第六章《矿山流体机械》课件.ppt

《第六章《矿山流体机械》课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章《矿山流体机械》课件.ppt（43页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第六章 离心式水泵的结构,本章学习要点,离心式水泵的主要部件 矿山常用离心式水泵 离心式水泵的轴向推力及其平衡 本章小结,第一节 离心式水泵的主要部件,如右图所示，离心式水泵的主要部件包括转动部分、固定部分、密封部分和轴承部分等四大部分。,一、转动部分,（一）泵轴,泵轴常用45号钢锻造加工而成，其主要作用是把电动机的扭矩传递给叶轮，并支承装在它上面的转动部件。为了防止泵轴锈蚀，泵轴与水接触的部分装有轴套，轴套锈蚀和磨损后可以更换，这样可以延长泵轴的使用寿命。,（二）叶轮,叶轮是水泵的主要零件，其作用是将电动机的机械能传递给液体，使液体的压力能和速度能均得到提高。叶轮的尺寸、形状和制造精度对水泵

2、的性能有决定性的影响，因此，叶轮在传递能量的过程中流动损失应该最小。,叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。如下图（a）所示为封闭式叶轮，其效率较高，但要求输送的介质较清洁；如下图（b）所示为半开式叶轮，它无前盖板，适宜输送含有杂质的液体；如下图（c）所示为开式叶轮，它只有叶片和轮毂，而无前、后盖板，适宜输送含有较大、较多颗粒杂质的液体，但其效率较低，一般不采用。,叶轮叶片的数目一般为610片。叶片数目太多，会增加水在叶轮中的摩擦阻力；太少，容易产生环流，这两种情况都会降低水泵的效率。,（三）平衡盘,平衡盘的作用是平衡水泵的轴向推力，常用灰铸铁制造。平衡盘的结构如左图所示。它通过键与泵轴连

3、接，盘背面有拆卸用的螺丝孔。,二、固定部分,固定部分主要包括进水段（前段）、中段和出水段（后段），用拉紧螺栓将它们连接在一起。水泵的吸水口位于进水段，为水平方向；出水口位于出水段，为垂直向上。,（一）进水段,进水段的作用是以最小的阻力损失，将液体从吸水管路引入叶轮，并使叶轮进水口处的流速尽可能均匀分布。在进水段中，吸水管法兰至叶轮进水口前的空间过流部分称为吸入室。吸入室的结构主要有直锥形、环形、弯管形和半螺旋形等四种。,1直锥形吸入室,如下图所示为直锥形吸入室的结构示意图。直锥形吸入室的流动阻力损失较小，液体能在其中逐渐加速，速度分布较为均匀，且结构简单，制造方便，因此，主要用于单级悬臂式离心

4、泵中。,2环形吸入室,如下图所示为环形吸入室的结构示意图。环形吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同，结构对称、紧凑、简单，轴向尺寸较小；但由于泵轴穿过环形吸入室，所以液流绕流泵轴时，会在轴的背面产生旋涡，从而引起叶轮进水口流速分布不均匀，流动阻力损失较大。环形吸入室主要用于多级泵中。,3弯管形吸入室,如左图所示为弯管形吸入室的结构简图。弯管形吸入室是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式，它在叶轮前有一段直锥形收缩管，因此具有直锥形吸入室的优点。,4半螺旋形吸入室,如右图所示为半螺旋形吸入室的结构简图。半螺旋形吸入室能保证叶轮进水口处的液流速度均匀，且泵轴后面没有旋涡；但因液流进入叶轮前已有预旋

5、，扬程会略有下降。半螺旋形吸入室主要用于双吸式泵和多级中开式泵中。,（二）中段,由于多级分段式水泵的液流是由前一级叶轮流入次一级叶轮内的，故在水泵中必须装置中段，中段一般由导水圈和返水圈组成。导水圈的叶片数与叶轮的叶片数应互为质数，否则会出现叶轮叶片和导水圈叶片重叠的现象，造成流速脉动，产生冲击和振动。导水圈和返水圈的叶片组成导叶，导叶主要有径向式与流道式两种。,如左图所示为流道式导叶。在流道式导叶中，正反导叶是连续的整体，即反导叶是正导叶的继续，所以从正导叶进口到反导叶出口间会形成单独的小流道，各个小流道内的液流互不相混。这与径向式导叶不同。因此，流道式导叶的流动阻力比径向式导叶小，但结构复

6、杂，铸造加工较麻烦。,（三）出水段,出水段的作用是将高速液体汇集起来，并将液体中的部分动能转变成压力能，最后将液体引向出水口。在出水段中，排水管法兰至导水圈前的空间过流部分称为压水室。压水室的结构主要有螺旋形和环形两种。,1螺旋形压水室,如右图所示，蜗壳体收集从叶轮中流出的液体，在流动方向上，蜗壳体的截面面积不断增大，这样液体在其各截面上的平均流速相等。扩散管能使液体的部分动能转变为压力能，减少流动损失，扩散角一般取812。,2环形压水室,如右图所示，环形压水室的流道断面面积相等，所以液流在流动中会不断加速。这样从叶轮中流出的均匀液流与压水室内速度较高的液流相遇，彼此会发生碰撞，损失很大。因此

7、，环形压水室的效率低于螺旋形压水室；但它加工方便，主要用于多级泵中。,三、密封部分,离心式水泵各固定段之间的静止结合面采用纸垫密封；转动部分与固定部分的间隙靠密封环及轴封来密封。,（一）密封环,叶轮的进水口与水泵固定部分之间、叶轮尾端轮毂与中段导叶内孔之间都存在环形缝隙。为了减少缝隙的泄漏量，在保证叶轮正常转动的前提下，应尽可能减小缝隙。为此，在每个叶轮前后的环形缝隙处都安装有磨损后便于更换的密封环。其中，装在叶轮进水口处的密封环为大口环；装在叶轮尾端轮毂处的密封环为小口环，如右图所示。,密封环一般为圆柱形，用螺栓固定在泵壳上，它承受着与转子的摩擦，是水泵的易损件之一。当密封环被磨损到一定程度

8、后，水在泵腔内将发生大量窜流，使水泵的排水量和效率显著下降，故应及时更换。,（二）轴封,泵轴穿过泵壳，使转动部分和固定部分之间存在间隙，泵内液体会从间隙中泄漏至泵外。为了减少泄漏，一般在间隙处装有轴端密封装置，简称轴封。目前采用的轴封主要有填料密封、机械密封、浮动环密封及迷宫密封等。这里主要介绍在泵中应用非常广泛的填料密封。,如右图所示，填料密封由填料（盘根）、水封环（盘根环）、填料箱（盘根箱）、填料压盖、压盖螺栓和螺母组成。水泵一般用石墨油浸石棉绳做填料。将填料弯成圆形后，一圈一圈填入填料箱内。填料箱的中部还装有一个水封环，它是带有四个径向小孔的金属圆环，由水泵中段引来的压力水通过小孔进入环

9、内而形成水封，增加填料装置的密封效果，同时还能起到一定的润滑和冷却作用。,正常工作时，填料由填料压盖压紧。由于填料与轴套表面直接接触，因此填料压盖的压紧程度应该合理。如压得过紧，填料在腔室中被充分挤紧，虽然可以减少泄漏，但填料与轴套表面的摩擦迅速增加，严重时发热、冒烟，甚至将填料和轴套烧坏；如压得过松，则泄漏增加，泵效率下降。填料压盖的压紧程度应该以有少量滴状的液体向外泄漏为宜。,四、轴承部分,水泵转子部分支承在泵轴两端的轴承上。轴承一般包括两种形式：滑动轴承和滚动轴承。其中，滑动轴承常用于大型泵；滚动轴承常用于小型泵。例如，D型水泵采用单列向心滚柱轴承，用黄油润滑。为防止水进入轴承，在泵轴两

10、侧采用O形耐油橡胶密封圈和挡水圈。这种轴承允许有少量的轴向位移，有利于平衡装置改变间隙，以平衡轴向推力；同时，由于采用了滚动轴承，减少了静阻力距和机械摩擦损失。,第二节 矿山常用离心式水泵,一、D型泵,D型泵为单吸多级分段式离心泵。它可输送水温低于80的清水或物理性能类似于水的液体，其流量和扬程范围较大，目前多用作矿山的主排水泵。D型泵经过多年的发展已形成系列，下面以D280 433型泵为例来进行说明。D280 433型号的意义：D单吸、多级、分段式；280额定流量为280m3/h；43单级额定扬程为43m；33级。,如左图所示，D280 433型泵的泵体由八根拉紧螺栓将进水段、两个装有导叶的

11、中段和出水段三大部分连接而成。进水段采用环形吸入室，出水段采用螺旋形压水室。吸水口位于水平面上，出水口垂直向上。泵轴上装有三个叶轮和一个平衡盘，在轴的两端用单列向心轴承支承。,为了改善吸水性能，第一级叶轮的进水口直径比其他几级大些。为了提高容积效率，在泵体上装有大、小口环。泵轴两端有两个填料箱，吸水侧填料箱内设置有水封环，以封住轴隙，阻止空气进入水泵吸水口，保证吸水口的真空度；排水侧填料箱内没有设置水封环，其他与吸水侧相同。填料箱内的填料为石墨油浸石棉绳填料或聚四氟乙烯填料。,二、B型泵,B型泵为单吸单级悬臂式离心泵，它可输送水温低于80的清水或物理性质与水相似的液体。其体积小，质量轻，结构简

12、单，流量和扬程范围大，常用作矿山的辅助供排水设备。6B33A型号的意义：6吸水口直径为6英寸；B单吸、单级、悬臂式；33扬程为33m；A该泵更换直径较小的叶轮。,如下图所示 6B33A型泵主要由泵体、泵盖、叶 轮、泵轴、轴承和轴承支架等组成。泵体内有逐渐扩散至水泵出水口的螺旋形流道，并与出水口法兰铸成一体。它可根据安装需要旋转90、180或270，以改变泵出口的方向。在出水口法兰盘上，有安装压力表用的接口。泵体上下各有一螺孔，分别用于排气和放水。,泵盖与泵体的结合面间有纸垫，以防漏水。泵盖内装有填料密封，以防空气窜入和水渗出。泵轴左端装有叶轮，右端通过联轴器与电动机相连。叶轮前后盖和泵体之间装

13、有密封环，叶轮后盖上开有平衡孔。,三、IS型泵,IS型泵为单吸单级悬臂式清水泵，它可输送水温低于80的清水或物理性质与水相似的液体。其流量和扬程范围大，适用于工矿企业和城市给水、排水，也可用于农业排灌。IS10080125型号的意义：IS单吸、单级、悬臂式；100吸水口直径为100mm；80出水口直径为80mm；125叶轮的名义直径为125mm。,如左图所示，IS型泵主要由泵体、泵盖、叶轮、泵轴、密封环和轴承等组成。它的泵体与泵盖是从叶轮背面处剖分的，即后开门结构形式，检修方便。,叶轮、泵轴和滚动轴承等为泵的转子。悬架轴承部件支承着泵的转子部件。在叶轮前、后盖板处均设有密封环。为了平衡泵的轴向

14、力，后盖处开有平衡孔。滚动轴承承受泵的径向力和残余轴向力。泵的密封为带水环封的填料密封。为避免泵轴磨损，在泵轴通过填料腔的部位装有轴套保护。为防止进气或漏水，轴套和轴之间装有O形密封圈。,第三节 离心式水泵的轴向推力 及其平衡,一、轴向推力产生的原因,水泵工作时，叶轮与导水圈之间有一定的间隙，高压水会从此间隙流入叶轮的左右两侧，但两侧的液流压强却不等，如下图所示。,在大口环处以外，叶轮右侧的压强与叶轮左侧的压强可近似相等，互相抵消。但在大口环处以内，由于叶轮左侧进水口处的压强p1小于大气压，而叶轮右侧的压强p2（即出水口处的压强）大于大气压，因此，右侧的压强大于左侧的压强，其压差乘以面积的积分

15、就是作用在单个叶轮上的轴向力，其方向指向进水口一侧。,二、轴向推力的危害,水泵的总轴向力与叶轮级数成正比，多级水泵的总轴向力有时可达几十千牛，这个力将会使整个转子向吸水侧窜动。如不加以平衡，会使高速旋转的叶轮与固定的泵体相碰，造成破坏性的磨损；另外，过量的轴向窜动，会使轴承发热，电动机负荷加大；同时使互相对正的叶轮出水口与导水圈的导叶进水口发生偏移，引起冲击和涡流，使水泵效率大大降低，严重时使水泵无法工作。,三、轴向力的平衡方法,（一）平衡孔法,如下图所示，在叶轮后盖板上对着进水口处钻数个小孔，使叶轮两侧贯通；同时在叶轮后盖板上装一个与进水口外径相同的密封环K，则K与叶轮轮毂间必形成一小室E。

16、K与泵体上的固定环配合工作，将阻止外侧高压水向小室E泄漏，则小室E内的压强与进水口处基本相等，降低了叶轮两侧的压强差，从而使轴向推力大大减小。,采用平衡孔法，结构简单，并可减小轴封压力，但会增加泄漏，干扰叶轮进水口处液体流动的均匀性，降低水泵的效率。因此，平衡孔法一般只用在小型的单级泵上。,（二）平衡（背）叶片法,如下图所示，在叶轮的后盖板外侧安置46片平衡（背）叶片。没有背叶片时，叶轮右侧压力分布如图中曲线AGF所示；安置背叶片后，背叶片强迫叶轮背面液体旋转，使其离心力增大，从而使叶轮背面的压力显著下降，其分布曲线如图中AGK所示。,背叶片除了能平衡轴向力外，还能减小轴封处的液体压力，并可防

17、止杂质进入轴封，所以背叶片常用在输送杂质的泵上。,（三）双吸式叶轮法,如下图所示，双吸式叶轮由于左、右结构对称，理论上可使产生的轴向力互相抵消。但由于制造上的误差或两侧密封环磨损不同使泄漏程度不同等原因，仍会产生较小的轴向力。双吸式叶轮一般用在流量较大的单级离心泵上。,（四）叶轮对称布置法,如下图所示，多级泵中，可以将叶轮对称布置，使其产生的轴向推力相等反向，互相抵消。叶轮数为偶数时，叶轮正好对半布置；叶轮数为奇数时，则首级叶轮可以采用双吸式叶轮，其余叶轮仍对半反向布置。此方法简单，但增加了外回流管道，造成泵壳笨重，同时也增加了级间泄漏。叶轮对称布置主要用于蜗壳式多级泵和分段式多级泵上。,（五

18、）平衡装置法,为平衡轴向力，在多级泵上通常安装平衡盘、平衡鼓或平衡盘与平衡鼓的联合装置、双平衡鼓装置等。,1平衡盘,如右图所示，在多级水泵末级叶轮的后面，装配一平衡盘，并用键将其固定在泵轴上，使其随轴一起旋转。泵体上固定有支承环和平衡环。平衡盘右侧经回水管与水泵吸水口或大气相通。,设末级叶轮出水口液体的压强为p2，平衡盘间隙0前的液流压强为p3，水泵正常工作时，p3p2，可认为是不变的。当水流过径向间隙0后，由于水力损失的存在，A腔内的压强降为为p4。当水流过轴向间隙后，压强再下降为p5，p5p1，也认为是不变的。这样平衡盘前后产生压差为p4p5。该压差乘以平衡盘的平衡面积，就得到平衡盘所产生

19、的平衡力F。平衡力F的方向与轴向推力F的方向相反。当平衡力F与轴向推力F大小相等时，水泵便处在平衡状态下运转。,当水泵的工况变动时，叶轮产生的轴向推力F也会发生变化。如果轴向推力F变大，则转子会向左移动，轴向间隙将减小，通过间隙的泄漏量也将减少，A腔内压强p4将增大，由于p5基本不变，故平衡盘前后的压差增大，平衡力F也相应增大。当平衡力F增大到与轴向推力F相等时，达到平衡。但是，由于惯性，运动的转子不会在新的平衡位置立刻停下，而是继续向左移动，轴向间隙继续减小，平衡力F超过轴向推力F继续增大，直到转子停止。而转子停止的位置并不是平衡位置，此时，FF，转子向右移动，又开始了从不平衡到平衡的运动。

20、,离心式水泵在工作中，工况经常变化，轴向推力F也随之变化，转子就会在轴向移动的过程中得到新的平衡。因此，平衡盘的工作状态是动态的。工况改变时，转子会自动地移动到另一平衡位置上去。由于平衡盘具有这种自动平衡轴向推力的特点，因此，被广泛地应用在多级泵中。平衡盘可以平衡全部的轴向力，并可以避免泵动、静部分的碰撞与磨损。但是泵在启、停时，由于平衡盘的平衡力不足，引起泵轴向吸水口方向窜动，平衡盘与平衡环之间会产生碰撞与摩擦，造成磨损。为减少从平衡盘中流出的水量，应使平衡盘与平衡环之间的轴向间隙在0.51mm之间。,2平衡鼓,如下图所示，平衡鼓是装在泵轴末级叶轮后的一个圆柱体，它与泵轴一起旋转。平衡鼓外缘

21、与泵体的平衡鼓套间形成径向间隙，平衡鼓右侧与水泵吸水口相连。,平衡鼓前的液体来自末级叶轮的出口，径向间隙前的液体压强为p3，径向间隙后的液体压强为p4。平衡鼓前后产生的压差（p3p4）与作用面积乘积的积分值即为泵轴上轴向推力的平衡力。,当工况变动或泵启、停时，平衡鼓与泵体不会发生磨损，所以平衡鼓的使用寿命长，工作安全。但由于设计计算不能完全符合实际，同工况变化时，轴向力亦会发生变化，因此平衡鼓不能平衡掉全部的轴向力；另外由于平衡鼓不能限制泵轴的轴向窜动，所以使用平衡鼓时，必须装有双向推力轴承。使用平衡鼓时，由于湿周大，所以泄漏量大。为减少平衡鼓的泄漏量，可在平衡鼓外圆周车出反向螺旋槽。平衡鼓如

22、果与平衡盘联合使用，能使平衡盘上所受的轴向力减少一部分，平衡盘的负载减小，工作情况会有好转。,本章小结,（一）离心式水泵的主要部件,离心式水泵的主要部件包括转动部分、固定部分、密封部分和轴承部分等四大部分。1转动部分主要由泵轴、装在泵轴上的叶轮和用以平衡轴向推力的平衡盘组成。2固定部分主要包括进水段（前段）、中段和出水段（后段）等部件，用拉紧螺栓将它们连接在一起。3离心式水泵各固定段之间的静止结合面采用纸垫密封；转动部分与固定部分的间隙靠密封环及轴封来密封。4水泵转子部分支承在泵轴两端的轴承上。轴承一般包括两种形式：滑动轴承和滚动轴承。,（二）矿山常用离心式水泵,本章介绍了几种矿山常用的离心式水泵，如D型泵、B型泵和IS型泵。,（三）离心式水泵的轴向推力及其平衡,1轴向推力是由于叶轮两侧液体的压强不等而产生的，其方向指向进水口一侧。2轴向推力会使叶轮与泵体相碰，造成破坏性的磨损；会使轴承发热，电动机负荷加大；同时还会使水泵效率大大降低。3轴向力的平衡方法主要有平衡孔法、平衡（背）叶片法、双吸式叶轮法、叶轮对称布置法和平衡装置法等。,