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第二章離心泵2 1概述離心泵是一種典型的葉輪式泵 它在國民經(jīng)濟中應(yīng)用很廣 在石油礦場上 離心泵主要用于油田注水 采油 油品輸送 鉆井泵灌注和供排水等 1 2 2 1 1離心泵的工作原理圖2 1為離心泵的結(jié)構(gòu)示意圖 3 4 離心泵開始工作后 發(fā)動機經(jīng)泵軸帶動葉輪1旋轉(zhuǎn) 充滿葉輪的液體受到葉輪上許多彎曲的葉片作用而隨之旋轉(zhuǎn)在離心力的作用下 液體沿葉片間流道 由葉輪中心甩向邊緣再通過螺形泵殼 簡稱渦殼 流向排出管 5 隨著液體的不斷排出 在泵的葉輪中心形成真空 在大氣壓力的作用下 吸入池中液體通過吸入管源源不斷地流入葉輪中心 再由葉輪甩出 6 葉輪的作用是把泵軸的機械能傳給液體 變成液體的速度能和壓力能 7 8 泵的蝸殼則是收集從葉輪甩出的液體并引向排出口處的擴散管 擴散管過流面積是逐漸增大的 它起著降低液流速度 使流體的部分速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿淖饔?在有些泵上葉輪外緣裝有導葉 其作用也是導流和轉(zhuǎn)換能量 9 離心泵必須與吸入管匯和排出管匯等共同組成如圖2 2所示的裝置才能正常工作 10 吸入管的下部裝有濾網(wǎng)和底閥1對液體起過濾作用 并防止管中液體倒流入吸入池 11 排出管匯裝有用以調(diào)節(jié)流量的閘門 蝸殼的頂部裝有漏斗 用以在開泵前向泵內(nèi)灌水 排除泵腔內(nèi)氣體 啟泵前一般要關(guān)閉排出閘門 啟動后方打開 12 2 1 2離心泵的種類離心泵的種類很多 分類方法各不相同 按葉輪數(shù)目分 1 單級泵 泵軸上只裝一個葉輪 圖2 1 13 2 多級泵泵軸上裝有兩個以上的葉輪 液體依次通過各個葉輪 如圖2 3所示 它的總壓頭是各級葉輪壓頭之和 14 15 1 單吸泵葉輪只有一個吸入口 圖2 1 16 2 雙吸泵葉輪從兩側(cè)吸入 圖2 4 17 18 19 20 按泵殼能量轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)分 1 蝸殼泵泵殼作成截面逐漸擴大的蝸殼形 圖2 4 流體從葉輪甩出后直接進入蝸殼的螺旋形流通 再被引入排出管線 21 2 導葉泵在泵殼內(nèi)裝有固定的導葉 導輪 如圖2 3所示 液體從葉輪流出后先進入導葉轉(zhuǎn)換能量 再流入泵殼 這種泵亦稱透平泵 22 按照泵軸的位置可分為立式泵 等 23 臥式泵 臥式泵 24 按照所輸送的液體性質(zhì)又可分為水泵 熱油泵 汽油泵 酸泵 堿泵 污水泵 電動潛油泵等 25 26 2 1 3離心泵的典型結(jié)構(gòu)石油礦場上使用各種類型的離心泵 單級離心泵中最常見的是單級懸臂式BA型離心泵 圖2 5為其典型結(jié)構(gòu) 該系列的泵排量范圍為5 330m3 h 揚程8 98米 27 其結(jié)構(gòu)特點是葉輪裝在懸臂軸的一端 從而省去了吸入端的密封 減少了從吸入端漏氣的可能性 28 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊 造價低廉 使用方便 工作可靠 這種泵的排出管線可根據(jù)安裝條件裝成任何角度 水平 垂直或與水平成角30 60 等 這只需在法蘭聯(lián)結(jié)處加以調(diào)整即可 29 當排量較大而揚程不高時 一般采用sh系列的單級雙吸泵 圖2 4 它廣泛用于礦場輸水 輸油 民用供水等 該系列泵一般流量為90 3500m3 h 揚程為10 104m 30 這種泵結(jié)構(gòu)較簡單 泵殼一般為水平剖分式 葉輪 軸和密封裝置等可事先裝好 然后整體裝入泵殼中去 因而制造和檢修都較方便 31 對這種泵應(yīng)注意使泵殼兩端密封可靠 以防吸入空氣而破壞泵的正常工作 通常是用管子把泵腔中高壓液體引到兩端填料中間的液封環(huán)處 可防止空氣侵入吸入端 亦有助于密封處的冷卻和潤滑 32 當需要揚程較大時 一般采用D或DA系列的分段式多級離心泵 圖2 3 33 例如 油田注水中采用的3D100 150 吸入管徑3英寸 額定流量100m3 h 額定壓力15MPa 和150D一170 10 吸入管徑150mm 單級揚程170m 10級 它們的結(jié)構(gòu)如圖2 3所示 34 這種泵中的液體連續(xù)流經(jīng)各個葉輪和導葉 泵各級結(jié)構(gòu)相同 整個泵體用長螺拄聯(lián)接 它們可以在排量一定的情況下 根據(jù)工作需要選用不同的級數(shù) 從而得到不同的額定揚程 輸送石油產(chǎn)品或其它腐蝕性介質(zhì)的離心泵 在結(jié)構(gòu)上與上述離心泵沒有原則區(qū)別 只是在密封及泵的材料方面有特殊的要求 35 2 1 4離心泵的軸向力及平衡措施在單級離心泵中 設(shè)液體進入葉輪前的壓力為P1 出葉輪后的壓力為P2 則葉輪兩側(cè)所承受的作用力近似地如圖2 6所示 36 這時一級葉輪所受到的軸向力為 37 對于單吸多級泵 每級葉輪都產(chǎn)生軸向力 泵軸承受的軸向力可高達數(shù)萬牛頓 這種力使葉輪沿軸線向吸入口一側(cè)竄動 引起零件磨損 所以要采取措施予以平衡 離心泵軸向力的平衡方法很多 可分為下述三種方法 38 對于單級泵 采用如圖2 4所示的雙吸葉輪 使葉輪兩側(cè)蓋板上的壓力相互抵消 可以有效地消除軸向力 39 對于多級泵 利用對稱排列方式 即將總級數(shù)為偶數(shù)的葉輪 如圖2 7所示那樣背靠背或面對面地聯(lián)在一根軸上 這種方法可有效地減少軸向力 40 另外還應(yīng)在軸上裝止推軸承以承受剩余的軸向力 水平中開式多級泵和立式多級泵 常采用此法 41 2 改造葉輪以平衡軸向力對于單吸單級離心泵 常采取適當改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu) 以達到減少或消除軸向力的目的 圖2 8所示的為平衡孔法 是在葉輪后蓋板上開一圈小孔 稱為平衡孔 使后蓋板密封環(huán)內(nèi)的液壓力與前蓋板密封環(huán)內(nèi)的液壓力基本相等 只要使后蓋板密封環(huán)直徑與前蓋板密封環(huán)直徑相同 則軸向力基本上可以被平衡 42 如圖2 9所示的為平衡管法 即在葉輪前 后蓋板上都裝有直徑相同的密封環(huán) 并自后蓋板泵腔處接一平衡管 同樣使葉輪后蓋板密封環(huán)內(nèi)的壓力等于吸入壓力達到平衡軸向力的目的 43 圖2 10所示的葉輪后蓋板上加有徑向筋板 亦稱為副葉片 葉輪旋轉(zhuǎn)時 筋板強迫葉輪后面的液體加快旋轉(zhuǎn) 使壓力下降 從而達到減小軸向力的目的 上述方法簡單易行 缺點是增加了能量消耗 使泵的效率略有降低 44 3 平衡盤法油田使用的3D100 150注水泵 驅(qū)動功率800Kw 當揚程為1500m時 產(chǎn)生的軸向力約為1 2 104N 采用圖2 11所示的平衡盤方案平衡軸向力的 45 平衡室位于多級泵的出口端 使其與泵的吸入口相通 即平衡室內(nèi)壓力P6基本等于吸入口壓力P5 泵出口處的液體壓力為P2 在b1入口處為P3 流經(jīng)軸向間隙b1 b1約1 5 2mm 后壓力降為P4 然后再經(jīng)徑向間隙b2后壓力降至P5 46 由于平衡盤兩側(cè)面所受到的壓力為P6與P4 它們的壓力之差而產(chǎn)生一個軸向平衡力F 該力與葉輪所受到的軸向力A相平衡 47 由葉輪背面壓力大于吸入口一側(cè)壓力而產(chǎn)生的軸向力A 向左 小于平衡盤所產(chǎn)生的平衡力F 向右 即A F時 泵軸帶動葉輪及平衡盤向右移動 于是間隙b2增大 48 間隙b2增大 使阻力減小 導致流量增加 因流道b1的長度和寬度都沒變 流量的增大 使流經(jīng)b1的阻力損失 p1增加 因P4 p3 p1 因p3不變 p1的增加使P4減小 而P6 p5基本不變 P4減小使平衡盤上向右的力減小 即平衡力 減小 最終達到A F 49 當軸向力A 向左 大于平衡盤所產(chǎn)生的平衡力F 向右 時 即A F時泵軸帶動葉輪及平衡盤向左移動 于是間隙b2減小 50 間隙b2減小 使阻力增大 導致流量減小 因流道b1的長度和寬度都沒變 流量的減小 使流經(jīng)b1的阻力損失 p1減小 因P4 p3 p1 因p3不變 p1的減小使P4加 而P6 p5基本不變 P4增加使平衡盤上向右的力增大 即平衡力 增大 最終達到A F 51 所以 在離心泵整個工作過程中泵軸隨離心泵的工況在某一平衡位置左右來回竄動 從而自動地實現(xiàn)平衡 采用平衡盤平衡軸向力需要采用使軸可以在軸向自由浮動的軸承 52 2 1 5離心泵特性參數(shù)標志離心泵工作能力的基本特性參數(shù)有流量 揚程 壓力 功率 效率和轉(zhuǎn)速等 一般都在泵的名牌上標出 1 流量 單位時間內(nèi)輸送的流體量 體積或質(zhì)量 通常用Q來表示體積流量 單位為1 s或m3 h 53 N為重量單位 m為長度單位 Nm即表示能量 能量也用J表示 以H表示單位重量液體經(jīng)過泵后所增加的能量 則H J N Nm N m 54 3 55 2 1 3離心泵的工作特點離心泵的性能特點和能量轉(zhuǎn)化方式與往復泵不同 如表2 1所示 56 2 2離心泵的基本工作理論液體在離心泵內(nèi)的流動可以分為三部分 液體進入葉輪前在進液流道 吸入室 中的流動 在葉輪內(nèi)的流動和在排液流道 壓出室或?qū)~ 中的流動 57 液體是在葉輪內(nèi)被葉輪強制運動時獲得能量 而在其余兩個部分中流動時要消耗能量 離心泵是通過葉輪的轉(zhuǎn)動 帶動泵內(nèi)液體 使之獲得能量的 因此研究離心泵的工作理論 首先必須研究液體在泵內(nèi)通過葉輪的運動 58 2 2 1葉輪內(nèi)液體的運動1 三種速度液體在葉輪內(nèi)的運動是復雜的 為了便于研究 我們先作如下假設(shè) 1 葉輪有無限多 無限薄的葉片 因此液體質(zhì)點完全按照葉片形狀規(guī)定的軌跡運動2 液體是理想的 即液體沒有粘性 流動時無摩擦阻力損失 3 葉輪轉(zhuǎn)速和液體流量是恒定的 59 我們可以把液體在葉輪內(nèi)的流動看成在葉片推動下隨葉輪以速度u作圓周運動和液體沿葉片以相對速度W作相對運動的合成 圖2 12 60 即液體在葉輪內(nèi)任一點的絕對速度c C U十w這種速度矢量合成圖 稱為速度三角形 由于要研究的是進葉輪前到出葉輪后的液體能量的變化情況 故我們只研究進口 出口的液流速度三角形 61 2 進 出口速度三角形當離心泵工作時 吸入池中液體在大氣壓力作用下 沿吸入管流向泵的葉輪進口 其速度為c0 在葉輪內(nèi) 液體由軸向變?yōu)閺较?并以速度c1流向葉片間的流道 如圖2 13 62 一般離心泵的液體沿半徑方向進入葉片 故其絕對速度的方向 1 90 絕對速度的大小為 c1 c1r Qi F1式中 Qi 流經(jīng)葉輪的流量 F1 進口斷面的環(huán)形有效過流面積 下角標r或u 表示徑向或周向分速度 63 而進口處的圓周速度u1的方向為周向 大小為u1 nD1 60 n為葉輪轉(zhuǎn)速 由于u1 c1的大小和方向皆己確定 故液體進入流道的相對速度 1即可確定 1 c1 u1 進口處的速度三角形見圖2 13 即液體進入葉輪時的水力角 1就確定了 64 為了使液體進入葉片時與葉片不產(chǎn)生沖擊 進口處相對速度 1的方向應(yīng)和葉片進口表面相切 即相對速度 1與圓周速度u1反方向的夾角 l應(yīng)與葉片結(jié)構(gòu)角 lK相等 即使 l lK 當離心泵選定后 其葉輪的葉片結(jié)構(gòu)角是不會變的 而 l的數(shù)值取決于c1和u1的大小 當泵軸轉(zhuǎn)速一定時 u1為常數(shù) 速度c1的方向是一定的 其大小取決于流量 因此 l的數(shù)值也取決于流量 65 從圖2 14可知 只有離心泵流量為額定流量 最優(yōu)流量 時 l lK 符合無沖擊的條件 而當流量增大或減小時都將產(chǎn)生水力沖擊 66 在葉輪出口處的圓周速度u2 nD2 60 相對速度W2與葉片相切 即水力角 2 2K 絕對速度的徑向分速度c2r Qi F2 F2為出口斷面環(huán)形有效過流面積 因此 出口處的速度三角形就確定了 見圖2 15 67 2 2 2離心泵的理論揚程了解了離心泵葉輪內(nèi)液體運動情況以后 就能進一步研究泵內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律 在離心泵中 影響葉輪和液體進行能量轉(zhuǎn)換的因素很多 如葉輪轉(zhuǎn)速 葉輪的尺寸 葉片的數(shù)量 葉片的角度和液體的性質(zhì)等 為了研究主要因素的影響 先作以下兩點假設(shè) 葉輪具有無限多 無限薄的葉片 這樣就可以認為液體質(zhì)點是完全按照葉片形狀規(guī)定的軌跡運動的 液體是理想的 即液體沒有粘性 流動時沒有摩擦阻力損失 68 在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上 就可以利用動量矩定理來推導離心泵的基本能量方程式 圖2 16中表示液體質(zhì)點從進葉輪時的起始位置a 到流出葉輪時的最終位置b為止的運動情況 69 質(zhì)點是沿著葉片形狀所規(guī)定的軌跡運動的 根據(jù)動量矩定理 在穩(wěn)定流情況下 單位時間內(nèi)流過的液體質(zhì)量 從一個斷面到另一個斷面的動量矩變化 等作用在這兩個斷面間的液流上的外力矩 70 以m表示每秒內(nèi)流過葉輪的液體質(zhì)量 那末 在半徑為R1的葉輪進口處 液體相對于葉輪軸線的動量矩為M1 mc1l1 71 在半徑為R2的葉輪出口處 液體相對于葉輪軸線的動量矩為M2 mc2l2 72 液體動量矩的增加應(yīng)等于作用在液體上的外力矩M 即Mi M2 M1 mc2l2 mc1l1 Mi M2 M1 m c2l2 c1l1 2 12 73 由圖2 16所示的速度三角形可知l2 R2cos 2l1 R1cos 1 74 考慮到m G g Qi 式中G 通過葉輪的液體的重量流量 N s g 重力加速度 m s 液體的密度 kg m3 將上式子及l(fā)2 R2cos 2 l1 R1cos 1代入式 2 12 Mi M2 M1 m c2l2 c1l1 可得Mi Qi c2R2cos 2 c1R1cos 1 g 2 13 75 假設(shè)液體通過葉輪時沒有能量損失 根據(jù)能量守恒定律 葉輪消耗的機械功率應(yīng)全都變?yōu)橐后w的水力功率 即Mi gQiHi 2 14 式中 葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度 Hi 葉輪傳遞給每一N重量液體的能量 稱為泵的理論壓頭 因為假定葉輪葉片為無限多 所以Hi用Hi 表示 76 所以 離心泵的理論壓頭Hi 等于Hi Mi gQi Qi c2R2cos 2 c1R1cos 1 gQi c2R2cos 2 c1R1cos 1 g c2R2 cos 2 c1R1 cos 1 g因為R2 u2 R1 u1所以Hi 1 g u2c2cos 2 u1c1cos 1 米液柱 2 15 上式就是離心泵的基本能量方程式 77 因c2cos 2 c2u c1cos 1 c1u 故式 2 15 Hi 1 g u2c2cos 2 u1c1cos 1 可改寫為Hi 1 g u2c2u u1c1u 米液柱 2 16 78 由于在一般離心泵中 液體通常是沿徑向進入葉輪 即 1 90 因此 基本能量方程式Hi 1 g u2c2u u1c1u 可簡化為Hi u2c2u g 2 9 79 從式 2 17 Hi u2c2u g可見 離心泵的理論壓頭與出口圓周連度 或葉輪外徑D2及轉(zhuǎn)速n 出口絕對速度的周向分量c2u 或 2及 2等 有關(guān) 當葉輪的外徑越大 轉(zhuǎn)速越高以及 2越大 2越小時 離心泵給出的理論壓頭也越大 80 在基本能量方程式中 沒有包含液體物理性質(zhì)的參數(shù) 如密度 粘度等 所以此式適用于輸送任何物理性質(zhì)的液體 81 2 葉片數(shù)為有限時對理論揚程的影響實際上 離心泵葉輪葉片數(shù)通常在3 12之間 一般不超過9個 于是液體在葉輪中的運動除了有一個均勻的相對運動以外 還存在一個相對的軸向旋渦運動 而使其不完全與葉片的形狀相同 使泵理論揚程降低 82 大量實驗表明 有限葉片數(shù)的葉輪所產(chǎn)生的理論揚程要比無限多葉片數(shù)的葉輪理論揚程小15 20 此外 葉輪出口角 泵殼結(jié)構(gòu)等也對理論揚程有影響 為此引入揚程修正系數(shù)K Hi KHi 上式中Hi為葉片有限時離心泵的理論揚程 K值通常在0 7 0 9之間 葉片越多 K也就越大 83 3 葉片出口角對理論揚程的影響從圖2 15可以看出 c2u u2 c2rctg 2k 84 將此關(guān)系代入式 2 9 Hi u2c2u g中可得到Hi u2 u2 c2rctg 2k g 由上式可以看出 除u2 c2r外 葉片的出口結(jié)構(gòu)角也直接影響泵的理論揚程 85 按葉片出口角大小可以分成三種情況 圖2 17 1 2k 90 葉片向葉輪旋轉(zhuǎn)方向的后方彎曲 2 2k 90 葉片在出口處為徑向 3 2k 90 即葉片向葉輪旋轉(zhuǎn)方向的前方彎曲 86 為了便于比較 設(shè)三種葉輪的D2 n Qi等條件都相同 u2及c2r相同 從圖2 15可以看出 2k增加 c2r增大 因此理論揚程Hi 也就增大 87 從表面上來看 似乎使用葉片向前彎曲的葉輪最為有利 然而實際上離心泵葉輪的葉片全部采用向后彎曲 即 2k 90 的結(jié)構(gòu) 88 這是在因為 2k越大 c2越大 液體得到的主要是動能 從以后的分析可以知道要將這些動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?就會有較大的損失 因為泵內(nèi)液體的速度越大 其沿程損失和局部損失越大 所以一般離心泵的出口角 2k 15 40 而石油工業(yè)用離心泵多取為 2k 25 30 有的石油化工用泵也采用 2k 30 90 89