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第二章 泵,庄毅 13501373771,本章基本要求,了解泵的类型、基本结构和工作原理，理解离心泵基本方程、相似定律和切割定律并学会性能参数相互换算，深入了解离心泵汽蚀产生的原因、类型和预防措施，掌握允许安装高度以及离心泵的工作方式和调节方法等，知道离心泵、轴流泵、混流泵、屏蔽泵、往复泵、喷射泵性能、特点以及它们启动、运行、调节、停止操作的不同要求，并学会泵的选择。同时对核电站回路几个主要大泵要有深刻的了解。共12-13课时,概述,泵在核电站的生产过程中，占有相当重要的位置，也是应用较多的机械设备之一。在大亚湾核电站的三个主要回路以及核辅助系统和非核辅助系统中，只要有液体输送（如水、各种料液及油品等）的地方，就离不开泵。如反应堆冷却剂回路的主泵、蒸汽回路的主给水泵、凝结水泵、循环冷却水系统的循环冷却泵以及核与非核辅助系统的高、低压安注泵、上充泵、安全壳喷淋泵、辅助给水泵、设备冷却水泵、废液输送泵、核岛重要生水泵、常规岛冷却水泵、分离段疏水泵、辅助冷却水泵、主油泵、润滑油泵、消防泵、生活上水泵、生活污水泵等等。在大亚湾核电站，根据各回路各系统的生产要求选用各种类型的泵，其中以离心式泵（包括混流泵）为最多。所用各类泵总的归纳起来有以下几种：1离心泵（单吸单级悬臂式离心泵；双吸单级离心泵；立式多级离心泵；多级分段式离心泵；潜水泵）。2混流泵和轴流泵3旋涡泵4容积式泵（往复泵；螺杆泵；齿轮泵；计量泵）。5喷射泵,反应堆冷却剂泵,主泵,主泵零件,主泵零件,用于快速增殖反应堆的液体金属泵,冷凝泵、高压溢流泵,余热排出泵,循环水泵、海水泵,核电站的反应堆给水泵,核电站的反应堆给水泵,核电站的反应堆给水泵,核电站的高压喷射泵,海水泵,增压泵,单吸扩散泵,水泥蜗壳泵,大亚湾核电站流程图和系统图中泵的图形符号和代码表示,泵的定义,流体机械汽轮机、水轮机、泵与风机等 汽轮机、水轮机把流体的热能和动能转变为机械能的动力设备。属发动机 泵与风机把机械能转变为流体(液体、气体)的势能和动能一种动力设备。,泵的功能,泵是将机械能转换为输送液体能的机器，具体功能有：1提升作用：提高液体势能（静压能）和动能（流速）即扬程。2抽吸作用：可将低液位贮槽或水池的液体吸入泵中即吸程。,泵的类型,泵的类型很多，品种繁杂，一般按工作原理可分为三种类型：1.叶片式泵（1）离心泵（2）轴流泵和混流泵（3）漩涡泵（4）屏蔽泵2容积式泵（1）往复泵（2）回转泵（3）计量泵3 其它非机械能转换泵（1）喷射泵（2）扬液器,按压力分为：低压泵：压力2MPa中压泵：压力在26MPa高压泵：压力6MPa,泵的应用范围,随着近代工农业发展的要求，水泵在性能和结构上都有很大变化，为适应用户的要求，泵的流量、压头、温度、介质等范围很大。如：（1）流量范围：巨型泵几十万m3h；微型泵几十毫升时；（2）压头范围：从常压10000 bar，即1000 MPa；（3）介质温度：从200800；（4）介质性质：酸性，碱性，粘稠液，泥浆，油类，化学液体，悬浮液体等。水泵应用得场所特别广泛，凡是液体输送的地方，都离不开水泵。例如：城市上、下水，工业上、下水，发电厂，另外通航，采矿，尤其是采煤，以及水下施工，农业灌溉等。在核电站中用水泵的地方也很多，三个回路，各种循环系统，直排、安注、化容以及喷淋系统等处都设有各种类型的水泵作为动力。,各种泵的使用范围,泵的应用范围,离心泵的工作原理,图示为一台安装在管路上的离心泵。主要部件有叶轮1与泵壳2等。具有若干弯曲叶片的叶轮安装在泵壳内，并紧固于泵轴3上。泵壳中央的吸入口4与吸入管路5相连接，侧旁的排出口8与排出管路9相连接。,离心泵一般用电动机带动，在启动前需向壳内灌满被输送的液体，启动电动机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着转动，在离心力*的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达1525 m/s，即液体的动能也有所增加。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高，于是液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出液体的位置。只要叶轮不断地转动，液体便不断地被吸入和排出。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。液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。,离心泵的工作原理,离心泵启动时，如果泵壳与吸入管路内没有充满液体，则泵壳内存有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，此时虽启动离心泵也不能输送液体，此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以启动前必须向壳体内灌满液体。若离心泵的吸入口位于吸液贮槽液面的上方，在吸入管路的进口处应装一单向底阀和滤网。底阀是防止启动前所灌入的液体从泵内漏失，滤网可以阻拦液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。靠近泵出口处的排出管路上装有调节阀，以供开车、停车及调节流量时使用。,离心泵的工作原理,离心泵的主要部件,离心泵最主要的部件为叶轮、泵壳与轴封装置1 叶轮 叶轮的作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能均有所提高。,叶轮内有612片弯曲的叶片1。图中（a）所示的叶片两侧带有前盖板2及后盖板3的叶轮，称为闭式叶轮。液体从叶轮中央的入口进入后，经两盖板与叶片之间的流道而流向叶轮外缘，在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量，并由于叶片间流道的逐渐扩大，故也有一部分动能转变为静压能。有些吸入口侧无前盖板的叶轮，称为半闭式叶轮，如图中（b）所示。还有一些没有前、后盖板的叶轮，称为开式叶轮，如图中（c）所示。半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体，因取消盖板后叶轮流道不容易堵塞，但由于没有盖板，液体在叶片间运动时容易产生倒流，故效率也较低。,平衡孔平衡轴向推力,闭式或半闭式叶轮在工作时，有一部分离开叶轮的高压液体漏入叶轮与泵壳之间的两侧空腔中去，而叶轮前侧液体吸入口处为低压，故液体作用于叶轮前、后两侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口方向的轴向推力，使叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮与泵壳接触处磨损，严重时造成泵的振动。为此，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（见图2.33中的1）。,这些小孔称为平衡孔，它的作用是使后盖板与泵壳之间的空腔中一部分高压液体漏到低压区，以减小叶轮两侧的压力差，从而起到平衡一部分轴向推力的作用，但同时也会降低泵的效率。平衡孔是离心泵中最简单的一种平衡轴向推力的方法。,按吸液方式的不同，叶轮还有单吸和双吸两种。单吸式叶轮的结构简单，如图2.23（a）所示，液体只能从叶轮一侧被吸入。双吸式叶轮如图2.23（b）所示，液体可同时从叶轮两侧吸入。显然，双吸式叶轮具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。,泵壳,为了减少液体直接进入蜗壳时的碰撞，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘。这个圆盘称为导轮，如图2.24中的3所示。由于导轮具有很多逐渐转向的流道，使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能，以减小能量损失。,离心泵的泵壳又称蜗壳，因壳内有一截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道，如图2.24的1所示。叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体出口，通道截面积愈大。因此，液体从叶轮外缘以高速被抛出后，沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动，流速便逐渐降低，减少了能量损失，且使部分动能有效地转变为静压能。所以泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部分，而且本身又是一个转能装置。,轴封装置,泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者从外界空气以相反方向漏入泵壳内。常用的轴封有填料密封和机械密封两种，其结构将在轴封装置一节中介绍。,离心泵理论基础离心泵的基本方程式,从离心泵的工作原理知液体从离心泵的叶轮获得能量而提高了压强。但是，单位重量的液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，都可通过离心泵的基本方程式来说明。由于液体在叶轮内的运动比较复杂，为便于分析，基本假设：1）叶轮中的叶片是无限多的；即认为流体质点是严格地沿着叶片的型线流动，也就是说，流体质点的运动轨迹与叶片的型线相重合。2）流体是理想流体；即没有粘性的流体，由此可暂不考虑速度场不均匀带来的流动损失。3）流体在叶轮中的流动是稳定流动；4）流体是不可压缩的。,速度三角形,离心泵工作时，液体和叶轮一起旋转运动，同时又从叶轮的流道里向外流动。因此，液体在叶轮里的流动是一种复杂的运动。当叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体质点具有一个随叶轮旋转的圆周速度，用u表示。运动方向与液体质点所在处的圆周切线方向一致，大小与所在处的半径R及转速n有关，其表达式为：（2.31）此外，液体质点又在叶片间作相对于旋转叶轮的相对运动，其速度称为相对速度，用表示。运动方向是液体质点所在处的叶片切线方向，大小与流量及流道的形状有关。流体质点相对于泵壳（固定于地面）的运动为绝对运动，其速度称为绝对速度，用表示c，等于圆周速度与相对速度的矢量和，,与的大小与叶轮的结构有关。对叶轮流道内的任意点都可以作出速度三角形，根据速度三角形便可确定各速度间的数量关系。由余弦定律得知：（2.33）为了计算上的方便，常把绝对速度分解为两个分量，即 径向分量（2.34）圆周分量（2.34a）于是（2.35）,速度三角形,由上述三个速度所组成的矢量图，称为速度三角形，如图2.3-1所示。在速度三角形中，,表示绝对速度与圆周速度两矢量之间的夹角，,表示相对速度与圆周速度反方向延线的夹角，称为流动角，,无限多叶片的离心泵对单位重量的理想液体所提供的能量称为泵的理论压头或理论扬程，以 表示，单位为Nm/Nm。推导离心泵基本方程式的目的就是要找出一个计算离心泵的理论压头的公式，其推导的方法很多，较严格的是以速度三角形为基础，以力矩定义为依据的推导方法。从力矩定义推知：在稳定流动中，单位时间内叶轮对液体所作的功等于同一时间内液体从叶片进口处流到叶片出口处的力矩变化和叶轮旋转角速度的乘积，即：,离心泵理论方程式,单位时间内叶轮对液体所作的功，Nm/s；,液体从叶片进口处流到出口处的力矩变化，Nm；,叶轮旋转角速度，1/s。,单位时间内叶轮对液体所作的功为：,（2.37）式中：,具有无限多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头，Nm/Nm；,理论流量，m3/s；,液体的密度，kg/m3。,下标表示理论，,下标表示无穷大,离心泵理论方程式,当液体在泵体内作旋转运动时，在叶片间任意位置上的力矩为：力矩质量流量,离心泵理论方程式-,绝对速度,绝对速度对旋转中心的距离,（下标1表示叶片的进口，下标2表示叶片的出口）故力矩的变化为：,（2.38）,如图2.32所示，在叶片进口及出口处的力矩分别为：,由图2.32知：,将上两式代入式2.38，得：,（2.38a）,离心泵理论方程式-,将式2.37，2.38a代入式2.36，并整理得：,又因,及,，故上式可以写成：,式2.39称为离心泵基本方程式。在离心泵的设计中，为了提高理论压头，一般使,，则,，故式2.39可简化为：,（2.39a）,（2.39）,式中等号右侧第一项是由于叶轮作旋转运动所增加的静压头，第二项是由于叶片间的流道截面积逐渐加大，致使液体的相对速度减小所增加的静压头。另一部分是液体流经叶轮后所增加的动压头，简称为动压头，以,式2.39b为离心泵基本方程式另一表达形式，说明离心泵的理论压头由两部分所组成：一部分是液体流经叶轮后所增加的静压头，简称为静压头，以 表示，即：,为了说明离心泵的工作原理，由图2.32中叶片进、出口处的速度三角形知：,离心泵理论方程式-,将以上关系代入式2.19，并整理得：,表示，即：,而,中将有一部分在蜗壳与导轮中转变为静压头。所以,（2.39b）,为液体在叶片出口处绝对速度的径向分量，与叶片间通道截面相垂直，设叶轮的外径（简称为叶轮直径）为,离心泵理论方程式-,为了明显地看出影响离心泵理论压头的因素，需将式2.39a作进一步变换。在叶片的出口处，式2.35中各项均应加下标2，即：,（2.35a）参阅图2.32右图，知式中,、叶轮出口处叶片的宽度为,、叶片的厚度可忽略，则：,（2.310）由式2.39、2.35a、2.310可得：,式2.39d为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与理论流量、叶轮的转速、直径、叶片的几何形状之间的关系。,（2.39d）,离心泵理论方程式分析,1离心泵的理论压头与叶轮的转速和直径的关系，由式2.31与式2.39d可看出，当叶片几何尺寸（）与理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。,、,（2.39d）,叶轮的转速与直径、叶片宽度、理论流量一定时，离心泵的理论压头随叶片形状而改变。后弯叶片*，,2离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系,90,，,0，,，如图2.33（a）所示。,90,，,0，,，如图2.33（b）所示。,前弯叶片*，,90,，,0，,，如图2.33（c）所示。,径向叶片，,*后弯叶片指叶片弯曲方向与叶轮旋转的方向相反。前弯叶片是指叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同。,离心泵理论方程式分析,离心泵理论方程式分析,由上可见，前弯叶片所产生的理论压头最大，似乎前弯叶片最有利，但实际并非如此。由式2.39c可知，液体从叶轮获得的能量包括静压头与动压头两部分，对于离心泵来说，希望获得的是静压头，而不是动压头，虽有一部分动压头可在蜗壳与导轮中转换为静压头，但由于液体流速过大，转换过程中必然伴随有较大的能量损失。,后弯叶片有利！,3离心泵的理论压头与理论流量的关系,离心泵理论方程式分析,离心泵理论方程式分析,叶片有限、轴向流动、各种能量损失、泄漏现象,离心泵的主要性能参数与特性曲线,1 离心泵的主要性能参数 要正确选择和使用离心泵，就需要了解泵的性能。离心泵的主要性能参数有流量、压头、效率和轴功率(这些参数标注在泵的铭牌上)。,（1）流量 离心泵的流量又称为泵的送液能力，是指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，以表示，单位常为l/s或m3/h。离心泵的流量取决于泵的结构、尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速。（2）压头 离心泵的压头又称为泵的扬程，是指泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以表示，单位为Nm/N=m。离心泵的压头取决于泵的结构（如叶轮的直径、叶片的弯曲情况等）、转速和流量。对于一定的泵。在指定的转速下，压头与流量之间具有一定的关系。由于液体在泵内的流动情况比较复杂，目前尚不能从理论上对压头作精确的计算，一般用实验测定。,1 离心泵的主要性能参数（续）,（3）效率 在输送液体过程中，外界能量通过叶轮传给液体时，不可避免地会有能量损失，故泵轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率来反映能量损失。这些能量损失包括：,水力损失 这种损失发生在泵的吸入室、叶轮流道和泵壳中，一般分为两种：一是由于粘性液体流过叶轮和泵壳时的流速和方向都在改变，产生流动阻力而引起能量损失。另一种是由于输送流量与设计流量不一致时，液体在泵体内产生冲击而损失能量，这两部分损失总称为水力损失。机械损失 泵在运转时，泵轴与轴承之间、泵轴与填料之间、叶轮盖板外表面与液体之间均产生摩擦，从而引起的能量损失称为机械损失。泵的效率反映上述三项能量损失和总和，故又称为总效率。离心泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度和所输送液体的性质有关。一般小型泵的效率为5070，大型泵可达90左右。,容积损失 容积损失是由于泵的泄漏所造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体通过叶轮与泵壳之间的间隙漏回吸入口，或从填料函处漏至泵壳处，也有时从平衡孔漏回低压区，如图2.37所示，致使泵排出管道的液体量小于吸入的液体量，并消耗一部分能量。容积损失与泵的结构、液体在泵进出口处的压强差及流量有关。,（4）轴功率,(5)转速 离心泵的转速是指叶轮的旋转速度，用n表示。转速不同所对应的Q、H、N也不同。,国产型离心泵在n=2900 r/min时的特性曲线，由HQ、NQ及 Q 三条曲线所组成。特性曲线随转速而变，故特性曲线图上一定要标出转速。（1）HQ曲线 表示泵的压头与流量的关系。离心泵（多为后弯叶片）的压头普遍是随流量的增大而下降（在流量极小时可能有例外）。（2）NQ曲线 表示泵的轴功率与流量关系。离心泵的轴功率随流量的增大而上升，流量为零时轴功率最小。所以离心泵起动时，应关闭泵的出口阀门，使起动电流减少，以保护电机。,离心泵的特性曲线,离心泵的主要性能参数流量、压头、轴功率及效率，其间的关系由实验测得，测出的一组关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，此曲线由泵的制造厂提供，并附于泵样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。,离心泵的比转速,离心泵、混流泵、轴流泵等均为叶片式泵，它们的共同点都是在离心力作用下输送液体，它们都符合以速度三角形和动量矩定理为基础推导出的离心泵基本方程式，但是它们的结构形式是多种多样的，形状、尺寸也极不相同，流量、扬程变化范围很大，在进行新产品设计和制造时，特别是大型水泵的设计时，需进行各种设计方案的比较，以及模型实验以确定其性能。这样就可以用几何相似的模型来进行实验，以减少实验规模和费用。为此，在相似理论的基础上引入一个表征水泵在效率最高工况下对应的流量、扬程和转速的特征参数比转速，即某一水泵的比转速（）是以效率最高工况为标准求出的。按比转速还可以将水泵按水动条件进行归类。,比转速的定义,相似理论,相似理论的相似条件：（1）几何相似：即实际水泵和模型水泵对应的线性尺寸有一个同一比值，基本包括叶轮、叶片数及流动角等等；（2）运动相似：即对应点上的速度三角形相似；（3）动力相似：即实际水泵与模型水泵中流动的雷诺数应相等，实际上数相等是很难实现的，总有一定的差异，但实验证明在105的情况下，流动处于自动模化区的范围内，可自动保证其动力相似的条件。考虑到自动模化区现象，则实际水泵和模型水泵的相似，只要符合第一条，自动模化区现象就能成立。,比转速方程,在相似工况下，离心泵的扬程之比与其叶轮直径比的平方及转速比的平方成正比。,离心泵流量之比与叶轮直径比的立方及转速之比成正比,上式所计算新水泵的参数是在 kg/m3即水介质条件下得出的。,比转速的应用,比转速是一个重要的相似准则数（又叫判别数），它的用处有：1利用比转速对叶轮进行分类 比转速的大小与叶轮形状和泵性能曲线形状有密切关系，所以，不同的比转速代表了不同类型泵的结构与性能特点。,2.比转速是编制离心泵系列的基础,在编制离心泵系列时，适当地选择流量、扬程和转速等的组合，就可以使比转速在型谱图上均匀地分布，如图2.313所示。如果以比转速为基础来安排离心泵的系列，就可以大大地减少水力模型的数目，这对设计制造部门来说，就可大量节约人力物力。在图2.313中，虽然有33个规格，但是，只要用9个比转速的模型就可以布满整个系列。,3比转速是离心泵设计计算基础,比转速决定了水泵叶轮形状的特征，根据 的大小，将水泵叶轮的型式可分为高压（或高速）型，低压（或低速）型。但是，对此并不存在截然的界限。小者为高压型，适合流量小的水泵。随着 的增加，适合扬程低、流量大的水泵。因此，成为表征叶轮形状的一种尺度，水泵性能和各种损失也常受到 的影响。为此，在水泵设计上，是作为重要基础的一个参数。无论是相似设计法，还是速度系数设计法，都是以比转速 为依据，来选择水力模型或速度系数的。,离心泵转速（n）、叶轮直径（D）的改变对泵性能的影响,泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为工质做实验测得的。在工业生产中，所输送的液体是多种多样的，即使采用同一泵输送不同的液体，由于各种液体的物理性质（例如密度和粘度）不同，泵的性能就要发生变化。此外，若改变泵的转速或叶轮直径，泵的性能也会发生变化。因此，生产部门所提供的特性曲线，应当重新进行换算。,1.密度的影响,由离心泵的基本方程式看出，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，则泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以HQ与 Q曲线保持不变。但是泵的轴功率随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水的不同时，原产品目录中对该泵所提供的NQ曲线不再适用，此时泵的轴功率可按式 重新计算。,2 粘度的影响,被输送的液体粘度若大于常温下清水的粘度，则泵体内部的能量损失增大，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。,3.离心泵转速的影响,离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，但在实际使用时常遇到要改变转速的情况，这时速度三角形将发生变化，压头、流量、效率及轴功率也随之改变。当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系为：,4 叶轮直径的影响,由离心泵基本方程式得知，当泵的转速一定时，其压头、流量与叶轮直径有关。若对同一型号的泵，换用直径较小的叶轮，而其它几何尺寸不变（仅是出口处叶片的宽度稍有变化），这种现象称为叶轮的“切割”。当叶轮直径变化不大，而转速不变时，叶轮直径和流量、压头、轴功率之间的近似关系为：,5 功率影响,2.4 离心泵的运转,1 离心泵的气蚀现象,离心泵运转时，液体在泵内压强的变化如图2.41所示。液体的压强随着从泵吸入口向叶轮入口而下降，叶片入口附近的压强为最低，此后，由于叶轮对液体作功，压强很快又上升。当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体就在该处发生气化并产生气泡，随同液体从低压区流向高压区，气泡在高压的作用下，迅速凝结或破裂，瞬间内周围的液体即以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处形成高达几万kPa的压强，冲击频率可高达每秒几万次之多。这种现象称为气蚀现象。为了使泵正常运转，叶片入口附近的最低压强必须维持在某一临界值以上，通常是取输送温度下液体的饱和蒸气压作为这种临界压强。,汽蚀对泵工作的影响,1)对流道的材料造成破坏,汽蚀使过流部件被剥蚀破坏。通常离心泵受汽蚀破坏的部位，主要是在压力较高的叶轮出口和蜗壳或导叶入口处(图3-63)。起初是金属表面出现麻点，继而表面呈现槽沟状、蜂窝状、鱼鳞状的裂痕，严重时造成叶片或叶轮前后盖板穿孔，甚至叶轮破裂，造成严重事故。,为了延长水泵部件的使用寿命，对一些较易发生汽蚀的水泵一般可采用较好的材料，如不锈钢、铝青铜、铝铁青铜及聚丙烯等。,2)使泵性能下降,2)产生噪声和振动,汽蚀发生时，汽泡破灭和高速冲击会引起噪声。汽蚀初生时，噪声较小。随着汽蚀的发展，噪声的分贝数也逐渐增大，在“断裂工况”之前达最大，其后又很快降低。通常，噪声最大时对材料的破坏作用最强烈。人们利用这种特性判断汽蚀的严重程度。汽泡崩溃时的冲击力将使机组产生振动。在汽蚀发展的不同阶段将产生高(7005000Hz，甚至达2030kHz)、中(12200Hz)、低(16Hz)频的冲击脉动力，当脉动力和设备本身的固有频率一致时，就会引起强烈的共振。,（3）泵的性能降低、效率下降。,汽蚀严重时，由于产生大量气泡，占据了液体流道的一部分空间，导致泵的流量、压头与效率显著下降。甚至造成瞬时断流工况。,允许吸上真空度,气蚀发生时，产生噪音和震动；叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从开始点蚀到形成严重的蜂窝状空洞，使叶片受到损坏。此外，气蚀严重时，由于产生大量气泡，占据了液体流道的一部分空间，导致泵的流量、压头与效率显著下降。所以，为保证离心泵能正常运转，应避免产生气蚀现象。一般使最低压强大于输送温度下液体的饱和蒸气压。但在实际操作中，不易测出最低压强的位置，而往往是测泵入口处的压强，然后考虑一安全量，即为泵入口处允许的最低绝对压强，以 P1 表示，单位为bar。习惯上常把 P1 表示为真空度，并以输送液体的液柱高度为计量单位，称为允许吸上真空度。,离心泵的允许吸上高度,离心泵允许吸上高度的计算式应用时必须已知允许吸上真空度的数值。而与被输送液体的物理性质、当地大气压强、泵的结构、流量等因素有关，由制造工厂用实验测定。实验是在大气压为10mH2O柱（9.81x104Pa）下，以20的清水为工质进行的，相应的允许吸上真空度用Hs表示，其值列在泵样本或说明书的性能表上，有时在一些泵的特性曲线上也画出了HsQ曲线,表示离心泵的气蚀性能。,Hs的修正,离心泵的气蚀余量,1有效汽蚀余量（NPSHa*）,图222 离心泵内的压力变化图,提高泵抗气蚀性能的措施,泵是否发生气蚀，是由泵本身的气蚀性能和吸入系统的装置条件来确定的。为防止发生气蚀，通常从两个方面采取措施加以解决。,1.改善泵的工作条件，提高泵的有效气蚀余量,2提高泵本身的抗气蚀性能，减小必需气蚀余量（1）采用双吸叶轮，降低入口速度；（2）增大叶轮进口直径及叶片进口宽度，降低入口速度；（3）叶轮采用耐气蚀材料，提高泵的抗气蚀性；（4）进口处装设螺旋式诱导轮，改善泵的气蚀性能。,管路特性曲线与泵的工作点,当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。,离心泵的工作点,离心泵总是安装在一定管路上工作的，泵所提供的压头与流量必然应与管路所需的压头与流量相一致。若将离心泵的特性曲线HQ与其所在管路的特性曲线He-Qe 绘于同一坐标图上，如图2.45所示，两线交点称为泵在该管路上的工作点。该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又为离心泵所提供，即Q=Qe，H=He。换言之，对所选定的离心泵，以一定转速在此特定管路系统运转时，只能在这一点工作。,离心泵的流量调节,离心泵在指定的管路上工作时，由于生产任务发生变化，出现泵的工作流量与生产要求不相适应；或已选好的离心泵在特定管路中运转时，所提供的流量不见得符合输送任务的要求，对于这两种情况，都需要对泵进行流量调节，实质上是改变泵的工作点。既然泵的工作点为管路特性和泵的特性所决定，因此，改变两种特性曲线之一均能达到调节流量的目的。,1 改变阀门的开度,2 改变泵的转速,3旁路分流调节法,离心泵的并联和串联,1 串联运转特性曲线,2 并联运转特性曲线,2.4.4.3 水泵在管路系统中的串连运行和并联运行,1泵的并联运行并联运行系指两台或两台以上的泵向同一压力管路输送流体的工作方式，如图235所示。并联的目的是在压头相同时增加流量，并联工作多在下列情况下采用：当扩建机组，相应的需要流量增大，而对原有的泵仍可以使用时；核电厂中为了避免因一台泵发生事故影响反应堆停堆时；由于外界负荷变化很大，流量变化幅度相应很大，为了发挥泵的经济效果，使其能在高效率范围内工作，往往采用两台或数台并联工作，以增减运行台数来适应外界负荷变化的要求时。核电厂的反应堆回路的主泵、汽轮机回路的主给水泵、增压泵、凝结水泵、循环冷却水回路的循环冷却水泵等常采用两台或多台并联工作。,无流量阀门,如果把调节阀全部关闭，泵便没有了流量，水压升高，最后达到其最大值。泵输入的功率不是零。泵中的水不在进出了，而是受叶轮的搅拌。水在叶轮内表面的摩擦功变成热能耗散。产生的热量传送到水中及泵的内部部件上，其结果：1水温升高，可以达到与压力相符的沸点。在这种情况下，水就会蒸发，形成蒸汽，导致泵内出现空泡现象，渐渐地使泵损坏。2泵的内部部件温度上升，引起运动部件异常膨胀。这样，当不需要泵送液体时，就要停止泵的工作。为了避免这种情况，应在泵的出口处安装一个所谓的“无流量”阀门。当泵的出口处的压力接近最大值时，该阀门就自动打开。水就流过这个阀门，然后由“无流量”管系反送到吸水容器内。,离心泵的启动,泵出口的止回装置,在每个泵的出口处，应预先安装一个能自动关闭的止回阀。这样，在泵停转时就可避免液体回流，导致泵反转。对通常的小型泵而言，一般预设一个止回阀。对大型泵而言，要设二个止回阀。对特别大型的设备来讲，一般还应安装液压控制阀。在某些情况下，还在泵内安装防逆转装置。,吸入口底阀和滤网,当离心泵安装在抽吸液位的上方时，伸入到液位下方的吸水管入口处必须装设底阀，以保证当对水泵灌水时不会将水从吸水管中漏掉，使泵壳和吸水管能充满水。另外，当停泵时仍能保持泵壳和吸水管能充满水，以便泵再启动时，不必再重新灌水。如果离心泵安装在抽吸液位的下方时，只要吸水管的阀门打开，泵壳和吸水管就会自动充满水，在这种工况下，吸水管入口就用不着装底阀了。为了防止机械杂质被吸入泵内，吸入口处还应装设滤网。,单级泵的结构,1叶轮 单级泵只有一个叶轮，单级泵叶轮上的叶片数量为612个，常用叶片数为6、7、8。叶轮进口处的液体流速为23 m/s，叶轮材料通常为高磷青铜，大尺寸叶片有时为铸钢，核工业主要用不锈钢。为避免液体在叶轮的进口和出口间的间隙过大，叶轮和泵体之间的间隙应留到最小程度，并进行液封。如图2.516所示。间隙的值应根据接合处叶轮旋转部分的直径和变化值而定。由于液体透过密封会造成腐蚀，使得间隙过大，因而通常配备易于更换的嵌入式垫圈，以便于重新修整密封。为防止泄漏过大，某些制造厂使用迷宫式密封，如图2.517所示。这样就迫使流体改变流动方向增加了阻止力，并延长了流体泄漏流径，使其抗泄漏能力增强。,2进口部件 进口部件上配有法兰（见图2.518），泵的吸水管路就连接在法兰上。进口可以是直通的，如图2.518，a和b，或是肘形的如图2.518，c。直通进口部件，进口管路部分可以是圆柱形的（图2.518，a），或收敛式圆锥形的（见图2.518，b）。在这种情况下，它们的连接应是水平的，以避免积气。,3泵体单级泵的泵体为单蜗壳形，称为泵壳或压水室。泵壳一般用铸铁制造，核工业主要用不锈钢铸件制造。泵壳是流体汇集和转能装置。泵壳压水室有两种形式：（1）螺旋状压水室如图2.519，(a)所示。液体进入螺旋状通道后流经的截面逐渐扩大，液体的流速减小，因此，压力增大。其通道的截面可以是圆形的，矩形的，等等。（2）导叶式压水室为了减少液体从叶轮周缘直接进入泵壳（压水室）时的碰撞，在叶轮与泵壳之间装入一定数量的导叶，导叶之间形成扩散式通道，导叶是固定不动的。该装置也叫导轮，如图2.519，(b)所示。导叶的目的是减少阻力损失，提高水泵效率。导叶式压水室多用于多级泵内。,轴封装置,1 填料密封 填料密封装置主要由下列部件填料箱（填料函）、密封填料、填料压盖及紧固件组成。填料密封又分为压力填料密封和真空填料密封两种。1）压力填料密封压力填料密封装在泵出口侧，内轴的出口处。在此设置密封装置是防止压力液体泄出泵体外。如果要求密封压力不太高，可使用一般编织物填料。填料的数量应很好地确定，如果太少，密封性能不好；如果太多，填料在轴上的摩擦就会增大。此外编织物填料在轴上也不能压得太紧，以致在轴和密封填料之间不能渗漏一点液体，这样会引起摩擦过热。,轴封的作用是防止水泵出口侧高压液体从泵壳内沿内轴的四周而漏出，或者外界空气从水泵的入口侧沿外轴的四周漏入泵壳内。轴封装置有填料密封和机械密封两种。基本结构如下：,根据泵所抽吸的液体的温度和性质不同，使用的编织物填料的材料也不尽相同，例如：（1）输送冷水时，使用棉花，或涂油的麻做编织物；（2）输送热水时，使用石墨石棉，或浸有二硫化钼的石棉做编织物；（3）输送酸时，使用涂石蜡石棉做编织物。如果要求密封压力很高，那么在填料箱内加设一个腔室，如图2.520所示。这个腔室通过一根小的导管与泵内压力不太高的区域相连通，以减小填料承受的压力。,2）真空填料密封真空填料密封设置在水泵的进口侧，泵轴的出口处，进口侧密封的目的是防止空气从进口侧的轴孔进入泵体内，如图2.521所示。由于泵壳与转轴接触处可能是泵内的低压区，为了更好地防止空气从填料箱不严密处漏入泵内，故在填料箱内装有液封圈3。液封圈是一个金属环，如图2.522所示。环上开了一些径向的小孔，通过填料箱壳上的小管可以和泵的排出口相通，使泵内高压液体顺小管流入液封圈内，以防止空气漏入泵内，所引入的液体还起到润滑、冷却填料和轴的作用。,2 机械密封 对于输送酸、碱以及易燃、易爆有毒液体，特别是含有放射性的液体，密封要求比较高，既不允许漏入空气，又不让液体渗出，为此近年来广泛采用机械密封的轴封装置。它由一个装在转轴上的动环和另一个固定在泵壳上的静环所组成，两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对运动，起到了密封的作用，故又称为端面密封。图2.523是国产AX型机械密封装置的结构，该装置的左侧连接泵壳。螺钉1把传动座2固定于转轴上。传动座内装有弹簧3、推环4、动环密封圈5与动环6，所有这些部件都随轴一起转动。静环7和静环密封圈8装在密封端盖上，并由防转销9加以固定，所有这些部件都是静止不动的。这样，当轴转动时，动环6转动而静环7不动，两环间借弹簧的弹力作用而贴紧，由于两环端面的加工非常光滑，故液体在两环端面的泄漏量极少。此外，动环6和泵轴之间的间隙有动环密封圈5堵住，静环7和密封端盖之间的间隙有静环密封圈8堵住，这两处间隙并无相对运动，故很不易发生泄漏。,动环一般用硬材料，如高硅铸铁或由堆焊硬质合金制成。静环用非金属材料，一般由浸渍石墨、酚醛塑料等制成。这样，在动环与静环的相互摩擦中，静环较易磨损，但从机械密封装置的结构看来，静环易于更换。动环与静环的密封圈常用合成橡胶或塑料制成。,机械密封装置安装时，要求动环与静环严格地与轴中心线垂直，摩擦面要很好地研合，并通过调整弹簧压力，使端面密封机构能在正常工作时，于两摩擦面间形成一薄层液膜，以造成较好的密封和润滑作用。机械密封与填料密封相比较，有以下优点：密封性能好，使用寿命长，较不易磨损，功率消耗小。其缺点是零件加工精度高，机械加工较复杂，对安装的技术条件要求比较严格，装卸和更换零件较麻烦，价格也比填料函高很多。图2.524为平衡式机械密封装置，静环材质为石墨，动环材质为陶瓷，适用于温度0100，压力较高620 bar的酸、硷、水及油品等介质的密封。,轴向推力平衡,1 产生轴向推力的原因 图2.525所示，是一个没有轴向推力平衡设施的单级泵叶轮。如图所示，在盖板1一侧有一个液封3，在盖板2一侧有一个液封4。叶轮进口处的液体压力为P1，出口处的液体压力为P2。,2叶轮盖板内壁面引起的轴向推力,3叶轮轴向总推力,实例计算：,2单级泵的轴向推力平衡,为了消除单级泵的轴向推力，可以采用两种装置。,3 多级泵推力平衡 多级泵相当于把个单级泵组装在一个系统内，这些泵的尺寸都很小，通常由一列相同的部件组成。正常消除多级泵的轴向推力有三种方式.,1）每个叶轮均装有各自的轴向推力平衡装置。它要求在泵体与叶轮之间要有两个液封，结构也得延长些，以使布置每个单元的平衡小室，还需要一个机械止推器，以使承受剩余轴向推力。对于立式多级泵，如深井泵，因其外径较小，叶轮又为多级串接组装，每个叶轮也都有一个平衡小室。其轴向推力平衡结构如图2.527所示。,2）全部轴向推力只用一个平衡装置，也就是一组叶轮只装一个平衡装置。这种推力平衡装置又有两种基本结构。（1）盘式平衡轴向推力装置,（2）活塞式平衡轴向推力装置活塞式平衡轴向推力装置，如图2.529所示。从图中可以看出，在这种装置中，平衡盘被平衡活塞所代替，在平衡活塞的一面承受泵出口液体的压力，而另一面承受b室液体的压力，b室的液体是从活塞与泵体之间的细小间隙进入的，b室又通过一导管与泵的进口连通，这样活塞内壁面承受的压力与泵进口处压力相近。活塞的前端面承受的是泵出口处的压力，由于活塞两面承受的压力不同，便产生一个与泵的整个轴向推力方向相反的轴向力，起到推力平衡的作用。上述两推力之间可能存在着差值（剩余推力），由机械止推器承担。,3一般都采用平衡鼓与平衡盘组合装置，如图261所示。由于平衡鼓能承受5080左右的轴向力，这样就减少了平衡盘的负荷，从而可稍放大平衡盘的轴向间隙，避免了因转子窜动而引起的摩擦。经验证明，这种结构效果比较好，所以目前大容量高参数的节段式多级泵大多数采用这种平衡方式。,