離心泵的工作原理.doc

2.2離心泵2.2.1 離心泵的工作原理離心泵的主要構(gòu)件葉輪和蝸殼葉輪是離心泵直接對(duì)液體作功的部件，其上有若干后彎葉片，一般為片。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（10003000r/min），迫使葉片間的液體作近似等角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液體在葉片間的運(yùn)動(dòng)由圖可以導(dǎo)出液體質(zhì)點(diǎn)的切向速度，相對(duì)速度和絕對(duì)速度之間的關(guān)系為 （25） （26）如不計(jì)葉片的厚度，離心泵的流量qv可表示為 （27） （28）式中在同一流量下，因外緣處葉片間的流道較內(nèi)緣處為寬，其相對(duì)速度將低于內(nèi)緣。等角速度旋狀運(yùn)動(dòng)的考察方法以靜止坐標(biāo)為參考系；以與流體一起作等角速度運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為參照系。離心力場中的機(jī)械能守恒設(shè)有一離心泵葉輪如圖所示，此葉輪具有無限多葉片并繞軸以角速度旋轉(zhuǎn)當(dāng)離心泵正常工作時(shí)，流體在作等角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還將沿葉片通道由內(nèi)緣流向外緣。若以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為參照系，并假定： 液體是理想流體，無摩擦阻力損失； 流動(dòng)是定態(tài)的。則流體質(zhì)點(diǎn)在葉片通道內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足 （29）-為方便分析，假設(shè)葉輪水平放置，并取旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸向上。在葉輪內(nèi)半徑為處取單位質(zhì)量流體，作用在此單位質(zhì)量流體上的體積力為：重力 慣性離心力 此離心力在和y方向的投影是 ； 將、Y、Z但入式（）中，并積分得 此式表明，理想流體在無限多葉片構(gòu)成的葉片通道內(nèi)作定態(tài)流動(dòng)時(shí)，其總機(jī)械能守恒。這樣可對(duì)葉輪進(jìn)、出口截面列出機(jī)械能守恒式： （210）或 （211）離心泵的理論壓頭若以靜止物體為參照系，具有徑向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流體所具有的機(jī)械能應(yīng)是勢能和以絕對(duì)速度計(jì)的動(dòng)能。離心泵葉輪對(duì)單位重量流體所提供的能量等于流體在進(jìn)、出口截面的總機(jī)械能之差，即 （212）將式（）代入上式，可得離心泵的理論壓頭為 （213）將式（）、（）代入上式得 （214）由上式可以看出，為得到較大的壓頭，在離心泵設(shè)計(jì)時(shí)，通常使液體不產(chǎn)生預(yù)旋，從徑向進(jìn)入葉輪，即90。于是，泵的理論壓頭 （215）流量對(duì)理論壓頭的影響由圖可知： （216）由式（），得 將上兩式代入式（），可得泵的理論壓頭H和泵的流量之間的關(guān)系為 （218）葉片形狀對(duì)理論壓頭的影響根據(jù)葉片出口端傾角的大小，葉片形狀可分為三種：徑向葉片（）；后彎葉片（）和前彎葉片（）圖表示了三種葉片的形狀由式（）可知，對(duì)徑向葉片，泵的理論壓頭與流量無關(guān)；對(duì)于前彎葉片，泵的理論壓頭隨流量增加而增大；對(duì)于后彎葉片，泵的理論壓頭隨流量增加而減少。液體密度的影響由式（）可知理論壓頭與液體密度無關(guān)。但是，在同一壓頭下，泵進(jìn)、出口的壓差卻與流體的密度成正比。如果泵啟動(dòng)時(shí)，泵體內(nèi)是空氣，而被輸送的是液體，則啟動(dòng)后泵產(chǎn)生的壓頭雖為定值，但因空氣密度太小，造成的壓差或泵吸入口的真空度很小而不能將液體吸入泵內(nèi)。因此，離心泵啟動(dòng)時(shí)須先使泵內(nèi)充滿液體，這一操作稱為灌泵。泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)吸入管路和泵的軸心處常處于負(fù)壓狀態(tài)，若管路及軸封密封不良，則因漏入空氣而使泵內(nèi)流體的平均密度下降。若平均密度下降嚴(yán)重，泵將無法吸上液體，此稱為“氣縛”現(xiàn)象。2.2.2 離心泵的特性曲線泵的有效功率和效率泵的有效功率可由下式表示。 （219）式中 由電機(jī)輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以表示。有效功率與軸功率之比值定義為泵的效率，即 （220）離心泵內(nèi)的容積損失、水力損失和機(jī)械損失是構(gòu)成泵的效率的主要因素。離心泵的特性曲線離心泵的有效壓頭（揚(yáng)程）、效率、軸功率均與輸液量有關(guān)，其間關(guān)系可用泵的特性曲線表示，下圖為離心泵的特性曲線。液體粘度對(duì)特性曲線的影響泵制造廠所提供的特性曲線是用常溫清水進(jìn)行測定的。因此，選泵時(shí)應(yīng)先對(duì)原特性曲線進(jìn)行修正，然后根據(jù)修正后的特性曲線進(jìn)行選擇。轉(zhuǎn)速對(duì)特性曲線的影響如轉(zhuǎn)速相差不大，轉(zhuǎn)速改變后的特向曲線可從已知的特性曲線近似地?fù)Q算求出，換算的條件是設(shè)轉(zhuǎn)速改變前后液體離開葉輪的速度三角形相似，則泵的效率相等。參見圖，由速度三角形相似可得： （221）使其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系滿足式（）時(shí)，泵內(nèi)液體的速度三角形相似。 （222）軸功率之比為： （223）綜上所述可得離心泵的比例定律如下：如果流量之比 （224）則揚(yáng)程之比 （225）軸功率之比 （226）2.2.3 離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作安裝在管路中的泵其輸液量即為管路的流量，在該流量下泵提供的揚(yáng)程必恰等于管路所要求的壓頭。因此，離心泵的實(shí)際工作情況（流量、壓頭）是由泵特性和管路特性共同決定的。離心泵的工作點(diǎn)若管路內(nèi)的流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，安裝在管路中的離心泵其工作點(diǎn)必同時(shí)滿足：管路特性方程 （227）泵的特性方程 （228）聯(lián)立求解此兩方程即得管路特性曲線和泵特性曲線的交點(diǎn)，參見圖。此交點(diǎn)為泵的工作點(diǎn)。流量調(diào)節(jié)最簡單的調(diào)節(jié)方法是在離心泵出口處的管路上安裝調(diào)節(jié)閥改變閥門的開度即改變管路阻力系數(shù)（式中的值）可改變管路特性曲線的位置，使調(diào)節(jié)后管路特性曲線與泵特性曲線的交點(diǎn)移至適當(dāng)位置，滿足流量調(diào)節(jié)的要求另一類調(diào)節(jié)方法是改變泵的特性曲線，如改變轉(zhuǎn)速等.并聯(lián)泵的合成特性曲線設(shè)有兩臺(tái)型號(hào)相同的離心泵并聯(lián)工作（圖215），并且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和壓頭必相同。其特性曲線可由單臺(tái)泵特性曲線橫坐標(biāo)加倍，縱坐標(biāo)保持不變得到。并聯(lián)泵的流量和壓頭由合成特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)a決定，并聯(lián)泵的總效率與每臺(tái)泵的效率（圖中b點(diǎn)的單泵效率）相同。由圖可見，由于管路阻力損失的增加，兩臺(tái)泵并聯(lián)的總輸送量必小于原單泵輸送量的兩倍。串聯(lián)泵的合成特性曲線其特性曲線可由單臺(tái)泵特性曲線橫坐標(biāo)保持不變，縱坐標(biāo)加倍得出。同理，串聯(lián)泵的總流量和總壓頭也是由工作點(diǎn)a所決定。由于串聯(lián)后的總輸液量即是組合中的單泵輸液量，故總效率也為時(shí)的單泵效率。組合方式的選擇如果管路兩端的勢能差大于單泵所能提供的最大揚(yáng)程，則必須采用串聯(lián)操作。由圖可見，對(duì)于低阻輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)組合；對(duì)于高阻傳輸管路，則采用串聯(lián)組合更為合適。2.2.4 離心泵的安裝高度氣蝕現(xiàn)象葉輪內(nèi)原葉片的背面壓強(qiáng)最低，但安裝位置高至離頁面0-0一定距離，首先在該處發(fā)生汽化現(xiàn)象。含氣泡的液體進(jìn)入葉輪后，因壓強(qiáng)升高，氣泡立即凝聚。氣泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體以高速涌向氣泡中心，造成沖擊和振動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。泵在這種狀態(tài)下長期運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致葉片的過早損壞。故泵的安裝位置不能太高。臨界氣蝕余量（NPSH）c與必需汽蝕余量（NPSH）r 截面1-1至K-K之間的機(jī)械能衡算式 （229）當(dāng)泵內(nèi)剛發(fā)生氣蝕時(shí)，等于被輸送液體的飽和蒸氣壓，而必等于某確定的最小值。在此條件下，上式可寫為 或 （230）式（230）表明，在泵內(nèi)剛發(fā)生汽蝕的臨界條件下，泵入口處液體的機(jī)械能比液體汽化時(shí)的勢能超出。此超出量稱為離心泵的臨界汽蝕余量，并以符號(hào)（NPSH）c表示，即 （231）為使泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，泵入口處的壓強(qiáng)必須高于，即實(shí)際氣蝕余量（亦稱裝置汽蝕余量）： （232）必須大于臨界汽蝕余量（NPSH）c一定的量。最大安裝高度與最大允許安裝高度從吸入液面0-0至葉輪入口截面K-K之間（參見圖218）列機(jī)械能衡算式，可求得最大安裝高度為安全起見，通常是將最大安裝高度減去一定量作為安裝高度的上限，稱為最大允許安裝高度，可由下式計(jì)算 （234）式中（NPSH）r，即是泵產(chǎn)品樣本提供的必需汽蝕余量。必須指出，（NPSH）r與流量有關(guān)，流量大時(shí)（NPSH）r較大。因此在計(jì)算泵的最大允許安