核电厂通用机械设备之二——泵.ppt
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1、核电厂通用机械设备之二泵教员 吕云彪核电站员工基础理论培训教材12.1.泵的功能 2.1.1提升作用:提高液体势能(静压能)和动能(流速)即扬程。2.1.2抽吸作用:可将低液位贮槽或水池的液体吸入泵中即吸程。22.2.泵的类型 2.2.1 叶片式泵 (1)离心泵 (2)轴流泵和混流泵 (3)漩涡泵 (4)屏蔽泵 2.2.2容积式泵 (1)往复泵 (2)回转泵 (3)计量泵 2.2.3其它非机械能转换泵 (1)喷射泵 (2)扬液器32.3.离心泵 离心泵的工作原理:由于离心泵有“汽缚”现象,因此离心泵在启动前应向泵壳内要灌满液体。泵叶轮高速旋转,充满在叶片之间的液体也随着转动,在离心力*的作用下
2、,液体从叶轮中心被抛向外缘,使叶轮外缘的液体静压强提高,同时也增大了流速,一般可达1525 m/s,即液体的动能也有所增加。液体离开叶轮进入泵壳后,由于泵壳中流道逐渐加宽,液体的流速逐渐降低,又将一部分动能转变为静压能,使泵出口处液体的压强进一步提高,于是液体以较高的压强,从泵的排出口进入排出管路,输送至所需的场所。4离心泵 离心泵的工作原理:当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时,在中心处形成了低压区。当贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强后,在压强差的作用下,液体便经吸入管路连续地被吸入泵内,以补充被排出液体的位置。只要叶轮不断地转动,液体便不断地被吸入和排出。由此可见,离心泵之所以能输送液体
3、,主要是依靠高速旋转的叶轮。液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。气缚 叶轮泵壳轴封轴驱动(电机)基本组成部件52.3.1 离心泵的结构离心泵由以下部件构成:1)叶轮 2)泵壳和导叶装置 3)轴和轴承 4)密封装置62.3.1.1叶轮(1)(a)闭式叶轮:叶片两侧带有前盖板2及后盖板3的叶轮。液体从叶轮中央的入口进入后,经两盖板与叶片之间的流道而流向叶轮外缘,在这过程中液体从旋转叶轮获得了能量,并由于叶片间流道的逐渐扩大,故也有一部分动能转变为静压能。(b)半闭式叶轮:吸入口侧无前盖板的叶轮。(c)开式叶轮:没有前、后盖板的叶轮。半闭式与开式叶轮可用于输送浆料或含有固体悬浮物的液体,因取消
4、盖板后叶轮流道不容易堵塞,但由于没有盖板,液体在叶片间运动时容易产生倒流,故效率也较低。72.3.1.1叶轮(2)单级双吸叶轮82.3.1.2泵壳和导叶 离心泵的泵壳:壳内有一截面逐渐扩大的蜗牛壳形通道,如图2.24的1所示。又称蜗壳 泵壳不仅作为一个汇集由叶轮抛出液体的部分,而且本身又是一个转能装置。叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转,愈接近液体出口,通道截面积愈大。因此,液体从叶轮外缘以高速被抛出后,沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动,流速便逐渐降低,减少了能量损失,且使部分动能有效地转变为静压能。所以 导轮:在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的圆盘。如图2.24中的3所
5、示。由于导轮具有很多逐渐转向的流道,使高速液体流过时能均匀而缓和地将动能转变为静压能,减少了液体直接进入蜗壳时的碰撞,因而减小能量损失。92.3.1.3密封装置泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿轴向外泄漏,或者外界空气以相反方向向泵内流入。轴封有填料密封和机械密封两种。叶轮与泵壳之间的密封称为密封环,主要通过两者之间的间隙来形成水密封环。密封环 10轴封装置 _泵轴与泵体之间的密封轴封装置有填料密封 和机械密封两种 压力填料密封真空填料密封设置在水泵的进口侧,泵轴的出口处,目的是防止空气从进口侧的轴孔进入泵体内设置在泵出口侧,内轴的出口处。目的是防止压力液体泄出泵
6、体外。连通低压区与高压区连通编织物填料的材料:(1)输送冷水时,使用棉花,或涂油的麻做编织物;(2)输送热水时,使用石墨石棉,或浸有二硫化钼的石棉做编织物;(3)输送酸时,使用涂石蜡石棉做编织物。11轴封装置 _机械密封静环固定在泵体上,并与泵体密封动环环固定在泵轴上,并与泵轴密封 密封面,靠动环后的弹簧压紧动环一般用硬材料,如高硅铸铁或由堆焊硬质合金制成。静环用非金属材料,一般由浸渍石墨、酚醛塑料等制成。这样,在动环与静环的相互摩擦中,静环较易磨损,但从机械密封装置的结构看来,静环易于更换。动环与静环的密封圈常用合成橡胶或塑料制成。机械密封装置安装时,要求动环与静环严格地与轴中心线垂直,摩擦
7、面要很好地研合,并通过调整弹簧压力,使端面密封机构能在正常工作时,于两摩擦面间形成一薄层液膜,以造成较好的密封和润滑作用。122.3.2离心泵的轴向推力2.8.1离心泵轴向推力产生的原因:主要是由于离心泵的叶轮结构所致,其前后盖板的几何形状不对称而产生轴向力。假设液体压力为:叶轮出口处的压力,P2=4 bar;叶轮进口处的压力,P1=0.5 bar;及:S1 2000 cm2 S2=1300cm2 S3=400cm2.则最终向左的轴向力为2600kg2.8.2离心泵轴向推力危害:将使轴承和叶轮产生不正常的磨损而导致离心泵的 损坏。离心泵轴向推力的平衡方法:1)采用平衡小室;(见图2.5-33)
8、2)采用双面叶轮平衡;3)采用平衡盘装置;(见图2.5-35)4)采用平衡鼓装置。(见图2.5-36)132.3.2离心泵的轴向推力(续)142.8离心泵的轴向推力(续)平衡盘装置和平衡鼓装置一般用于多级泵上,设置在最后一级的叶轮上以平衡多级泵的轴向力。采用双面叶轮平衡:双面叶轮一般用在多级泵轴向尺寸不受限制的场合,每级叶轮的外形完全对称,使受压面积相等;叶轮吸入口处的压力用平衡小室进行平衡。因此每级叶轮都没有轴向推力产生。152.4.离心泵的基础理论 162.4.1离心泵的理论方程式 假设:1)叶轮内叶片的数目为无限多,因此叶片的厚度就为无限薄,从而可以认为液体质点完全沿着叶片的形状而运动,
9、即液体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线相重合;2)输送的是理想液体,因此在叶轮内的流动阻力可以忽略。172.4.1.1速度三角形 w:液体质点有在叶片间作相对于旋转叶轮的相对运动 u:液体质点具有一个随叶轮旋转的圆周速度 c:流体质点相对于泵壳(固定于地面)的运动速度(绝对速度)182.4.1.2力矩定义以速度三角形为基础,以力矩定义为依据的推导离心泵理论方程式 力矩定义:在稳定流动中,单位时间内叶轮对液体所作的功等于同一时间内液体从叶片进口处流到叶片出口处的力矩变化和叶轮旋转角速度的乘积 “稳定流动”是指当水泵的流量和速度不随时间而变化时,叶轮前后的流动为稳定流动。力矩质量流量 绝对速度 绝对
10、速度对旋转中心的距离 (2.36)C2192.4.1.3离心泵基本方程式离心泵基本方程式:(2.39)C2202.4.1.4离心泵基本方程式的变换1在离心泵的设计中,为了提高理论压头,一般使,则式2.39可简化为:(2.39a)21离心泵基本方程式的变换2 (2.39b)Hp:由于叶轮作旋转运动所增加的静压头由于叶片间的流道截面积逐渐加大,致使液体的相对速度减小所增加的静压头Hp:液体流经叶轮后所增加的动压头(2.39c)22离心泵基本方程式的变换2(2.39d)C2表示离心泵的理论压头与理论流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系 232.4.1.5离心泵基本方程式分析1 离心泵的理
11、论压头与叶轮的转速和直径的关系:当叶片几何尺寸(b2、2)与理论流量一定时,离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。24离心泵基本方程式分析2 离心泵的理论压头与叶片几何形状的关系:当叶轮的转速与直径、叶片的宽度、理论流量一定时,离心泵的理论压头随叶片的形状而改变 后弯叶片:20,如图2.33(a)所示 后弯叶片:290,ctg20,如图2.33()所示 后弯叶片:290,ctg20,如图2.33(c)所示 25离心泵基本方程式分析3对于离心泵来说,希望获得的是静压头,而不是动压头,虽有一部分动压头可在蜗壳与导轮中转换为静压头,但由于液体流速过大,转换过程中必然伴随有较大的能量损失。为
12、提高泵的运转经济指标,采用后弯叶片290有利。26离心泵基本方程式分析4离心泵的理论压头与理论流量的关系 若离心泵的几何尺寸与转速一定时,则式2.39d中b2、2、u2、D2 均为常数,则:AB2902902105的情况下,流动处于自动模化区的范围内,可自动保证其动力相似的条件。考虑到自动模化区现象,则实际水泵和模型水泵的相似,只要符合第一条,自动模化区现象就能成立。342.4.4.2比转速方程 F正比于D2式中:ns为新设计或选用新水泵的比转速;Q设计流量 m3/s;H设计扬程 m;n设计转速 rpm。运动相似几何相似35比转速方程 双吸泵比转速计算公式:双吸泵等于两台泵并联工作,其比转速:
13、多级泵比转速计算公式:它等于几个泵串联工作,其比转速:362.4.4.3比转速的应用 利用比转速对叶轮进行分类 比转速是编制离心泵系列的基础 比转速是离心泵设计计算基础 37比转速的应用(1)38比转速的应用(2)如果以比转速为基础来安排离心泵的系列,就可以大大地减少水力模型的数目,这对设计制造部门来说,就可大量节约人力物力。在图2.313中,虽然有33个规格,但是,只要用9个比转速的模型就可以布满整个系列。39比转速的应用(3)在水泵设计上,ns是作为重要基础的一个参数。无论是相似设计法,还是速度系数设计法,都是以比转速ns为依据,来选择水力模型或速度系数的。从表2.31可以看出比转速ns与
14、叶轮形状的关系,决定了水泵叶轮形状的特征,因此 ns也成为表征叶轮形状的一种尺度。水泵性能和各种损失也常受到ns的影响。根据比转速ns的大小,将水泵叶轮的型式可分为高压(或高速)型,低压(或低速)型。但是,对此并不存在截然的界限。ns小者为高压型,适合流量小的水泵。随着ns的增加,适合扬程低、流量大的水泵。,402.4.4.4影响泵性能的因素 泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下,以常温的清水为工质做实验测得的。泵的实际性能的影响因素有:密度的影响 粘度的影响 离心泵转速的影响 叶轮直径的影响 41影响泵性能的因素密度 由离心泵的基本方程式看出,离心泵的压头、流量均与液
15、体的密度无关,则泵的效率亦不随液体的密度而改变,因此HQ曲线和Q曲线不随液体密度而变;泵的轴功率随液体密度而改变,因此,当被输送液体的密度与水的不同时,原产品目录中对该泵所提供的NQ曲线不再适用,需按照2.3-13公式:重新计算。42影响泵性能的因素粘度被输送的液体粘度若大于常温下清水的粘度,则泵体内部的能量损失增大,泵的压头、流量都要减小,效率下降,而轴功率增大,亦即泵的特性曲线发生改变。43影响泵性能的因素转速 离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的,但在实际使用时常遇到要改变转速的情况,这时速度三角形将发生变化,压头、流量、效率及轴功率也随之改变。当液体的粘度不大且泵的效率不变时,泵的流
16、量、压头、轴功率与转速的近似关系为:当转速变化小于20时,可以认为效率不变,用上式进行计算误差不大。(比例定律)44影响泵性能的因素叶轮直径 由离心泵基本方程式得知,当泵的转速一定时,其压头、流量与叶轮直径有关。若对同一型号的泵,换用直径较小的叶轮,而其它几何尺寸不变(仅是出口处叶片的宽度稍有变化),这种现象称为叶轮的“切割”。当叶轮直径变化不大,而转速不变时,叶轮直径和流量、压头、轴功率之间的近似关系为:(切割定律)45功率影响 在相似条件下:在非相似条件下:462.5 离心泵的运转472.5.1汽蚀现象:现象与机理:当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压时,液体就在该
17、处发生汽化并产生气泡,随同液体从低压区流向高压区,气泡在高压的作用下,迅速凝结或破裂,瞬间内周围的液体即以极高的速度冲向原气泡所占据的空间,在冲击点处形成高达几万kPa的压强,冲击频率可高达每秒几万次之多。这种现象称为汽蚀现象。后果:汽蚀发生时,产生噪音和震动;叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下,材料表面疲劳,从开始点蚀到形成严重的蜂窝状空洞,使叶片受到损坏。此外,汽蚀严重时,由于产生大量气泡,占据了液体流道的一部分空间,导致泵的流量、压头与效率显著下降。预防:最低压强维持输送温度下液体的饱和蒸气压之上。482.5.1汽蚀现象在实际操作中,不易测出最低压强的位置,而往往是测泵入口处的压强,然
18、后考虑一安全量,即为泵入口处允许的最低绝对压强,以表示。习惯上常把 表示为真空度,并以输送液体的液柱高度为计量单位,称为允许吸上真空度,以 表示。492.5.2允许吸上高度:即允许安装高度是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离,以符号Hg表示。(2.42a)为了使泵不发生气蚀502.5.2允许吸上高度:实验条件下输送水时的允许吸上真空度,即在水泵性能表上所查得的数值,mH2O柱;操作温度下被输送液体的饱和蒸气压,bar;10实验条件下的大气压强,mH2O柱;0.24实验温度(20)下水的饱和蒸气压,mH2O柱;1000实验温度下水的密度,kg/m3;泵在实际操作条件下的允许吸上
19、真空度 的计算:式中:操作条件下输送液体时的允许吸上真空度,m液柱;泵安装地区的大气压强,mH2O柱。其值随海拔高度不同而异,可参阅 表2.41,表2.41 不同海拔高度的大气压强10.33 10.2 10.09 9.95 9.85 9.74 9.6 9.5 9.39 9.19 8.64 8.15 7.62大气压强(mH2O)0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500 2000 2500海拔高度(m)操作温度下液体的密度,kg/m3。512.5.3离心泵的汽蚀余量泵的吸入装置条件 泵的本身抗气蚀的能力泵是否发生气蚀1)由泵的吸入装置条件确定的汽蚀余量
20、称为有效汽蚀余量,用表 示。2)由泵本身的汽蚀性能确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量。用表示。522.5.3.1离心泵的有效汽蚀余量 有效汽蚀余量是指泵在吸入口处的总能量(静压能和动能之和),具有超过输送温度下液体汽化压力的富余能力。即避免泵发生汽化的能力。有效汽蚀余量由吸入系统的装置条件决定与泵本身无关。式中 Ps 泵吸入口处的压力;us泵吸入口处的流速;PV液体饱和蒸汽压。(2.45)(2.42b)有效汽蚀余量就是吸入容器中液面上的压力水头P0/g 在克服吸水管路装置中的流动损失Hw,并把水提高到Hg的高度后,所剩余的超过汽化压力的能量。532.5.3.1离心泵的有效汽蚀余量 (1)在 、Hg
21、和液体温度保持不变情况下,当流量增加时,由于吸入管路中的流动损失Hw与流量的平方成正比变化,所以使 随流量的增加而减少。因而,当流量增加时,发生汽蚀的可能性增加。(2)在非饱和容器中,泵所输送的液体温度越高,对应的汽化压力越大,发生汽蚀的可能性就越大。由式 可知:当吸入容器液面高出水泵轴线时?当吸入容器中的压力为汽化压力时?542.5.3.2离心泵的必需汽蚀余量必需汽蚀余量必需汽蚀余量 是指泵吸入口处是指泵吸入口处(SS截面)至泵内压力最低点截面)至泵内压力最低点(KK截面)处的压力降(见图截面)处的压力降(见图2.41)。它是由泵本身结构的汽)。它是由泵本身结构的汽蚀性能所决定,与泵吸入系统
22、的蚀性能所决定,与泵吸入系统的装置无关。装置无关。(2.46a)552.5.3.3有效汽蚀余量和必修汽蚀余量与流量的关系 表明必需汽蚀余量 随流量的增加而增加;有效汽蚀余量ha随流量的增加而减小 562.5.3.4 临界汽蚀余量吸入系统提供的泵吸入口处大于饱和蒸汽压力的富余能力液体从吸入口至k点的压力降 两条曲线相交。交点的左侧为安全区,右侧为气蚀区。有效汽蚀余量随流量变的曲线与必需汽蚀余量随流量变化曲线的交点C所对应的汽蚀余量称为临界汽蚀余量临界汽蚀余量用 表示。C点为汽蚀临界点。其对应的流量称为临界汽蚀流量,用Qvc表示。两条曲线相交于C点 交点的左侧为安全区,右侧为气蚀区。有效汽蚀余量随
23、流量变的曲线与必需汽蚀余量随流量变化曲线的交点C所对应的汽蚀余量称为临界汽蚀余量临界汽蚀余量用 表示。C点为汽蚀临界点。其对应的流量称为临界汽蚀流量,用Qvc表示。572.5.3.5允许汽蚀余量h允许汽蚀余量h是指为保证不发生汽蚀在临界汽蚀余量上加安全量K。称为允许汽蚀余量,用h表示。式中 K为安全量,K0.30.5m。(2.49)582.5.4提高泵抗气蚀性能的措施(1)吸入系统的装置条件1.改善泵的工作条件,提高泵的有效气蚀余量:(1)减小安装高度,提高有效气蚀余量;(2)加大吸水管径或减小流量,以减小阻力,提高有效气蚀余量;(3)降低液体的温度,从而降低汽化压力,提高有效气蚀余量;(4)
24、降低泵的转速,减小阻力,提高有效气蚀余量。592.5.4 提高泵抗气蚀性能的措施(2)2提高泵本身的抗气蚀性能,减小必需气蚀余量 (1)采用双吸叶轮,降低入口速度;(2)增大叶轮进口直径及叶片进口宽度,降低入口速度;(3)叶轮采用耐汽蚀材料,提高泵的抗气蚀性;(4)进口处装设螺旋式诱导轮如图2.4-4所示,改善泵的气蚀性能。泵本身的气蚀性能图2.4-4602.5.5 影响吸程的因素1.高度:当高度升高时,大气压减小,理论最大吸程减小,对实际吸程也是如此 表2.42 不同海拔高度下的大气压高度,单位米05001000150020002500大气压毫米汞柱米水柱76010.337169.73672
25、9.136358.635988.135627.63气压减小量米水柱00.61.21.72.22.7612.5.5 影响吸程的因素2.液体温度:一定真空度下的液体,其温度越高,蒸发越快。当液体通过吸入管时,就会产生蒸汽。蒸汽的压力等于与液体温度压力相符合的饱和蒸汽压力。这种蒸汽压力会减小泵的吸程。温 度压 力(米水柱)温 度压 力(米水柱)温 度压 力(米水柱)01020300.060.130.240.40405060700.751.262.033.1880901004.827.1510.23表2.43 水的饱和蒸汽压622.5.5 影响吸程的因素3.液体的密度:泵的理论吸程与所吸液体的密度有关
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