石油矿场机械7.ppt

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1、第七章石油矿场用离心泵石油矿场用离心泵第一节第一节 概述概述v离心泵是一种典型的叶轮式泵，它在国民经济中应用很广。v在石油矿场上，离心泵主要用于油田注水，采油，油品输送，钻井泵灌注和供排水等。v具有体积小、质量小、流量大、安装使用简便等优点。2第一节第一节 概述概述 v一、离心泵的工作原理离心泵工作时，发动机经泵轴带动叶轮旋转，叶轮内的液体受到叶轮上许多弯曲的叶片作用而随之旋转，在离心力的作用下，液体沿叶片间流道，由叶轮中心甩向边缘，再通过蜗壳流向排出管。3 随着液体的不断排出，在泵的叶轮中心形成真空，在大气压力的作用下，吸入池中的液体通过吸入管源源不断地流入叶轮中心，再由叶轮甩出。4v离心泵

2、的工作过程离心泵的工作过程：开泵前，先在泵内开泵前，先在泵内灌满要输送的液体灌满要输送的液体。开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高的速度（15-25 m/s）流入泵壳。在蜗形泵壳中由于在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大流道的不断扩大，液体的，液体的流速减慢流速减慢，使使大部分动能转化为压力能大部分动能转化为压力能。最后液体。最后液体以较高的静压以较高的静压强从排出口流入排出管道。强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压

3、差作用下，面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位填补了被排除液体的位置。置。567v 此时泵内充满气体（其密度远小于液体），叶轮转动产生的离心力小，即产生的真空度不够大，贮槽液面与泵吸入口间的压力差小，不足以克服流体在吸入管路中的阻力损失以及液体位能的变化而吸上液体，这种现象称为“气缚”现象。因此在离心泵启动之前，我们必须进行灌泵灌泵操作（使泵内充满被输送的液体）。8v离心泵的种类很多，分类方法各不相同。v按叶轮数目分：1)单级泵，泵轴上只装一个叶轮三、离心泵的种类三、离心泵的种类9v 2)多级泵泵轴上装有两个以上

4、的叶轮，液体依次通过各个叶轮，如图所示，它的总压头是各级叶轮压头之和。三、离心泵的种类三、离心泵的种类1011三、离心泵的种类三、离心泵的种类v吸入方式分：1)单吸泵，叶轮只有一个吸入口(图21)12三、离心泵的种类三、离心泵的种类v2)双吸泵叶轮两侧都有吸入口，液体从两侧进入叶轮双吸式泵排量大。1314v 按泵壳能量转换部分的结构分：（1）蜗壳泵：泵壳作成截面逐渐扩大的螺旋线形状，流体从叶轮甩出后直接进入蜗壳的螺旋形流道，再被引入排出管线。（2）双蜗壳泵：泵体设计成双蜗室。双蜗壳泵可以平衡泵的径向力。三、离心泵的种类三、离心泵的种类15三、离心泵的种类三、离心泵的种类v（3）导叶泵在泵壳内装

5、有固定的导叶(导轮)，如图所示，液体从叶轮流出后先进入导叶转换能量，再流入泵壳。这种泵亦称透平泵。16三、离心泵的种类三、离心泵的种类v按壳体剖分方式分（1）中开式泵：壳体在通过泵轴中心线的水平面上分开。（2）分段式泵：壳体按与泵轴垂直的平面剖分。17三、离心泵的种类三、离心泵的种类按泵轴的布置方式分（1）卧式泵：泵轴为水平布置。（2）立式泵：泵轴为垂直布置。18v按照所输送的液体性质又可分为水泵、热油泵、汽油泵、酸泵、碱泵、污水泵，电动潜油泵等。19四、离心泵的名称代号四、离心泵的名称代号v离心泵的名称代号，即离心泵的型号。它包含离心泵的结构特点、尺寸、主要性能参数及应用范围等信息。它是设计

6、选型、施工配套、运行管理及维修工作的重要依据。v离心泵的型号一般由基本型号和四组补充型号组成。v值得注意的是：各型号中不一定都有四组补充型号；同一字母在不同型号中的含义往往也不同。20v举例说明：v泵型号 100Y60A，型号中各项的含义为：100泵吸入口直径为100mm；Y输油离心泵；泵材料为铸铁；60泵设计点扬程为60m水柱；A叶轮直径第一次切割（首次设计）。v泵型号 250YS 1502，型号中各项的含义为：250泵吸入口直径为250mm；YS双吸式输油离心泵；泵材料为铸钢；60泵设计点单级扬程为150m水柱；2泵叶轮级数为2级。21第二节第二节 离心泵的典型结构离心泵的典型结构 v石油

7、矿场上使用各种类型的离心泵。单级离心泵中最常见的是单级悬臂式BA型离心泵v图2.5为其典型结构。该系列的泵排量范围为5330m3/h，扬程898米。其结构特点是叶轮装在悬臂轴的一端，从而省去了吸入端的密封，减少了从吸入端漏气的可能性。22 其优点是结构紧凑、造价低廉，使用方便、工作可靠。这种泵的排出管线可根据安装条件装成任何角度(水平、垂直或与水平成角30、60等)，这只需在法兰联结处加以调整即可。23 当排量较大而扬程不高时，一般采用sh系列的单级双吸泵。它广泛用于矿场输水、输油、民用供水等。该系列泵一般流量为903500 m3/h，扬程为10104m。这种泵结构较简单，泵壳一般为水平剖分式

8、，叶轮、轴和密封装置等可事先装好，然后整体装入泵壳中去，因而制造和检修都较方便。对这种泵应注意对这种泵应注意使泵壳两端密封可靠，使泵壳两端密封可靠，以防吸入空气而破坏以防吸入空气而破坏泵的正常工作。通常泵的正常工作。通常是用管于把泵腔中高是用管于把泵腔中高压液体引到两端填料压液体引到两端填料中间的液封环处，可中间的液封环处，可防止空气侵入吸入端，防止空气侵入吸入端，亦有助于密封处的冷亦有助于密封处的冷却和润滑。却和润滑。24 当需要扬程较大时，一般采用D或DA系列的分段式多级离心泵。油田注水中采用的3D100150(吸入管径3英寸，额定流量100 m3/h，额定压力15MPa)和150D170

9、10(吸入管径150mm，单级扬程170m，10级)。它们的结构如图23所示，25v 这种泵中的液体连续流经各个叶轮和导叶，泵各级结构相同，整个泵体用长螺拄联接。它们可以在排量一定的情况下，根据工作需要选用不同的级数，从而得到不同的额定扬程。v输送石油产品或其它腐蚀性介质的离心泵，在结构上与上述离心泵没有原则区别，只是在密封及泵的材料方面有特殊的要求。26离心泵的基本结构离心泵的基本结构27离心泵实体剖面图离心泵实体剖面图轴轴联轴节联轴节轴承箱轴承箱键键出口出口叶轮叶轮入口入口蜗壳蜗壳轴承轴承机械密封机械密封28v 如图所示，为单级悬臂式离心泵。其构成主要包括：转动部件叶轮、泵轴、叶轮螺母、轴

10、套、连轴器等，它们随泵轴一起旋转。静止部件吸入室、蜗壳、托架等。其中，有液体流过的部件称为过流部件。如叶轮、蜗壳和吸入室等。291.叶轮叶轮 v1.叶轮 v叶轮是离心泵中传递能量的主要部件。叶轮通常由612片后弯叶片所组成，本身被固定在泵轴上并随之旋转。v叶轮的作用是：把泵轴的机械能传递给液体，使之转变成液体的速度能和压力能。即液体从叶轮获得能量，使压力能和速度能都得到增加。301.叶轮叶轮v按其机械结构可分为开式,半闭式和闭式三种叶轮如图所示.叶片两侧带有前,后盖板的称为闭式叶轮,它适用于输送清洁液体一般离心泵多采用这种叶轮。没有前、后盖板,仅由叶片和轮毂组成的称为开式叶轮.只有后盖板的称为

11、半闭式式叶轮。开式叶轮与半闭式由于流道不容易堵塞,适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液.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。31离心泵叶轮离心泵叶轮(a)(a)闭式闭式 (b)(b)半开式半开式(c)(c)开式开式 (d)(d)双吸式双吸式（a a）（b b）（c c）（d d）322.泵壳泵壳v离心泵的泵壳通常制成蜗牛形,故又称蜗壳。泵壳不仅是一个汇集由叶轮抛出液体的部件,而且本身又是一个转能装置。液体从叶轮外缘以高速流出后,流过泵壳蜗形通道时流速将逐渐降低,因此减少了能量损失,且使部分动能有效地转变为静压能。33343.导轮导轮v导轮是带有叶片(称为导叶)的环状结构

12、，它安装在叶轮与泵壳间固定不动。其作用是导流和转换能量。v导轮多用于分段式多级离心泵中。它可减少由叶轮外缘抛出的液体与泵壳的碰撞而引起能量损失。导叶有正向和反向之分，正向导叶用于收集液体和能量转变，反向导叶用于消除旋绕和引导液体至下级叶轮入口或排出管。v导叶的结构形式有流道式和径向式两种：v1.流道式导叶特点：使液体速度变化较均匀，水力性能较好。但结构复杂，制造较困难。v2.径向式导叶特点：结构简单，制造工艺性好，应用广泛。354.吸入室吸入室v吸入室位于叶轮进口前，其作用是将液体均匀地导入叶轮。常用的吸入室有锥管形、螺旋形和圆环形。v1.锥管形吸入室v 使液体集流，加速并均匀地引向叶轮。多用

13、于小型单级单吸悬臂式离心泵。v2.螺旋形吸入室v 可使液体在叶轮入口前预旋，有利于改善吸入性能。多用于单级双吸或水平中开式多级离心式油泵。v3.圆环形吸入室v 轴向尺寸较短。多用于单吸分段式多级离心泵。364.吸入室吸入室v 吸入管的下部装有滤网和底阀，对液体起过滤作用，并防止管中液体倒流入吸入池。排出管汇装有用以调节流量的闸门。蜗壳的顶部装有漏斗，用以在开泵前向泵内灌水，排除泵腔内气体。启泵前一般要关闭排出闸门，启动后方打开。375.密封装置密封装置v由于离心泵工作时，液体吸入端与液体出口端存在压力差；同时，在泵轴伸出泵壳处，转轴和泵壳之间存在有间隙。因此，在旋转的泵轴与泵壳之间就必须配有密

14、封装置，亦称为轴封装置。其作用是防止高压液体沿轴泄漏，或者外界空气以相反方向漏入。v常用的离心泵密封装置主要有填料密封和机械密封。38填料密封装置填料密封装置v填料密封装置由填料函壳、软填料和填料压盖构成，软填料为浸油或涂石墨的石棉绳，将其放入填料函与泵轴之间，将压盖压紧迫使它产生变形，以达到密封目的。v液封圈的作用是：当泵内压力低于大气压力时，可防止空气进入；当泵内压力高于大气压力时，可减少出口泄漏。液封圈中的水或油，还可起冷却和润滑作用。39机械密封装置机械密封装置v如图示，密封装置由装在泵轴上随之转动的动环和固定在泵壳上的静环组成，两环形端面由弹簧力使之紧贴在一起达到密封目的。动环用硬质

15、金属材料制成，静环一般用浸渍石墨或酚醛塑料等制成。v 机械密封的性能优良，使用寿命长。部件的加工精度要求高，安装技术要求比较严格，价格较高。用于输送酸、碱、盐、油等密封要求高的场合。406.离心泵的轴向力及平衡措施离心泵的轴向力及平衡措施v离心泵在工作中，由于进出口压力差，在泵转子轴向引起推力，下图表示了单吸和双吸式离心泵上轴向力产生的原因。因而为了平衡和承受轴向力，在离心泵上必须装设推力轴承。41v离心泵轴向力的平衡方式有很多种，常用的有平衡孔背叶轮叶轮对称布置双吸叶轮平衡盘平衡鼓等多种方式。42v对于单级泵，采用如图所示的双吸叶轮，使叶轮两侧盖板上的压力相互抵消，可以有效地消除轴向力。1）

16、利用叶轮的对称性平衡轴向力）利用叶轮的对称性平衡轴向力 43v对于多级泵，利用对称排列方式，即将总级数为偶数的叶轮，如图2-7所示那样背靠背或面对面地联在一根轴上，这种方法可有效地减少轴向力，另外还应在轴上装止推轴承以承受剩余的轴向力。水平中开式多级泵和立式多级泵，常采用此法。1）利用叶轮的对称性平衡轴向力）利用叶轮的对称性平衡轴向力 44 2)改造叶轮以平衡轴向力改造叶轮以平衡轴向力v对于单吸单级离心泵，常采取适当改变叶轮结构，以达到减少或消除轴向力的目的。v图28所示的为平衡孔法，是在叶轮后盖板上开一圈小孔，使后盖板密封环内的液压力与前盖板密封环内的液压力基本相等。只要使后盖板密封环直径与

17、前盖板密封环直径相同，则轴向力基本上可以被平衡。45v如图29所示的为平衡管法，即在叶轮前、后盖板上都装有直径相同的密封环，并自后盖板泵腔处接一平衡管，同样使叶轮后盖板密封环内的压力等于吸入压力达到平衡轴向力的目的。46v图2-10所示的叶轮后盖板上加有径向筋板，亦称为副叶片。叶轮旋转时，筋板强迫叶轮后面的液体加快旋转，使压力下降，从而达到减小轴向力的目的。上述方法简单易行，缺点是增加了能量消耗，使泵的效率略有降低。473)平衡盘法平衡盘法v油田使用的3D100150注水泵，驱动功率800Kw，当扬程为1500m时，产生的轴向力约为1.2104N，采用图211所示的平衡盘方案平衡轴向力的。48

18、v平衡室位于多级泵的出口端，使其与泵的吸入口相通，即平衡室内压力P6基本等于吸入口压力。v泵出口处的液体压力为P2，在b1入口处为P3，流经轴向间隙b1(b1约1.52mm)后压力降为P4，然后再经径向间隙b2后压力降至P5。v由于平衡盘两侧面所受到的压力为P6与P4，它们的压力之差而产生一个轴向平衡力F，该力与叶轮所受到的轴向力A相平衡。由叶轮背面压力大于吸入口一侧压力而产生的轴向力A（向左）小于平衡盘所产生的平衡力F（向右），即AF时，泵轴带动叶轮及平衡盘向右移动，于是间隙b2增大。49v间隙b2增大，使阻力减小，导致流量增加，因流道b1的长度和宽度都没变，流量的增大，使流经b1的阻力损失

19、p1增加，因P4 p3 p1，因p3不变，p1的增加使P4减小，而P6 p5基本不变，P4减小使平衡盘上向右的力减小，即平衡力减小，最终达到AF；v在离心泵整个工作过程中泵轴随离心泵的工况在某一平衡位置左右来回窜动，从而自动地实现平衡。v采用平衡盘平衡轴向力需要采用使轴可以在轴向自由浮动的轴承。50第三节第三节 离心泵的特性离心泵的特性v标志离心泵工作能力的基本特性参数有流量、扬程（压力）、功率、效率和转速等 流量流量Q压头压头H效率效率功率功率N转速转速n表示泵表示泵轴转动的速轴转动的速度。影响泵度。影响泵的流量。的流量。单位单位:r/min表示泵表示泵对液体做功对液体做功的能力。的能力。单

20、位：单位：KW表示泵表示泵转换能量的转换能量的经济性。经济性。单位：无单位：无又称扬又称扬程。表示泵程。表示泵使单位质量使单位质量液体产生的液体产生的能量增加值。能量增加值。单位：单位：m表示泵表示泵在单位时间在单位时间内的输液量。内的输液量。单位：单位：m3/h51理论压头理论压头v理论压头：理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用HT,表示。v理论压头与液体密度无关。v这就是说，同一台泵无论输送何种液体，所能提供的理论压头是相同的。v注意：泵对单位体积流体所加的能量=gHT,与密度呈正比52实际压头实际压头（1）叶片间的环流：由于叶片数目并非无限多，液体有环流出现，产生涡流损失。

21、（2）阻力损失：实际流体从泵进口到出口有阻力损失，可近似视为与流速的平方呈正比。（3）冲击损失：液体离开叶轮周边冲入蜗壳四周流动的液体中，产生涡流。在设计流量下，此项损失最小。流量若偏离设计量越远，冲击损失越大。实际压头比理论压头要小。具体原因如下：主要取决于叶片数目、叶片倾角2、叶轮大小、液体粘度等因素，而几乎与流量大小无关。53轴功率 P轴，输入功率，泵接收来自电机的功率，单位W 或kW有效功率Pe，泵的输出功率，单位W 或kWPe机机械械损失损失容容积积损失损失水水力力损失损失P轴54泵运转过程中存在以下三种损失：容积损失v 该损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量

22、损失。在三种叶轮中，开式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮液时，叶片通道不易堵塞；闭式叶轮的渗漏量较小，但在磨损后渗漏便严重。水力损失h 该损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦损失（即前述环流损失、摩擦损失、冲击损失）。机械损失m 该损失包括旋转叶轮盖板外表面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。=v h m55v这些基本参数，反映了离心泵的综合性能指标。v一般在离心泵的铭牌上都应标出这些参数的值。56离心泵的工作特点57离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线v实际上，离心泵的叶片既不是无限多，也不是无限薄。此外，离心泵中存在各种损失。因此，离心泵的实际性能曲线与理论性

23、能曲线是有所差异的。v1.离心泵的三条特性曲线 HQ曲线：反映离心泵实际流量和实际扬程之间的变化关系曲线。NQ曲线：表示离心泵轴功率随排量而变化的关系曲线。Q曲线：表示离心泵效率随流量变化的关系曲线。上述三条性能曲线是离心泵在恒定转速下的性能曲线。v实际工程中，是厂家用试验方法测出的，并将其用同一坐标绘制在样本上。它们称之为离心泵的基本特性。58离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线包括包括：Hqv曲线曲线 P轴轴qv曲线、曲线、qv曲线曲线 用用20 C清水测定清水测定设计点与最高效率相比，效率下降58随qv，H；随qv,P轴。当qv 0时,P轴最小，故在泵启动时应该关闭出口阀；有一最高点，称为设

24、计点。泵在设计点对应的qv、H、P轴下 为工作最经济，称最佳工况参数59离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线v2.离心泵性能曲线的用途：HQ性能曲线，是选泵和操作使用的依据。NQ性能曲线，是合理选择驱动机和操作启动泵的依据。Q性能曲线，是检查泵工作经济性的依据。60第四节第四节 离心泵的汽蚀现象与安装高度离心泵的汽蚀现象与安装高度v1.汽蚀现象当流道中局部地方流体压力低于输送温度下该液体的汽化压力Pt时，液体开始汽化，同时还可能有溶于液体内的气体从液体中析出，形成大量的小气泡。气泡被液流带到压力较高的区域时，迅速凝结、溃灭；在凝结过程中，气泡周围的液体以高速向气泡中心运动，液体质点相互碰撞形成水力

25、冲击，使局部瞬时压力高达几百个大气压。气泡越大，其凝结溃灭时引起的局部水击压强越大，如果这些气泡在叶轮边缘溃灭，流道表明将会受到损伤，金属表面疲劳剥落；气泡在溃灭是可以产生200300度的局部高温，形成热电偶，造成电解作用，析出具有强烈化学腐蚀性的初生氧，使材料因电解腐蚀而损坏。这种液体气化、凝结、水击、和腐蚀的综合称为汽蚀现象。61v2.汽蚀对离心泵工作的影响（1）引起噪声和振动；（2）引起泵工作参数的下降；（3）引起泵叶片的损坏；为防止汽蚀发生，应尽量减小吸入管路的阻力损失，降低输送温度，减低泵的安装高度。62v3.离心泵的几何安装高度 离心泵的允许几何安装高度可由下式计算。Hgl(pA-

26、pv)/g-hA-S-hr (9-15)式中 Hgl离心泵的允许几何安装高度，m；hr泵允许的汽蚀余量，m；pA吸入口压力，N/m2；pv液体的汽化压力，N/m2；hA-S吸入罐液面至泵吸入口的流动阻力损失，m。63第五节第五节 离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点与流量调节v在泵叶轮转速一定时，一台泵在具体操作条件下所提供的液体流量和压头可用qV-H曲线上的一点来表示。至于这一点的具体位置，应视泵前后的管路情况而定，讨论泵的工作情况，不应脱离管路的具体情况。v（1）离心泵的工作点 将泵的qV-H特性曲线与管路的qV-He特性曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称为泵的工作点。64v说明：泵的

27、工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立泵的特性方程和管路的特性方程得到；安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要的；工作点对应的各性能参数（qV、H、Pa和）反映了一台泵的实际工作状态。特性由泵本身的特性和管路的特性共同决定。65（2）离心泵的流量调节）离心泵的流量调节v由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能改变工作点，从而达到调节流量的目的。v改变出口阀开度 出

28、口阀开度与管路局部阻力有关，改变出口阀开度实际上是改变管路的特性。关小出口阀，局部阻力增大，曲线变陡，工作点由M变为M，流量下降，泵所提供的压头上升；开大出口阀，局部阻力减小，曲线变缓，工作点由M变为M，流量上升，泵所提供的压头下降。此种调节方法虽不经济，是人为增加管路阻力来适应泵的特性，但由于其简单方便，在实际生产中被广泛采用。66（2）离心泵的流量调节）离心泵的流量调节v改变叶轮转速 如图所示，转速增加，实际上是改变泵的特性，流量和压头均能增加。这种调节方法合理、经济，但曾被认为是操作不方便，并且不能实现连续调节。但随着的现代工业技术的发展，无级变速设备在工业中的应用克服了上述缺点。是该种

29、调节方法能够使泵在高效区工作，这对大型泵的节能尤为重要。车削叶轮直径：这种调节方法实施起来不方便，且调节范围有限。67（3）离心泵的组合操作）离心泵的组合操作 v在实际生产中，有时需要几台组合运行。组合方式可以有串联和并联两种方式。下面的讨论限于性能相同的泵的组合。泵的组合联实际上是改变泵的特性。v泵的串联特性曲线 在管路特性不变的条件下，串联泵与单台泵相比，工作点处扬程并未加倍，但流量却有所增加。关小出口阀（改变管路特性），使流量与原先相同，则串联泵的扬程是原先单泵的2倍。v泵的并联特性曲线管路特性一定时，采用两台泵并联组合，工作点处流量并未加倍，但压头却有所增加。开大出口阀（改变管路特性），使压头与原先相同，则流量加倍。68v组合方式的选择 单台不能完成输送任务可以分为两种情况：扬程不够扬程合格，但流量不够。v对于情形，必须采用串联操作；v对于情形，应根据管路的特性来决定采用何种组合方式。对于高阻管路，串联比并联组合效果好；但对于低阻管路，则是并联比串联的效果好。69小结：小结：v1、掌握离心泵的工作原理；v2、掌握离心泵的操作方法；v3、掌握离心泵的典型结构；v4、理解离心泵的基本参数和特性曲线；v5、理解离心泵的气蚀原因、危害及其预防措施。70