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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
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