离心泵课件(含图便于理解)共74p.ppt

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1、提 纲,绪论（流体机械概述）第一章 离心泵离心泵的基本结构和工作原理离心泵的基本方程 速度三角形 欧拉方程 能头分析离心泵的性能曲线 各种损失 性能曲线,绪论（流体机械概述）,流体机械的分类典型流体机械简介流体机械的应用流体机械的发展趋势,流体机械概述,流体机械是以流体为工质进行能量转换、处理与输送的机械，它是过程装备的重要组成部分。给流体增压与输送流体，使其满足各种生产条件的工艺要求，保证连续性的管道化生产，参与生产环节的制作，以及在辅助性生产环节中作为动力气源、控制仪表的用气、环境通风等等都离不开流体机械。产品生产的能量提供者、生产环节的制作者和物质流通的输送者。流体机械在过程生产中应用量

2、大面广，选用好这些流体机械，对工厂的设备投资、产品质量、成本和效益等都具有十分重要的作用。,流体机械的分类,离心泵,单级双吸离心泵,单级单吸离心泵,三级屏蔽离心泵,多级屏蔽离心泵,离心泵,具有结构简单、体积小、质量轻、操作平稳、流量稳定、性能参数范围广，易于制造、便于维修等优点。离心泵的发展趋势？,离心压缩机,圆筒型离心压缩机,蜗壳型离心压缩机,离心压缩机,属于速度式压缩机，具有流量大、转速高、结构紧凑、运转平稳等特点。随着气体动力学研究的发展，离心式压缩机的效率不断提高，又由于高压密封、小流量窄叶轮的加工，多油楔轴承等关键技术的突破，离心式压缩机逐渐向高压力、宽流量范围发展。,活塞压缩机,活

3、塞压缩机,属于容积式压缩机，具有能耗低、适应性强和灵活性大等优点，是目前应用最普遍的压缩机。活塞压缩机的发展趋势？,隔膜泵,齿轮泵,螺杆泵,滑片泵,罗茨泵,射流泵,泵和压缩机的应用,泵和压缩机的应用,泵和压缩机的应用,泵和压缩机的应用,流体机械的发展趋势,新机型的研制 高压力、高单级增压比的压缩机和泵；超大流量（10000m3/min ）或极小流量（ 0.01m3/min）的压缩机和泵；高转速压缩机（150000r/min ）和高转速离心机；超音速压缩机（M2）新型制造工艺的发展 多维数控机床加工叶轮、叶片等零部件、复杂零件的精密浇铸和模锻、特殊焊接工艺和电火花加自动控制技术的发展 为使流体机

4、械安全运行、调控到最佳运行工况或按产品生产过程需要改变运行工况等，均需要不断完善自动控制系统。故障诊断与寿命预测技术的发展 为使流体机械安全运行，变定期停机大修为预防性维修，采用在线监测实时故障诊断系统，遇到紧急情况及时报警、监控或联锁停机。目前故障诊断系统正向人工智能专家诊断系统和神经网络诊断系统方向发展。,第一章 离心泵,离心泵的基本结构和工作原理离心泵的基本方程 速度三角形 欧拉方程 能头分析离心泵的性能曲线 各种损失 性能曲线,离心泵的基本结构,主轴轴承轴封箱扩压器叶轮密封环 吸入室蜗壳,离心泵的工作原理,启动前,启动后,灌泵, 驱动机通过泵轴带动叶轮旋转，叶轮上的叶片驱使液体一起旋转

5、，产生离心力； 在离心力作用下，液体沿叶片流道被甩向叶轮出口；与此同时，叶轮入口中心处形成低压，从而在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差； 吸液罐中的液体在此压差下不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中； 被甩向叶轮出口的液体流经蜗壳进入排出管。,离心泵的工作原理,离心泵的主要相关参数,几何结构参数D、b、,设计参数Q、H、n、 ,流体物性参数、p、,性能评价参数N、hr,离心泵的主要相关参数,Q和H是生产工艺提出的硬性要求，也是必须实现的目标！ n是可以方便地进行调节和控制的操作变量！ N和是实现目标要花费的代价！ 上述五个参数均受液体性质的制约！,离心泵的分类（自学、提问）,按液体吸

6、入叶轮的方式 单吸式泵、双吸式泵按叶轮级数 单级泵、多级泵按壳体剖分方式 中开式泵、分段式泵按泵体形式 蜗壳泵、双蜗壳泵、筒式泵按输送介质 清水泵、油泵、耐腐蚀 泵、泥浆泵,离心泵的基本方程,速度三角形欧拉方程能头分析,速度三角形,基本假设 （1）通过叶轮的液体是理想液体，因此，液体在叶轮内流动时无任何能量损失；（2）液体在叶片间的流动呈轴对称，即每一液体质点在流道内相对运动轨迹与叶片曲线的形状完全一致，在同一半径的圆周上液体质点的相对速度大小相同，其液流角相等。液体的这种相对运动，只有当叶轮的叶片数为无限多时才能实现所以假设叶轮是由无限多、无限薄的叶片所组成。,液体在叶轮中获得能头，首先表现

7、为液体流速大小和流动方向的改变，因此，先分析液体在叶轮流道中的流动规律。,速度三角形,液体在叶轮中的流动是一种复杂的运动，根据理论力学，研究液体在叶轮中的运动时，可取动坐标系与叶轮系为一体，则叶轮的旋转运动便是牵连运动：当观察者与叶轮一起旋转时所看到的液体运动（相当于液体流经静止叶轮时的流动）就是相对运动。这样，液体在叶轮中流动时的复杂运动，便可以由液体的旋转运动和相对运动合成。,液体质点相对运动的速度称为相对速度，以矢量 表示，在无限多叶片的假设下，其方向与叶片方向一致，即与叶片相切，如图a所示。,速度三角形,液体质点的牵连速度，就是指与所求液体质点瞬时重合的那点的叶轮圆周速度，用矢量 表示

8、，其方向垂直于叶轮圆半径，指向叶轮旋转方向，如图b所示。 液体质点相对于静止的壳体的运动速度，称为绝对速度，以矢量 表示，其大小和方向由圆周速度和相对速度的矢量合成而决定。如图c所示，即,速度三角形,由此可以作出叶轮中任一液体质点的三个速度矢量 、 和 这三个速度矢量必将组成一个封闭的三角形，称之为速度三角形，如图所示。速度三角形，直接反映了液体在叶轮流道内的运动规律。,常常把绝对速度c分解成两个分量，一个是与圆周速度u垂直的分量，以cr 表示，称为液流绝对速度的径向分速，或轴面速度；另一个是与圆周速度u平行的分量，以cu 表示，成为绝对速度的周向分速。,速度三角形,液流速度间夹角与叶轮的几何

9、参数分别用下列符号表示： 液流绝对速度与圆周速度间的夹角 液流角，即液流相对速度与圆周速度反方向间的夹角 A叶片角，即叶片在该点的切线与圆周速度反方向间的夹角，在理想情况下， A 。在叶轮出口处的叶片角2A 又常叫做叶片的离角， D叶轮直径，m， b叶轮轴面流道宽度。 z叶片数目。 此外，还采用下角标1、2等分别表示叶片进口、叶片出口处的参数，采用下角标来表示液体在叶片数为无限多的叶轮中流动时的参数。,速度三角形,怎么画？,欧拉方程,利用基本能量方程建立叶轮对液体所做的功与液体运动状态变化之间的关系，进而研究叶轮是如何将驱动机的能量传给液体的，以及液体获得能头大小与哪些因素有关。（Idea，研

10、究思路，知道做什么）基本能量方程可用动量矩定理推导。（知道用什么方法做）质点系对某一轴线的动量矩对时间的导数，等于作用于该质点系诸外力对该轴的力矩之和具体应该怎么做？,欧拉方程,LO液流对O轴的动量矩MO诸外力对O轴的力矩之和,Leonhard Euler (1707-1783),欧拉方程,取叶轮轴为O轴，为了计算叶轮中液流的动量矩对时间的导数dLO/dt，取叶轮前后盖板及叶片进出口边之间所包围的液体来分析。设在某瞬间t充满于两叶片ABCD间的液体，在瞬时t+dt时流到ABCD的位置，见图。在定常流动条件下，两叶片间ABCD部分液流的动量矩是不变的，因此，在上述两瞬间，这部分液流动量矩的增值仅

11、为ABBA和CDDC这两部分液流动量矩之差。因为ABBA和CDDC分别为在dt时间内流入及流出叶轮的液体量。,根据流体的连续性方程，这两部分液流的质量应相等，即mABBA= mCDDC。又知ABBA部分的液流速度是叶轮流道进口处的流速c1，CDDC部分的液流速度是叶轮出口处的流速c2。,欧拉方程,就整个叶轮来说dt时间内流过叶轮的流体质量为则在dt时间内流过叶轮的液流动量矩的变化值应是液流出口与入口动量矩之差，即,式中 l1、l2分别为c1及c2对O的的垂直距离、由图可知l1=r1cos1, l2=r2cos2, r1，r2分别为叶轮叶片进、出口处的半径。,欧拉方程,由此可以求出叶轮中液体的动

12、量矩对时间的导数为 它应等于诸外力对O 轴的力矩之和，即 这里，力矩之和MO就是在流量为QT时轴的作用力矩，即驱动机输入的做功力矩由驱动机传给叶轮的功率为式中 驱动机角速度，即叶轮的旋转角速度 在理想情况下液体所得到的功率为式中 HT叶轮叶片数为无限多的情况下的理论扬程，J/kg,欧拉方程,在理想情况下，认为泵内无能量损失，因此 即将MO式代入上式得或以m液柱高表示为,离心泵的理论扬程方程式，即欧拉公式，适用于一切离心式机器。,欧拉方程,对采用轴向吸入室的离心泵，液流进入叶轮流道时无预旋，即c1u=0。对蜗形吸入室的离心泵，虽然其c1u0，但通常cluu1远小于c2uu2，故可简化为 由以上两

13、式可以看出，理论扬程HT的大小只与液流在叶道进、出口处的速度有关，即与叶轮的几何尺才（D，）、工作转速n和流量QT有关；而与泵所输送液体的性质无关。用同一个叶轮输送不同性质的流体，如水、油或空气等，在同一转速和流量下工作时，叶轮所给出的理论扬程值（用米表示）是相同的。,一、泵使液体获得能头的分析 为了分析离心泵叶轮使液体获得能头的性质，先写出叶轮叶片进口与出口的理想情况下的伯努利方程式式中 p1、p2分别为叶片进口和出口处液流的静压力，Pa。 Z1、Z2分别为叶片进口和出口的位高，m； 上式说明叶轮对液体做功后，使液体获得了静压能头、速度能头和位高能头的增量。,(1),能头分析,但是，该式还反

14、映不出液体在叶轮叶片进口与出口处的速度变化与所获得的各种能头的关系，为此，下面推导欧拉方程的另一表达式： 由叶轮叶片进、出口速度三角形，按余弦定理有,由上式得,能头分析,代入理论扬程公式得,上式有清晰的物理概念：右端第三项是液体经过叶轮叶片入口和出口后因绝对速度的变化而增加的动能，即液体获得的动扬程，与式（1）中速度能头一致。第二项 是由于叶片间流道的扩大，使相对速度由进口到出口是减速过程，部分速度能头转变为压力能头，使液体获得静扬程。第一项 是液体在作圆周运动中，由于离心力的作用，液体在叶轮出口处静压能头的提高，使液体获得静扬程。,能头分析,从上面能量分析可知，离心泵的理论扬程 包括静扬程

15、和动扬程 。其中能直接用于使液流克服流动阻力，提高位高及压力的是静扬程部分，所以希望叶轮使液体获得静扬程越大越好。而动扬程越小越好，否则，液流速度大将造成流动损失加大，或使得泵的转能装置结构尺寸变大，且转能过程中能量损耗较大，效率降低。在叶轮尺寸D、工作转速n和流量Q一定的情况下，液体所获得的静扬程比例与叶片型式有关。,能头分析,叶轮叶片型式对能量的影响 主要是指叶片出口角 大小对所获能头的影响。 根据叶片无限多的叶轮的理论扬程方程式以及 ， ，可得到讨论：当叶轮尺寸D一定、工作转速n一定时， 为定值，当流量 也一定时 与 有关。 当叶轮出口处叶片角 一定后， 与 成直线关系。此直线的斜率与

16、有关。,能头分析,令 ； 则,当 ，B=0， 与 的关系呈一条水平直线。当 ， B0 ，则 与 的关系为一条向下倾斜的直线。当 ， B0 ，则 与 的关系为一条向下倾斜的直线。,能头分析,由图可见，叶轮出口处叶片角 2A对离心泵的理论扬程有明显影响。,将 代入上式得,是否 大，同流量下的 就高，这种叶片型式就好呢？这就必须分析哪种叶片角可以获得 的比例较大，效率较高。,能头分析,在一般离心泵叶轮中，轴面速度 的变化不大，即认为 ，并且液体进入叶轮流道时一般无预旋或预旋甚微，也可认为 。所以上式可写成,静扬程为,能头分析,分析上式可以看出，在相同的 和 的条件下， 随 的增大而增大，使 增大，但

17、反作用度 则随 的增大而减小，即叶轮使液体获得的静扬程 在理论扬程 中占的比例减小，这是不希望的。下面分析各种 对 的影响。,用反作用度 来反映静扬程 在 所占的比例,能头分析,如图所示，当 时， ，则 。但是这时 ，这意味着泵的叶轮没有直接把能量传给液体。所以这时对应的 是叶片出口角下限。此后 随 的增大而增大， 也随之增大。当时， ，这证明流过叶轮的液体将只有速度能头的增加，而无压力能头的提高。,这时对应的 是叶片出口角的上限。如果 则液体流过叶轮后的压力反而降低，实际上泵是不可能在这种情况下工作的。,能头分析,叶轮出口处叶片角 的叶轮称为后弯叶片型叶轮， 的称为径向叶片型叶轮， 称为前弯

18、叶片型叶轮，前边分析说明，后弯叶片型叶轮具有最大的反作用度，前弯叶片型叶轮的反作用度最小，径向叶片型叶轮的反作用度居中。由于希望离心泵使液体获得的静扬程 在理论扬程 中所占比例较大，动扬程较小，则在其后扩压流动时的流动损失较小，泵效率较高，所以离心泵叶轮大多数采用 的后弯叶片型叶轮。通常 。而石油工业用离心泵多取为 。有的石油化工用泵也采用 。 在以后的讨论中，仅对后弯叶片型叶轮进行分析。,能头分析,有限叶片数对理论扬程的影响（自学）,离心泵的各种性能曲线,各种损失性能曲线,一、离心泵中的各种损失 1、流动损失 离心泵内的流动损失包括摩擦阻力损失和冲击损失等。 (1)摩阻损失 指液体流经吸入室

19、、叶轮流道、蜗壳和扩压管（或导叶）时的沿程磨擦阻力损失以及液流因转弯、突然收缩或扩大等所产生的局部阻力损失。 由流体力学可知，当有粘滞性的非理想流体沿固体壁面流动时，流体流场可分为两个区域，紧靠壁面很薄的一层称为边界层，在边界层中必须考虑流体的粘性力，边界层中的流动可看成粘性流体的有旋流动，边界层虽然很薄，但沿其厚度方向流体速度急剧变化，它严重地影响着流体流动过程的能量损失及流体与壁面间的热交换等物理现象。实验证明，流体的摩阻损失集中在边界层中，边界层以外的中心部，粘性力很小，可以看作是理想流体的无旋流动。,各种损失,摩阻损失能头 通常用达西公式计算，即式中沿程阻力系数。与Re数、流道表面相对

20、粗糙度有关。 由于泵内液体流速很大，进入阻力平方区以后，可认为为一常数。因此把全部摩阻损失看成与速度平方，即与流量的平方成正比，用简单的式子来表示为,式中 ck1与流道表面粗糙度及过流面积有关的系数。 用曲线表示，如图所示，是一条过座标原点的二次抛物线。,各种损失,当泵的工作流量 时，例如QQd，进口速度三角形变为ABD，这时相对速度 的方向角 ，因而液流便冲向叶片的工作面上，在非工作面上产生旋涡，造成很大的能量损失。这种损失就是冲击损失。,（2）冲击损失 当液流进入液道（或导叶流道）时，液流相对运动方向角 与叶片进口角 不一致，以及液体离开叶轮进入转能装置的液流角 与转能装置中叶片角 不一致

21、而产生冲击所引起的能量损失，称为冲击损失。 众所周知，离心泵是在一定流量下设计的。叶轮叶片进口角 是按设计工况计算的，所以泵在设计流量Qd下工作时，液体进入叶轮叶片的液流角 与叶片角 相符，在叶片进口速度三角形ABC中， ，则液流能平稳地进入叶轮流道，不产生冲击。,各种损失,可用曲线表示，由图看出，在设计流量时没有冲击损失，与设计工况点偏离越多，即工作流量小于或大于设计流量越多，冲击损失越大。冲击损失的大小与叶片角 和液流角 间的差值 有关。 称为冲角，其定义为 ，当QQd时， ，叫负冲角；,负冲角时液流冲击叶片的非工作面，旋涡区发生在工作面上 一般认为，在正冲角时，冲击损失系数 比负冲角时大

22、1013倍。,各种损失,2流量损失 由于泵的转动部件与静止部件之间有间隙，当泵工作时，使间隙两侧的液体因获得能头不同而产生压力差，造成部分液体从高压侧通过间隙向低压侧泄漏，这种损失称为泄漏损失或流量损失。,泄漏损失主要发生在叶轮口环与泵壳间的间隙，多级泵级间导叶隔板与轴套之间隙处，轴向力平衡装置与泵壳间的间隙，轴封处的间隙等，所以，流入叶轮的理沦流量Q，不可能全部从泵出口排出，总会有小部分漏损。如果以q表示漏损的流量，则漏损量q与扬程H有关，实践证明，q=f(H)关系是一条二次曲线，因一般q值是很小的，故曲线较陡。,各种损失,3.机械损失 机械损失主要指叶轮外盘面与液体之间的摩擦而引起的圆盘摩

23、擦损失，泵轴与填料密封件之间的摩擦损失以及轴与铀承之间的摩擦损失等。 轴承和密封的摩擦损失与轴承和密封的结构型式以及输送流体的性质有关。但其值相对其它各项损失较小，仅约为轴功率的15。 机械损失中圆盘摩擦损失为最大，但这些损失几乎与流量无关，不随流量的改变而改变，对一定的叶轮和轴承结构可将它们看作常数。,各种损失,（1）水力功率和水力效率 离心泵的水力功率是指单位时间里泵的叶轮给出的能量，用Nh表示。其值可按下式计算 当不考虑泵内流动损失时，流经泵的液体获得了理论扬程HT。但因泵内有流动损失，叶轮给出的能量不能全部为液流获得，仅获得了有效扬程H，显然，H应等于HT与流动损失能头hf和hs之差。

24、为衡量流动损失大小的影响，通常用水力效率来表示，即,则,各种功率和效率,（2）容积效率 衡量离心泵泄漏量大小的指标，常用容积效率 表示，在数值上 等于实际流量Q与理论流量QT之比，即,（3）机械损失功率与机械效率 机械摩擦损失功率包括三部分：轮阻损失功率Ndf，轴封处摩擦损失功率 及轴和轴承间的摩擦损失功率 等。总的机械损失功率Nm为 离心泵的轴功率N为水力功率Nh与机械摩擦损失功率Nm之和，为衡量机械摩擦损失的大小，通常采用机械效率 来表示，即,各种效率,（4）泵效率 离心泵的总效率 等于有效功率Ne与轴功率之比，即 上式说明，泵的总效率 等于容积效率 、水力效率 和机械效率 三者的乘积，因

25、此，要提高泵的效率就必须在设计、制造和运行等各方面注意减少机械损失、容积损失和流动损失。目前离心泵的各种效率参考值约在下表范围中。,各种效率,一台离心泵，当工作转速n为一定值时，其扬程H、功率N、效率、汽蚀余量 与泵流量Q之间有一定的对应关系。这种表示H-Q、N-Q，-Q和hr -Q的关系曲线称为性能曲线。 当不考虑泵内各种损失的影响时，扬程 与流量QT的关系如图所示，即泵的理论扬程性能曲线；若得到理论功率NT与理论流量QT关系曲线，将理论扬程公式代入中，故有,由此式可知，NTQT关系曲线是一条与 有密切关系的二次抛物线。QT=0, NT=0; 时NT=0。,理论性能曲线,由于泵中各种损失的影

26、响，使泵的理论性能曲线与实际性能曲线存在着明显的差别。目前泵内流动损失还难以计算，所以还不可能用计算方法来确定泵的实际性能曲线，只能用定性分析方法，了解各种损失对理论特性的影响，从而确定实际性能曲线的形状。 1H-Q性能曲线,实际性能曲线,2N-Q性能曲线,实际性能曲线,3-Q性能曲线,实际性能曲线,上述定性分析得到的三条恒定转速下的H-Q、N-Q、 -Q性能曲线，在实际工程中，是制造厂用试验方法测出的，井将它们绘在同一坐标上，通常称为离心泵的基本特性，如图所示。应当指出，泵制造厂提供的样本上所绘出的特性，都是用清水，在20条件下试验测定的，因此都是输水特性。当输送液体的粘度，密度等与20清水

27、不同时，还需要进行性能曲线的换算。,实际性能曲线,具有驼峰特性的泵，其扬程随流量Q的变化是先增加后减小，曲线上T点左边为不稳定工况段，在此范围内工作时，泵容易发生喘振，影响泵的稳定工作。这样，就可以根据工作特点的不同而选择不同特性的离心泵来满足工艺要求。,泵的实际性能曲线表明，泵在恒定转速下工作时，对应于泵的每一个流量Q，必相应的有一个确定的扬程H、功率N、效率等。每条性能曲线都有它各自的用途。 (1)离心泵的H-Q性能曲线是选择泵和操作使用的主要依据。H-Q性能曲线有“陡降”“平坦及“驼峰”状之分。具有平坦特性的离心泵，其特点是当流量Q变化转大时，扬程H变化不大；具有陡降特性的泵，则当扬程H

28、变化较大时流量Q变化不大；,实际性能曲线的应用,对具有陡降特性或平坦特性的离心泵，当流量Q增大时，则扬程H降低，反之，当Q减少时，H增加。因此在离心泵操作中欲调节流量时，就可以用减小或增大扬程H来达到。生产上常采用开启或关闭排出口调节阀的办法，改变管路局部阻力损失，即使管路特性改变，则泵提供的扬程必随之改变。 (2)离心泵的NQ性能曲线是合理选择驱动机功率和操作启动泵的依据 NQ特性给出各流量Q对应的功率N大小，故根据需要可以选用驱动机的功率。 从NQ性能曲线上还可看出在哪种情况下轴功率最小，则启动时，应选在消耗功率最小的工况下，以减小启动电流，保护电动机。例如，一般离心泵在Q=0时轴功率最小

29、，故启动时应关闭排出调节阀。,实际性能曲线的应用,(3)离心泵的 Q性能曲线是检查泵工作经济性的依据 根据Q特性可知，泵在何工况下工作效率最高。工程上将泵效率最高点定为额定点。与该点对应的流量，扬程、功率，分别称为额定流量Qopt、额定扬程Hopt及额定功率Nopt。为了扩大泵的使用范围，各种泵都规定一个良好的工作区(高效区)，一般取最高效率以下7范围内诸点所对应的工作点为良好工作区。有些泵样本上，基本性能曲线只绘出良好工作区。,实际性能曲线的应用,复习,流体机械概述离心泵的基本结构和工作原理离心泵的基本方程 速度三角形 欧拉方程 能头分析离心泵的性能曲线 各种损失 性能曲线,谢谢你的阅读,知识就是财富丰富你的人生,