水泵水力设计_CH1.ppt

水泵水力设计 Hydraulic Design of Pumps,王福军 (中国农业大学水利与土木工程学院) Tel: 62736972 Email: wangfjcau.edu.cn,水泵水力设计主要内容：,水泵水力设计基础知识 离心泵和混流泵叶轮的水力设计* 离心泵压水室和吸水室的水力设计 离心泵中的力特性及其平衡 轴流泵水力设计,参考书 王福军，水泵与泵站，中国农业出版社，2005 张克危，流体机械原理，机械工业出版社，2000 关醒凡，泵的理论与设计，机械工业出版社，1987 丁成伟，离心泵与轴流泵原理及水力设计，机械工业出版社，1981 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院，叶片泵设计手册，机械工业出版社，1983,成绩评定 出勤、课上回答问题、作业：30； 考试：70,第一章 水泵水力设计基础,泵的定义和分类 叶片泵过流部件与典型结构 泵的主要性能参数 泵内液体流动分析（速度三角形） 叶片泵基本能量方程 叶片无穷多假定 泵性能曲线 泵的相似理论 泵的比转速 泵的汽蚀（空化） 泵的能量损失 泵的运行 泵的工作范围与型谱,本章主要内容,1-1 泵的定义和分类,一、定义,泵是把原动机的机械能转换为所抽送液体能量的机器。,1、调节阀 2、排出短管 3、压水室 4、叶轮 5、底阀 6、吸水室,二、组成,二、泵的分类,按作用原理分： 1、叶片泵 利用叶轮的叶片和液体相互作用来输送液体。如离心泵、混流泵。 2、容积式泵 利用工作室容积周期性变化来输送液体。如活塞泵、隔膜泵、螺杆泵。 3、其他类型泵 包括只改变流体位能的泵，如水车等。 利用液体能量来输送液体的泵，如射流泵、水锤泵。,三、泵的使用,泵房,泵,泵的加工,1-2 叶片泵的过流部件与典型结构,一、叶片泵（离心泵）的工作原理,我们在生活中经常可以观察到如下现象：在雨天，旋转雨伞，水滴会沿着伞边切线方向飞出，旋转的雨伞给水滴以能量，旋转的离心力把水滴甩走。这就是旋转的离心力能给水增加能量的例子。 离心泵就是根据上述离心力甩水的原理设计出来的。利用水泵叶轮的高速旋转的的离心力甩水，使得水流能量增加，能量增加的水通过泵壳和水泵出口流出水泵，再经过出水管输往目的地。这就是离心泵的工作原理。,一、叶片泵（离心泵）的工作原理,离心泵工作过程是：在启动前，应先用水灌满泵壳和进水管（在进水管的底部有底阀，防止水倒流），然后驱动电机，使叶轮和叶轮中的水做高速旋转运动，此时，水受到离心力作用被甩出叶轮，经泵壳的流道而流入水泵的出口，由出口流入到出水管道；与此同时，水泵叶轮中心,处由于水被甩出而形成真空，进水池中的水在外界大气压作用下，沿进水管流入叶轮进口；由于叶轮不断旋转，水就源源不断地甩出和吸入，形成连续的扬水作用,一、叶片泵（离心泵）的工作原理,在离心泵起动前，如果不灌满水，叶轮只能带动空气旋转，因空气的单位体积的质量很小，产生的离心力甚小，无力把泵内和排水管路中的空气排出，在泵内造不成真空，水也就吸不上来。 离心泵的工作过程实际上就是一个能量传送和转化的过程，它把电机的高速旋转的机械能转换成水的动能和势能。在能量传递和转换过程中，就伴随着许多能量损失，这种能量损失越大，说明离心泵的工作效率越低。,二、叶片泵的过流部件,吸水室、叶轮、压水室,1、吸水室 位于叶轮进口前，其作用是把液体按一定要求引入叶轮 2、叶轮 泵的核心。泵通过叶轮对液体作功，使液体能量增加。 3、压水室 位于叶轮出口之后，其作用是收集从叶轮流出的高速液体，使其速度降低，转变速度为压能，并且将液体按一定要求送入下级叶轮进口或泵排出口。,三、叶片泵的结构型式,叶片泵的结构型式分类如下： 1、按主轴方向 卧式，立式，斜式 2、按液体流出叶轮的方向 离心泵，混流泵，轴流泵 3、按吸入方式 单吸，双吸 4、按级数 单级，多级 5、按叶片安装方式 （全、半）可调叶片、固定叶片 6、按壳体剖分方式 分段式，节段式，中开式（水平中开，垂直中开） 7、特殊结构的叶片式泵 潜水泵，贯流泵，自吸泵，管道泵，无堵塞泵，屏蔽泵,四、常见典型泵结构型式,1、单级悬臂式泵,四、常见典型泵结构型式,1、单级悬臂式泵,电动机,联轴器,出口法兰,进口法兰,泵盖,泵体,轴承体,底座,四、常见典型泵结构型式,1、单级悬臂式泵,1、单级悬臂式泵,密封环：,单环型 双环型 迷宫型,单环型分为： 平直式 端面式,1、单级悬臂式泵,轴封装置：填料密封,1、单级悬臂式泵,轴封装置：机械密封,1-弹簧座 2-压紧弹簧 3-传动销 4-动环密封圈 5-动环 6-静环 7-静环密封圈 8-防转销 9-压盖,2、双吸泵（水平中开式）,2、双吸泵（水平中开式）,3、节段式多级泵,3、节段式多级泵,3、节段式多级泵,4、导叶式多级泵内的液体流动,5、流道式多级泵,1、泵进口 2、首级叶轮吸水室 3、首级叶轮 4、过渡管 5、次级叶轮进口 6、次级叶轮 7、泵出口,5、流道式多级泵,6、管道泵,7、混流泵,7、混流泵,导叶式混流泵,8、轴流泵,8、轴流泵,8、轴流泵,大型立轴全调节轴流泵,多用于口径大于700mm的大中型轴流泵,8、轴流泵,贯流泵,9、深井泵,干式潜水泵,10、潜水泵,QY型充油式潜水泵,10、潜水泵,QJ型湿式潜水泵,10、潜水泵,11、冷凝泵,12、污水泵,12、污水泵,13、水轮泵,14、自吸泵（外混式）,1、进水接头 2、出水接头 3、汽水分离室 4、泵体 5、叶轮 6、轴承体 7、机械密封 8、皮带轮 9、回流孔 10、清污孔 11、放水螺塞 12、蜗壳,14、自吸泵（内混式）,14、自吸泵,自吸泵自吸原理,1、叶轮 2、内蜗壳 3、汽水分离室 4、分离室出口 5、外蜗壳,1、自吸泵特点： 进水口高于泵轴 出水口有气水分离室 一般有双蜗壳 2、原理： 水在离心力作用下被甩到叶轮外缘，叶轮入口处形成真空，空气进入叶轮，在叶轮外的混合体流至气水分离室3时，因面积增大，流速减小，空气由分离室出口溢出，水经外蜗壳下部的回流孔回到内蜗壳。如此反复，直到吸水室中空气全被排出。,1-3 泵的主要性能参数,一、流量Q 单位时间内通过水泵的液体的量。单位： m3/h ，m3/s，L/s,二、扬程H 单位质量液体从泵进口（泵进口法兰）到泵出口（泵出口法兰）能量的增值（能量差）。单位：m,二、扬程H 需要强调的是： （1）泵的扬程是表征泵本身性能的，只和泵进口、出口法兰处的液体能量有关，而和泵装置无直接关系。但是，我们可通过装置中液体的能量表示泵的扬程。 （2）泵的扬程并不等于扬水高度，扬程是一个能量概念，既包括了吸水高度的因素，也包括了出口压水高度，还包括了管道中的水力损失。 思考题：阅读书上（P46）关于扬程计算实例，并完成本章习题43.,三、转速n 泵轴每分钟旋转的次数(r/min),四、功率P 泵的功率指输入功率，P，即原动机传到泵轴上的功率。单位：kW 泵的输出功率，又称有效功率、液体功率，Pe，表示单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的有效能量。单位：kW,五、效率,六、汽蚀余量 表示泵汽蚀性能的主要参数，一般指必须汽蚀余量。单位：m,1-4 叶片泵的能量损失及效率,一、能量损失分类,水力损失、容积损失、机械损失,包括沿程损失、边界层分离、冲击损失、二次流损失、其它流动损失等,二、水力损失h与水力效率,经验公式：,（ 其中Q的单位为m3/s，n为r/min),泵的总效率为：,因泄漏导致的附加功率消耗。泄漏量用q表示。,三、容积损失q与容积效率,经验公式：,泄漏损失与圆盘损失,四、机械损失与机械效率效率,包括：填料函摩擦损失 轴承摩擦损失 圆盘摩擦损失,圆盘摩擦的摩擦力矩：,注意：圆盘摩擦损失与直径5次方成正比，与转速3次方成正比。 而填料函损失功能与转速1次方成正比，轴承损失功率与转速平方成正比。,圆盘摩擦的摩擦力矩：,圆盘摩擦的功率：,经验公式：,内机械效率(只计圆盘损失, 不计填料及轴承损失),1-5 液体在叶轮中运动的分析,一、叶轮轴面图、平面图,平面投影图,流线与流面,叶轮轴面投影图,二、速度三角形,水泵进口速度三角形,出口速度三角形,1-6 叶片泵的基本方程,一、叶片泵基本能量方程的作用 建立叶轮对液体所做的功与液体运动状态变化之间的关系。,二、叶片泵基本能量方程的表示形式 由动量矩定理可推导得到该方程。 理论扬程：从叶轮进口至叶轮出口液体比能的增值 （单位质量液体从叶轮获得的能量）,1-7 叶片无穷多假定（基本方程修正）,一、叶片无穷多（z=）假定 假定叶片数无穷多，这样，流道内任一点的相对速度均应沿叶片骨线的切线方向，换言之，相对运动流线与叶片骨线形状完全一致。,流道内存在相对轴向旋涡,工作面减速、背面加速,二、有限叶片数条件下的实际流动,叶轮出口速度三角形,三、有限叶片数理论扬程计算,需要计算,三、滑移系数,2、威斯奈尔(Weisner)公式,1、斯托道拉(Stodola)公式,3、普夫列德尔(Pfleiderer)公式,（对蜗壳泵，a=0.650.85，叶片少取大值）,（ 对低比转速离心泵）,1-8 叶片泵的性能曲线,一、泵的性能曲线,二、性能曲线的理论分析,按,1、假定叶片无穷多，作 曲线,演变顺序分析,因出口角小于90 度，故B为正值。 上式为直线，随着流量增大，理论扬程减小,2、考虑叶片数有限，作 曲线,1)流道摩擦损失、流动扩散及弯曲等损失,通常，P与流量无关，是常数。因此， 也是直线,3、考虑泵内水力损失，作 曲线,2)因工况变化导致叶轮及压水室入口冲击损失,4、考虑容积损失，作 曲线,通常，P与流量无关，是常数。因此， 也是直线,泄漏量 , 从曲线的横坐标中减去相应q (对应Ht不变),得到,1-9 叶片泵的相似理论,一、什么是相似,1、几何相似：对应角度相等，线性尺寸比值相同,2、运动相似：速度的比值相同,3、动力相似：同名义力的比值相同,动力相似的判别数(下式中c为速度)：,惯性力（斯特卢哈）判别数：,压力（欧拉）判别数：,重力（佛汝德）判别数：,粘性力（雷诺）判别数：,一般很难同时满足四个判别数，水泵一般要求满足Sr和Eu数相等。,二、相似关系,若两台泵几何相似,在相似工况(特性曲线对应工况点运动相似)下有:,上式成立的前提是假定,当尺寸相差较大时，应修正实型泵效率，如水力效率可用下式换算：,上式实际包含了如下判别数相等：, 流量系数(折引流量):, 扬程系数(折引扬程):,三、相似关系的应用,相似设计,变工况运行（叶轮切割、调速）,1-10 比转速,一、什么是比转速,据前面推导，有：,我国泵行业规定，在前面乘常数3.65，泵的比转速表示为：,二、关于比转速的说明,1、泵的名义比转速,一台泵在不同工况下有不同的 ，但作为相似准则的 是指最优工况（最高效率点）下的值。,3、比转速的因次,2、比转速是相似判据,对于几何相似的泵，在相似工况下， 相等。反之，一般来说，比转速相等的泵，是几何相似和运动相似的，或形状相差不大。,比转速的因次是 ，但这不影响它作为相似判据使用。,4 、比转速与 几何形状 及性能的 关系,1-11 叶片泵的运行特性,一、管路特性曲线,单位重量液体自吸入池液面移至压出池液面要克服的阻力HC为：,这里，h为管路中水力损失总和。它与流速平方成正比：,二、水泵运行工况点,从而，得到管路（装置）特性曲线：,管路特性曲线与泵性能特性曲线HQ的交点M，为水泵运行工况点。 在M点稳定运行的理由：假定在A，因HCH，故V，Q，重回M点。,三、水泵的不稳定运行,1、带驼峰的特性曲线，有二个交点，M为稳定工况点，K为不稳定工况点。原因是：当振动等引起离开K点后， HHC，故V，Q，直到M点才稳定；反之，向K点左移， HCH，故V，Q，可能倒流。 2、供水情况：泵向供水池供水Q，而供水池向用户供水Q1 。若QQ1，则水池水位上升，装置特性曲线由i到j，再到K，水泵流量急剧到0。然后水池液面下降，到j以下后，恢复供水。如此反复，造成不稳定。,四、水泵的串联运行,1、相同泵的串联 两台性能相同的泵串联时，合成性能曲线是在同一流量下两泵的扬程相加得到。 由图可见，串联工况点B，单机运行时工况点为A，但B点流量和扬程均小于A点值的两倍。,2、不同泵的串联 两台不同性能的泵串联时，合成性能曲线仍是在同一流量下两泵的扬程相加得到。 但管路特性曲线不能是R2，在B点以下的区域是不合理运行区，应避免。,五、水泵的并联运行,1、相同泵的并联 两台性能相同的泵并联时，合成性能曲线是在同一扬程下两泵的流量相加得到。,2、不同泵的并联 两台性能不同的泵并联时，合成性能曲线仍是在同一扬程下两泵的流量相加得到。 当管路特性曲线为R2时，为不合理运行区。因为实际扬程大于泵II的关死点扬程，导致其流量为0，可能造成因流体发热等出现事故。,1-12 水泵运行工作点的调节,一、变阀调节,通过改变出水管路中闸阀开度的大小来达到改变水泵工作点的目的，这种调节方法称为变阀调节，亦称为节流调节。,二、变速调节,通过改变水泵转速以改变水泵的性能，从而达到改变水泵工作点的目的，这种调节方法称为变速调节。,由,得,即,三、变径调节,通过改变叶轮外径的大小以改变水泵的性能，从而达到改变水泵工作点的目的，这种调节方法称为变径调节，亦称为车削调节或切削调节。,从而：,有：,即：,切削抛物线,允许最大车削量,四、变角调节,通过改变叶片安装角度的大小以改变水泵的性能，从而达到改变水泵工作点的目的，这种调节方法称为变角调节。变角调节适用于叶片可调节的轴流泵与混流泵。,轴流泵性能曲线,1-13 泵的工作范围与型谱,一、泵的工作范围,效率下降不超过8的对应工作区。,二、泵的型谱,每种系列的泵有一个型谱（系列指相同结构或相同用途）的泵。 型谱一方面供用户选泵；另一方面指出发展方向。 每种系列最好用几种比转速的水力模型。,1-14 水泵汽蚀（空化）,一、什么是汽蚀,由于压力的变化，导致液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理化学变化，称为汽蚀或空化(Cavitation)。,1、噪声和振动,二、汽蚀的影响和危害,2、过流部件表面的材料破坏,3、运转性能下降 （因空泡堵塞，流量、扬程 和 效率均出现断裂现象）,三、汽蚀的主要部位（汽蚀破坏的类型）,1、翼型汽蚀 离心泵多发生在：叶片进口边的背面及后盖板处 轴流泵多发生在：叶片进水边背面及叶片与轮毂连接处， 靠近叶片进口处的吸水管壁， 导叶进口,2、间隙汽蚀 离心泵多发生在：口环处 轴流泵多发生在：叶片根部与轮毂之间，叶片外缘与叶轮室之间,3、空腔汽蚀 泵的进口和吸水室管道内，发生旋涡带，涡带是中间夹杂有气体的空腔，腔内压力低而导致汽蚀。 涡带呈螺旋状非轴对称旋转，使流速场和压力场周期性变化，引起机组振动和噪声。下图是水轮机尾水管内的涡带：,4、局部汽蚀 局部的凸台、凹陷部位，如螺栓处、铸造缺陷处,1、出现汽蚀的原则（假设）,四、汽蚀余量,2、装置汽蚀余量（有效汽蚀余量） 定义：泵吸入口所余的高出汽化压力能头的那部分能量。,注：下标s表示水泵吸入口，Pv表示汽化压力。 该能头以水泵基准面为基准。 可根据不同安装方式写出该式的不同表达，但与泵结构无关。,3、必须汽蚀余量 有的文献称为汽蚀余量，用 表示。,就是液流进入泵后，在未被叶轮增加能量之前，压力能头降低的那部分数值，它是因流速变化和水力损失引起的，主要影响因素是叶轮及吸水室的几何形状和流速，与吸水管路、液体性质无关，只与泵结构有关。它的大小，反映了泵抗汽蚀的能力。,要防止叶轮内发生空泡现象，就必须使液体在进入泵吸入口时，留有足够的汽蚀余量 ，以便流体在流动过程中压力降低了一定数值后，最低的压力还高于汽化压力。换言之，不发生汽蚀的必要条件是：,注意：目前多数文献用 代替 ，用 代替 。,4、临界汽蚀余量 以断裂特性扬程下降1时的 ，用 表示。,5、许用汽蚀余量 这是确定泵使用条件（如安装高程）用的汽蚀余量，它应大于临界汽蚀余量，以保证泵不发生汽蚀。通常有：,四、汽蚀相似定律,（近似公式）,对于几何相似的泵来讲，在相似工况下，有：,五、汽蚀比转速 C,因而，将这两个常数合并（开根后相除），仍为常数，用C表示：, 汽蚀比转速,一般以最优工况下的C值代表泵的C值。 清水泵通常在8001000，冷凝泵、火箭燃料泵可达16003000.,六、汽蚀系数,对于几何相似的泵来讲，在相似工况下，有：,因而，有：, 汽蚀系数,与C具有相同性质，它的数值与泵大小无关，只要工况相似，相等。,七、汽蚀防护与改善措施,对已经设计好的水泵来讲，可采取以下措施进行汽蚀防护：,1、提高加工精度 2、选择良好材料 3、选择合理安装高度 4、规定合理运动范围 5、采用补气等办法,对待设计的泵来讲，可采取以下措施改善汽蚀性能：,1、提高加工精度 2、选择良好材料 3、选择合理安装高度 4、规定合理运动范围 5、采用补气等办法,1、提高加工精度 2、选择良好材料 3、选择合理安装高度 4、规定合理运动范围 5、采用补气等办法,1、提高加工精度 2、选择良好材料 3、选择合理安装高度 4、规定合理运动范围 5、采用补气等办法,1、使用诱导轮 2、适当增加叶轮入口直径 3、加大前盖板圆弧半径 4、将叶片进口边适当向吸入口延伸 5、采用双吸叶轮 6、使用超汽蚀翼型,本章复习思考题,1、泵的定义是什么？按作用原理可分成哪几类？ 2、泵系统有哪些主要组成部分？泵本身包含哪些主要结构部件？各起什么作用？填料函漏气将产生什么后果？ 3、离心泵与轴流泵有什么不同？双吸泵和多级泵各用在什么场合？双吸泵有什么特点？ 4、泵的主要参数有哪些？单位如何？ 5、能熟练地在各种装置条件下求水泵扬程。 6、分析离心泵叶轮中流体流动规律时，有哪三点假设？ 7、什么叫流面？叶轮的轴面投影图和平面投影图如何生成？叶片的安放角如何度量？ 8、什么是叶片泵的速度三角形？有什么作用？要求能绘制任意给定叶轮在任何工况、任何一点处的速度三角形。 9、什么叫叶片泵的基本能量方程？如何推导？试分析它的物理意义。一台泵抽水与抽气时，以所抽液体的高度表示扬程，谁高谁低？,10、在用环量表示的基本方程中，当2 1时，水泵处于什么工作状态？ 11、什么是叶片无穷多理论？叶片数有限情况下的流动具有什么特点？对性能有何影响？ 12、Ht与Ht有何区别？是什么原因造成的？是因为有损失吗？ 13、斯托道拉方法是建立在什么理论的基础之上？什么情况下比较符合公式的假定条件？ 14、普夫列德尔方法的修正系数的基本形式。分析影响因素。 15、上述两种方法中，哪一种考虑了泵体压水室的影响？ 16、什么叫泵的性能曲线？抽水装置管路特性曲线？如何确定水泵工作点？ 17、水泵性能曲线如何得到？扬程与流量关系曲线为何是抛物线？ 18、什么叫“设计工况”、“最优工况”、“相似工况”？ 19、离心泵、混流泵与轴流泵的性能曲线各有何特点？ 20、叶片泵的相似律、比例律的表达式及其含义？ 21、何为比转速？有何物理意义？如何推导？它与泵的型式及性能具有什么样的关系？,22、泵的转速变化后，性能曲线如何变化？这时ns是否改变？试证明之。 23、相似抛物线、等效抛物线、车削抛物线是否重合？各条线的物理意义如何？ 24、为什么高ns的泵叶轮允许的车削量要小？ 25、相似换算时，当尺寸相差较大，效率怎样换算？即考虑效率影响后，Q、H、P怎样修正？ 26、水泵的工作范围怎样确定？ 27、什么是水泵的通用特性曲线、综合特性曲线（系列型谱）？ 28、什么是汽蚀？其基本过程怎样？有何危害？ 29、泵的什么部位最易汽蚀？如何防护？ 30、什么是装置汽蚀余量ha，必须汽蚀余量hr，允许汽蚀余量h，它们在下述状态时能建立什么样的关系。 （1）正常工作状态 （2）汽蚀临界状态 31、汽蚀在什么条件下发生？如何得到一台泵的必须汽蚀余量hr ？,32、当发生下列情况时，ha、hr、h将如何变化？（变大、小、不变） （1）水泵的安装高程加大 （2）水泵的灌注水头加大 （3）水泵的吸水管路损失增大 （4）水泵抽送的液体温度升高 （5）水泵的流量加大 （6）水泵的转速升高 （7）水泵叶轮吸入口径加大 （8）叶轮的叶片向吸入口延伸 （9）叶轮的前盖板半径加大 （10）水泵安装地点海拔高度加大 33、下列说法是否正确？ （1）hr是泵内的能量损失，所以ha hr。 （2）叶轮入口至叶片最低点K有很大的压降，所以要有hr， hr就等于这个压降。 （3）hr不是能量损失，它不过是由压力能转换成动能，在液体流过K点之后，它又可能全部转换成压能。,34、汽蚀相似律的计算公式与各参数的单位如何？当一台泵在低转速实验求得hr后，用在高转速的情况下，hr按什么公式求出？这时是偏安全还是偏危险？ 35、什么是汽蚀比转速C？它的物理意义与用途？如何推导？C与ns的相同与不同之处（指意义与用途二方面）？ 36、泵的能量平衡试验的目的是什么？ 中哪几项可以用试验求出，哪几项要计算得到？ 37、泵内各部分损失的影响因素各是什么？ 38、离心泵机械损失中哪一项占的比重最大？当水泵的n一定，抽送液体一定时，圆盘摩擦损失与哪些因素有关？ 39、泵内的容积损失与密封环的形式有关，为减小容积损失，希望密封环中的水力损失大好还是小好？ 40、泄漏量很小与很大时，泵腔中的压力变化有何不同？研究这种变化有何用途？ 41、内机械效率、容积效率与ns有何关系？即随着ns变化，这两部分如何变化？ 42、泵的效率与汽蚀性能之间有关系吗？若有，是什么样的关系？,43、写出下述四种情况下的扬程表达式。,