叶轮出口压力 p2 不同。p1 p2叶轮盖板前后形成一个轴向力：叮 P11多级泵的轴向力：F = Z-FZ：为级数。轴单 轴向力会引起轴窜动、叶轮磨损。常见轴向力平衡方式：单级泵： 平衡孔：叶轮后盖钻几个孔，使中心处压力相等。 平衡管：叶轮背部中心与泵吸入口用管子联同，使压力相等。叶轮后盖径向筋板（小叶片）：把背部液体打走，形成真空。 多级泵：叶轮背靠背排列：如双吸式叶轮。自动平衡盘：自动调节轴向压力，

6、达到平衡。平衡鼓： 无磨损，有泄漏。平衡盘与平衡鼓组合：泄漏少，能自动平衡轴向力。（ 4） . 离心泵的命名如：250 IS 30 At t t t150 D 60X5t tt t5 Y 57At ttt4.2.2 . 离心泵的主要性能参数主要参数：q、H、N、n、n（1） 流量 q：定义：泵在单位时间内输送出去的液体量。叫 （m3min，1S）体积流量：有效流量（排出流量）q单位：理论流量（吸入流量）q 单位：t质量流量：qm = q单位:毀，kgmin，%吸入流量： q二q +qtv式中：工q单位时间内泵的泄漏量（内、外泄漏）。2）扬程 H 定义：每单位重量液体从叶轮上所获得的有效能量。用

7、液柱高度表示的称扬程：H单位：米，m用压力表示的称为压头（能量头）：p单位：MPa , fN W mm2丿液体重度：丫 二 gp = 9.81 - p （kgf/3）水：Y 二 1000（kgf/3）泵的出口扬程，即泵的实际扬程为：H由伯努利方程：H二匕一pi +（z - z）+ -2一St（m）gp2 1 2g理论扬程：Ht二H +工片门 式中：工h 泵内液体摩擦阻力损失和冲击损失的总和。hyd （3）功率 N泵的功率 N 通常指泵轴上的输入功率，即：轴功率、铭牌功率、额定功率 轴功率 N定义：单位时间内原动机传递给泵主轴上的功。N=Ni +Nm = Ne /n式中： Nm 机械损失功率，包

8、括机械摩擦损失和轮阻损失。 有效功率： Ne 泵的输出功率，即单位时间内泵出口液体所获得的能量。N 二 Pv =沁e 103N =丝e 735103kW马力( PS )上式中各参数：扬程： H m，流量：qv, 压力： p MPa密度：p 重力加速度：g=9.81 内功率 Ni 也叫水力功率、叶轮功率。翌空 kW 1034) 效率 泵内效率分为 泵的总效率：容积效率n v、N耳.耳二hyd m N单位时间内叶轮传给液体的能量。水力效率n hyd、机械效率n mec。 容积效率n v :衡量泵泄漏所造成的能量损失。耳=红=1-勺水力效率n.：衡量泵内液体沿程摩擦和冲击所造成的能力损失。hydHs

9、h二 1 hydHHtt 机械效率n m :衡量泵内机械摩擦和轮阻所造成的能量损失。NN耳 i 1 mm N Nnhyd5) 转速 n 泵主轴转速，即叶轮的转速。 直联电机时，泵转速及为电机转速。常用电机：n=18002900 r/min (转/分，rpm)(6)允许汽蚀余量NPSH衡量泵吸入性能的抗汽蚀能力，用来标定泵的安装高度。4.2.3 离心泵的基本方程式一 . 泵叶轮进、出口速度三角形1 . 进出口速度三角形c=u+w绝对速度： C2 = C2 + C21 1r 1u分速度：c = c sim c = c cona1r 1 1 1u 1 1径向分速度：c二Q二qir F 兀D B申1

10、1 1圆周速度： u1160式中：q叶片厚度对断面影响系数。取P =0.90.95。q 理论流量（设计流量）。2. 叶轮出口速度三角形 c2=u2+w2绝对速度： c2c 2 + c 222r2u分速度： c =c sinac c cona2r222u22径向分速度：qc q2rF兀D b q222周向分速度：c u - c cTgP 纟ctsa2u22 R2兀D b q222圆周速度： u兀D n 2P P26022A相对速度：Wcq12 sin P兀D b q sin P2 2 2 2A.c2 = u2 + W2 - 2u w conP2 2 2 2 2 2二. 离心泵的基本方程欧拉方程式

11、利用动量矩定理推导出基本方程式欧拉方程式。理论能量头：L = u c -u cTs2 2u 1 lu理论扬程：HTsu c -u c22u1lu-g物理方程： HTsu2 -u22 1 +2gw2 - w212g2g欧拉涡轮方程表述了叶轮对单位重量液体所作的功。1. 理论流量下无限多叶片扬程： （额定流量下）液体进入叶轮无预旋、无冲击，沿叶道径向进入叶轮。此时： c = c1 r 1. c = c cona = 01u11理论扬程：ucTs由出口速度三角形：conPc = u - c .22u8 2 2r sin p=u 一 c CtgP2 2r2c2rctg卩2丿理论扬程：U2g ICtgP

12、U2丿22.有限叶片的理论扬程考虑叶片厚度造成叶道内产生轴向涡流，使周向分速度减小。根据斯陀道拉公式得：c = u - c ctgP-凹2 sin P2u 2 2r 2A Z2A2A丿U2=申 2 m2u g理论扬程：H = U2t1 - BctgP -sin P u 2A Z2(c A能量头系数：p= 1 -srctgP-一sinP2u I u2A Z 2A 丿2泵出口扬程(有效扬程)： H = H - h mt hyd泵内流动损失：h = h + h = a - q2 mhyd m sh式中： h - -摩擦阻力损失mh - - 局部阻力损失sh水力效率：nhydH - ht hydHtt

13、. h =n hhyd t三. 工程中测定泵有效扬程泵的理论扬程 Ht 是叶轮上的扬程，即叶轮实际输给液体的能量。泵出口扬程（泵有效扬程）：H =Ht - hhdhydhhyd 泵内流动阻力损失。hyd当水力效率和泵内流动阻力损失hhd不知道或无法测定时，可在泵的进出口安装压力表，用压hyd力表读书来计算出泵的有效扬程。由伯努利方程：H = PD 一 pc +AZ + 丄(C2 - C2)mPg2g D c式中：出口压力上式变换p , p - - -泵进、出口绝对压力。 cDAZ - - -泵进、出口压力表高差。C ,C - -泵进、出口液体流速 cD为实测值，内包含了 hhyd内容。H =你

14、 _ 匕 + 匕 _ 匕 +AZ + 丄(C2 - (C )mPg2g D CH = P表 + “真 +AZ + (C2 -C2)m式中：泵出口表压力数。p = p -p表 Da-泵进口真空表压力数。p = p -p 士aCp表p 丄真真皆为表的实际读数p大气压力）。a若泵的进出口流速取相等： CC =CD（如进出口流道直径相同）Pg2g D C则：H二卩表+ 真+AZPg四。泵管路系统扬程计算进出口管路中存在较大的流动阻力损失。管路与泵组成一个输液系统管路中总的流动损失：选B正灼正瓷A iA伯努利方程：H = + AZ +C2 C2 YhmPg2 g B A AB式中：p , p 吸液面、排

15、液面上的肋，PA BaAZ吸排液面的高差，mq 吸液面，排液面的升卩速度，呎Yh从吸液面到排液面整管路流动损失，mAB1）液面上皆为大气压时：p =p = p ABaH = AZ + 1 匕-C2)+Yhm2 gB AAB2）吸排液面较大，液面升降速度很小时：C = C = 0ABH 二 AZ + YhmAB（3） 进出口高差较小，如长距离输水AZ 二 0H =hmAB4）无泵系统0 = PB -PA +AZ + 丄（C2 -C2）+Xhmpg2 gB A AB如某一段压力输液管路：PA - PB =AZ + Z Q2 - C2 hhmpg2 g B AAB如水电站、虹吸管：AZ = Q2 -

16、C2Lhm2 gB A AB4.3 离心泵的吸入特性离心泵叶轮吸入口的吸入压力一般低于一个大气压，即吸入真空度。 吸入压力最低不得小于所吸液体的饱和蒸汽压（汽化压力），否则，泵吸入口会发生汽蚀现象。泵的吸入特性就是研究泵的允许吸入真空度，用来确定泵的安装高度。 饱和蒸汽压（汽化压力）：如水，水开始沸腾，有蒸汽泡出现（开始汽化），此时温度不变叫饱和温度；此时的水叫饱和水； 此时的蒸汽叫饱和蒸汽；此时的压力叫饱和蒸汽压力。一. 离心泵的汽蚀 离心泵叶轮吸入口压力最低为： pk 吸液面上压力为： pA（ pa）叶轮进口的吸入真空度：P = P - P （皆为绝对压力）真 A K某温度下液体的饱和蒸汽

17、压（汽化压力）为： pv当吸入口最低压力小于此液体的饱和蒸汽压时，便出现汽蚀。 p PKv 发生汽蚀的条件： 汽蚀特征：离心泵工作时出现特殊的噪音、震动、伴随排量和压头 下降，严重时排量中断。这种现象通常是泵内出现了汽蚀现象。 汽蚀过程（原理）：当 P pKv泵吸液的必要条件：p V pKA泵正常工作的充分和必要条件： P V p V pvKA二. 泵的汽蚀余量、安装高度液体被吸入泵内是由于： p V p（液面压力大于叶轮进口压力）KA即： p - p =Ap = pA K 真克服吸入管阻力损失，推动液体进入泵内。从液面A到泵叶轮吸入口 S建立伯努利方程：作 + z + cl + H =作 +

18、 Z + + Yh pgA 2gpgs 2gAS其中：Z 二Z -Z , c 二0, H = 0,ASs A A即：a二旦+zpg pg ASc2乂 + Zh2g AS式中：Cs、ps 泵叶轮吸口处液体流速和此处压力。Zsu 泵吸入高度（即泵安装高度）。工hsu 泵吸入管内流动阻力损失。上式可写为：匕严-ZhAsps - pv + 二 NPSHpg2ga汽蚀余量（有效汽蚀余量）：从叶轮吸入口压力 Ps 到饱和蒸汽压 Pv 之间的范围宽度加上流动动能影响 被称为汽蚀余量或有效汽蚀余量，用： NPSHa 表示。即：NPSHap psvpgc2+ s2g汽蚀余量的意义：标志泵抗汽蚀性能的好坏，它与吸

19、入管特性和液体的汽化压力有关；与泵本身无关。 最小汽蚀余量：泵本身所具有的抗汽蚀能力叫最小汽蚀余量。用： NPSHr它与泵的结构和液体流动状态有关；与管路特性无关。它是一个泵的特性参数，NPSHr越小表示泵抗汽蚀性能越好。NPSHr 值由泵厂家给出。 NPSHr二 AhrC1 + Zh2gk- AHK式中：AH 液体从叶轮进口到最低压力点K处所得到的能量头。KSh 泵叶轮进口到最低压力点K处的阻力损失。泵不汽蚀 开始发生汽蚀 严重汽蚀KNPSH NPSHarNPSH = NPSHarNPSH NPSHar安全系数：n=l.l1.3 许用汽蚀余量：NPSH= （1.11.3） NPSHr 离心泵

20、不发生汽蚀的条件：NPSHa三NPSH 泵的允许安装高度：由伯努利变换方程式得仏冒-叮込5或: Z PA - pv -nPSH -ShmASpgAS式中：NPSH一一许用汽蚀余量由泵铭牌上标出。20oC 清水：p = 2.337 kp va3OoC 清水：p = 4.24 kp va4OoC 清水：p = 7.375 kp va8OoC 清水：p = 47.00 kpva设计吸入管及吸入条件。（6）防止汽蚀的措施 两种方法：改进泵的结构形式或尺寸。一）改进泵的结构形式或尺寸 增大泵吸入口直径及叶轮叶片入口宽度和结构。 采用前置诱导轮，提高叶轮进口处吸入压力。 采用双吸式叶轮，使进口截面增大，流速减小。 合理设计叶片进口角度，减小流动损失。 采用抗汽蚀的材料，如不锈钢、稀土合金铸铁、高镍铬合金等二）.合理设计吸入管及吸入条件 降低泵安装高度，缩短吸入管线。 用大直径吸入管，去掉闸阀、弯头等，减少吸入管阻力。 增大液面压力，采用倒灌方式或其它灌注形式。