水泵基本参数及特性曲线讲解.pptx
1前 言学时安排：水泵基础理论（20）+泵站（16）课堂任务（1）有关基础知识（包括概念、公式定律及分析思路）；（2）介绍与专业生产联系较紧密的技能常识；（3）介绍泵业发展新动向及研究前沿课题。课后任务自学，作业参考课堂内容查阅资料课外科研第1页/共91页2一、泵的定义定义：将其它形式的能量转化为机械能并传递给被输送介质的动能和压能的一种机械背景知识：泵是我国三大耗能机械产品（汽车、机床、水泵）之一，水泵效率提高1%即相当于我国新建了一座300MW发电厂。我国风机、泵的总用电占全国用电量的31%，占工业用电的约50%，各工业部门机泵用电量均占60%以上。例如：电力72.43%；化肥76%；炼油58.15%；油田63.3%第2页/共91页3二、泵的分类根据不同的标准有不同的分类方法：介质性质（用途）：清水泵、污水泵、渣浆泵、油泵泵体结构：叶片泵、容积泵（往复泵或活塞泵、转子泵）、其他类型泵（螺旋泵、气升泵、射流泵、水锤泵）叶片泵按输送特性或工作原理分为：离心泵、轴流泵、混流泵 小知识小知识给排水、石油化工、航空航天、水利水电中最常用的泵为叶片泵叶片泵定义：通过高速旋转的叶轮把机械能传给被抽吸液体的机械。第3页/共91页4离心泵第4页/共91页5轴流泵第5页/共91页6混流泵第6页/共91页7三、作用和地位1、作用：输送、加压、混合水泵及水泵站是给排水工程的主体动力工程一种医用泵人体血液体外循环泵，即是泵与给排水工程关系的最好例子，即心脏与肌体的关系，输送介质即为血液。2、泵站在给排水中的位置给水厂：取水泵站（取自水源）净水处理工艺构筑物（过滤反冲洗）送水泵站（至用户管网）污水处理厂：污水泵站（收集污水）水处理工艺构筑物（回流污泥泵房、排污泵）排水泵站（或自排入水体）输送管道工程：中途加压泵站（给水）、提升泵站（排水）第7页/共91页8四、泵的研究现状泵应用研究所关心的两大问题工程实用性：不同类型的泵应满足各行各业工艺要求，且具有易维修及耐久性；经济运行：泵工艺制造方面造价低，实际运行费用低。主要研究泵的设计理论：提高效率、汽蚀防治、消除驼峰（小流量不稳定运行）、无过载设计等泵的优化运行研究动态特种泵的设计低比转速泵、超低比转速泵、渣浆泵（固液两相流）、高温高扬程泵（锅炉水）、低温高压泵（液态氮、液态二氧化碳）、电动潜油泵、砂泵、磁力驱动离心泵。其他特种泵如往复泵（扬程高，流量稳定）第8页/共91页9四、泵站的研究现状节能改造措施近年来，节能改造更换耗能大的老设备；改造设备包括切割叶轮外径、减少叶轮级数，改用高效率泵和机电；合理设计选型等，进一步节能的潜力在于运行中的优化调度。设计选型的误区一般没有过多考虑经济运行，而按最不利工况选泵。实际工业生产中，各厂的原料一般达不到设计要求，减量较大，处理量时大时小，靠阀门调节流量能耗很大。第9页/共91页第二章10第二章 叶 片 式 水 泵 泵的工作原理、基本构造及主要零件第10页/共91页第二章11第一节 离心泵的工作原理与基本构造 一、叶片泵发展的历史二、叶片泵特点 依靠叶轮高速旋转完成能量转换三、叶片泵的分类 根据水流通过叶轮时的受力方向：径向流离心泵主力为离心力轴向流轴流泵主力为轴向升力斜向流混流泵主力为离心力和轴向升力的合力 第11页/共91页第二章12一、工作原理 P4图2-1 转速H半径H质点绕定位的中心轴作圆周运动时受到离心力作用 第12页/共91页第二章13二、构成 P4图2-2单级单吸式离心泵，图2-3叶轮叶轮、泵壳、泵轴、轴承、进水口、扩压室、支座、轴封吸水管、出水管 第13页/共91页第二章14三、工作过程 P5图2-31、离心、真空工作、连续2、能量的转换及损失 第14页/共91页第二章15第二节 离心泵主要零件 根据工作原理理解主要部件的结构及其作用P5图2-4 重点五大部件，结合认识实习进一步建立感性认识依次为：叶轮、泵壳、泵轴、填料函、检漏环、轴承、泵座、联轴器 第15页/共91页第二章16一、叶轮1、作用：通过其旋转时介质流体获得离心力 2、形状、型式 根据吸水方式分为:单吸式、双吸式（P5图2-3、P6图2-5）根据盖板数分为:封闭式、敞开式、半开式（P6图2-6）其形状（前弯式、后弯式、径向式、空间式叶片等）通过水力计算决定 3、材料:铸铁、铸钢、青铜及其它新型材料（特点：耐磨、耐腐蚀、机械强度）第16页/共91页第二章17第17页/共91页第二章18二、泵壳 1、作用:水流通道、导流，其渐扩面的设计应尽量减小速度梯度，保证良好的水力条件 2、形状:蜗壳形、螺旋形特点：渐扩断面时流速保 持常数，出口扩散管使流速降低增加压能以减小水力损失3、材料:铸铁、青铜（特点：耐压、耐磨、耐腐蚀、抗冲击）4、其他:充水、放气孔真空、压力表测压螺孔 第18页/共91页第二章19三、泵轴作用:叶轮的旋转中心，其转速不能与共振的临界转速相当或成倍数以防止共振 材料:碳素钢、不锈钢(特点：抗扭强度、刚度、挠度)第19页/共91页第二章20四、填料函作用:轴封装置，泵轴穿出泵壳时，轴与泵壳之间的缝隙 组成:填料又叫盘根（阻水、阻气）；压盖（压紧填料）；水封环、水封管（水封水有水封管流入轴与填料的间隙，起冷却与润滑的作用）第20页/共91页第二章21五、减漏环作用:减少叶轮入口的外圆与泵壳内壁接缝处高低压的交界面的泵壳内高压水向吸水口回流、承磨（承磨环）形式:单环型、双环型、双环迷宫型 材料:第21页/共91页第二章22其它零件六、轴承座作用：支承 分类构造特性：滚动、滑动荷载大小：滚柱、滚珠荷载特性：径向、止推2.冷却：空冷、水冷 七、泵座作用：将泵体与底板或基础相固定第22页/共91页第二章23其它零件 八、联轴器作用：(P10图2-14)连接泵轴与电机轴、传递电机出力 九、轴向力平衡措施(P10图2-15、16)单吸离心泵，由于叶轮在轴向上缺乏对称性，工作是 前后两侧水压力不同，产生轴向推力习题：1、理解离心泵的工作原理及工作过程2、离心泵主要部件及作用第23页/共91页第二章24参观模型室 参观内容：1.泵的型式(1)离心泵叶片、轴流泵叶片、混流泵叶片(2)双吸离心泵、单吸离心泵(3)单级离心泵、多级离心泵 2.泵体构造 叶片（叶轮）、泵壳、泵轴、填料函、检漏环、轴承、泵座、联轴器 3.水环真空泵 4.射流泵5.轴流泵装置模型 6.离心泵装置 7.离心泵的起动过程（抽真空启动、闸阀的操作）8.离心泵主要性能参数的测量与计算第24页/共91页第二章25复习叶片泵工作原理离心泵泵体结构及基本零件叶轮(叶片、流道)、泵壳、泵轴、轴承、填料盒（填料、水封管、水封水）、减漏环、连轴器、轴向力平衡措施、泵座第25页/共91页第二章26第三节 叶片泵的基本性能参数(掌握定义、单位、符号及参数间的影响关系)流量单位时间内通过水泵出口的液体数量 Q（）（）扬程单位重量液体从泵进口到出口所增加能量 H（）轴功率水泵从动力机实际获得的功率 （泵轴传递的功率）N（kW）有效功率轴功率扣除泵轴承摩擦及泵内水力损失、容积损失、机械损失等造成的功率损失后水泵的输出功率(Nu=rQH)第26页/共91页第二章27第三节 叶片泵的基本性能参数效率水泵有效功率与水泵轴功率之比 转速水泵叶轮每分钟的转速 rpm 注意：水泵的各项性能参数与叶轮转速有关 第27页/共91页第二章28第三节 叶片泵的基本性能参数允许吸上真空高度 水泵在给定的条件下保证不产生气蚀的最大吸上真空高度（单位：m）汽蚀余量（NPSH）为不发生汽蚀，在水泵进口单位重量的水所具有的能量减去水的饱和气化压头后所剩余的值(单位：m)注意：满足水泵的吸水条件是保证水泵正常运行的必要条件 两个概念从不同侧面反映水泵吸水性能的好坏第28页/共91页第二章29本章需要了解：泵理论描述水泵基本性能参数间的关系（扬程、功率、效率、汽蚀性能曲线、相对性能曲线等）泵的应用水泵样本提供水泵铭牌、性能曲线、泵的构造、尺寸及安装图等 泵的铭牌提供泵型号、设计工况点的扬程、流量、允许吸上真空高度（极限值）、转数、效率、轴功率、重量等 第29页/共91页第二章30第四节第四节 离心泵基本方程离心泵基本方程 一、叶轮中液体的流动分析 液体质点进入叶轮后做复合圆周运动 第30页/共91页第二章31叶轮中液体的流动分析1、两个坐标系 （1）动坐标系：旋转的叶轮 （2）静坐标系：固定不动的泵壳或泵座 2、相对运动、牵连运动实际运动 相对速度水流在液槽中以速度沿叶片而流动 牵连速度水流随叶轮以u一起作旋转运动 绝对速度水流对固定坐标而言的绝对速度 第31页/共91页第二章32流动分解示意图第32页/共91页第二章33叶片内流场速度矢量的分析3、速度角 绝对速度与圆周速度的夹角 相对速度与圆周运动的反向延长线夹角 4、速度三角形 推导基本方程式涉及进出、口速度三角形分别以下标“1”、“2”表示各项速度及角度 5、讨论叶片形状后弯式叶片 第33页/共91页第二章34进、出口速度三角形第34页/共91页第二章35后弯式叶片示意第35页/共91页第二章36二、基本方程式的推导手段建立叶轮对液体做功与液体运动之间的关系目的推算水泵的理论扬程第36页/共91页第二章372.1 三点假定一维流动假定（流动理论）液流运动均匀一致，同半径同名速度相等 恒定流假定 理性流体假定（无粘性、无摩擦、不可压缩）第37页/共91页第二章382.2 2.2 液槽内液流分析(P19P19P19P19图2-2-2020）第38页/共91页第二章39方程推导液槽内水流动量矩的变化等于质量动量矩的变化用动量矩表达这一关系：通过叶轮的水流获得的能量用其动量矩的增值表示 液流施加于水流的能量即为所有作用在液体上的外力矩之和式中：QT、HT 通过叶轮的理论流量、扬程 第39页/共91页第二章402.3 理想流体假定下的理论功率：2.4 功率的另一表达式基本方程：(2-14)第40页/共91页第二章41三、基本方程式的讨论三、基本方程式的讨论 3.1 减小进水角获得正值扬程 基本方程为第一项，说明水流垂直流入叶轮可以提高扬程 3.2 理论扬程与出口圆周速度有关，提高转速、增加叶轮直径均可增加扬程 3.3 扬程与密度无关，但消耗功率不同第41页/共91页第二章423.4 用余弦定律推导扬程的另一种表达式由相对运动能量方程，可得右式前两项为势扬程：第一项是离心力对单位重量液体所作之功，使经过叶轮的液体压能增加第二项表示由于相对速度下降水流压能的增加 第三项为动扬程 第42页/共91页第二章43理论分析理论分析（P18图2-19 公式2-15）理论扬程基本方程 =90 90 90叶片背面向叶片工作面呈前弯式 90叶片工作面向叶片背面呈后弯式前弯式叶片的缺点：流道短、弯度大，水力损失大；后弯式叶片的优点（P17、18）：流道平缓、长、弯度小，液槽水损小 （流速梯度变化小）一般为20至30。第45页/共91页第二章46出口叶片角对性能的影响第46页/共91页第二章47四、基本方程的修正4.1 三点假定中恒定流的假定基本满足 泵在启动与停机时，泵与系统处于非稳定状态工作，特别是碰上突发事故时（如断电和停电等）尤为如此，此外，近年来处于环保与节能考虑，人们利用风能和太阳能泵系统直接进行供水、灌溉、排涝等工作。由于风能与太阳能的随机特性，这种形式的泵系统实际上是在变速下工作。我们采用离心泵稳定工作特性曲线来估算非稳定工作特性，在频率较低、工作参数变化较小的情况下，还是可取的。第47页/共91页第二章 第四节48四、基本方程的修正 4.2 对一维流动假定的修正 P16 图2-19 叶栅的实际情况不能满足一维流假定液槽中实际流速分布不均匀.(有限的叶栅使流线向逆时针方向偏离)第48页/共91页第二章494.2 对一维流假定的修正反旋问题:叶轮转动时在叶轮出口附近,液流的惯性使叶片迎水面（压力面、工作面）流速降低、压力提高，叶片背水面（吸力面）流速提高、压力降低，由此产生了反旋现象。第49页/共91页第二章504.2 对一维流动假定的修正由于液流的惯性使叶片迎水面（工作面）流速提高、压力降低，叶片背水面（压力面）流速降低、压力提高，由此产生了反旋现象。（尾流-射流结构），反旋使扬程降低，引入修正系数P 第50页/共91页第二章 第四节514.3 4.3 对理想流体的修正引入水力效率进行修正 泵壳内的水力损耗包括叶轮进出口的冲击、叶槽中的紊动、转弯和摩阻损失。实际扬程表达式：（2-22）第51页/共91页第二章52小结叶片泵的基本性能参数(6个)流量、扬程、轴功率、效率、转速、允许吸上真空高度（汽蚀余量）水泵铭牌参数基本方程推导进、出口速度三角形、动量矩方程、功率表达式基本方程分析几个重要的角度：1（进口冲角）、2（叶片安放角）、1（1.2m/s 当v1.2m/s 第77页/共91页1.2 1.2 管路系统特性曲线及方程表达式 P35图2-29 物理意义：曲线上任一点K的纵坐标H表示水泵输送流量Q所需提供的静扬程，以及为此而消耗于管路中的水力损失 ，即 第78页/共91页二、图解法求水箱出流工况点 P36图2-30 2.1 直接法(a)：能量线与管路系统特性线求交点 物理意义：水箱所提供总比能H与管道所消耗的总比能 数量相等 2.2 折引法(b)：从能量线上扣除管路阻力特性曲线后与横轴求交 物理意义：水箱所提供的比能H全部消耗于连接管路的摩阻 上 第79页/共91页 直接法 折引法n n能量线与管路系统能量线与管路系统特性线求交点特性线求交点 n n从能量线上扣除管路阻力从能量线上扣除管路阻力特性曲线后与横轴求交特性曲线后与横轴求交 第80页/共91页三、图解法求离心泵装置的工况点 3.1 工况点求解步骤 P37 图2-31（直接法）图2-32（折引法）直接法步骤：绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；结合进出水池水位差（净扬程）绘出管路系统特性线；交点M为水泵装置工况平衡点 第81页/共91页直接法求解步骤绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；结合进出水池水位差（净扬程）绘出管路系统特性线；交点M为水泵装置工况平衡点第82页/共91页折引法求解步骤绘制水泵特性曲线（样本提供）；公式计算管路阻力特性曲线；从泵特性曲线上扣除管路特性线所对应的阻力损失，静扬程对应的高度所求交点，在加上扣除的损失，即为对应的泵流量和扬程。第83页/共91页3.2 3.2 动态平衡分析 P32图2-36小于工况点流量点K：泵提供比能大于管路所需能耗，多余能量使流量增加，工况点右移直至M 大于工况点流量点D：泵提供比能小于管路所需能耗，不足能量（抽力不够）使流量减少，工况点左移直至M 第84页/共91页3.3 极限工况点 定义：管道上所有闸阀全开时水泵的工况点。注意：管路特性线随闸阀开度不止一条 讨论观点：管路特性曲线是不同阀门开度对应管路曲线上不同的点,对于固定管路无论阀门开度如何,管路特线曲线仅一条第85页/共91页错误观点：将管路特性线定义为不同阀门开度对应的最大流量与管路所需耗能的关系线。正确观点：管路特性线随闸阀开度不止一条，对于同一开度，管路特性先反映了不同流量下，管路阻力特征。极限工况点为闸阀全开时水泵及管路特性线的交点。讨论第86页/共91页四、离心泵工况点的改变 P38 图2-33 离心泵工况点随水位变化 4.1 工况点变化（客观上）：管路特性线的改变 例如：水位的变化、用水流量的变化、管路特性（管道堵塞或破裂、闸阀开度改变）的变化等第87页/共91页工况点变化的结果可能是水泵工况偏离高效区，对此需进行调节4.2 工况点的调节（主观上）：为使水泵装置高效运行，例如：闸阀调节通过改变管路特性改变能量供求平衡关系 变速调节通过改变水泵转速的方法改变水泵特性线 变径调节切削调节，通过改变叶轮外径的方法改变 水泵特性线 变角调节轴流泵通过改变叶片安放角改变水泵特性线 第88页/共91页五、数解法求离心泵装置工况点 实质：联立水泵特性线方程、管路特性线方程，方程组的根即为水泵工况点 5.1 水泵特性线方程 用待定系数法或多项式系数求解的最小二乘法求解 一般：离心泵高效区：、分别为水泵的虚扬程和虚阻耗 5.2 方程组的解：第89页/共91页作业 1、第五版：P109 习题8112、选作：编程用最小二乘法或待定系数法求14SA-10型泵特性线，并与H=58+0.000013Q2联立求工况点参考：P40第五版第90页/共91页91感谢您的观看！第91页/共91页
