欢迎访问上海重辉科技有限公司网站!
主营产品:压力、温度、流量、液位、分析

离心泵原理

点击次数:76  发布时间:2020-07-21

离心泵是废水处理中常用的一种液体输送设备,它输送的工质范围很广,包括腐蚀性液体和含相悬浮物的液体。这类机械运转时液体流量调节方便,使用起来比较容易。

一、离心泵的基本结构

离心泵的主要构件包括叶轮、泵壳和轴封装置(如图8-1所示)。

 

图8-1  离心泵的结构

1-泵体;2-叶轮;3-密封环;4-轴套;5-泵盖;6-泵轴;7-托架;8-联轴器;9-轴承;

10-轴封装置;11-吸入口;12-蜗形泵壳;13-叶片;14-吸入管;15-底阀

16-滤网;17-调节阀;18-排出管

(一)叶轮  

叶轮是离心泵的核心构件,高速旋转的叶轮将机械能传给液体,使液体的静压能和动能都有所提高。

1.叶轮分类

叶轮的结构如图8-2所示,叶轮由若干弯曲的叶片组成,液体从叶轮中央的入口进入叶轮后,随叶轮高速旋转获得能量,同时由于液体沿叶轮径向运动,且叶片之间的流道在诼渐扩大,有一部分动能转化为静压能。

根据叶轮是否有盖板可将叶轮分三种形    

a开式     b半开式     c闭式

式,即开式、半开式和闭式。如图8-2所示。      

8-2  离心泵的叶轮

  通常,闭式叶轮的效率要比开式高,而

半开式叶轮的效率介于两者之间,因此应尽量选用闭式叶轮。但由于闭式叶轮在输送含有固体杂质的液体时,容易发生堵塞,故在输送含有固体的液体时,多使用开式或半开式叶轮。

2.平衡孔的设置

叶轮边缘的液体的静压强高于中心吸入口,在闭式和半闭式叶轮工作中,部分高压液体可以由叶轮与泵壳之间的缝隙漏入两侧,这样不仅影响了泵的效率,同时由于前后两侧压强差作用,使叶轮受到了指向液体吸入口的轴向推力。这种轴向推力往往会导致叶轮向吸入口窜动以至产生叶轮与泵壳间的接触磨损,严重时可能使泵发生震动,为了避免这种现象,一般在叶轮的盖板上开若干个小孔,称为平衡孔(图8-3a)使叶轮后侧的高压液体一部分经平衡孔漏至低压区,减小叶轮两侧的压强差。平衡孔对消除轴向推力的作用是明显的,但平衡孔的设置会使泵的容积效率有所降低。

 

 

根据叶轮的吸液方式可将叶轮分为两种,单吸式(图8-3a)和双吸式(图8-3b)。双吸式叶轮可以从两侧吸入液体,它具有较大的吸液能力,而且可以较好地消除轴向推力。

(二)泵壳 

1.泵壳的形状和作用

 离心泵的泵壳形状像蜗牛,又称为蜗壳。壳内有一截面诼渐扩大的流道,壳内的叶轮旋转方向与蜗壳流道诼渐扩大的方向相一致,如图8-4所示。从叶轮外缘抛出的高速液体,沿泵壳中通道流动,最终排出泵体。可见泵壳的主要作用在于:①汇集被叶轮甩出的液体,作导出液体的通道;②由于提供了诼渐扩大的流道,使液体的能量发生转换,一部分动能转变为静压能。

2.导轮

为了减少液体离开叶轮时直接冲击泵壳而造成的能量损失,常常在叶轮与泵壳之间安装一个固定不动的导轮,如图8-4所示。导轮带有前弯叶片,叶片间诼渐扩大的通道使进入泵壳的液体的流动方向诼渐改变,从而减少了能量损失,使动能向静压能的转换更加有效彻底。导轮也是一个转能装置,一般多级离心泵均安装导轮。

(三)轴封装置

由于泵壳固定而泵轴是转动的,因此在泵轴与泵壳间存在一定间隙,为了防止泵内液体沿空隙漏出泵外或空气沿相反方向进入泵内,需对间隙进行密封处理。用来实现泵轴与泵壳之间密封的装置称为轴封装置,常用的密封方式有两种,即填料密封与机械密封。如图8-5所示。

填料函密封是用浸油或涂有石墨的石棉绳或其他软填料填入泵轴与泵壳间的空隙来实现密封目的的;机械密封是通过一个安装在泵轴上的动环与另一个安装在泵壳上的静环来实现密封工作时,借助弹力使两环密切接触达到密封。两种方式相比较,前者结构简单,价格低,但密封效果差。因此,机械密封主要用在一些密封要求较高的场合,如输送酸、碱、易燃、易爆、有毒、有害等液体的场合。

    

(a)填料函密封装置                   (b)机械密封装置

1-填料函壳;2-软填料;3-液封圈;      1-螺钉;2-传动座;3-弹簧;4-推环;5-动环密封圈

4-填料压盖;5-内衬套                        6-动环;7-静环;8-静环密封圈;9-防转销

图8-5 密封示意图

二、离心泵的工作原理

如图8-6是离心泵的装置简图。离心泵一般由电动机带动,离心泵启动之间,需要先将所输送的液体灌满吸入管路和泵壳。电动机启动之后,泵轴带动叶轮讥速旋转,叶轮的旋转迫使叶片间的液体一方面随叶轮做等角速度的旋转;另一方面,则由于惯性离心力的作用使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。在此过程中,泵通过叶轮向液体提供了能量,这表现为叶轮边缘处液体的静压强有所提高,流体的流速则大大提高,大约以15~25m/s的速度离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大,流体的流速减慢而静压强提高,最终以较高的静压强沿向流入排出管道,实现其输送的目的。图8-7示出了液体在泵内的流动情况。

                 

1-叶轮;2-泵壳; 3-泵轴; 4-吸入口; 5-吸入管; 

6-底阀 ;7-滤网;8-排出口; 9-排出管;10-调节阀

 

泵内液体由于离心力作用由中心向外缘作径向运动同时,在叶轮的中心形成了低压区,由于泵的吸入管路浸没于输送液体内,在液面压强与泵内压强差作用下,液体不断地被吸入泵的叶轮内,以填补被排出液体的位置。这样叶轮不停地转动,离心泵就不停地吸入和排出液体,完成输送液体的任务。这就是离心泵的基本工作原理。

如果在启动离心泵前,泵内没有充满液体,由于气体密度比液体密度小得多,产生的离心力就很小,从而不能在吸入口形成必要的真空度,在吸入管两端不能形成足够大的压差,于是就不能完成离心泵的吸液。这种因为泵内充满气体(通常为空气)成造成离心泵不能吸液(空转)的现象称为气缚现象。因此离心泵是一种没有自吸能力的泵,在启动离心泵前必须灌泵。另外,为了避免每次启动离心泵时都需灌液,防止启动前泵内及吸入管内的液体泄漏,一般在吸入管路的端部安装一单向底阀(图8-6中),图8-6中的滤网下可以阻拦液体中的固体物吸入而堵塞管道及泵壳。

在生产中,有时虽灌泵,却仍然存在不能吸液的现象,可能是由以下原因造成的:吸入管路的连接法不严密,漏入空气;灌而未满,未排净空气,泵壳或管路中仍有空气存在;吸入管低阀失灵或关不严,灌液不满;吸入管底阀或滤网被堵塞;吸入管底阀未打开或失灵等,可根据具体情况采取相应的克服措施。

三、离心泵的主要性能参数

(一)主要性能参数

根据具体任务需要选用适宜的离心泵并使之高效运转,必须了解离心泵的性能及这些性能之间的关系。离心泵的主要性能参数有流量、扬程、转速、功率、效率等,这些性能与它们之间的关系在泵出厂时会标注在铭牌或产品说明书上,供使用者参考。

1.流量 泵在单位时间内抽吸或排送的液体量称为泵的流量,用Q表示,单位为m3/s、m3/h或l/s。离心泵的流量在操作中可以变化,其大小可以通过实验用流量计测定。离心泵铭牌上的流量是其在高效率下的流量,称为设计流量或额定流量。  

2.扬程 指离心泵对1N流体所做的功,它是1N流体在通过离心泵时所获得的能量,用H表示,单位m,也叫压头。离心泵的杨程与离心泵的结构、尺寸、转速和流量有关。通常,流量越大,杨程越小,两者的关系由实验测定。离心泵的扬程与被输送液体的升举高度是不同的,前者是泵做功的能力,而后者则是则输送任务决定的几何高度。

3.转速 指泵轴每分钟的转数,用N表示,单位为r/min。

4.功率 泵的功率可分为有效功率和轴功率

(1)有效功率Pe指离心泵在单位时间内对流体所做的功,单位W或KW。

               Pe=HQρg

    式中:  Pe泵的有效功率,W

       H-扬程,m

       Q-被输送液体的流量,m3/h

       ρ-被输送液体的密度,Kg/m3

(2)轴功率P 离心泵从原动机械那里所获得的能量,位为W或KW。

5.效率 效率是衡量泵工作经济性的指标,由于机械磨擦、流体阻力和泄漏等原因,离心泵的有效功率总是小于其轴功率,两者的差别用效率来表征,用η表示,其定义式为:

η=Pe/

离心泵效率的高低既与泵的类型、尺寸及加工精度有关,也与流体的性质有关,还有泵的流量有关。泵的效率愈高,说明能量利用愈好,损失愈小。一般地,小型泵的效率为50%~70%,大型泵的效率要高些,有的可达90%。离心泵铬牌上列出的效率是一定转速下的高效率。

6.气蚀余量

离心泵的吸液是吸入液面与吸入口间的压差实现的。当此压差大于吸入管内液柱产生的压差时,液体能够被吸入泵内。而当吸入液面压力一定时,吸入管路越高,吸上高度越大,则吸入口处的压力将越小,当吸入口处压力小于操作条件下输送液体的饱和蒸汽压时,液体将会汽化产生气泡。含有气泡的液体进入泵体后,在旋转叶轮的作用下,进入高压区,气泡在高压的作用下,又会凝结为液体,由于原气泡位置的空出造成局部真空,使周围液体在高压作用下迅速填补原气泡所占空间。这种高速冲击频率很高,可达每秒几千次,冲击强度可以达到数百个大气压甚至更高。这种高强度高频率的冲击,轻的能造成叶轮的疲劳,重的可以将叶轮与泵壳破坏,甚至能把叶轮打成蜂窝状。这种因为被输送液体在泵体内汽化再液化而成离心泵不能正常工作的现象叫离心泵的气蚀现象.。气蚀现象发生时,会产生噪声和引起振动,流量、扬程程及效率均会迅速下降、严重时不能吸液。工程上规定,当泵的杨程下降3%时,认为进入了气蚀状态。

工程上避免气蚀现象的方法是限制泵的安装高度。泵的生产厂家在说明书中都提供了一个参数叫气蚀余量,用NPSH表示,单位为m液柱。该参数是在98.1KPa293K下以清水为介质测得的泵吸入口处动能与静压能之和比被输送液体的饱和蒸汽压高出的数值。而高出的最低数值称为允许气蚀余量,用(NPSH)r表示。

(NPSH)r=P1/ρg + u12/2g — PV/ρg

则泵的安装高度Hg为:

 Hg=(Po — PV)/ ρg — (NPSH)r  —Hf,0-1

两式中:

(NPSH)r  —允许气蚀余量,m 

P1  ——吸入口处的压力,Pa

u1   ——吸入口处的流速,m/s

       Hg   —允许安装高度,m

Po    —吸入液面压力,Pa

PV  —操作条件下液体的饱和蒸汽压,Pa

ρ   —液体的密度,Kg/m3

Hf,0-1   ——流体流经吸入管的阻力,m

 

(二)离心泵的特性曲线

图8-8所示为IS 100-80-125 型离心泵的特性曲线,从图中可看出得到三条曲线:

1.扬程流量曲线  扬程随流量增加而减少

   2.轴功率流量曲线   轴功率随流量增加而增加,离心泵处在零流量时消耗的功率最小。因此离心泵开车和停车时,都要关闭出口阀,达到降低功率保护电机的目的。

3.效率-流量曲线  离心泵在流量为零时,效率为零,随流量增加,效率也增加,当流量增加到某一数值后,在增加,效率反而下降。通常把效

点称为泵的设计点或额定状态,对应的性能

参数为工况参数,铭牌上的参数就是工况      

参数。显然,泵在高效率下运行经济,但在实际操作中做不到应尽量维持在高效区(效率不低于高效率的92%的区域)工作。性能曲线上常用波折号将高效区标出。

四、离心泵的流量调节

根据生产任务要求,调节泵的流量,主要有三种方法:

(一)调节出口阀 操作简单方便,且流量可以连续变化,应运广泛; 

(二)改变叶轮转速 流量随转速增加而增加,但由于需要变速装置,生产中很少采用;

(三)改变叶轮直径 通过车削后可减小叶轮直径,从而减少流量。但车削叶轮需要车床,且一旦车削后不能复原,较少采用。

五、常见离心泵的种类

(一)清水泵 常用的IS型离心清水泵是根据国际标准ISO02858规定的性能和尺寸设计的。由于其效率较高,目前已取代B型或BA型的清水泵。IS型清水泵为单级单吸式,用于输送温度不高于80℃的清水及与水相似的液体。流量范围为6.3~400m3/h,扬程为5~

125m.

(二)耐腐蚀泵 耐腐蚀泵是用来输送不含固体颗粒的酸、碱等腐蚀性液体的泵的总称,系列号用F表示。F型泵中,所有与液体接触的部件均用防腐材料制造,其轴封多采用机械密封。被输送液体温度为20℃~105℃,流量为2~400m3/h,扬程为15~150m.

(三)油泵 油泵是用来输送油类及石油产品的泵,由于这些液体多数易燃易爆,因此必须有良好的密封,而且当温度超过473K时还要用冷却夹套冷却。国产油泵系列号为Y,如果是双吸油泵,则用YS表示。Y型泵的流量范围为5~1270m3/h,扬程为5~1470m,输送温度在228K~673K。

(四)污水泵 离心污水泵种类较多,常用的有WD、WDL型,适用于抽吸80℃以下带有纤维或其他悬浮物的液体,不适于输送酸性和碱性以及含有很多盐分的能引起金属腐蚀的化学混合物液体。

六、离心泵的安装、操作和维护

(一)离心泵安装要点

1.尽量靠近水源,干燥明亮的场所,便于检修

2.应有坚实的基础,以避免振动。通常混凝土地基,地脚螺栓连接。

3.泵轴与电动机轴应严格保持水平,确保正常运转,提高寿命。

4.严格控制安装高度,避免气蚀现象。

5.在吸入管径大于泵的吸入口径时,变径连接处要避免存气,以免发生气缚现象。

(二)泵的操作要点

1.试车前的准备工作

(1)将所有阀门打开(压力表和真空表除外),用压缩空气吹洗整个管路系统。

(2)检查各部分螺栓、连接件是否松动,有松动要紧固,在紧固地脚螺栓时要重新对中找正。

(3)用手盘动联轴器使泵转子转动数圈,看机组转动是否灵活,是否有响动和轻重不匀的感觉,以判断泵内是否有异物或轴是否弯曲、密封件安装正不正,软填料是否压的太紧等。

(4)检查机组转向。在检查转向时,好的使联轴器脱开,避免空转和干磨

(5)检查轴承的润滑油,油质是否干净,油量是否符合要求。

(6)检查吸液池状况和液位高度

(7)泵机组上面及四周的杂物要移开,以免开机后震落和操作不便

2.启动程序

(1)关闭压力表和真空表

(2)关闭排出阀,对离心泵灌泵

(3)开冷却水,密封部冲洗液等

(4)启动动力机,打开压力表、真空表

(5)在压力上升且机器运转平稳后,徐徐打开排出阀,泵进入正常工作。关阀运转时间一般不超过3~5分钟。

(6)泵正常工作后,调整软填料密封的压盖,使液体呈滴状漏出。

3.停车

 停车前,要先关压力表、真空表,再关排出阀,使泵轻载,然后停转电动机,关闭吸入阀、冷却水、机械密封清洗水坠。在寒冷地区,短时停车要采取保温措施,长期停车必须排净泵内及冷却系统内液体,以免冻结胀坏系统。

(三)泵的维护和保养

1.运行中维护

(1)润滑 泵在运行中,应经常检查润滑剂的质量和油位。新泵投入一周后应换油一次,以后每季度换油一次。

(2)振动 由于零配件质量和检修质量不好,操作不当或管道振动等影响,会产生振动,如果振动超过也许范围,应停车检修。

(3)轴承升温 轴承升温过快或温度过高,应检查轴承的制造、安装质量及润滑油的情况,否则轴承有烧坏的危险。对滑动轴承温度应小于65℃,对滚动轴承温度应小于75℃。

  (4)泵的运行性能 泵运行中,如果液体来源无变化,进出口管路上阀门开度未变,而流量或压力变化了,说明泵内或管道内有了故障,要及时查明原因并排除。