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炼油厂维修钳工培训讲义

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  第一章  离心泵的基本原理和结构

  泵是输送油、水等液体的机械。

炼油厂各个装置都装有许多台泵,将油品等液体传送于各设备之间。

这些泵大多数都是离心泵。

本章主要介绍离心泵的基本结构、工作原理及日常操作、维修保养。

      第一节离心泵的分类、结构及主要零部件

一.离心泵的分类

  1.按液体吸入叶轮方式分:

（1）单吸式泵:

如图1-1所示，叶轮只有一侧有吸入口,液体从叶轮的一面进入叶轮。

（2）双吸式泵:

如图1-2所示，叶轮两侧都有吸入口,液体从两面进入叶轮。

  2.按叶轮级数分:

（1）单级泵:

只有一个叶轮。

（2）多级泵:

同一泵轴上装有串联的两个以上叶轮。

  3.按泵体形式分:

（1）蜗壳泵:

壳体呈螺旋线形状,液体自叶轮甩出后,进入螺旋形的蜗室,再送入排出管线,如Y型泵。

（2）双蜗壳泵:

叶轮排出侧具有双蜗室的壳体。

  （3）筒式泵:

整个泵内壳装在一外筒体内的双层壳体离心泵。

  4.此外,按泵输送介质不同可分为清水泵、油泵、耐腐蚀泵等。

二.离心泵的基本构成

  1.概论:

一台离心泵主要由泵体、叶轮、密封环、旋转轴、轴封箱等部件组成,有些离心泵还装有导轮、诱导轮、平衡盘等。

  2.泵体:

即泵的壳体,包括吸入室和压液室。

（1）.吸入室:

它的作用是使液体均匀地流进叶轮。

（2）.压液室:

它的作用是收集液体,并把它送入下级叶轮或导向排出管,与此同时降低液体的速度,使动能进一步变成压力能。

压液室有蜗壳和导轮两种形式。

蜗壳因流道做成螺旋形而得名,液体沿螺旋线流动,随着流道截面的增大而降低速度,使动能变成压力能;导轮常见于分段多级泵,为了使结构简单紧凑,在一级叶轮和次级叶轮之间的能量转换采用导轮,液体沿导轮规定的流道流至次级叶轮的入口。

  3.转子:

转子包括泵轴、叶轮及其他附件。

（1）叶轮:

它是离心泵内传递能量给液体的唯一元件,泵通过它使机械能变成了液体的压力能,使液体的压力提高。

叶轮用键固定于轴上，随轴由原动机带动旋转,通过叶片把原动机的能量传给液体。

（2）轴:

它是传递机械能的重要零件,原动机的扭矩通过它传给叶轮,轴和叶轮及其它定位压紧件组成转子。

      第二节离心泵的工作原理及主要工作参数

一.离心泵的工作原理

  1.灌泵:

离心泵在启动之前,泵内应灌满液体,此过程称为灌泵。

大家是否注意到,抽水泵抽水前就有灌泵这一过程。

在炼油厂,离心泵同样需要灌泵,不过多数都十分简单,因为泵的入口管线内充满着带压力的液体,只要打开进口阀门就完成了灌泵工作。

  2.工作原理:

  驱动机（电机）通过泵轴带动叶轮旋转,叶轮的叶片驱使液体一起旋转,因而产生离心力,在此离心力的作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经蜗壳收集送入排出管。

液体从叶轮获得能量,使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。

当一个叶轮不能使液体获得足够的能量时,可用多个叶轮串联或并联起来对流体作功。

  在液体被甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处形成了低压,在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。

这样,叶轮在旋转过程中,一面不断地吸入液体,一面又不断地给吸入的液体以一定的能量,将液体排出,使离心泵连续地工作。

二.离心泵的主要工作参数

  1.流量:

即泵在单位时间内排出的液体量,通常用体积单位表示,符号位Q,单位有m3/h,m3/s,l/s等,当用重量流量G表示时,其单位为kgf/h,kgf/s等,G与Q之间的关系为:

G=Q×γ（γ为输送温度下的液体?

Š重度,单位为kgf/m3）。

  2.扬程:

输送单位重量的液体从泵入口处（泵进口法兰）到泵出口处（泵出口法兰）,其能量的增值,用H表示,单位为kgf.m/kgf。

在工程单位制中,扬程的单位常用m（米）来表示,即用被输送液体的米液柱高度表示。

虽然泵扬程单位与高度单位是一样的,但不应把泵的扬程简单?

Š地理解成液体能够排送的高度,因为泵的扬程不仅要用来使液体提高位头,而且要用来克服液体在输送中的阻力,以及用来提高液体的静压头和速度头。

所以,液体所能排送的高度总是小于总扬程H的。

扬程与压差的换算关系:

ΔP=γ×H,离心泵的出口路都应有压力表,扬程通过压力来显示。

  3.转速:

泵的转速是泵每分钟旋转的次数,用N来表示。

电机转速N一般在2900转/分左右。

  4.汽蚀余量:

离心泵的汽蚀余量是表示泵的性能的主要参数,用符号Δhr表示,单位为米液柱。

  5.功率与效率:

泵的输入功率为轴功率N,也就是电动机的输出功率。

泵的输出功率为有效功率Ne。

泵的有效功率表示泵在单位时间内输送出去的液体从泵中获得的有效能量，单位常用为kgf.m/h,kw等。

因为泵的扬程是单位重量液体从泵中获得的有效能量，所以扬程和重量流量的乘积,就是单位时间内从泵中输出液体所获得的有效能量。

因而,泵的有效功率为:

Ne=H.G=γ×Q×H。

  由于泵在工作时,泵内存在各种损失,所以不可能将驱动机输入的功率完全转变成液体的有效功率。

轴功率和有效功率之差为泵内损失功率,损失功率的大小用泵的效率来衡量。

泵的效率η=Ne/N。

      第三节离心泵的汽蚀与吸入特性

一.汽蚀:

1.汽蚀现象

根据离心泵的工作原理可知,液流是在吸入罐压力Pa?

Š和叶轮入口最低压力Pk间形成的压差（Pa-Pk）作用下流入叶轮的,如图1-3所示,则叶轮入口处压力Pk越低,吸入能力就越大。

但若Pk降低到某极限值（目前多以液体在输送温度下的饱和蒸汽压力Pt为液体汽化压力的临界值）时,就会出现汽蚀现象。

汽蚀发生时,泵就会产生噪音和振动,并伴有流量,扬程和效率的降低,有时甚至不能运转。

所以,离心泵在使用中特别要防止发生汽蚀。

2.汽蚀的基本过程:

  当离心泵叶轮入口处的液体压力Pk降低到小于或等于Pt时,液体就汽化;同时还可能有溶解在液体内的气体从液体中逸出,形成大量小气泡。

当这些小汽泡随液体流到叶轮流道内压力高于临界值的区域时,由于气泡内是汽化压力Pt,而外面的液体压力高于汽化压力,则小气泡在四周液体压力作用下,便会凝结,溃灭。

  在叶轮内,当产生的小气泡重新凝结,馈灭后,好似形成了一个空穴。

这时,周围的液体以极高的速度向这个空穴冲来,液体质点互相撞击形成局部水力冲击,使局部压力可达数百大气压。

汽泡越大,其凝结溃灭时引起的局部水击压强越大。

如果这些汽泡是在叶轮金属表面附近溃灭,则液体质点象无数小弹头一样,连续打击金属表面,金属表面很快会因疲劳而剥蚀。

这种液体的汽化、凝结、冲出和对金属剥蚀的综合现象就称为"汽蚀"。

3.汽蚀会引起的严重后果:

（1）产生振动和噪音:

汽泡溃灭时,液体质点互相冲击,就能够产生各种频率范围的噪音。

在汽蚀严重时,可以听到泵内有"劈啪"的爆炸声,同时,机组会产生振动。

（2）对泵的工作性能有影响:

当汽蚀发展到一定程度时,汽泡大量产生,会堵塞流道,使泵的流量、扬程、效率等均明显下降。

  （3）对流道的材质会有破坏:

主要是在叶片入口附近金属的疲劳剥蚀。

  4.离心泵的吸入特性:

（1）泵发生汽蚀的基本条件是:

叶片入口处的最低液流压力Pk≤该温度下液体的饱和蒸汽压Pt。

如图1-3所示,吸入罐液面压力为Pa,泵入口法兰断面处的液体压力为Ps,若（Pa-Hg1-h）>

s,液体就不断地流进泵的入口（h为吸入管路的水力损失）。

液体从泵入口S处流到叶轮入口O-O断面的过程中,没有能量加入,所以液体的压力还会从Ps降低到Po。

可是,经研究发现,O-O断面还不是叶轮内液体压力最低点,最低压力点是在叶片入口稍后的某一点K处。

所以,要避免发生汽蚀,应该使Pk>

t,即在泵入口处的液流具有的能头除了要高出液体的汽化压力Pt外,还应当有一定的富余能头,这个富余能头习惯上称为有效汽蚀余量。

液体从泵入口到叶轮内最低压力点K处所降低的能量,习惯上称为泵的最小汽蚀余量。

（2）有效汽蚀余量:

液体流自吸液罐,经吸入管路到达泵吸入口后,所富余的高出汽化压力的那部分能头。

用Δha表示。

  （3）泵的必须汽蚀余量:

液流从泵入口到叶轮内最低压力点K处的全部能量损失,用Δhr表示。

  （4）Δhr与Δha的区别和联系:

  A.Δha的大小与泵装置的操作条件有关（如吸液罐内压力、吸入管路的几何安装高度、阻力损失、液体性质、温度等）,而与泵本身结构无关。

  B.Δhr的大小取决于泵的结构（如吸入室与叶轮进口的几何形状）以及泵的转速和流量,而与吸入管路系统无关。

  C.Δhr的大小在一定程度上表示一台泵本身抗汽蚀的性能,也是离心泵的一个重要参数。

  D.Δha>Δhr,表示液体到叶轮最低压力点K处时,其压力还可高于液体的饱和蒸汽压而不致汽化,所以就不会发生汽蚀。

反之,当Δha<Δhr时,液体就汽化,泵就发生汽蚀。

这样,离心泵发生汽蚀的判别条件可写成:

    Δha>Δhr      泵不汽蚀

    Δha=Δhr      泵开始汽蚀

    Δha<Δhr      泵严重汽蚀

  （5）对于一台泵,为了保证其安全运行而不发生汽蚀,对于泵的必须汽蚀余量还应加一个安全裕量,一般取0.5米液柱。

于是,泵的允许汽蚀余量为:

[Δhr]=Δhr＋0.5。

  （6泵的允许几何安装高度表达式为:

[Hg1]=（Pa-Pt）/r-h（A～S）-[Δhr]。

  （7）提高离心泵抗汽蚀性能的方法有:

  A.改进机泵结构,降低Δhr,属机泵设计问题。

  B.提高装置内的有效汽蚀余量:

    最主要最常用的方法是采用灌注头吸入装置,即吸液罐液面比泵的轴线位置高,公式Δha=（Pa-Pt）/r-Hg1-h（A～S）中的Hg1就为负值,Δha就提高。

在炼油厂内,绝大多数泵是罐注头式的,只要打开进口阀,在灌泵的同时给泵加了一个灌注头。

      第四节离心泵的变速和叶轮切割

一.泵的变速--比例定律

  1.离心泵的变速:

    一台离心泵,当它的转速改变时,其额定流量、扬程和轴功率都将按一定比例关系发生改变,使用中靠改变原动机的驱动速度,可以使泵的性能得到调节，如图1-4所示。

目前,采用变频调速电机来实现离心泵的变速,是一条新的重要的节能途径。

  2.比例定律的表达式:

      Q1/Q2=n1/n2

      H1/H2=（n1/n2）2

      N1/N2=（n1/n2）3

  式中,Q、H、N表示泵的额定流量、扬程和轴功率

      下标1,2分别表示不同的转速

      n表示转速

二.离心泵叶轮的切割

1.切割的目的:

  一台离心泵,在一定的转速下仅有一条性能曲线,为扩大泵的工作范围,常采用切割叶轮外径的方法，如图1-5所示,即减少D2,使其工作范围由一条线变成一个面，如图1-6所示。

2.切割定律的表达式:

    Q'/Q=D2'/D2

    H'/H=（D2'/D2）2

    N'/N=（D2'/D2）3

  式中,Q、H、N表示泵的额定流量、扬程和轴功率

    角标'表示叶轮切割后的对应参数

    D2表示叶轮的外直径

3.切割的限度:

  切割定律表明,减小D2的方法可以在泵转速不变的情况下使泵的性能曲线下降,但是,叶轮的切割不是无止境的,过量切割,不但会大大影响效率,而且Q、H等的改变量也会同切割定律有较大偏差。

所以,叶轮的在大切割量有一个限制,见表1-1:

    表1-1  叶轮的最大切割量表（D2的单位:

mm）

  比转数ns  60  120  200  300  350

  （D2-D2'）/D2  0.2  0.15  0.11  0.09  0.07

三.离心泵的常见铭牌标记

  1.型号表示法:

  大部分离心泵的型号按汉语拼音字母编制,通常分首、中、尾三部分。

首部是数字,表示泵的主要尺寸规格（一般为泵的吸入口直径,单位有mm或in）;中部用汉语拼音字母表示泵的型式或特征,（见表1-2）;尾部一般用数字表示该泵的参数（单级m扬程或比转数的1/10,对多级泵,单级扬程后乘上一个叶轮级数）。

有的泵型号尾部数字后面还带有A、B或C,分别表示其叶轮经过第一、二、三次切割。

表1-2    离心泵型式与拼音字母对照表

  字母        泵的型式                

  B、BA    单级单吸悬臂式水泵        

  S、Sh    单级双吸式水泵

  D、DA    多级分段离心水泵          

  DK      多级中开式水泵            

  DG、GB    锅炉给水泵              

    N,NL    冷凝水泵

    Y      单级油泵                

    DY      单吸多级油泵              

  YⅡ,YⅢ  热油泵                  

    F      腐蚀泵                

  2.常见铭牌标记内容:

  离心泵的常见铭牌内容除型号外,还有流量、扬程、轴功率、效率、必须汽蚀余量、转速、重量、出厂编号、出厂日期等。

举例如下:

    离心式油泵

型号65Y-100×2B    流量22m3/h

扬程  150  m      必须汽蚀余量2.75m

轴功率  21.4kw      转速  2950rpm  

效率    42%      重量  280kg  

出厂编号96091      出厂日期89年11月  

      第五节离心泵的装置特性及其操作

一.单一管路特性

  1.离心泵稳定工作的条件:

  泵在工作时必须和管路一起组成一个系统。

在这个输送系统中,要遵守质量守恒和能量守恒这两个基本定律,即机器所排出的流量等于管路中的流量,单位重量流体所获得的能量等于流体沿管路输送所需要的能量,只有这样,泵才能稳定地工作。

  2.离心泵的管路特性:

  当离心泵沿一条管路输送一定流量的一液体时,就要求泵提供一定的能量,用于提高流体的位置H,克服管路两端的压力差Δp和流体沿管路流动时的各种损失h。

提高单位重量流体的位置和Hpot,而吸入管路与排出管路中流体的沿程阻力损失和局部阻力损失之和h,与管路中流体流量的平方成正比,写作h=kQ2,k为管路特性系数。

h=kQ2表示管路中的流量与克服液体流经管路时的流动损失所需要的能量之间的关系。

用曲线表示这一关系,称为管路特性h～Q,它是一条抛物线,如图1-7所示:

二.泵的装置特性---工作点

  1.泵的工作点：

  当离心泵在管路中工作时,泵是串联在管路中的,泵所提供的能量与管路装置上所需要的能量值应相等,泵所排出的流量与管路内输送的流量应相等,这时泵装置处于稳定工作状态。

将泵的扬程性能曲线与管路特性画在同一张图上,叫做装置特性,这两条性能曲线的交点M即为泵的工作点。

如图1-8所示:

  2.泵的稳定工作点：

  M点是泵的稳定工作点，离心泵之所以能在M点稳定工作,是因为工作点M处泵的扬程与管路装置需要的能量相等。

假设泵在比M点流量大的M'点工作,则这时泵提供的扬程H'小于管路装置所需要能量h',说明把工作点M'处对应的液体流量,从吸液罐输送到排液罐所需的能量大于液体从泵中获得的能量,必然导致因流体能量不足而减速,使流量减小,工作点M'沿泵扬程性能曲线向M点移动。

反之,如果泵在流量小于M点的M"点工作,则管路装置所需能量h"小于泵的扬程H",液体从泵中获得的能量除用于将液体从吸液罐输送到排液罐所需的能量外,还有部分剩余。

因此,使管路内流体加速流动,流量增大,M"又向M点移动。

由此可见,M点是流量平衡和能量平衡的唯一稳定工作点,且此点必然是泵的扬程性能曲线与管路特性的交点。

三.改变管路特性进行工况调节

  1.管路节流调节:

  在排出管路上安装调节阀:

开大或关小调节阀时,改变了管路中的阻力,即改变了管路特性系数k,使管路特性的斜率变动。

如图1-9所示:

  开大调节阀时,管路阻力减小,管路特性变得平坦,反之变陡。

在泵扬程性能曲线不变的情况下,工作点便发生了变化,从而达到调节流量的目的。

但关小调节阀,部分能量消耗在阻力上,会使泵的效率降低。

  2.旁路调节

  旁路调节就是在泵出口处设置旁路,使部分流量回到泵入口或放空,可以达到调节流量的目的。

但这种调节也不很经济,离心泵中采用不多。

四.改变性能曲线进行工况调节

  1.改变工作转速:

  根据是:

比例定律。

如图1-10所示：

  优点:

比较经济,无附加能量损失。

  缺点:

要能变速的驱动机,所以目前在炼厂还少见。

  2.切割工作叶轮外径:

  根据是:

切割定律。

如图1-11所示：

  优点:

方法简便易行,比较经济,无附加能量损失。

  缺点:

叶轮切割后不能恢复原有特性,且只能作有限切割。

  适用于较长期的减小流量调节。

  3.串联工作：

  两泵串联后的总扬程等于两泵在同一流量时的扬程之和。

实际使用中多用多级泵代替串联泵使用。

  4.并联工作：

  两泵并联后的总流量等于两泵在同一扬程下的流量相加。

  5.入口节流调节：

  原理同出口节流调节一样。

为防止发生汽蚀,对非灌注头的离心泵装置很少使用。

炼厂机泵绝大多数有灌注头,可以使用,但绝不允许关得太小。

在通风机、鼓风机等离心式压缩机中最常用。

      第六节常用轴封办法

一.机械密封

  1.机械密封的基本结构:

  如图1-12所示,机械密封主要由以下四部分组成

1）主要密封件:

包括动环（与轴一起旋转的密封环）,静环（固定不动的密封环,一般在密封压盖内）。

（2）辅助密封件:

密封圈、密封垫（常见的有O型、V型等）。

（3）压紧件:

弹簧、推环等。

（4）传动件:

弹簧座、键或紧定螺钉等。

  2.工作原理：

  如图1-12中,有A,B,C,D四个可能泄漏的点:

  B点:

静环与压盖之间的静密封,用弹性O型、V型密封圈密封。

  C点:

动环与轴（或轴套）之间有径向间隙,采用具有弹性的O型、V型密封圈（带撑环）密封,也属静密封。

  D点:

填料箱与压盖之间的静密封,一般用铝垫、石棉垫等密封。

  A点:

动环与静环的接触面之间。

它主要靠泵内液体压力及弹簧力将动环压紧于静环上,动环随轴旋转，通过动环、静环两个端面贴合成一对摩擦副而达到密封。

它代表了机械密封的特点,也称端面密封。

  动静两环接触面总会渗漏一点液体,但恰好造成接触面上有一层液体膜。

这层液体膜在两环相对旋转下会形成油楔式压力,有助于阻止液体泄漏,也有助于润滑两环之间的端面以减轻磨损,延长密封使用寿命,提高经济效益。

  为了保证两环安全贴合和均匀压紧,两环端面必须平直光滑,弹簧有一定压紧力。

  3.机械密封的分类

（1）内装式与外装式:

    区分于弹簧置于工作介质之内外。

（2）平衡型与非平衡型:

    区分于动环左右两侧介质作用力是否自动抵消。

  A.当D1>=D0时,介质压力的作用力一点也没有被平衡,称非平衡型,如图1-13所示。

  B.当D1

  C.当D2=D0时,介质压力全部平衡,称完全平衡型,如图1－15所示。

4·型号表示方法示例:

  104WMq5-45

            轴（或轴套）外径mm,数字

            密封圈的材料和形状,数字

            静环的材料和结构,拼音字母

            动环的材料和结构,拼音字母

            密封型式,数字

    属内装单端面单弹簧非平衡型传动套传动的泵用密封,动环为钨钴硬质合金,静环为浸渍芬醛石墨,密封圈为聚四氟乙烯V形圈,轴（或轴套）外径45毫米。

5.机械密封的优缺点：

（1）优点:

可靠性好,摩擦阻力小,消耗功率少,运转周期长,泄漏量小,可用于高温高压、低温低压各类机泵。

（2）缺点:

价格昂贵,安装拆卸麻烦,技术要求高。

  6.机械密封的冷却、润滑与防抽空破坏:

（1）冷却:

一般引冷却水冷却静环和密封腔介质,冷却水应用软水以防水垢产生。

（2）润滑:

密封端面正常工作时为半液体摩擦状态,只有这样,才能既使润滑良好,又尽量减小泄漏。

  （3）抽空:

在离心泵突然抽空时,泵腔内瞬时呈负压状态,泵外大气压力高于泵内压力,形成压差。

若弹簧顶不住这个压差,则动、静环会一起向泵腔作轴向位移。

若此时静环防转槽脱离防转销,并在动环带动下旋转一个角度,即使抽空停止,防转销与防转槽也很难恢复到原来的位置,于是防转销顶住静环,使静环倾斜,破坏了密封。

为防止因抽空破坏密封,防转销不宜过短,非平衡型密封的动环滑动槽不宜直通,平衡型机械密封安装时,动环离轴套台阶的距离不能过大,同时,操作中也应尽量防止抽空。

7.机械密封的优缺点：

（1）优点:

可靠性好,摩擦阻力小,消耗功率少,运转周期长,泄漏量小,可用于高温高压、低温低压各类机泵。

（2）缺点:

价格昂贵,安装拆卸麻烦,技术要求高。

二.盘根密封

  1.盘根密封：

  普通盘根密封,一般常用于低温、低压的水泵和油泵上。

新装置上由于管线内有铁锈、焊渣等固体颗粒,也常用盘根密封,等运行一段时间后才改装机械密封。

  2.盘根密封的优缺点：

  优点:

安装、检修简单,价格低。

  缺点:

不可靠,磨擦阻力大,磨损快,功率消耗大,易泄漏。

  3.盘根密封的安装：

（1）按泵轴（轴套）外径大小分段。

（2）切口要错开45度～180度。

  （3）每段盘根环口应用45°斜切口配合。

  （4）压盖螺母压紧要均匀,不能压偏、压斜,不能压得太紧,试车后要观察一段时间看是否冒烟或泄漏量过大。

      第七节轴向力的平衡

一.轴向力的产生原因

  1.叶轮前后两侧因流体压力分布情况不同（轮盖侧压力低,轮盘压力高）引起的轴向力A1,其方向为自叶轮背侧指向叶轮入口。

  2.流体流入和流出叶轮的方向和速度不同而产生的动反力A2,其方向与A1相反,所以总轴向力A=A1-A2,方向一般与A1相同（一般A2较小）。

二.轴向力的平衡

  1.采用双吸式叶轮:

叶轮两侧对称,流体从两端吸入,轴向力自动抵消而达到平衡。

  2.开平衡孔或装平衡管:

  A:

在叶轮轮盘上相对于吸入口处开几个平衡孔,如图1-15所示:

  B:

为避免开平