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文檔簡介

1、泵的性能參數(shù) 葉片泵性能是由其性能參數(shù)表示的。表征水泵性能的主要參數(shù)有六個:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速和允許吸上真空高度(或必需汽蝕余量)。這些參數(shù)之間互為關(guān)聯(lián),當(dāng)其中某一參數(shù)發(fā)生變化時,其它工作參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化,但變化的規(guī)律取決于水泵葉輪的結(jié)構(gòu)型式和特性。為了深入研究葉片泵的性能,必須首先掌握葉片泵性能參數(shù)的物理意義。1、流量(flowrate, capacity, discharge) 水泵的流量是指單位時間內(nèi)流出泵出口斷面的液體體積或質(zhì)量,分別稱為體積流量(volume capacity)和質(zhì)量流量(mass capacity)。體積流量用符號Q表示,質(zhì)量流量用Qm表示。體積流量

2、常用的單位為升每秒(L/s)、立方米每秒(m3/s)或立方米每小時(m3/h);質(zhì)量流量常用的單位為千克每秒(kg/s)或噸每小時(t/h)。根據(jù)定義,體積流量與質(zhì)量流量有如下的關(guān)系:QmQ,式中的為被輸送液體的密度(kg/m3)。由于各種應(yīng)用場合對流量的需求不同,葉片泵設(shè)計流量的范圍很寬,小的不足1升每秒,而大的則達(dá)幾十、甚至上百立方米每秒。除了上述的水泵流量以外,在葉輪理論的研究中還會遇到水泵理論流量QT和泄漏流量q的概念。所謂理論流量(theoretical capacity)是指通過水泵葉輪的流量。泄漏流量(leakage capacity)是指流出葉輪的理論流量中,有一部分經(jīng)水泵轉(zhuǎn)動

3、部件與靜止部件之間存在的間隙,如葉輪進(jìn)口口環(huán)與泵殼之間的間隙、填料函中泵軸與填料之間的間隙以及軸向力平衡裝置中的平衡孔或平衡盤與外殼之間的間隙等,流回葉輪進(jìn)口和流出泵外的流量。由此可知,水泵流量、理論流量和泄漏流量之間有如下的關(guān)系:QT Q + q。2、揚(yáng)程(head) 揚(yáng)程,用符號H表示,是指被輸送的單位重量液體流經(jīng)水泵后所獲得的能量增值,即水泵實際傳給單位重量液體的總能量,其單位為m(Nm / N = m)。因此,由水泵揚(yáng)程的定義,揚(yáng)程也可表示為水泵進(jìn)、出口斷面的單位能量差。(一)臥式葉片泵的揚(yáng)程如圖1.48中所示,以泵的基準(zhǔn)面(datum level of pump)(通過由葉輪葉片進(jìn)口

4、邊的外端所描繪的圓的中心的水平面,各種類型葉片泵的基準(zhǔn)面如圖1.49所示)為基準(zhǔn),分別列出水泵進(jìn)口斷面1-1和出口斷面2.2處的單位總能量:水泵進(jìn)口斷面1-1處的單位總能量:圖1.49 水泵基準(zhǔn)面示意圖(a)臥式單吸離心泵、混流泵;(b)立式單吸離心泵;(c)立式雙吸離心泵(d)臥式軸流泵;(e)立式混流泵;(f)立式軸流泵;(g)斜式軸流泵水泵出口斷面2.2處的單位總能量:則泵的揚(yáng)程式中:Z1、Z2分別為水泵進(jìn)、出口斷面中心到泵基準(zhǔn)面的位置高差(m),當(dāng)斷面中心位于泵基準(zhǔn)面以上時,高差取正值,反之則取負(fù)值;p1、p2分別表示水泵進(jìn)、出口斷面的平均絕對壓力(N/m2);v1、v2分別表示水泵進(jìn)

5、、出口斷面的平均流速(m/s);被抽液體的密度(kg/m3);g重力加速度(m/s2)。由式(1-1)可以看出,液體經(jīng)過水泵所獲得的能量由三部分組成:單位位能差(Z2Z1);單位壓能差;單位動能差。因為單位位能差與單位壓能差之和亦稱作單位勢能差,所以通常也稱揚(yáng)程由單位勢能差和單位動能差兩大部分組成,即。由水力學(xué)可知,該單位勢能差即為如圖1.48中所示的水泵進(jìn)、出口斷面的測壓管水面之間的垂直距離。在水泵實際運(yùn)行中,常采用真空表和壓力表來測量水泵進(jìn)、出口斷面的壓力,如圖1.50所示。圖1.50 臥式泵揚(yáng)程計算示意圖圖1.50(a)所示的是水泵基準(zhǔn)面高于吸水面的情況,此時,水泵運(yùn)行時其進(jìn)口11斷面為

6、負(fù)壓,故用真空表V測量該斷面的壓力,且由于測壓連接管內(nèi)充滿空氣,故真空表的測量值可以近似看成是該斷面的平均壓力;出口22斷面的壓力用壓力表M來測量。設(shè)真空表的讀數(shù)為V(米水柱),壓力表的讀數(shù)為M(米水柱),那么,1-1、2.2斷面的絕對壓頭可用下列二式分別表示:上列式中:pa大氣壓力,N/m2;Zm壓力表中心至測點斷面的垂直距離,m。將上列二式代入式1.1后,水泵揚(yáng)程的表達(dá)式可表達(dá)為:上式可改寫為式中ZZ2+ZmZ1為壓力表中心與水泵基準(zhǔn)面之間的垂直高差,當(dāng)壓力表位于基準(zhǔn)面的上方時,Z取正值,反之,當(dāng)壓力表位于基準(zhǔn)面下方時,Z取負(fù)值。式(1.1a)表明,安裝在進(jìn)水面以上的臥式泵的揚(yáng)程等于出口壓

7、力表中心與泵基準(zhǔn)面之間的位置高差、泵進(jìn)口斷面的真空壓頭、出口斷面的壓頭及進(jìn)、出口斷面的動能差四項之和。當(dāng)泵的基準(zhǔn)面低于進(jìn)水池水面,即水泵安裝在吸水面以下時,如圖1.50(b)所示,水泵進(jìn)口1-1斷面為正壓,故需用壓力表來來測量該斷面的壓力。設(shè)進(jìn)、出口壓力表的讀數(shù)分別為M1、M2(米水柱),類似上面的推導(dǎo),可得:式中Z為進(jìn)、出口壓力表中心之間的垂直高差,當(dāng)出口壓力表M2高于進(jìn)口壓力表M1時,Z取正值,反之,Z取負(fù)值。式(1.1b)表明,安裝在進(jìn)水面以下的臥式泵的揚(yáng)程等于進(jìn)、出口壓力表中心的位置高差、泵進(jìn)、出口斷面的壓頭差及進(jìn)、出口斷面的動能差三項之和。式(1.1a)和(1.1b)為臥式葉片泵揚(yáng)程

8、H的實用計算公式。(二)立式軸流泵(混流泵)的揚(yáng)程對于如圖1.51所示的立式軸流泵(或混流泵),因泵的葉輪和進(jìn)口部分一般淹沒在進(jìn)水池水位以下,不易測量進(jìn)口斷面處的壓力。因此,通常將立式軸流泵的進(jìn)口斷面近似地取在進(jìn)水池液面處,并在泵出口2-2斷面(一般為出水彎管出口斷面)安裝壓力表M。取進(jìn)水池液面為0-0斷面,并以該斷面為基準(zhǔn)面,列0-0斷面、2-2斷面的能量方程式:圖1.51 立式軸流泵(混流泵)揚(yáng)程計算示意圖泵進(jìn)口斷面(即0-0斷面)單位總能量E0:泵出口斷面單位總能量E2:則由定義,泵的揚(yáng)程H:式中,當(dāng)進(jìn)水池水面流速0很小可以忽略時,上式可簡化為:式中ZM壓力表中心至進(jìn)水池水面的位置高差(

9、m);其余符號意義同前。式(1.2)即為計算立式軸流泵或混流泵揚(yáng)程的實用公式。該式表明,立式軸流泵或混流泵的揚(yáng)程等于泵出口壓力表中心至進(jìn)水面的位置高差、出口斷面壓頭及其平均動能三項之和。(三)水泵裝置需要揚(yáng)程(system requied head of pump)我們知道,水泵必須在與進(jìn)水池、進(jìn)、出水管路和出水池構(gòu)成的裝置系統(tǒng)中才能工作。下面我們分析一下水泵在如圖150(a)所示的裝置中運(yùn)行時的揚(yáng)程。分別列泵的出口2-2斷面與出水池水面d-d斷面、進(jìn)水池水面S-S斷面與水泵進(jìn)口1-1斷面的能量方程:式中:E1、E2分別為水泵進(jìn)、出口斷面的單位總能量,m;Hg水泵安裝高度(setting he

10、ight of pump),又稱水泵吸上揚(yáng)程(suction lift),為進(jìn)水池水面與泵基準(zhǔn)面0-0斷面的垂直距離,當(dāng)水泵安裝在進(jìn)水池水面上方時,Hg取正值,反之,當(dāng)水泵淹沒在進(jìn)水面以下時,Hg取負(fù)值,m;Zd出水池水面與泵基準(zhǔn)面0-0斷面的垂直距離,m;ps、pd 分別為進(jìn)、出水池水面上的壓力,N/m2;vs、vd 分別為進(jìn)、出水池水面的流速,一般可取vs0、vd0,m/s;hs-1、h2.d分別為進(jìn)、出水管路系統(tǒng)的水力損失,m。按照揚(yáng)程的定義H= E2-E1,則可得水泵在該系統(tǒng)中運(yùn)行的裝置需要揚(yáng)程HR:上式中:Hj出水池水面與進(jìn)水池水面的位置高差,m;hl進(jìn)、出水管路系統(tǒng)的水力損失之和,

11、m。式(1.3)中的稱作裝置靜揚(yáng)程(static head),即上下水位差與上下水面上的壓頭差之和。當(dāng)進(jìn)、出水池水面上的壓力均為大氣壓力時,則有,即裝置靜揚(yáng)程等于上下水位差。引入裝置靜揚(yáng)程后,式(1.3)可改寫為:式(1.3a)表明,在裝置中工作的水泵,為了把進(jìn)水池中的水送到出水池,需要提供的單位能量,即水泵的裝置需要揚(yáng)程為裝置靜揚(yáng)程與進(jìn)、出水管路系統(tǒng)的阻力損失之和。(四)水泵比能Y(special energy)水泵的能量特性還可用比能來表示,水泵比能Y是指單位質(zhì)量液體流經(jīng)水泵后所獲得的能量增值,即水泵實際傳給通過水泵的單位質(zhì)量液體的總能量,其單位為J/kg。顯然,根據(jù)定義水泵比能與揚(yáng)程之間

12、的關(guān)系為:YgH。3、功率(power) 功率是指水泵在單位時間內(nèi)對液流所做功的大小,單位是瓦(W)或千瓦(kW)。水泵的功率包含軸功率、有效功率、動力機(jī)配套功率、水功率和泵內(nèi)損失功率等四種。(1)軸功率(shaft power,input power)P軸功率是指動力機(jī)經(jīng)過傳動設(shè)備后傳遞給水泵主軸上的功率,亦即水泵的輸入功率。通常水泵銘牌上所列的功率均指的是水泵軸功率。(2)有效功率(actual power,effective power)Pe有效功率是指單位時間內(nèi),流出水泵的液流獲得的能量,即水泵對被輸送液流所做的實際有效功,即:(3)動力機(jī)配套功率(matched power of m

13、otive power machine)Pg動力機(jī)配套功率為與水泵配套的原動機(jī)的輸出功率,考慮到水泵運(yùn)行時可能出現(xiàn)超負(fù)荷情況,所以動力機(jī)的配套功率通常選擇得比水泵軸功率大。動力機(jī)的配套功率一般可按下式進(jìn)行計算:式中K為動力機(jī)功率備用系數(shù),可參考表1.2中的值,并考慮水泵陳舊時的功率增加或意外的附加功率損失等因素選擇確定。表1.2 動力機(jī)功率備用系數(shù)K水泵軸功率(kW) 100 電動機(jī) 2.01.3 1.31.15 1.151.10 1.101.05 1.05 內(nèi)燃機(jī) 1.51.3 1.31.2 1.21.15 1.15 (4)水功率(water power)Pw水功率是指水泵的軸功率在克服機(jī)械

14、阻力后剩余的功率,也就是葉輪傳遞給通過其內(nèi)的液體的功率。即式中:水泵的機(jī)械損失功率;理論流量,;理論揚(yáng)程,水泵輸送理想流體時的理想揚(yáng)程,即不考慮泵內(nèi)任何流動損失的揚(yáng)程。(5)泵內(nèi)損失功率(lost power within pump)水泵的輸入功率(即軸功率),只有部分傳給了被輸送的液體,這部分功率即是有效功率,另一部分被用來克服水泵運(yùn)行中泵內(nèi)存在的各種損失,也就是損失功率。泵內(nèi)的功率損失可以分為三類,即機(jī)械損失(mechanical losses)、容積損失(volumetric losses)和水力損失(hydraulic losses)。.機(jī)械損失功率機(jī)械損失包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所引起的水泵密封

15、裝置(口環(huán)、填料函)及軸承的機(jī)械摩擦損失和葉輪前后蓋板外表面與液體之間的摩擦損失(圓盤摩擦損失)兩部分。水泵密封裝置和軸承的摩擦損失與其結(jié)構(gòu)型式有關(guān),這兩項損失之和大約只占軸功率的13,相對其它各項損失來說很小。圓盤摩擦損失(disk losses)是機(jī)械損失的主要部分,約為軸功率的210,其大小可用下式來計算:式中:圓盤摩擦損失功率,kW;K圓盤摩擦系數(shù),由試驗求得,其大小與葉輪出口的流動雷諾數(shù)、被輸送液體的種類、葉輪輪盤外表面以及泵殼內(nèi)表面的粗糙度等因素有關(guān),一般可近似取K0.88106;D2葉輪出口直徑,m;u2葉輪出口圓周速度,m/s;n葉輪轉(zhuǎn)速,r/min;被輸送液體的密度,kg/m

16、3。由上式可知,圓盤摩擦損失與葉輪轉(zhuǎn)速的3次方成正比,與葉輪外徑的5次方成正比??梢?,圓盤摩擦損失將隨葉輪轉(zhuǎn)速和外徑的增大而急劇增加,從而使泵的效率大大降低。.容積損失功率容積損失,又稱泄漏損失(leakage losses),是由泄漏流量q引起的功率損失,即.水力損失功率當(dāng)液體由水泵進(jìn)口經(jīng)過葉輪至水泵出口流出時,在泵內(nèi)部沿程會產(chǎn)生各種水力損失,主要有經(jīng)過泵內(nèi)各過流段的沿程表面摩擦損失;由于液流沿程過流面積或者液流方向突然改變產(chǎn)生的局部水力損失;由于其它原因產(chǎn)生的漩渦所引起的損失等。這些損失都要消耗部分功率,該部分消耗在泵內(nèi)流動過程中的功率統(tǒng)稱為水力損失功率。顯見,水力損失的大小與液體的種類及

17、其在泵內(nèi)的流動形態(tài)和泵內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)型式、表面粗糙程度等因素有關(guān)。按其定義,水力損失的表達(dá)式可表示如下:式中 由于水力損失引起的損失揚(yáng)程,即。4、效率(efficiency) 水泵傳遞能量的有效程度稱為效率。水泵的輸入功率(即軸功率P),由于機(jī)械損失、水力損失和容積損失,不可能全部傳遞給液體,液體經(jīng)過水泵只能獲得有效功率Pe。效率是用來反映泵內(nèi)損失功率的大小及衡量軸功率P的有效利用程度的參數(shù),即有效功率Pe與軸功率P之比的百分?jǐn)?shù):從圖1.52的水泵功率能量平衡圖可得各項功率的含義和相互關(guān)系,并可用機(jī)械效率、容積效率和水力效率分別來衡量各種損失的大小。圖1.52 水泵功率能量平衡示意圖機(jī)械效率:衡

18、量機(jī)械損失大小的參數(shù),可用下式表示容積效率:衡量容積損失大小的參數(shù),可用下式表示水力效率:衡量泵內(nèi)水力損失大小的參數(shù),可用下式表示在引入上述三個效率后,水泵的效率還可表達(dá)為:由式(1.11a)可知,水泵的總效率等于機(jī)械效率、容積效率和水力效率三個分效率的乘積。因此,要提高水泵的效率就需要在設(shè)計、制造及運(yùn)行等方面盡可能減少機(jī)械、容積和水力損失。目前,離心泵的效率大致在0.450.9的范圍內(nèi),軸流泵的效率范圍約為0.70.9。5、轉(zhuǎn)速(pump speed)n 轉(zhuǎn)速是指水泵軸或葉輪每分鐘旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。通常用符號n表示,單位為轉(zhuǎn)每分(r/min)。水泵的轉(zhuǎn)速與其它的性能參數(shù)有著密切的關(guān)系,一定的轉(zhuǎn)速,

19、產(chǎn)生一定的流量、揚(yáng)程,并對應(yīng)一定的軸功率,當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時,將引起其它性能參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。水泵是按一定轉(zhuǎn)速設(shè)計的,因此配套的動力機(jī)除功率應(yīng)滿足水泵運(yùn)行的工況要求外,在轉(zhuǎn)速上也應(yīng)與水泵轉(zhuǎn)速相一致。目前,我國常用的水泵轉(zhuǎn)速為:中、小型離心泵一般在7302950r/min的范圍;中、小型軸流泵一般在2501450r/min的范圍,大型的軸流泵的轉(zhuǎn)速則更低,在100250 r/min的范圍。6、允許吸上真空高度Hs或必需汽蝕余量hr 允許吸上真空高度(permitted suction vacuum lift)和必需汽蝕余量(net positive suction head required)是表征

20、水泵在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的汽蝕性能(吸入性能)的參數(shù)。水泵工作時,常因裝置設(shè)計或運(yùn)行不當(dāng),會出現(xiàn)水泵進(jìn)口處壓力過低,導(dǎo)致汽蝕發(fā)生,造成水泵性能下降甚至流動間斷、振動加劇的現(xiàn)象。泵內(nèi)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象后,水泵便不能正常工作,汽蝕嚴(yán)重時甚至不能工作。為了避免水泵汽蝕的發(fā)生,就必須通過泵的汽蝕性能參數(shù)來正確確定泵的幾何安裝高度和設(shè)計水泵裝置系統(tǒng)。關(guān)于汽蝕的概念和汽蝕性能參數(shù)的定義及其物理意義等的進(jìn)一步說明,詳見第3章。水泵的各個性能參數(shù)表征了水泵的性能,是了解運(yùn)行特性的重要指標(biāo),它們通常可從水泵產(chǎn)品樣本上獲得。此外,每臺水泵的銘牌上,簡明地標(biāo)示有水泵性能參數(shù)及其它一些數(shù)據(jù)。但需要指出的是,銘牌上標(biāo)出的參數(shù)是指該水泵在額定轉(zhuǎn)速(設(shè)計轉(zhuǎn)速)下運(yùn)行時的流量、揚(yáng)程、軸功率、效率及允許吸上真空高度或必需汽蝕余量等值。例如12sh-28型雙吸離心泵的銘牌如下:離心式清水泵型號:12sh-28轉(zhuǎn)速:1450r/min揚(yáng)程:12m軸功率:32 kW流量:220L/s效率:81%允許吸上真空高度: 4.5m重量:660Kg泵房內(nèi)的地坪標(biāo)高取決于泵的安裝高度,正確地計算泵的最大允許安裝高度,使泵站既能安全供水,又能節(jié)省土

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