第二章流体输送机械.docx
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第二章流体输送机械
子模块1流体输送机械
项目1离心泵的拆装
【项目内容】拆装离心泵。
【项目目标】
任务目标：
通过离心泵拆装实训掌握离心泵的结构和工作原理。
技能目标：
锻炼学生的动手能力和技巧，并学会简单的维修。
【实训要求】
在化工实训室进行，6-8个学生为一组，分别独立完成任务。
【操作步骤】
所须设备、：
离心泵、各种扳手、螺丝刀等。
操作步骤：
1、拆泵壳、叶轮、泵轴。
2、拆离心泵的填料压盖、软填料、液封圈、内衬套；熟悉其密封系统。
3、讨论各部件的结构、作用及相互连接。
4、依次安装叶轮、泵壳、联轴器、密封系统。
【考核要求】
1.按顺序拆开离心泵；搞清楚各部件的结构和名称。
2.能够熟练地装配好并能使其正常运转。
【相关知识】
一、离心泵的工作原理和主要部件
（一）、离心泵的工作原理
1离心泵的工作原理
叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。
泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接。
液体经底阀6和吸入管进入泵内。
泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。
在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。
在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。
可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
2气缚现象
当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。
从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。
为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。
（二）、离心泵的主要部件
主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。
1叶轮
叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能（主要增加静压能）。
叶轮一般有6~12片后弯叶片。
叶轮有开式、半闭式和闭式三种，如图2－2所示。
开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体，一般的离心泵叶轮多为此类。
叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。
2泵壳
作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。
泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。
由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。
泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。
3轴封装置
作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。
常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。
填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。
机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。
二、离心泵的主要性能参数
（一）流量
离心泵的流量即为离心泵的送液能力，是指单位时间内泵所输送的液体体积。
Q（m3/h或m3/s）
泵的流量取决于泵的结构尺寸（主要为叶轮的直径与叶片的宽度）和转速等。
操作时，泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需压力有关。
（二）扬程
离心泵的扬程又称为泵的压头，是指单体重量流体经泵所获得的能量。
H（m）
泵的扬程大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速。
目前对泵的压头尚不能从理论上作出精确的计算，一般用实验方法测定。
泵的扬程可用实验测定，即在泵进口处装一真空表，出口处装一压力表，若不计两表截面上的动能差（即Δu2/2g=0）,不计两表截面间的能量损失（即∑f1-2=0），则泵的扬程可用下式计算
注意以下两点：
（1）式中p2为泵出口处压力表的读数（Pa）；p1为泵进口处真空表的读数（负表压值，Pa）。
（2）注意区分离心泵的扬程（压头）和升扬高度两个不同的概念
扬程是指单位重量流体经泵后获得的能量。
在一管路系统中两截面间（包括泵）列出柏努利方程式并整理可得
式中H为扬程，而升扬高度仅指Δz一项。
例2-1 现测定一台离心泵的扬程。
工质为20℃清水，测得流量为60m
/h时，泵进口真空表读数为-0.02Mpa,出口压力表读数为0.47Mpa（表压），已知两表间垂直距离为0.45m，若泵的吸入管与压出管管径相同。
试计算该泵的扬程？
解 由式
查20℃，
h0=0.45m
p2=0.47Mpa=4.7×10
Pa
p1=-0.02Mpa=-2×10
Pa
=50.5m
（三）效率
泵在输送液体过程中，轴功率大于排送到管道中的液体从叶轮处获得的功率，因为容积损失、水力损失、机械损失都要消耗掉一部分功率，而离心泵的效率即反映泵对外加能量的利用程度。
泵的效率值η与泵的类型、大小、结构、制造精度和输送液体的性质有关。
大型泵效率值高些，小型泵效率值低些。
（四）轴功率
泵的轴功率即泵轴所需功率，N（W或kW）。
其值可依泵的有效功率Ne和效率η计算，即
或
三、离心泵特性曲线及其应用
离心泵的特性曲线是将由实验测定的Q、H、N、η等数据标绘而成的一组曲线。
此图由泵的制造厂家提供，供使用部门选泵和操作时参考。
不同型号泵的特性曲线不同，但均有以下三条曲线：
1.H-Q线表示压头和流量的关系；
2.N-Q线表示泵轴功率和流量的关系；
3.η-Q线表示泵的效率和流量的关系；
泵的特性曲线均在一定转速下测定，故特性曲线图上注出转速n值。
离心泵特性曲线上的效率最高点称为设计点，泵在该点对应的压头和流量下工作最为经济。
离心泵铭牌上标出的性能参数即为最高效率点上的工况参数。
离心泵的性能曲线可作为选择泵的依据。
确定泵的类型后，再依流量和压头选泵。
例2-2 用清水测定一台离心泵的主要性能参数。
实验中测得流量为10m
/h,泵出口处压力表的读数为0.17MPa（表压），入口处真空表的读数为-0.021Mpa,轴功率为1.07KW，电动机的转速为2900r/min，真空表测压点与压力表测压点的垂直距离为0.2m。
试计算此在实验点下的扬程和效率。
解 泵的主要性能参数包括转速n、流量Q、扬程H、轴功率N和效率
。
直接测出的参数为
转速 n=2900r/min
流量 Q＝10m
/h=0.00278m
/s
轴功率 N＝1.07KW
需要进行计算的有扬程H和效率
。
用式
已知h0=0.5m,
P1=1.7×105PaP21=-2.1×104Pa
于是H=0.5+
=20m
=20×0.00278×1000×9.81=545W=0.545KW
=51%
四、影响离心泵性能的主要因素
1液体物理性质对特性曲线的影响
生产厂所提供的特性曲线是以清水作为工作介质测定的，当输送其它液体时，要考虑液体密度和粘度的影响：
（1）粘度当输送液体的粘度大于实验条件下水的粘度时，泵体内的能量损失增大，泵的流量、压头减小，效率下降，轴功率增大。
（2）密度离心泵的体积流量及压头与液体密度无关，功率则随密度增大而增加。
2离心泵的转速对特性曲线的影响
当液体粘度不大，泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转速可近似用比例定律计算，即
式中：
Q1、H1、N1离心泵转速为n1时的流量、扬程和功率；
Q2、H2、N2离心泵转速为n2时的流量、扬程和功率。
上面的一组公式称为比例定律。
当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。
若在转速为n1的特性曲线上多选几个点，利用比例定律算出转速为n2时相应的数据，并将结果标绘在坐标纸上，就可以得到转速为n2时的特性曲线。
3叶轮直径对特性曲线的影响
当泵的转速一定时，其扬程、流量与叶轮直径有关，下面为切割定律：
式中：
Q1、H1、N1离心泵叶轮直径为D1时的流量、扬程和功率；
Q2、H2、N2离心泵叶轮直径为D2时的流量、扬程和功率。
项目2离心泵的基本操作
【项目内容】离心泵的正常操作、维护维修。
【项目目标】
任务目标：
通过实训掌握离心泵的启动、正常运转和停车的操作方法，会选择和安装离心泵。
技能目标：
能熟练操作离心泵，并学会简单的维修。
【实训要求】
在化工实训室进行，6-8个学生为一组，分别独立完成任务。
【操作步骤】
所须设备、：
离心泵、水槽、管路系统、等。
操作步骤：
1、检查准备
（1）检查泵体及出入口管道、阀门、法兰、地脚螺栓、电机与泵之间的连接螺丝和泵轴承螺钉是否拧紧。
（2）检查轴承内润滑油量。
若油量不足，按规定加润滑油。
（3）检查轴向密封填料是否压紧、通往轴封中液封环内的管路是否连接好。
（4）检查轴承水冷却夹套是否连接好，并通上冷却水，检查其循环系统是否通畅。
（5）检查各测量仪表是否齐全，是否灵敏好用。
（6）搬动联轴器几圈，观察泵轴是否灵活，是否有不正常响声。
（7）准备必要的修理工具及备品（如扳手、填料、垫片等）。
2、开车
（1）向泵内灌水（或被输送的液体）排除泵内空气，直至泵壳顶排气嘴开启时有水冒出为止。
（2）对输送高温液体的泵，在启动前要进行缓慢的预热，避免热胀冷缩，损坏设备。
（3）关闭泵的出口阀，关闭压力表和真空表的旋塞。
若不关闭出口阀，带负荷启动，启动电流很大，会烧坏电机。
（4）启动电机，并打开压力表的旋塞。
（5）当电机运转正常后，打开真空表旋塞，并缓慢打开泵的出口阀，输送液体。
3、正常操作
泵的正常操作，是指保持离心泵的正常运转，并将流量及时准确地调到规定的范围内。
应注意以下几点：
（1）检查离心泵温度，最高不能超过75℃。
（2）检查填料密封是否滴漏，调整填料压盖的松紧程度，使液体呈滴状从填料函中滴漏出来。
对于机械密封，应检查密封部位温升是否正常。
若有轻微泄漏现象，待运转一段时间，密封端面经研磨，将贴合的更加紧密，泄露量也会逐渐减少。
如果运转1-3h后泄露量仍不减少，则应停车检查。
（3）泵在运转过程中，若出现振动大、声音不正常、输送量减少、轴功率过大等故障时应找出原因，及时排除。
４、停车
（1）先关闭泵出口阀，避免停泵后管路中高压液体倒流，使叶轮反转造成事故。
（若出口管装有止回阀可勉此操作）
（2）关闭真空泵旋塞。
（3）切断电动机电源，停电动机。
（4）关闭压力表旋塞，并停轴承冷却水及密封液系统。
（5）若停泵时间较长，应将泵和管路系统的液体排放干净，以免锈蚀和冬季冻结。
５、安全操作要点
（1）泵有缺陷或者修理尚未结束，不能投入使用。
（2）泵的转速快，输出压力高，运行中难免有液体溅出，操作时一定要用好劳动防护用品。
（3）泵内无液体时不能空转，更不能开反转，否则损坏叶轮。
（4）出口阀关闭后运行时间不宜太长，否则泵体会发热。
六、考核要求
1.能正确的开车、正常运转及停车。
2.能够熟练地熟练的处理离心泵在运转过程中的故障。
【相关知识】
离心泵的安装高度
泵的吸上高度（安装高度）是指泵入口中心与吸入贮槽液面间的垂直距离。
⑴泵的吸上高度的限度
在泵的入口中心与吸入贮槽液面间列柏努利方程：
（P为标准大气压）即泵的吸上高度有一限度。
大气压随海拔高度的增高而降低.
⑵汽蚀现象
当贮槽液面上的压强一定时，吸上高度越高，则泵入口压强越小，至输送温度下液体的饱和蒸汽压时，在泵进口处，液体就会沸腾，大量汽化，产生的大量汽泡随液体进入高压区时，又被周围的液体压粹，而重新凝结为液体。
在汽泡凝结时，气泡处形成真空，周围的液体以极大的速度冲向汽泡中心。
这种极大的冲击力可使叶轮和泵壳表面的金属脱落，形成斑点、小裂缝，称为汽蚀。
汽蚀发生时，泵体因受冲击而发生振动，并发出噪音；因产生大量汽泡，使流量、扬程下降，严重时不能工作。
⑶允许汽蚀余量
为了防止汽蚀的发生，泵在运转时，必须使泵入口压头大于液体的饱和蒸汽压头，即
能保证不发生汽蚀的
最小值，称为允许汽蚀余量，由泵的生产厂家用水测定，标于铭牌上。
⑷泵的最大安装高度的计算：
上式中
表示吸入管路的压头损失
从安全角度考虑，泵的实际安装高度值一般应比计算值再低0.5-1m。
又当计算之Hg为负值时，说明泵的吸入口位置应在贮槽液面之下。
例2-3 用油泵从密闭容器里送出30℃的丁烷。
容器内丁烷液面上的绝对压力为
。
液面降到最低时，在泵入口中心线以下2.8m。
丁烷在30℃时密度为580Kg/m
，饱和蒸汽压为
。
泵吸入管路的压头损失为1.5mH2O。
所选用的泵汽蚀余量为3m。
试问这个泵能否正常工作？
解 按所给条件考虑这个泵能否正常操作，就必须计算出它的安装高度，再与题中所给数值相比较，看它是否发生汽蚀。
已知
将以上数据代入公式
=2.4m
题中指出，容器内液面降到最低时，实际安装高度为2.8m，而泵的允许安装高度为2.4m，说明泵安装位置太高，不能保证整个输送过程中不产生汽蚀现象。
为了保证泵正常操作的，应使泵入口中心线不高于最低液面2.4m，即从原来的安装位置到少降低0.4m。
六、离心泵的工作点和流量调节
（一）管路特性曲线
当离心泵安装在特定的管路系统中时，泵应提供的流量和压头应依管路的要求而定。
管路所需压头与流量的关系曲线称为管路特性曲线，其方程用下式表示
He=A+BQe2
（二）离心泵的工作点
当泵安装在一定管路系统中时，泵的特性曲线与管路特性曲线的交点即为泵的工作点。
工作点所示的流量与压头既是泵提供的流量和压头，又是管路所需要的流量和压头。
离心泵只有在工作点工作，管中流量才能稳定。
泵的工作点以在泵的效率最高区域内为宜。
（三）离心泵的流量调节
对一台泵而言，特性曲线不会变，而管路特性曲线可变。
当泵的工作点所提供的流量不能满足新条件下所需要的流量时，即应设法改变泵工作点的位置，即需要进行流量调节。
流量调节的方法有：
1.在离心泵出口管路上装一调节阀，改变阀门开度，即改变管路特性曲线He=A+BQe2中之B值，阀门开大，工作点远离纵轴；阀门关小，工作点靠近纵轴。
这种调节方法的优点是，操作简便、灵活。
其缺点是，阀门关小时，管路中阻力增大，能量损失增大，从而使泵不能在最高效率区域内工作，是不经济的。
用改变阀门开度的方法来调节流量多用在流量调节幅度不大、而经常需要调节的场合。
2.改变泵的转速，即改变泵的特性曲线。
3.车削叶轮外径也改变泵的特性曲线。
采用以上两种方法均可改变泵的我曲线。
用这些方法调节流量在一定范围内可保证泵在高效率区内工作，能量利用较经济，但不方便，流量调节范围也不大，故应用不广泛。
七、离心泵的安装和运转
离心泵的安装高度应低于允许的安装高度（即计算的安装高度），以免产生汽蚀现象。
为减少吸入管段的流体阻力，吸入管径不应小于泵入口直径，吸入管应短而直，不装阀门，但当泵的吸入口高于液面时应加一止逆底阀。
离心泵开车（启动）前应灌满液体，以免产生气缚现象；
关闭出口阀门，以减小启动功率，以保护电机。
离心泵停车（停泵）前应先关闭出口阀门，以保护泵。
离心泵运转时，应定期检查轴封有无泄漏，轴承、填料函等发热情况，轴承应注意润滑。
八、离心泵的类型和选用
（一）离心泵的类型
离心泵的分类很多，按输送液体的性质不同，可分为清水泵、耐腐蚀泵、油泵、污水泵、杂质泵；按叶轮的吸液方式不同，可分为单吸泵、双吸泵；按叶轮的数目不同，可分为单级泵、多级泵。
1.清水泵（IS型、SH型、D型）
IS50—32—125型：
IS——单级单吸悬臂式
50——泵入口直径，mm
32——泵出口直径，mm
125——泵叶轮直径mm
100S90A型：
100——泵入口直径，mm
S——单级双吸式
90——设计点的扬程m
A——叶轮外径经第一次切削
D12—25×3型：
D——多级泵
12——公称流量,m3/h
25——每一级的扬程，m
3——即3级泵，总扬程为75m
2.耐腐蚀泵
与液体接的部件用各种耐腐蚀材料制成。
25FB-16A25——吸入口的直径,mm
B——铬镍合金钢，用于常温、低浓度酸、碱的输送
3.油泵
输送石油产品及其它易燃易爆液体，其特点为密封性能好。
50Y60A50——吸入口的直径,mm
Y——油泵
60——公称扬程,m
（二）离心泵的选用
（1）根据被输送液体的性质及操作条件确定类型；
（2）根据流量（一般由生产任务定）及计算管路中所需压头，确定泵的型号（从样本或产品目录中选取）；
（3）若被输送液体的粘度和密度与水相差较大时，应核算泵的特性参数：
流量、压头和轴功率。
选择离心泵时，可能有几种型号的泵同时满足在最佳范围内操作这一要求，此时，可分别确定各泵的工作点，比较工作点上的效率，择优选取。
离心泵的特点是，送液能力大，流量均匀，但产生的压头不高，且压头随着流量的改变而变化。
第三节其它类型泵
一、往复泵
（一）往复泵的构造和工作原理
1.主要部件：
泵缸、活塞，活塞杆及吸人阀、排出阀。
2.工作原理：
活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入泵缸内。
当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力增大，由排出阀排出。
活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环；这种泵称为单动泵。
若活塞往返一次，各吸入和排出两次液体，称为双动泵。
活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。
（二）往复泵的流量和压头
1.往复泵的流量与压头无关，与泵缸尺寸、活塞冲程及往复次数有关。
往复泵的实际流量比理论流量小，且随着压头的增高而减小，这是因为漏失所致。
2.往复泵的压头与泵的流量及泵的几何尺寸无关，而由泵的机械强度、原动机的功率等因素决定。
（三）往复泵的安装高度和流量调节
往复泵启动时不需灌入液体，因往复泵有自吸能力，但其吸上真空高度亦随泵安装地区的大气压力、液体的性质和温度而变化，故往复泵的安装高度也有一定限制。
往复泵的流量不能用排出管路上的阀门来调节，而应采用旁路管或改变活塞的往复次数、改变活塞的冲程来实现。
往复泵启动前必须将排出管路中的阀门打开。
往复泵的活塞由连杆曲轴与原动机相连。
原动机可用电机，亦可用蒸汽机。
往复泵适用于高压头、小流量、高粘度液体的输送，但不宜于输送腐蚀性液体。
有时由蒸汽机直接带动，输送易燃、易爆的液体。
三、其它类型泵
计量泵、齿轮泵、螺杆泵等。
项目3离心泵特性曲线的测定
【项目内容】测定一定转速下的离心泵的特性曲线。
【项目目标】
任务目标：
通过实训学会离心泵特性曲线的测定方法，掌握用作图法处理实验数据。
技能目标：
锻炼学生的动手能力和技巧，并学会实验数据的处理和作图方法。
【实训原理】
离心泵的主要性能有流量、扬程、功率、效率、转速等。
在一定转速下，离心泵的扬程、功率、效率均随流量的大小而改变。
描述它们变化关系的曲线称为离心泵的特性曲线。
它们与离心泵的设计制造有关，必须有实验测定。
三条曲线中的Q、N可有实验直接读出，H和
可通过公式计算：
【操作步骤】
所须设备、：
离心泵、循环水箱、管路系统、真空表、压力表、流量计。
操作步骤：
1、打开上水阀门、水箱充水至80%。
2、罐泵。
3、关闭出口调节阀。
4、开启离心泵。
5、开启仪表开关。
6、在流量范围内合理分割数据，进行实验布点。
7、用调节阀调节流量，每次调节稳定后，读取各组实验数据，特别不要忘记流量为零时的各数据。
8、实验装置恢复原状，并清理实训场地。
实验数据记录和整理
NO。
流量Q（m/h）
真空表P1（Pa）
压力表P2（Pa）
轴功率N（KW）
扬程H
（m）
效率
1
2
3
4
。
。
。
【实训要求】
在化工实训室进行，6-8个学生为一组，分别独立完成任务，分别在坐标纸绘出三条特性曲线。
【考核要求】
1.离心泵操作准确，数据选取合理，计算准确；
2.三条特性曲线标绘准确。
【相关知识】
见本子模块，项目2
习题
1．某离心泵每分钟输送12m3的水，接在泵压出管上的压强计读数为372KPa，吸入管上的真空表读数为210mmHg，两测压点垂直距离为410mm，吸入管内径为350mm，压出管内径为300mm。
压头损失可忽略，则该泵的扬程为多少？
2．用离心泵将20℃的水以30m
/h的流量由贮水槽输送到敞口高位槽内，两槽液面均保持不变，两液面高度差为18m，泵的吸入口在水槽液面上方2m处，泵的吸入管路全部阻力为1m，压出管路全部阻力为31m，泵的效率为60%，允许吸上高度为6m，求
（1）泵的轴功率为多少KW？
（2）判断泵的安装高度是否合适？
3．将密度为1500Kg/m3的硝酸由地面贮槽送入反应釜。
流量为7m
/h，反应器内液面与贮槽液面间的垂直距离为8m，釜内液面上方压强为200KPa（表压），贮槽液面上方为常压，管路阻力损失为30KPa。
试选择一台耐腐蚀泵，并估算泵的轴功率。
4．有一管路系统，要输送水量为30m
/h，由敞口水槽打入密闭高位容器中，高位容器液面上方压强为30KPa（表压），两槽液面高度差为16m，且维持恒定。
管路的总阻力损失为2m水柱。
现库房中有四台泵可供选择，其性能如下：
序号
流量，m
/h
扬程，m
转速，r/min
功率，KW
1
30
21
2900
2.54
2
35
25
2900
3.35
3
29.5
17.4
2900
1.86
4
65
37.7
2900
9.25
选哪一台较为合适？
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