1、第一章 泵的基本理論第一節(jié) 葉片泵的分類及結(jié)構(gòu)形式一、 泵的定義泵是把原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體能量的機器。泵用來增加液體的位能、壓能、動能(高速液流 。原動 機通過泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn),對液體作功, 使其能量增加,從而使需要數(shù)量的液體, 由吸水池經(jīng)泵的過流部件輸 送到要求的高處或要求壓力的地方。二、 泵的分類離心泵 單級(單吸、雙吸、自吸、非自吸 多級(節(jié)段式、渦殼式 混流泵 渦殼泵、導葉式(固定葉片、可調(diào)葉片 軸流泵 固定葉片、可調(diào)葉片葉片式泵 旋渦泵單級、多級、自吸、非自吸 往復泵(活塞式、柱塞式蒸汽雙作用(單缸、雙缸 電動往復式單作用、雙作用(單缸、多缸 容 積 式 泵 轉(zhuǎn)子泵 螺桿式(單、

2、雙、三螺桿 ;齒輪式(內(nèi)嚙合、外嚙合 環(huán)流活塞式(內(nèi)環(huán)流、外環(huán)流 ;滑片式;凸輪式;軸向柱塞式;徑向柱塞式其 它類型泵射流泵;氣體揚水泵;水錘泵;電磁泵;水輪泵等 三、 泵的結(jié)構(gòu)形式葉片式泵按其結(jié)構(gòu)形式,分類如下:1、 按主軸方向(1 臥式:主軸水平放置;(2 立式:主軸垂直放置;(3 斜式:主軸傾斜放置。2、 按葉輪種類(1 離心式:裝離心式葉輪(2 混流式:裝混流式葉輪;(3 軸流式:裝軸流式葉輪;3、 按吸入方式(1 裝單吸葉輪;(2 裝雙吸葉輪;4、 按級數(shù)(1 單級:裝一個葉輪;(2 多級:同一根軸上裝兩個或兩個以上的葉輪。5、 按葉片安裝方法(1 可調(diào)葉片:葉輪葉片安放角可以調(diào)節(jié)的

3、結(jié)構(gòu);(2 固定葉片:葉輪葉片安放角是固定的結(jié)構(gòu)。6、 按殼體剖分方式(1 節(jié)段式:在分段式結(jié)構(gòu)形式中,每一級殼體都是分開式的;殼體按與主軸垂直的平面平分(2 中開式:殼體在通過軸中心線的平面上分開;(3 水平中開式:在中開式結(jié)構(gòu)中,剖分面是水平的;(4 垂直中開式:在中開式中, 剖分面是與水平面垂直的;(5 斜中開式:在中開式中,剖分面是傾斜的。7、 按泵體形式(1 渦殼式:葉輪排出側(cè)具有帶渦室的殼體;(2 雙渦殼式:葉輪排出側(cè)具有雙渦室的殼體;(3 透平式:帶導葉的離心式泵;(4 筒底座:內(nèi)殼體外裝有圓筒形狀的耐壓殼體;(5 雙層殼體式:指筒袋式之外的雙層殼體。8、 按泵體的支承方式(1

4、懸架式:泵體下有泵腳,固定在底座上,軸承體懸在一端;(2 托架式:軸承體下部固定在底座上,泵體被軸承體托起懸在一端;(3 中心支承式:泵體兩側(cè)在通過軸心的水平面上固定在底座上。9、 特殊結(jié)構(gòu)的葉片式泵(1 潛水電泵:驅(qū)動泵的電動機與泵一起放在水中使用的泵;(2 貫流式泵:泵體內(nèi)裝有電動機等驅(qū)動裝置;(3 屏蔽泵:泵與電動機直連(共用一根軸 ,電動機定子內(nèi)側(cè)裝有屏蔽套,以防液體進入定子;(4 磁力泵:電動機帶動外磁鋼旋轉(zhuǎn),通過磁感應使和泵葉輪連在一起的內(nèi)磁鋼旋轉(zhuǎn),內(nèi)外磁鋼間有隔 離套,完全杜絕液體外漏;(5 自吸式泵:泵再次起動時無需灌水的泵;(6 管道泵:泵作為管道的一部分,無需特別改變管路即

5、可安裝;(7 無堵塞泵:泵抽送液體中所含固體物質(zhì)不會在泵內(nèi)造成堵塞。(8第二節(jié) 泵的基本參數(shù)一、 流量 Q流量是泵在單位時間內(nèi)輸送出的液體量(體積或質(zhì)量 。分為體積流量Q( m3 /S,m3 /h, l/s和質(zhì)量流量Q m ( t/h, kg/s Qm = Q其中液體的密度(kg/m3 , t/ m3 二、 揚程 H揚程是泵所抽送的單位重量液體從泵進口處(泵進口法蘭到泵出口處(泵出口法蘭處能量的增值。也 就是牛頓液體通過泵獲得的有效能量。其單位是 N ·m/N=m, 即泵抽送液體的液柱高度,習慣簡稱為米。 H =Ed - ESEd 在泵出口處單位重量液體的重量(m ;ES 在泵進口處

6、單位重量液體的能量(m;2 單位重量液體的能量在水力學中稱為水頭。通常由壓力水頭 g p (m,速度水頭 g22(m和位置水頭 z(m 三部組成,即 d d d z v p d E+=2 s s s z v p Es +=2 因此 (222s s d s d z z g g p P H d += (1 1式中: pd 、 p s 泵出口、進口處液體的靜壓力;d 、s 泵出口、進口處液體的速度;z d 、z s 泵出口、進口到任選的測量基準面的距離。三、 轉(zhuǎn)速 n轉(zhuǎn)速是泵軸單位時間的轉(zhuǎn)數(shù),用符號 n 表示,單位 r/min.四、 汽蝕余量 NPSH汽蝕余量又叫凈正吸頭,是表示汽蝕性能主要參數(shù)。汽

7、蝕余量國內(nèi)曾用 h 表示。五、 功率和效率泵的功率通常指輸入功率,即原動機傳到泵軸上的功率,故又稱軸功率,用 P 表示。泵的有效功率 又稱輸出功率,用P e 表示。它是單位時間內(nèi)從泵中輸出去的液體在泵中獲得的有效能量。 (10001000kw gQH QH gQH P e = 式中: 泵輸送液體的密度(kg/m3;泵輸送液體的重度(N/ m3 ;Q泵的流量(m3/s; H泵的揚程;g 重力加速度(m/s2.泵的效率,用表示,即=P e /P第三節(jié) 液體在葉輪中的運動分析一、 葉輪的幾何形狀及其表示方法 a 閉式葉輪 b半開式葉輪 c開式葉輪 d圓柱形葉片 e扭曲葉片水力機械的過流部分采用相應的

8、平面和軸面投影來表示。1、 平面投影和一般機械制圖的側(cè)視圖相同。 在平面投影上反映徑向和圓周方向方位的形狀。 葉輪的平面投影可以從葉 輪前面或后面(包括去掉相應的蓋板去投視。2、 軸面投影軸面投影也就是圓弧投影, 它是將要表示的部分, 以軸心線上的對應點為圓心, 按其所在半徑沿圓弧投影 在一個軸面上。 葉輪的軸面投影就如同用一個軸面去切割葉輪, 因蓋板是軸對稱的, 其剖面就是其相對應的軸 面投影。但葉片,用圓弧投影的方法將葉片的所有部分投影在軸面上。設想,葉片是彈性材料作成的,葉片軸 面投影就是將葉片保持徑向尺寸不變,旋貼在軸面上。二、 液體在葉輪中的運動分析速度三角形(一 運動分析泵是液體和

9、機械相互作用的機器。 泵的特性是液體在泵內(nèi)運動情況的外部表現(xiàn)形式, 而運動情況是由過流 部分的幾何形狀決定的, 可見分析液體在泵內(nèi)的運動情況是確定泵特性和設計其它幾何形狀的基礎。 葉輪是泵 工作的核心,深入分析液體在葉輪中的運動尤其重要。葉輪本身的運動很簡單, 是隨軸的轉(zhuǎn)動, 液體則比較復雜。 一方面是隨葉輪旋轉(zhuǎn)的牽連運動, 另一方面是不斷 地從旋轉(zhuǎn)著的葉輪中流出,即相對于葉輪運動。(二 速度三角形速度三角形是研究沿流線流動的重要工具。 液體在通過葉輪的復合運動中牽連運動是葉輪的旋轉(zhuǎn)運動, 其 跡線是圓周;相對運動流線和葉片形狀相同;絕對運動可按平行四邊形法則確定。1、 圓周速度 u葉輪內(nèi)任意

10、點的圓周速度方向與所在點的圓周相切,其值按下式計算360nD u =式中, n轉(zhuǎn)速;D所求速度點的直徑。相對速度 w假定葉片無窮多則任意點的相對速度方向與該處的葉片表面切線方向一致, 故方向是已知的, 其大小, 暫 時不能確定。絕對速度 絕對速度是合成速度,方向和大小難以一下子看出來。因此將 分解成兩個互相垂直的分量,即m u v v +=v bR F c 。U是圓周分速度或絕對速度的圓周分量,方向和 u 相同;m 垂直于圓周速度 u,因為過一點 只能作出一個平面和給定的直線相垂直, 因此, 過這一點只有一個和速度 u 相垂直的平面。 又因為 u 和半徑相垂直,所以,此面就是軸面了。因為m 分

11、量位于軸面上,所以稱為軸面分速度或絕對速度的軸面分量。 圓周分速度u是一種圓周運動,大小和揚程相關(guān),與通過葉輪的流量無直接關(guān)系。軸面速度 m是液體沿軸面向葉輪出口流出的分量,與通過葉輪的流量 Qt 有關(guān)。20= 式中,F 0 過水斷面面積; b過水斷面形成線長度;R c 形成線重心半徑(計算方法見葉輪設計部分 。由于葉片的排擠,有效過水斷面 F 小于 F 0 ,假定葉片沿圓周方向的厚度為 Su ,葉片排擠系數(shù)按下式計 算4D zs D s t u u =1 式中, D計算點半徑; z葉片數(shù);s u 計算點葉片的圓周厚度。有效過水斷面為F= F 0軸面速度 m 可表示為b R Q F Q v c

12、 v t m 2=葉片進、出口邊的速度三角形葉片進口三角形圓周速度 u16011n D =u式中,D1 葉片進口處計算點的直徑。 軸面速度m1 1112b R Q Q c v t=1011F v m =式中,F01 葉片進口處垂直于過研究點軸面流線的過水斷面的面積; 1 葉片進口排擠系數(shù)。1D111zs u = 圓周分速度u1u1 是液體在葉片進口處的絕對速度的圓周分速度,其大小和葉輪前吸水室的形狀、大小有關(guān)。直錐形 吸水室,u1 =0,1 = m1 ,即1 垂直于 u1 。葉片出口速度三角形圓周速度 u2602n D =2u D2 出口處研究點的直徑。軸面速度 m222220122b R Q

13、 F Q v c v tm = 2221D zs u =相對速度 w2在葉片出口處液體相對速度, 由于受葉片約束的結(jié)果, 其方向決定于葉片的方向。 假設葉片為無窮多的時 候,w2 的方向與葉片出口表面切線方向一致,是固定不變的。根據(jù) u2 、 m2 和 w2的方向,可作出葉片出口處的速度三角形,這里假定:葉片數(shù)無窮多,和有限葉片 數(shù)相區(qū)別。第四節(jié) 泵的基本方程式泵的基本方程就是定量地表示液體流經(jīng)葉輪前后運動狀態(tài)的變化與葉輪傳給單位重量液體的能量(即理 論揚程之間的關(guān)系式,也就是泵理論揚程和計算公式。基本方程式可以用相對運動伯努利方程推得,也可用動量矩定理推得。動量矩定理比較簡單。力學中的動量矩

14、定理指出:支點系關(guān)于某一軸線的動量矩對時間的變化率, 等于作用在該質(zhì)點上的外力矩, 其表達式為:5 M d dL t=R dtv Q R mv L u t u 式中,M作用于質(zhì)點系的外力矩;dL在某一時間 dt 內(nèi)質(zhì)點系對某一軸線動量矩的變化;dt動量矩變化經(jīng)過的時間間隔。=dt R v R v Q dL u u t (1122= 因為: 由此: (1122R v R v Q dt dL u u t = 或 M M =又t t H gQ (11122R v R v Q H gQ u u t t t =M =由此(1122R v R v g u u H t =(1122u u v u v u 1

15、t g H = 通常u1=0, 所以221u t v u g =H 粗略估計揚程,可假設 ,則 225. 0u v u g 2u H t 22=u Rv2=為速度環(huán)量,故基本方程式還可以用速度環(huán)量來表示: 在流體力學中,稱 212=g H t式中,2 、1葉輪出口和進口的速度環(huán)量。第五節(jié) 泵的特性曲線及與幾何參數(shù)的關(guān)系(一泵的特性曲線泵內(nèi)運動參數(shù)之間存在著一定的聯(lián)系。 由葉輪內(nèi)液體的速度三角形可知, 對既定泵在一定轉(zhuǎn)速下, u(表 示揚程隨著 m (表示流量增加而減小。 因此,運動參數(shù)之間存在著相應的聯(lián)系,我們把曲線的形式表 示的泵性能參數(shù)的關(guān)系,稱之為泵的性能曲線(也叫特性曲線 。通常參數(shù)為

16、 Q,H,、NPSH、P 等等。 流量揚程曲線假定葉片為無窮多,作 HtQt 曲線 設u1 =0,由速度三角形可知, 2222222cot cot F Q u v u v t m u =22222b R F = 圖 1-1速度三角形 式中,F2葉輪出口有效過流面積( 將上式帶入基本方程t t t BQ A F u g = cot (2222Q u H對既定的泵,在一定轉(zhuǎn)速下,u2、F2、2是固定不變的,故 Ht 和 Qt 是一次方程的關(guān)系。泵的出口角 通常小于 90°, cot2為正值, 因此, Ht 隨流量的增大而減小。 當 Ht =0時, 因 02gu , 則 2cot 22F

17、u Q t =; 當 Qt=0時,g u H t 22=。 (2考慮到葉片數(shù)的影響,作 HtQt 曲線(2222ctg F Q u g u H t t =HtQt 的關(guān)系是一條直線。 g u H t 22=當 Qt =0時, 222ctg F u Q t =t t H gQ P =' 當 Ht=0時,圖 1-2 泵特性曲線的分析 (3考慮到泵內(nèi)的水力損失,作 HQt 曲線泵的實際揚程 H 等于泵的理論揚程減去泵內(nèi)的水力損失,即 H=Ht-h,泵內(nèi)的水力損失為從泵進口(吸入 法蘭處到出口(排除法蘭處間全部過流部分的水力損失。主要為葉輪和壓水室中的水力損失。分為三種: 從泵進口到出口流道的

18、摩擦損失; 葉輪、導葉或渦殼內(nèi)流動的擴散和彎曲損失; 葉輪、導葉(渦室等的沖擊損失(4考慮到容積損失,作 HQ 曲線容積損失在單級泵中主要是葉輪密封環(huán)處的泄漏。該泄漏和葉輪的理論揚程成正比。Q=Qt-q2 功率流量曲線對應 HtQt 曲線, 可求出輸入水力功率 , 并畫出 P' Qt 曲線。 軸功率為 P=P'+Pm機械損失功率 Pm 可以認為和流量無關(guān),為定值。在 P'Qt 縱坐標上加上 Pm,即得 PQt 曲線。求得各對應流量下的效率,即可畫出,畫出Q 曲線,按下式計算hm v e gQH P P P =圖 1-3 功率和效率曲線分析(二幾何參數(shù)對特性曲線的影響A

19、特性曲線的形式前面講了泵特性曲線的一般形式, 實際上泵特性曲線的形狀是多種多樣的, 大致可以分為三種形式 (圖 1-4圖 1-4 泵特性曲線(H-Q的形式a單調(diào)下降曲線 b平坦曲線 c駝峰曲線(1單調(diào)下降的特性曲線 在這種曲線中,Q=0時揚程最大(Hmax ,隨著流量增加,揚程逐步下降,每一個揚程對應一個流量,這是一種穩(wěn)定的揚程曲線。6(2駝峰(中高特性曲線 在這種曲線中,在流量 Q=0時揚程為 H0,隨著流量增加,揚程達到最大值 Hmax,而后隨流量增加,揚程下降。 在揚程高于 H0的中高部分, 每一個揚程對應兩個流量, 這是一種不穩(wěn)定特性曲線。(3平坦的特性曲線 這種曲線流量變化很大,而揚

20、程變化很小B 幾何參數(shù)對特性曲線的影響葉片進口安放角2由葉片出口速度三角形(圖 1-5可以看出,在其它條件不變的情況下,2越大,則u2越大,即泵的 揚程越高。 但是泵中用的2通常在 15°40°內(nèi)選擇,這是因為2對泵性能的影響是多方面的,不能只從一 個方面去看問題。下面具體分析2<90°(前彎葉片 、2=90°(直出口葉片 、2>90°(后彎葉片的三種葉片,研究2對對泵性能的影響,由圖 1-5可 以看出:2大,則u2大,即泵的揚程高。隨著2增大,葉片間流道彎曲嚴重(可能出現(xiàn) S 形 ,流道變短。因為葉輪出口面積是一定的,而且一 般出

21、口面積都大于進口面積,所以流道變短,相鄰葉片間流道的擴散角度變大,水力損失增加。(3 2增加,葉輪出口絕對速度2增加,u2增加,動揚程增大。液體在葉輪7 和壓水室中的水力損失增加。理論揚程(g u H u t 22=g H H u t i d 2 1(22= 、動揚程( 、勢揚程 (g H H u t p 222=2221u v u i = 、反擊系數(shù)(隨2的變化如圖 1-6所示。圖 1-5 葉片出口角2對泵性能的影響2<90° b2<90° c2>90°(4 流量揚程曲線的形狀cot (2222F Q u g u H t t =2<90&

22、#176;,cot2為正值,Qt 增加則 Ht 減小,Ht-Qt 是下降的直線;2=90°,cot2=0,Ht-Qt 是一水平直線;2>90°,cot2為負值,Ht-Qt 是一上升的直線由于沖擊損失所致,從 Ht-Qt 曲線變?yōu)?H-Q 曲線時,2越大,H-Q 曲線中間越容易出現(xiàn)最大值,即成為 駝峰(中高曲線。這種特性曲線是泵不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的內(nèi)在因素,在有些情況下是不能使用的。(5 功率曲線的形狀 11( 2' =P cot (222=F Q u g u gQ H gQ t tt t2<90° P -Qt 是一條有極值的曲線;2=90°

23、P -Qt 是上升的直線;2>90° P -Qt 是上升的曲線.從運轉(zhuǎn)的角度希望功率曲線是平滑有極值的曲線,即2小于 90°的曲線.。因為平滑,流量變化時原動機功率變化不大;因為有極值,當所選原動機功率大于該值時,就不會因泵流量變化而引起原動機過載的問題。葉輪外徑 D2 圖 1-6 葉輪反擊系數(shù)和2角的關(guān)系 cot (222F u g t =2Q u H t當 Qt 為 0時,關(guān)死點揚程 g g 260n D u H 2222220=隨 D2增加而增加(圖 1-7a 。葉片出口寬度 b2、排擠系數(shù)2設2<90°,由圖 1-2,揚程特性曲線的斜率2222

24、2222cot cot /gF u F u g u tg =21(=cot 60cot 6022222222=gb n b gD n D 由此,b2越大, 角越小,曲線越平(圖 1-7b 。我們知道,理論揚程曲線平,實際揚程曲線容易出現(xiàn)駝峰,所以為了消除駝峰或增加曲線的斜度,應減小出口寬度 b2。2越大,即葉片薄排擠小時, 值小曲線變平(圖 1-7c 。 對低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪,滑移系數(shù)為:212 /(1 601(1R R z a +=12 R1葉輪進口處半徑; R2葉輪外圓半徑; Z 葉片數(shù); 8 經(jīng)驗系數(shù);601(2+=a a 與泵結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)對導葉式壓水室 a=0.6 對渦殼式壓水室

25、a=0.650.85對環(huán)形壓水室 a=0.851.0當雷諾數(shù)小,粗糙度大,葉片數(shù)少時,取 a 范圍中的大值。2是葉片出口安放角。由上式可知 ,轉(zhuǎn)速越高,關(guān)死點揚程 H0越大,曲線越陡(圖 1-7d 。圖 1-7 葉輪外徑、出口寬度、排擠系數(shù)、轉(zhuǎn)速對特性曲線的影響a葉輪外徑 D2 b葉輪出口寬度 b2 c排擠系數(shù)2 d轉(zhuǎn)速 n修削葉片進出口部分圖 1-8 修削葉片進出口部分對性能的影響修削葉片出口部分工作面(上修 ,對性能幾乎無影響。修削葉片出口部分背面(下修 ,通常會使性能得到改善:(1最高效率稍有提高; (2在相同流量下m2減小,u2增加,因而泵的揚程提高(約 2%5% (圖 1-8b ;

26、(3在相同的揚程(u2下,泵的流量增 加(約 5%10% (圖 1-8c 。性能改善的原因:(1增大葉片進口角和相鄰葉片間出口的開口面積 F; (2 由于葉片出口部分背面角度增加,改善了因有限葉片數(shù)造成的流動偏離和速度分布的不均勻性。修削葉片進口工作面,能增加葉片進口角,增加葉片間進口的開口面積, 從而改善泵的抗汽蝕性能。如圖 1-8d 可見,修葉片進口工作面后,1角增加,進口開口面積增加,m1減小。圖保持原流量不變,沖角減 小,會在葉片背面產(chǎn)生脫流,但m1減小對汽蝕的有利因素遠比前者之不利因素大。修銼葉片進口背面,只改善葉片進口局部的形狀,對性能影響不大。由上述,在設計時,應對葉片出口背 面

27、的形狀,予以足夠的重視。第六節(jié) 汽蝕(一概述液體在一定溫度下, 降低壓力至該溫度下的汽化壓力時, 液體便產(chǎn)生氣泡。 把這種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象稱之為 汽蝕。泵內(nèi)汽蝕的過程泵在運轉(zhuǎn)中,若其過流部件的局部區(qū)域(通常是葉輪葉片進口稍后的某處 ,因為某種原因,抽送液體的 絕對壓力下降到當時溫度下的汽化壓力時,液體便在該處開始汽化, 產(chǎn)生蒸汽, 形成氣泡。這些氣泡隨液體向 前流動,至某高壓處時,氣泡周圍的高壓液體,致使氣泡急遽地縮小至破裂(凝結(jié) 。在氣泡凝結(jié)的同時,液 體質(zhì)點將以高速填充空穴,發(fā)生撞擊形成水擊。這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上將使過流部件受到腐蝕破壞。 泵汽蝕時產(chǎn)生的現(xiàn)象產(chǎn)生噪聲和振動流部件的腐蝕破壞實

28、踐證明,汽蝕腐蝕破壞處,正是氣泡消失之處。葉輪出口和壓水室進口部位常發(fā)現(xiàn)破壞痕跡, 但汽蝕的 發(fā)源地是葉輪進口處, 根治汽蝕必須防止進口處產(chǎn)生氣泡。 汽蝕除機械作用外, 還伴有電解、 化學腐蝕等多種 復雜的作用。c、 性能下降泵汽蝕時, 葉輪內(nèi)液體的能量交換受到干擾和破壞, 在外特性上表現(xiàn)為流量揚程曲線、 流量軸功率曲 線、流量效率曲線下降。不同形式的泵, 由汽蝕引起性能下降的形式不同。 低比轉(zhuǎn)數(shù)泵流道窄長, 氣泡易于充滿整個流道, 所以性 能曲線突然下降。 隨著比轉(zhuǎn)數(shù)增大,流道向?qū)捄投贪l(fā)展,氣泡需要一定時間才能充滿整個流道, 相應的泵的性 能為先緩降,后到某一流量時,急劇下降。多級泵,因汽蝕

29、總發(fā)生在首級,故性能曲線下降比單級泵小。軸流 泵葉片少,葉片間重疊小,總有一部分處于高壓作用,因而性能曲線在整個范圍內(nèi)只是緩慢下降。泵汽蝕的計算方法幾種概念NPSH a 裝置汽蝕余量又叫有效的汽蝕余量。是由吸入裝置提供的,NPSH a 越大泵越不易發(fā)生汽蝕; NPSH r 泵汽蝕余量又叫必需的汽蝕余量,是規(guī)定泵要達到的汽蝕性能參數(shù),NPSH r 越小,泵的抗汽蝕 性能越好;NPSH t實驗汽蝕余量,是汽蝕實驗時算出的值,實驗汽蝕余量有任意多個,但對應泵性能下降一定值的 實驗汽蝕余量只有一個,稱為臨界汽蝕余量,NPSH t 表示。NPSH許用汽蝕余量,這是確定泵使用條件(如安裝高度用的汽蝕余量,

30、它應大于臨界汽蝕余量,以 保證泵運行時不發(fā)生汽蝕。通常取NPSH=(1.11.5NPSH c 或NPSH= NPSH c +k , k是安全值。 這些汽蝕余量有如下關(guān)系:NPSH c < NPSH r <NPSH< NPSH a 汽蝕余量的計算g w g v NPSH r 222020+=式中, 0葉片進口稍前的絕對速度;w0葉片進口稍前的相對速度; 葉片進口壓降系數(shù)。1(20=w w k 值用 k 點和葉片進口稍前的相對速度比值來表示值主要由實驗求得。越小,進口壓力越小,越不容易發(fā)生汽蝕,所以泵的抗蝕性能越好。9c、汽蝕相似定律NPSH r 可以表示某臺泵的汽蝕性能。在此基

31、礎上,可以找到一系列幾何相似的泵在相似工況下汽蝕性能 之間的關(guān)系,稱之為汽蝕相似定律。可以用來解決相似泵(不同轉(zhuǎn)速、尺寸間汽蝕余量 NPSH r 之間的換算 問題。幾何相似的泵, 在相似的工況下, 模型泵和實型泵的汽蝕余量之比等于模型泵和實型泵的轉(zhuǎn)速和尺寸乘積 的平方比。如下:22 (n D NPSH M M M r =n D NPSH r汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) C與比轉(zhuǎn)數(shù)類似,可以推導出泵汽蝕相似準則汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) C。對于幾何相似的泵,在相似的工況下,由汽蝕相似定律 10 常數(shù) =2(Dn NPSH r 由泵的相似定律 常數(shù) =n D Q 3 常數(shù) =4/362. 5r NPSH n 可得令常數(shù)為 C,并

32、稱之為汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù),則 4/362. 5r NPSH n C =4/362. 5r NPSH Q n C = 對雙吸泵C值可以作為抗汽蝕性能的好壞。C 值越大,泵的抗汽蝕性能越好。對抗汽蝕性能要求高的泵 C=10001600對兼顧效率和抗汽蝕性能的泵 C=8001000對抗汽蝕性能要求不作考慮主要考慮提高效率的泵 C=600800相似理論及葉輪切割定律一、相似定律泵的相似理論可以把模型泵換算到實型泵上,但兩個液流力學相似必須滿足三個條件:A、幾何相似,即模型和實型的對應角度相等,對應線性尺寸的比值相同。以力學相似為前提。B、運動相似,即模型和實型過流部分相應點液體的速度比值相同,這是幾何相似和動

33、力相似的必然結(jié)果。C、動力相似,即模型和實型過流部分相應點液體的對應力的比值相同,也就是流動所受的外部作用力 F 和流體在外力作用下因本身質(zhì)量引起的慣性力 Fi 的比值相同。該比值稱為牛頓數(shù),用 Ne 表示。e N maF = 二、 實型泵和模型泵之間的關(guān)系,我們推導出了相似定律:1、第一相似定律實型泵和模型泵之間的關(guān)系 由推導可得vM vMM M M n n D D Q Q 322 (= 即對于幾何相似的泵, 在相似的運轉(zhuǎn)工況下, 其流量之比與葉輪外徑三次成正比, 與其轉(zhuǎn)速一次方成正比, 與其容積效率成正比。2、第二相似定律實型泵和模型泵揚程之間的關(guān)系 推導得:h hMM M M n n D

34、 D H H 222( (=2 即對于幾何相似的泵, 在相似的運轉(zhuǎn)工況下, 其揚程之比與其葉輪外徑的平方成正比, 與其轉(zhuǎn)速的平方成 正比,與其水力效率成正比。 第三定律模型泵和實型泵軸功率之間的關(guān)系( (5223M M M M D D n n P P = 推導得:但實型泵和模型泵尺寸、轉(zhuǎn)速相差較大時,效率將有明顯差別,需要修正。三、切割定律在實際應用中,若用戶要求的性能低于已有泵的性能,或泵出廠實驗結(jié)果流量、揚程偏高以及同一臺泵裝 幾種不同直徑的葉輪提高產(chǎn)品的通用性,可以用切割葉輪外徑作為解決問題的方法。 一般離心泵葉輪設 b'2 >b2,切割前后葉輪出口面積相等,出口角相等,即

35、D2b2=D'2b'2,2='2,則 112222D b D v m ' 2' 2' 22'D b D v QQ m = 即Q Q D D ' 2' 2=2' 2' 2' 2'(D D v u v u H H u =222u 即 H H D D ' 2' 2= 32' 2'(D D PP =2' 2P P D D = 即圖 1-9 葉輪外徑切割及其性能變化a低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪 b高比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪 c速度三角形 d切割線和切割拋物線 2、 低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪對于低

36、比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪(Dj/D2<0.6 ,當切割量 D ' 2 /D2<0.9的情況下,可以認為2=' 2 , b2=b' 2 , 切割前后的速度三角形相似,則22' 2222' 2' 22' (D D b D v b D v Q Q m m =Q Q D D ' 2' 2= 2' 2' 2' 2' (D D v u v u H H u =H H D D ' 2' 2=222u 即42'2' (D D P P =' 2' 2P P D D

37、= 即 推導得 H=KQ 混流式葉輪混流泵 ns 大,Dj/D2變大,因切割后 Q、m1減小,要保證高效率,'1不應改變,于是進口速度三 角形中的u1增加 (圖 1-10 , 將減小泵的揚程. 這種趨勢在小流量區(qū)域很強,將容易使切割后的特性曲線出 現(xiàn)駝峰.有時,采用斜切葉輪外徑的方法,使前后流線長度之差減小,來消除曲線的駝峰.圖 1-10 葉輪外徑切割前后 圖 1-11 葉輪外徑切割方式的進口速度三角形 a 斜切式 b平行切割 斜流泵當切割量 D2/D2m3%時,可以使用前述的公式,通常都進行斜切(和出口邊平行葉輪應分兩次或幾次逐漸切割, 每次切割后必須進行實驗,葉輪外徑切割后, 破化

38、了幾何相似條件,工況 相似也無從談起。所以,切割線(拋物線和相似拋物線盡管形狀相同,但它不是相似工況點的連線,也不是 等效曲線和等比轉(zhuǎn)數(shù)曲線。切割后,通常效率有所提高。一般來說,切割量不大時,可認為效率相等。隨著切 割量增加,效率將下降,尤其是高比轉(zhuǎn)數(shù)泵更為嚴重。葉輪允許切割量和 ns 有關(guān)。 (表 1-1 第八節(jié) 比轉(zhuǎn)速和型譜分布 一、比轉(zhuǎn)速由相似定律可知,我們可以用一個綜合數(shù)據(jù)來衡量 一系列幾何相似的泵之間的泵性能特征,叫比轉(zhuǎn)速或 比速,用 ns4/365. 3H n n s =Qm3/s (對雙吸泵取 Q/2; Hm(對多級泵取單級揚程 nr/min 關(guān)于比轉(zhuǎn)數(shù)的幾點說明:同一臺泵在不同

39、工況下具有不同的 ns 值,作為相似準則的 ns 是指對應最高效率點工況下的值。 比轉(zhuǎn)數(shù)是根據(jù)相似理論推得的, 即說幾何相似的泵在相似工況下 ns 值相等, 反之也成立。 但不是說 ns 的 泵,幾何形狀一定相似。因為 ns 是泵幾何相似的準則,所以可以按 ns 對泵進行分類;又因為 ns 是運動相似的準則,所以又可 按 ns 對泵特性曲線的趨勢進行分類。 (二泵的型譜根據(jù)切割定律可知通過切割葉輪外徑或改變轉(zhuǎn)速可以擴大泵的工作范圍, 從而滿足不同用戶的需求, 但最 高效率點很難正好吻合,所以,我們規(guī)定一個范圍(通常以效率下降 5%8%為界來代表一臺泵的性能。這 個范圍稱為泵的工作范圍。把許多泵

40、的工作范圍畫在一張坐標圖中,稱為型譜。每種系列的泵有一個型譜。 系列是指同一結(jié)構(gòu)或同一用途。 區(qū)別于規(guī)格, 規(guī)格是指同一系列中尺寸和性能 不同的泵。型譜既可供用戶選擇需要的泵,又可指出新產(chǎn)品的發(fā)展方向。 表 比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪形狀和性能曲線的關(guān)系 12揚 程 功 率 曲 線特點 關(guān)死揚程為設計工況的 1.11.3倍,揚程隨流量減小而增加,變化比較緩慢關(guān)死揚程為設計 工況的 1.51.8倍,揚程隨流量 減少而增加,變化較急關(guān)死揚程為設計 工況的 2倍左右, 小流量處出現(xiàn)馬 鞍形流 量 功 率 曲 線特點 關(guān)死功率較小,軸功率隨流量增加而上升流量變化時,軸 功率變化較少關(guān)死點功率最大, 設計工況點附近

41、變化較少, 以后軸 功率隨著流量增 大而下降 流 量 效 率 曲 線 比較平坦 比軸流泵平坦急速上升后, 又急 速下降第九節(jié) 泵組運行規(guī)律一、泵的運轉(zhuǎn)工況點把單位重量液體從吸水池液面送到排水池液面需要的能量稱之為裝置揚程,用 Hz 表示。裝置揚程由幾何 高度 ha(位能 、壓力差(pt-pc/g(壓能和整個裝置管路系統(tǒng)(泵除外的水力損失h 三部分組成。+=hgp p h Hct a z 水力損失h 為沿程損失和局部損失之和222KQ g g d h =+=22v v L 吸入液面到排出液面的幾何高度 ha 又稱為實揚 程或凈揚程。將式帶入式中,可畫出 Hz 與流量的關(guān)系曲線,稱為裝置特性曲線或

42、管路阻力曲線。將泵特性曲線和 裝置特性曲線畫在同一張圖上,其交點就是泵的運轉(zhuǎn)工況點。圖 1-13 泵運轉(zhuǎn)特性a泵裝置 b裝置特性曲線 c泵運轉(zhuǎn)工況點二、泵的串聯(lián)和并聯(lián)運轉(zhuǎn) 1、 同特性泵的串聯(lián)運轉(zhuǎn)圖 1-14,H1(H2是單臺泵的特性曲線。H3是兩臺串聯(lián)泵工作時的合成曲線。 它是在同一流量下,兩泵相應揚程相加得 到的。R 是裝置特性曲線。單臺泵運轉(zhuǎn)工 況點為 A,兩泵串聯(lián)時的工況點為 B,由圖可知兩泵串聯(lián)揚程和流量都有增加,其增加 圖 1-14 兩臺相同特性的泵的串聯(lián)運轉(zhuǎn) 程度和裝置特性曲線的形狀有關(guān),但都小于其單獨運轉(zhuǎn)時的兩倍。132、不同特性泵的串聯(lián)運轉(zhuǎn)圖 1-15中,H、H為兩泵單獨運轉(zhuǎn)

43、時的特性曲線,H是串聯(lián)合成曲線。R1和 R2是兩條裝置特性曲線。 當裝置特性曲線為 R1時,合成工況點為 A,兩泵的工況點分別為 A1、A2。如果裝置特性曲線為 R2時,合成工 況點為 B。當阻力曲線在 R2以下時,其運轉(zhuǎn)狀態(tài)是不合理的。在 Q>QB時,兩泵合成的揚程小于泵的揚程.若 泵作為串聯(lián)工作的第二級,則泵變?yōu)楸梦雮?cè)阻力,使泵吸入條件變壞,有可能汽蝕。若把泵作為串 聯(lián)工作的第二級,則泵變?yōu)楸门懦鰝?cè)的阻力,消耗一部分泵的揚程。兩臺泵串聯(lián)工作, 第二級的壓力增高,應注意校核軸封和殼體強度的可靠性, 泵串聯(lián)工作,按相同的流量分配 揚程。3、相同特性泵的并聯(lián)運轉(zhuǎn)圖 1-16中,若 H(H

44、是單獨一臺泵的特性曲線。H是兩泵并聯(lián)合成的特性曲線,則它是相同揚程下 兩泵流量相加得到的。4、兩臺不同特性泵的并聯(lián)運轉(zhuǎn)圖 1-17中,若 H和 H是兩泵單獨運行時的特性曲線,H是兩泵的合成曲線。當裝置特性曲線為 R1時,合成工況點為 A 點,實際兩泵的工況點為 B1和 B2點。其流量小于兩泵單獨運行時流量 Q'B1和 Q'B2之和。當裝置特性曲線為 R2時,關(guān)死點揚程低的泵,在流量為零的工況下運轉(zhuǎn)。這時泵消耗的功率使液體 加熱,有可能出現(xiàn)事故。如果泵無逆止閥,水將通過泵倒流,并引起該泵反轉(zhuǎn),由以上兩例可知,泵并聯(lián) 運轉(zhuǎn)按揚程相等分配流量。5、串聯(lián)、并聯(lián)的選擇圖 1-18中,H(

45、H為泵單獨運轉(zhuǎn)時的特性曲線,H為兩泵串聯(lián)合成特性曲線。H為兩臺泵并聯(lián)時 特性曲線。串聯(lián)和并聯(lián)合成特性曲線的交點 A 是確定兩種運轉(zhuǎn)方式的分界點。當裝置特性曲線為 A 點下方的 R1時,并聯(lián)合成工況點 A4較串聯(lián)合成工況點 A3的流量大;當裝置特性曲線為 A 點上方的 R2時, 串聯(lián)合成工況點 A2, 它比并聯(lián)合成工況點 A1的流量大。 因此, 欲使兩臺泵增加流量采用并 聯(lián)還是串聯(lián),要根據(jù)裝置特性曲線的形狀確定。當阻力曲線很陡,串聯(lián)的流量比并聯(lián)大。圖 1-15 兩臺不同特性的泵的串聯(lián)運轉(zhuǎn) 圖 1-16 兩臺相同特性泵的并聯(lián)運轉(zhuǎn)圖 1-17 兩臺不同特性泵的并聯(lián)運轉(zhuǎn) 圖 1-18 兩臺泵串、并聯(lián)運

46、轉(zhuǎn)的選擇三、向分支、匯合管路供水1、向阻力不同的串聯(lián)管路供水圖 1-19中,R1、R2為單獨管路的阻力曲線,R 是兩管路合成的阻力曲線(對應同一流量的縱坐標相同 ,M 點是泵的工況點。2、向阻力不同的分支管路供水圖 1-20中,RB、RC 是 AB 和 AC 的管路阻力曲線。當不計凈揚程時,合成的裝置特性曲線為 R,它是在同一 揚程下兩阻力曲線流量相加得到的。泵的工況點為 M,流量為 QM=QB+QC、QB 和 QC 是通過 AB、AC 的流量。14圖 1-19 向阻力不同的串聯(lián)管路供水 圖 1-20 向阻力不同的分支管路供水3、向阻力及凈揚程不同的分支管路供水圖 1-21中,RB 和 RC

47、是管路 AB、AC 的裝置特性曲線,R 是合成的裝置特性曲線,它是在同一揚程下,兩單 獨裝置特性曲線流量相加得到的。泵的工況點為 A,泵的流量 QA=QB+QC,通過 AB 管的流量為 QB,通過 AC 管 的流量為 QC。圖 1-21 向阻力及凈揚程不同的分支管路供水 圖 1-22 從一根管路向分支管路供水(Hp>hbd4、泵從一根管路向分支管路送水如圖 1-22所示,泵從 A 處吸水,經(jīng)一根管路 AB 把水送至 B 處,AB 間高度為 hAB。然后又 B 點經(jīng)兩條管路 向 C、D 兩處送水,C、D 兩處到 A 點的高度分別為 hAC 和 hAD。設 AB 間的阻力損失為 RA、BC

48、間為 RD。泵在 B 點的全水頭 (設想把泵移至 B 為 HB=H-hab-RA。圖 1-22中的點劃線所示。 該曲線就相當于泵在 B 點工作的流 量揚程曲線。為了確定泵是否同時向 C、D 兩處送水,我們假設水全部流入 C(因水首先向高度低的 C 處流 動 ,得到 RC 和 HB 的交點 P。若 P 點的揚程高于幾何高度 hBD,則水能同時流向 D,高的越多流的水量越多。 反之,P 點的揚程低于 hbd,水不能從 B 點流向 D、若 D 水槽有水則要向 B 處倒流。(1假設 Hp>hBD,從 B 點同時向 C、D 兩處供水現(xiàn)作出 RC、RD 兩管路的并聯(lián)合成曲線 R。R 和 HB 的交點

49、 E 是合成工況點。泵要按裝置揚程相等向各管路 分配流量,即泵向 C 和 D 供水的裝置相等。為此,從 E 點作水平線和 RC、RD 交于點 C、D,得到流向 C 的流量 QC,流向 D 的流量 QD。自 E 點向上引垂線交 H 曲線于 F 點,F 點是泵的工況點。圖 1-23 從一根管路向分支管路供水(HphBD 圖 1-24 兩臺泵經(jīng)兩根管路向一根合流管供水(2假設 Hphbd,則從 D 點向 B 倒流而后由 B 共同向 C 供水(圖 1-23 ,因為水從 D 向 B 倒流,這時 BD 管 路阻力曲線為RD=hbd-RBD作出 RD 與流量的關(guān)系曲線。 這時管路 AB 的流量等于 BC 和

50、 BD 中流量之差。 作 RC 和 RD 并聯(lián)合成曲線 (流 量向減R,R 和 HB 的交點 E 為合成工況點。由此點引水平線交 RD 于 D(得到流量 QB ;交 RC 于 C(得到流量 QC 。自 E 點向上引垂線交 H 曲線于 F 點,F 是泵的工況點。5、兩臺泵經(jīng)兩根管路向一根合流管送水15如圖 1-24所示, 兩臺泵分別從 A、 B 兩處吸水并經(jīng)兩根很長的管路把水送到 C 處, 由此經(jīng)一根管路把水送 至 D 處。分別以 A、B 水平面為基準,作泵 A 和泵 B 的特性曲線 HA 和 HB。從 HA 中減去 AC 管段的阻力損失, 得 HAC=HA-hAC-RAC, 并作出曲線 HAC

51、。 從 HB 中減去 BC 管段的阻力損失, 得 HBC=HB-hBC-RBC并作出 HBC 曲線。 這樣作相當于把兩臺泵移至 C 處。HAC、HBC 就相當于泵裝在 C 處時的各自特性曲線。作 HAC、HBC 并聯(lián)合成曲 線 H, 并作 CD 管段的阻力曲線 R、 R 和 H交于點 M。 從 M 點引水平線交 HAC 線于 A, 得到通過 AC 的流量 QA, 交 HBC 于 B 點,得到通過 BC 的流量 QB。 圖中,A' 、B'兩點是兩泵的工況點。6、從管路中分出部分流量圖 1-25中的 H 是泵的流量揚程曲線。假設不考慮凈揚程,RAB 是 AB 管段的阻力曲線。從 B

52、 點分出流量 Q3,從 Q3起作 BC 管段的阻力曲線 RBC,作 RBC、RAB 的串聯(lián)合成阻力曲線 R,R 和 H 曲線的交點 M 是泵的工況點。 圖 1-25 從管中分出部分流量的供水四、泵運轉(zhuǎn)工況點的調(diào)節(jié)改變泵運轉(zhuǎn)工況點稱為泵的調(diào)節(jié)。 泵的工況點是泵特性曲線和裝置特性曲線 (管路阻力曲線的交點。所 以,改變工況點有三種路徑:1、改變泵的特性曲線;2、改變裝置特性曲線;3、同時改變泵特性曲線和裝置 特性曲線(一改變泵特性曲線的方法轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切割葉輪外徑調(diào)節(jié)改變?nèi)~片角度調(diào)節(jié)改變前置導葉葉片角度的調(diào)節(jié)改變?nèi)~片前緣間隙的調(diào)節(jié)(二改變裝置特性曲線的方法閘閥調(diào)節(jié)液位調(diào)節(jié)旁路分流調(diào)節(jié)汽蝕調(diào)節(jié)駝峰特性曲

53、線在運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的問題a 單臺泵運轉(zhuǎn)時的不穩(wěn)定現(xiàn)象b 泵并聯(lián)時的不穩(wěn)定現(xiàn)象 圖 1-26 改變工況點的方法a 改變轉(zhuǎn)速 b改變?nèi)~輪直徑離心泵和混流泵的水力設計第一部分 葉輪的水力設計第一節(jié) 泵的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案的確定A、提供設計的數(shù)據(jù)和要求要求提供的數(shù)據(jù)主要有:流量、揚程、轉(zhuǎn)速(或由設計者自定 、裝置汽蝕余量(或裝置的使用條件 、效 率、介質(zhì)的性質(zhì)、對特性曲線的要求(平坦、陡降、是否允許有駝峰或在全揚程范圍內(nèi)運行B、確定泵的總體結(jié)構(gòu)形式和進口直徑1進口直徑泵進口直徑也叫吸入口徑,是指泵吸入法蘭處的內(nèi)徑。由合理的進口流速確定。一般為 3m/s左右。然后 按下式確定 Dsss v Q D 4=

54、泵出口直徑泵出口直徑,是指泵排出法蘭處管的內(nèi)徑。低揚程泵,排出口徑可和吸入直徑相同;高揚程泵,為減小泵 的體積和排出管路直徑,可取排出口直徑小于吸入口直徑,一般取:Dd=(10.7Ds其中,Dd、Ds泵的排出、吸入口徑。3泵速的確定確定泵速應考慮以下因素:16(1泵的轉(zhuǎn)速越高,泵的體積越小,重量越輕,應盡量選擇高的轉(zhuǎn)速;(2轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān),而比轉(zhuǎn)數(shù)和效率有關(guān),所以轉(zhuǎn)速應結(jié)合起來確定;(3確定轉(zhuǎn)速應考慮到原動機的類型;(4轉(zhuǎn)速增高,過流部件的磨損加快,機組的振動、噪音變大;(5提高泵的轉(zhuǎn)速受到汽蝕條件的限制,從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式 4/3r NPSH 62. 5n C =可知,轉(zhuǎn)速 n 和汽蝕基本參

55、數(shù) NPSHr 及 C 有關(guān)。應該按汽蝕條件確定泵轉(zhuǎn)速:選擇 C (或 , 給定裝置汽蝕余量 NPSHa, 或根據(jù)給定的裝置條件計算 NPSHa4計算比轉(zhuǎn)數(shù) ns,確定泵的水力方案4/365. 3H Q n n s =確定比轉(zhuǎn)速時應考慮下列因素:(1 ns=120210的區(qū)間,泵的效率最高,ns<60的效率顯著下降。(2采用單級葉輪,ns 過大時可考慮采用雙吸式,反之,采用雙吸式過小時,應改為單吸式;(3泵特性曲線的形狀也和 ns 的大小有關(guān);(4比轉(zhuǎn)數(shù)和泵的級數(shù)有關(guān),級數(shù)越多,ns 越大。5估算泵的效率在設計泵的時候,要根據(jù)同類產(chǎn)品,估算泵的效率,并根據(jù)不同情況進行修正。水力效率 水力效率按下式計算:3lg 0835. 01n Qh += 式中,Q泵的流量(m3/s(雙吸泵取 Q/2;n泵轉(zhuǎn)速(r/min容積效率3/268. 011+=s n v 該容積效率為只考慮到葉輪前密封環(huán)泄露的值,對于有平衡孔、級間泄露和平衡盤泄漏的情況,效率還應 該相應減低。機械效率p p p p p p P P P m m m m m 321321=m v h P P P P m m m 11= 軸承和填料的損失,一般不大,可根據(jù)具體情況按下式估算Pm1+Pm2=(0.010.03P功率大的泵取小值,功率小的泵取大值。所以就可以估算出泵的效率