水泵与水泵站教案 合肥工业大学 童子林.docx

1、水泵与水泵站教案 合肥工业大学 童子林水 泵 与 水 泵 站教 案合肥工业大学土建学院市政工程系二0一0年元月第一章 绪 论第一节 水泵及水泵站在给水排水事业中的作用和地位 一、水泵应用: 广泛应用于采矿、冶金、电力、石油、化工、市政以及农林等国民经济的各个部门。1，水泵在城市给排水工程中的应用:城市给排水系统工艺基本流程：给水流程:原水由取水泵站从水源地抽送至水厂，净化后的清水由送水泵站输送到城市管网中去。 排水流程:城市中排泄的生活污水和工业废水或降水，经排水管渠系统汇集后，也必须由排水泵站将污水抽送至污水处理厂(或.)，经过处理后的污水再由排水泵站(或用重力自流)。排放入江河湖海中去，或

2、者排入农田作为灌溉之用。2，水泵在灌溉、防洪、排涝的应用1）、灌溉泵站 2）、排涝泵站 3）、灌排结合第二节 水泵定义及分类水泵定义:水泵是输送和提升液体的机器。它是把原动机的机械能传递给被输送液体，使液体获得动能或势能的增加从而被提升或者被输送的机械。 电能或其他能量 机械能 压能（势能）或动能水泵分类：水泵按其作用原理可分为以下三类： (1)叶片式水泵：它对液体的压送是靠装有叶片的叶轮高速旋转而完成的。属于这一类的有离心泵、轴流泵、混流泵(2)容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室容积的周期性改变来完成的。一般使工作室容积改变的方式有往复运动和旋转运动两种。如：喷雾器等容积泵的特点是工作

3、流量稳定，基本不受工作压力变化的影响，常用来做为计量泵使用。(3)其它类型水泵：这类泵是指除叶片式水泵和容积式水泵以外的特殊泵。属于这一类螺旋泵、射流泵、水锤泵、水轮泵以及气升泵。水泵的发展趋势1、大型化、大容量化特别是取水水泵和排水水泵，直径有7m的，我国最大水泵的单泵流量已经达到50m3/s。2、高扬程、高转速单级扬程已经达到1000m。3、系列化、通用化和标准化 按照通用标准第二章 叶片式水泵叶片式水泵的分类叶片式水泵是依靠叶轮的高速旋转来完成能量的转换和传递的。叶轮叶片的形状则影响着水泵对水流的作用力及水流的出流方向，根据叶轮出水的水流方向的不同可将叶片式水泵分为径向流、轴向流和斜向流

4、3种。先看一下这三种叶轮的出水的情况示意叶轮出流为径向流的称为离心泵，叶轮叶片对水流的作用力为离心力。由于离心力为径向力，水流的出流方向为径向出流。叶轮出流为轴向流的称为轴流泵，液体质点在叶轮中流动时主要受到的是轴向升力的作用。叶轮出流为斜向流的称为混流泵，它是上述两种叶轮的过渡形式，液体质点在这种水泵叶轮中流动时既受离心力的作用，又有轴向升力的作用。第一节 离心泵的工作原理与基本构造离心泵的工作原理：离心泵在启动之前，应先用水灌满泵壳和吸水管道，然后，驱动电机，使叶轮和水作高速旋转运动，此时，水受到离心力作用被甩出叶轮，经蜗形泵壳中的流道而流入水泵的压水管道，由压水管道而输入管网中去。在这同

5、时，水泵叶轮中心处由于水被甩出而形成真空，吸水池中的水便在大气压力作用下，沿吸水管而源源不断地流入叶轮吸水口，又受到高速转动叶轮的作用，被甩出叶轮而输入压水管道。这样，就形成了离心泵的连续输水 。第二节 离心泵的主要零部件以给水排水工程中常用的单级单吸卧式离心泵为例说明 ：离心泵的组成主要有：叶轮、泵轴、泵壳、泵座、轴封装置、减漏环、轴承座、联轴器、轴向力平衡装置。一、叶轮叶轮是离心泵的主要零件，叶轮的作用就是通过其自身的高速旋转向液体传递能量.叶轮通过键固定于泵轴之上并由泵轴带动其转动.叶轮的形状和尺寸是通过水力计算来决定的。叶轮形状及表面的光洁度对水泵的性能影响较大.叶轮的材料常用的有:铸

6、铁、铸钢、青铜、不锈钢、工程塑料等。选择叶轮材料时，除了要考虑离心力作用下的机械强度以外，还要考虑材料的耐磨和耐腐蚀性能。叶轮按其吸水口的类型一般可分为单吸式叶轮与双吸式叶轮两种。单吸式叶轮是单边吸水，只有一个吸水口，叶轮的前盖板与后盖板呈不对称状。双吸式叶轮两边吸水，有两个吸水口，叶轮盖板呈对称状，一般大流量离心泵多数采用双吸式叶轮 。安装单吸式叶轮的离心泵称为单吸式离心泵，安装有双吸式叶轮的离心泵称为双吸式离心泵。叶轮按其结构又可以分为开敞式、半开敞式和封闭式叶轮。叶轮按其盖板情况可分封闭式叶轮、敞开式叶轮和半开式叶轮3种形式 二、泵 轴泵轴是用来固定并带动叶轮旋转的，常用材料是碳素钢和不

7、锈钢。泵轴应有足够的抗扭强度和足够的刚度，其挠度不超过允许值；工作转速不能接近产生共振现象的临界转速。三、泵 壳 泵壳一般由泵盖、壳体（蜗壳）、出水接管组成泵壳的作用：1，使水流平顺地进入叶轮2，汇集叶轮甩出的流体泵壳通常铸成蜗壳形，其过水部分要求有良好的水力条件。泵壳顶上设有充水和放气的螺孔，以便在水泵起动前用来充水及排走泵壳内的空气。 泵壳的材料一般有铸铁、铸钢、不锈钢等四、泵座 泵座的作用是用来支承和固定水泵的。泵座上有与底板或基础固定用的法兰孔。上述的零件中，叶轮和泵轴是离心泵中的转动部件，泵壳和泵座是离心泵中的固定部件。五、轴封装置轴封装置位于泵轴穿过泵壳处，用于密封水泵的转动部件和

8、固定部件之间的间隙，防止水泵内的高压水（单吸式离心水泵、混流泵、轴流泵）向泵外泄漏，或者是为了防止泵外的空气向泵内渗入（双吸式离心泵）破坏水泵进水口处的真空状态。轴封装置主要有两种形式：填料密封和机械密封。填料密封装置也称填料盒（见构造示意图）。填料盒内有用于密封用的填料、起冷却和润滑作用的水封环、调节填料松紧度的调节压盖等组成。填料通常是选用弹性材料。目前最常用的就是石棉盘根。水封环通过水封管引水泵出水侧的高压水或者引自来水，并将水分布于泵轴的四周，一方面用水冷却填料与泵轴间磨擦产生的热量，另一方面也起到润滑的作用，同时，分布于泵轴四周的水在轴高速旋转时能在轴的表面形成水膜，也起到密封的作用

9、。调节压盖的作用就是用于控制填料的松紧度，不能太紧，也不能太松。机械密封也称端面密封。六、减漏环 减漏环位于叶轮吸入口的外圆与泵壳内壁的接缝处这个接缝的上下侧分别是水泵的高压区（叶轮出水侧）和低压区（叶轮吸水侧），存大压力差，因为流体会通过这个接缝回流到叶轮的进水侧，造成损失，降低了泵效。因此若想提高泵效，必须尽可能减小这一接缝，接缝过小后，在水泵工作时，叶轮就会和泵的壳体间产生磨擦，造成磨损，磨损后间隙就会加大，泵效下降，磨损量达到一定值后，水泵就会因为效率太低而报废或者需要更换叶轮和泵壳。这显然不经济。所以在这个位置安装了一个减漏环，用于缩小这个接缝以减少回流损失，同时承受磨损，磨损过大后

10、更换该减漏环即可，而不必更换叶轮或者泵壳。所以也称为承磨环。由于其位于水泵的进口处，也称为口环。七、轴承体支承水泵的转动部分（叶轮和泵轴）八、联轴器将原动机械和水泵的轴联接起来的装置原动机械与水泵之间的联接和传动方式一般有：1，皮带传动（皮带轮、皮带）2，联轴器传动（弹性联轴器、刚性联轴器）3，通过减速（调速）设备或者装置联接。九、轴向力平衡装置 单吸离心泵由于叶轮不对称，叶轮前后盖板受到的水压力不能平衡，产生轴向力。而一般水泵使用的轴承不能承受轴向力（采用可以承受轴向力轴承会使水泵轴承体结构变大且复杂，增加成本费用），因此如果这种轴向力过大就会造成危害。有时会采取在单吸叶轮的后盖板上钻平衡孔

11、的方法，平衡轴向力。第三节 叶片泵的基本性能参数水泵的6个性能参数： 1、流量(抽水量)水泵在单位时间内所输送的液体数量。 用字母Q表示，常用的体积流量单位是m3h或Ls。常用的重量流量单位是th。2、扬程(总扬程) 水泵对单位重量(1kg)液体所作功，也即单位重量液体通过水泵后其能量的增值。 用字母H表示，其单位为kgmkg，也可折算成被送液体的液柱高度(m)；工程中用国际压力单位帕斯卡(Pa)表示 。3、轴功率泵轴得自原动机所传递来的功率称为轴功率，以N表示。 原动机为电力拖动时，轴功率单位以kw表示。有效功率单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率，以字母表示泵的有效功率

12、为4、效率水泵的有效功率与轴功率之比值，以表示。 t：运行时间h 1：水泵的效率 2：电机的效率例：某水厂取水泵站，供水量Q8.64104m3d，扬程H=30m；水泵及电机效率均为70，则该泵站工作10h其电耗值？5、转速水泵叶轮的转动速度，通常以每分钟转动的次数来表示，以字母n表示常用单位为rmin。 在往复泵中转速通常以活塞往复的次数来表示(次min)6允许吸上真空高度(Hs)及气蚀余量(Hsv) 允许吸上真空高度(Hs)指水泵在标准状况下(即水温为20、表面压力为一个标推大气压)运转时，水泵所允许的最大的吸上真空高度 (即水泵吸入口的最大真空度)。单位为mH20。水泵厂一般常用Hs来反映

13、离心泵的吸水性能。 气蚀余量(Hsv)指水泵进口处，单位重量液体所具有超过饱和蒸气压力的富裕能量。水泵厂一般常用气蚀余量来反映轴流泵、锅炉给水泵等的吸水性能。单位为mH20 。气蚀余量在水泵样本中也有以h来表示的。水泵的铭牌：铭牌上标明：水泵的名称和型号，同时还标明水泵的设计状态下的性能参数值（流量、扬程、转速、功率、效率、允许吸上真空高度）、重量、出厂日期及编号等相关信息。（见图）这里重点给大家介绍一下水泵型号的意义：单吸式离心泵型号的表示方法与意义双吸式离心泵型号的表示方法与意义混流泵的型号表示方法与意义轴流泵的型号的表示方法与意义2.4 离心泵的基本方程式 离心泵的基本方程式是反映离心泵

14、的扬程与叶轮中液体流动状态之间的内在关系的，因此下面我们首先来分析一下叶轮中液体的运动情况。2.4.1叶轮中液体的流动情况水泵启动后，泵内形成负压，吸水池内的水在水面大气压力的作用下沿着吸水管1上升并进入水泵内部，从叶轮的进口再进入叶轮内部。水流进入叶轮后，一方面会沿着叶轮的水流通道（叶槽）向前流动直到流出叶轮后被泵壳收集并经水泵的出水口而流出水泵；另一方面，水流还将跟随叶轮一起作圆周运动。也就是说，水流进入叶轮后的运动实际上是两种简单运动的合成：一个是跟随叶轮的运动牵连运动，一个是相对叶轮的运动相对运动。相对速度（W）与牵连运动（圆周运动）的速度u的矢量和就是绝对速度C，即：C=W+U这里，

15、对于叶轮中任意一点处而言，该点处的水流质点的运动的相对速度矢量W的方向为液流流线在该点处的切线方向，而牵连运动速度矢量U的方向为该点所在圆周的切线方向。绝对速度的大小和方向由w和u的方向和大小来确定：按矢量加法法则：（画出矢量加法平等四边形）通过矢量移动，可以得到矢量加法的三角形。在这里也称速度矢量三角形。在这个速度矢量三角形中有几个量给大家介绍一下：C与u的夹角； C与W的夹角 绝对速度C可分解为沿U方向的“切向分速度Cu”和沿法线方向的“法向/径向分速度Cr）两个特殊点处的速度矢量三角形：叶轮进口处和叶轮出口处分别用下标“1”和“2”表示。在离心泵的设计中，常使1=90而一般称1为进水角，

16、而2为出水角根据出水角2的大小可以将离心泵的叶片形式分成三种： 离心泵叶片形状（a) 后弯式(90) （b)径向式( 90) （c) 前弯式( 90)2.4.2 基本方程式的推导为了便于基本方程式的推导，我们先作出三点假定： (1)液流是恒定流； (2)叶槽中，液流是均匀流；(3)液流为理想液体。同时我们在推导的时候会用到如下一些关系：1，质点的动量矩：L=m V * R则作用在质点上的所有外力对转动中心O的力矩Mo为： 2，外力矩M与功率N之间的关系：W=FS或dW=FdS=FRd而:M=FR, dW=Md3，叶轮中液体的动量矩与功率：首先用叶轮中的一个流槽来分析：设在t=t0时刻，叶轮某一

17、流槽中的液流处于abcd位置，经过一个很短的时间dt后，该部分液流的位置发生了变化，移动到了efgh处。在t=t0时，该部分液体质点所具有的动量矩为Labcd在t=t0+dt时，该部分液体质点所具有的动量矩为Lefgh则：dL= Lefgh Labcd =Lefab-Lghcd而：Lefab=dmC2R2=dmC2R2cos2 =dmC2uR2Lghcd= dmC1R1=dmC1R1cos1 =dmC1uR1则：dL= Lefab-Lghcd= dmC2uR2- dmC1uR1 =dm(C2uR2- C1uR1)把整个叶轮的所有流槽的相加起来就得到整个叶轮在dt时间后的动量矩变化：dL= dm

18、(C2uR2- C1uR1)等式两边同除以dt: =QT(C2uR2- C1uR1)按动量矩定理，动量矩对时间的导数等于所有外力所做的功：即： M=QT(C2uR2- C1uR1)等式两边再同乘以角速度可以得到： M=QT(C2uR2- C1uR1)=Nh而： 代入化简后得到：其中，QT为叶轮的理论流量 HT为叶轮的理论扬程该式即是叶片泵的基本议程式。该式表明叶片泵的理论扬程只与叶轮出口处以及叶轮进口处的速度矢量有关，而与液体的种类无关2.4.3基本方程式的讨论（1）为了提高水泵的扬程和改善吸水性能，离心泵在设计时常取 90，既u=0 则此时有：表明离心泵的理论扬程只与叶轮出口处的速度矢量有关

19、。（2）由于 则增加转速(n)相加大轮径(D2)，可以u2增大，从而提高水泵的扬程。(3)离心泵的理论扬程与液体的容重无关但当输送不同容重的液体时，水泵的扬程相同,但水泵所消耗的功率将是不同的。2.4.4基本方程式的修正恒定流假设： 基本满足。均匀流假设：由于存在“反旋现象”，流速分布不均，须进行修正：理想液体假设：对于实际液体，由于有内摩阻，存在水力损失： 2.5 离心泵装置的总扬2.5.1离心泵装置水泵装置如图所示：包括有：吸水管路系统水泵动力设备及传动设备出水管路系统吸水管路（进水管路）与出水管路由管道与管道附件（阀门、弯头、管道渐缩管、渐放管等）组成。水泵装置也称抽水装置。水泵的装置效

20、率是指整个抽水装置的效率,由水泵效率、动力机效率、传动效率、管路效率等组成。 装置效率反映了整个抽水系统对能量的利用程度，是最值得关注的。2.5.2 水泵装置的总扬程在后面的讨论学习中会经常用到一些压力或者压强的概念。和大家一起复习一下：1，绝对压强（力）：以没有气体存在的绝对真空状态作为压力零点2，相对压强（力）：以一个工程大气压力为压力零点3，1工程大气压力=1kg/cm2=9.8N/cm2=10mH2O4，1标准大气压力=1.033kg/cm2=10.33mH2O5，真空：当某处的绝对压力小于一个大气压力时，即认为该处存在真空。真空值Pv=Pa - P真空度=Pv/Pa*100% （1）

21、总扬程的表达式一设水泵进口断面1-1的断面比能为E1 水泵出口断面2-2的断面比能为E2则水泵的扬程： H=E2-E1即：也即： 而： Hd是用水柱高度表示的压力表读数值Hv是用水柱高度表示的真空表读数值。则：如果忽略水泵进口断面和出口断面的流速水头差和两个断面间的垂直高差，则上式可以简化为（近似计算公式）：也即，水泵装置的总扬程可以近似地等于出口处安装的压力表的读数（米水柱高度）+水泵进口处安装的真空表的读数（米水柱高度）本处同学们一定要注意：压力与真空的概念，压力表读数与真空表读数的意义。（2）总扬程表达式二:先来看一下水泵装置中的几个典型的断面。再看几个断面之间的几何高度： 吸水地形高度

22、Hss压水地形高度Hsd静扬程HsT（着重介绍这几个量的定义与计算）下面进行分析：列吸水池断面与水泵进口断面的能量方程：设 Z0=0， Z1=Hss-Z/2,而： P0=Pa, P1-Pa = -Pv则有：也即：同理：列水泵出口断面与出水池水面之间的能量方程可得到： 将得到的HV与Hd表达式代入之前所得到下式中：化简后得到： 表示水泵装置的总扬程等于装置的静扬程加上全部管路的水泵损失。注：本节中所介绍的求水泵扬程公式，对于其它各种布置形式的水泵装置也都适用，包括自灌式。 自灌式水泵的公式推求，请大家自学。 例：水泵流量Q=120 L/s，吸水管管路长度L1=20m；压水管管路长度L2=300m

23、；吸水管径Ds=350mm，压水管径Dd=300mm ；吸水水面标高58.0m；泵轴标高60.0m ；水厂混合池水面标高90.0m 。求水泵扬程。 （is=0.0065,id=0.0148 ； 吸水管的局部水头损失为1m,压水管的局部水头损失按压水管沿程损失的15%计.）另：如果在水泵进口处装有真空表，则真空表的读数为多少mH2O？(假设真空表的表头位置高于水泵基准面1m)如果在水泵的出口处装有压力表，则压力表的读数为多少mH2O?(假设压力表表头中心位置到水泵基准面的垂直距离为1m) 2.6 离心泵的特性曲线2.6.1离心泵的特性曲线 特性曲线：在一定转速下，离心泵的扬程、功率、效率等随流量

24、的变化关系称为特性曲线。它反映泵的基本性能的变化规律，可做为选泵和用泵的依据。各种型号离心泵的特性曲线不同，但都有共同的变化趋势。即当n=C(常数)时: H=H(Q) N=N(Q) =(Q) Hs=Hs(Q)/Hsv=Hsv(Q)这四条曲线就是离心泵的特性曲线2.6.2理论特性曲线的定性分析由离心泵的基本方程式： 其中：C2u=u2-C2rctg 则：当n=c时，流动为恒定流，u2是常数，出水角也是常数，叶轮的出口过水断面面积显然是常数，所以可以得到：表明在理论上，离心泵的扬程和流量为线性关系。（1）当 0HT随着QT的增大而减小。（2）当 =90时：ctg=0HT=A，此时水泵的扬程与流量无

25、关，始终为一常数。（3）当 90时：ctg0HT随着QT的增大而增大。由于水泵的有效功率Nu=QH,轴功率N=QH/所以，当 90时，Q增大，H也增大，N增大更快。由于后两种情况下，对动力设备的要求很高，目前没有办法匹配这样的的动力设备，所以离心泵的叶轮几乎一律采用后弯式叶片(20-30左右)。这种形式叶片的特点是随扬程增大，水泵的流量减小，因此，其相应的流量Q与轴功率N关系曲线(N-Q曲线)，也将是一条比较平缓上升的曲线，这对电动机来讲，可以稳定在一个功率变化不大的范围内有效地工作。下面就 90时的情况讨论一下离心泵的理论特性曲线向实际的HQ曲线演变的过程。 当 90时，理论HQ曲线是一条向

26、下的直线（如图）。（1）首先：由于在推导离心泵的基本方程式时，我们假设水泵内的水流为均匀流，而实际上流动是不均匀的，泵内存在反旋现象，这使得水泵的真正的理论扬程没有基本方程式反映的那么高，需对HT进行修正：这使得HTQT直线在H轴上的截距变小，直线从I变到II（如图）（2）基本方程式的另一假设是理想流体，而实际液体具有粘性，在水泵内部会产生水力损失。包括： 内摩阻损失h1:这部分水力损失与流量（流速）的平方成正比关系，可以表示为：h1=K1QT2 从曲线II上扣除这部分水力损失后，得到曲线III冲击损失h2：水泵是按一定的工作状态来设计的，这也状态就是水泵的设计工况条件，在设计工况（条件）下工

27、作的时候，水流的流态平顺，可以认为泵内没有冲击水流，也不存在冲击损失。但当实际的工作条件偏离这个设计工况时，泵内的水流形态就和设计条件下不一样了，就会出现冲击水流，产生冲击损失。因此，冲击损失的大小是跟水泵的流量QT偏离设计工况下流量Q0的大小相关的，即： h2=K2（QT-Q0）2Q0是水泵的设计流量。再从曲线III上面扣除对应流量下的这部分水力损失后，就得到了曲线；（3）水泵在工作过程中，除了存在上述水力损失以外，还存在一部分内部的泄漏损失，即出泵的出水流量比叶轮的出水流量要小，有一部分水流q通过泵内存在的间隙又回流到了叶轮的进口处，造成一部分能量的损失，这种损失称为容积损失。而q的大小跟

28、扬程有关，扬程越大，表示叶轮出口的压力越高，这样在水泵的高压低压区的压力差就越大，回流量也就越大，反之回流量小，因此，扬程越大，由于回流所造成的损失也就越大。 这样在曲线上再扣除这部分由于回流而产生的损失后，就得到了曲线曲线表示出了水泵的实际的HQ曲线的形态。但以上分析都是定性的分析，要精确计算各部分的损失的大小是非常困难的，因此想通过这种方法得到可以实际使用的水泵的HQ曲线几乎是不可能。 但这样的分析帮助我们认识了水泵在将能量传递给流体后，在水泵内部都发生了哪些损失，事实上，水泵在将能量传递给流体前（或者讲是在传递的过程中）还要克服一部分损失，这部分损失称为机械损失。关于水泵内部的能量损失，

29、我们在给大家归纳分析一下：（1）机械损失水泵从原动机械处获得能量（即水泵的轴功率N）后，在将这部分能量传递给流体的过程中，必须克服各种机械的磨擦，如泵轴与填料之间、轴承体内的轴承磨擦、叶轮与流体之间有相对运动而产生的磨擦等。这些机械磨擦都会消耗掉一部分能量造成损失，把这种损失称为机械损失，损失掉的功率用N1表示。水泵将余下的能量传递给了流体，这部分能量称为水功率Nh,则： Nh=N-N1=QTHT机械损失N1也称为水泵的轮盘损失。我们用水泵的机械效率反映水泵传递能量的有效程度，即：（2）水力损失与（3）容积损失Nh是流体从水泵处得到的能量，但这些能量并不都能用于流体能量的增加，还必须克服掉水力损失Nh和容积损失Nv，两样可以用水力效率和容积效率来反映这两部分损失的大小：水泵的总效率为这三部分效率的乘积： =M*h*v263水泵实测特性曲线的讨论由于前面已经分析过，通过精确计算水泵内部的各种损失，从而由理论特性曲线而得到实际的可供使用的水泵的性能曲线是不可能的，但在实际使用水泵的时候必须知道水泵的性能曲线。我们使用的水泵的特性曲线都是实测得到的，也就是通过水泵性能实验的方法，实测出水泵的特性曲线