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离心泵与离心风机的结构和性能
点击次数:20627 发布时间:2008-10-29

离心泵与离心风机,离心泵的结构,离心泵的性能

*节 泵与风机的部件结构

一) 离心泵的主要部件
尽管离心泵型号
繁多,但由于作用原理基本相同,因而它们的主要部件大体类同。现在分别介绍如下:

1、叶轮(impeller)
叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体,提高液体能量的核心部件。叶轮有开式(open impeller)、半开式(semi-open impeller)及闭式叶轮(closed impeller)三种,如图所示。开式叶轮没有前盘和后盘而只有叶片,多用于输送含有杂质的液体,如污水泵的叶轮就是采用开式叶轮的。半开式叶轮只设后盘。闭式叶轮既有前盘也有后盘。单级单吸清水离心泵的叶轮都是闭式叶轮。离心式泵的叶轮都采用后向叶型

叶轮的运行方式:(以开式为例)

2、轴和轴承(shaftbearing)
轴是传递扭矩的主要部件。轴径按强度、刚度及临界转速定。中小型泵刚度和临界转速确定多采用水平轴,叶轮滑配在轴上,叶轮间距离用轴套定位。近代大型泵则采用阶梯轴,不等孔径的叶轮用热套法装在轴上,并利用渐开线花键代替过去的短键。此种方法,叶轮与轴之间没有间隙,不致使轴间窜水和冲刷,但拆装困难。


轴承一般包括两种形式:滑动轴承(Sleeve bearing)和滚动轴承(Ball bearing)。
滑动轴承用油润滑。一种润滑系统包括一个贮油池和一个油环,后者在轴转动时在轴表面形成一个油层使油和油层不直接接触。另一种系统就是利用浸满油的填料包来润滑。大功率的泵通常要用专门的油泵来给轴承送油。

滚动轴承通常用冷冻油润滑,有些电机轴承是密封而不能获得润滑的。滚动轴承通常用于小型泵。较大型泵可能即有滑动轴承又有滚动轴承。而滑动轴承由于运行噪音低而被推荐用于大型泵。

3、吸入室( suction room)
离心泵吸入管法兰至叶轮进口前的空间过流部分称为吸入室。其作用为在zui小水力损失下,引导液体平稳的进入叶轮,并使叶轮进口处的流速尽可能均匀的分布。
按结构吸入室可分为直锥角吸入室、弯管形吸入室、环形吸入室、半螺旋形吸入室几种:
(1)直锥形吸入室 这种形式的吸入室水力性能好,结构简单,制造方便。液体在直锥形吸入室内流动,速度逐渐增加,因而速度分布更趋向均匀。直锥形吸入室的锥度约7o~8o。这种形式的吸入室广泛应用于单级悬臂式离心水泵上。


(2)弯管形吸入室 图所示,是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式,这种吸入室在叶轮前都有一段直锥式收缩管,因此,它具有直锥形吸入室的优点。

(3)环形吸入室 图所示,吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同。其优点是结构对称、简单、紧凑,轴向尺寸较小。缺点是存在冲击和旋涡,并且液流速度分布不均匀。环形吸入室主要用于节段式多级泵中。

4)半螺旋形吸入室 图所示,主要用于单级双吸离心泵、水平中开式多级泵、大型的节段式多级泵及某些单级悬臂泵上。半螺旋形吸入室可使液体流动产生旋转运动,绕泵轴转动,致使液体进入叶轮吸入口时速度分布更均匀,但因进口预旋会致使泵的扬程略有降低,其降低值与流量是成正比的。
相比较而言,直锥形吸入室使用zui为普遍。

4、机壳(casing)
机壳收集来自叶轮的液体,并使部分流体的动能转换为压力能,zui后将流体均匀地引向次级叶轮或导向排出口。机壳结构主要有螺旋形和环形两种。螺旋形压水室不仅起收集液体的作用,同时在螺旋形的扩散管中将部分液体动能转换成压能。螺旋形压水室具有制造方便,效率高的特点。它适用于单级单吸、单级双吸离心泵以及多级中开式离心泵。单级离心式泵的机壳大都为螺旋形蜗式机壳。环形压水室如图所示,在节段式多级泵的出水段上采用。环形压水室的流道断面面积是相等的,所以各处流速就不相等。因此,不论在设计工况还是非设计工况时总有冲击损失,故效率低于螺旋形压水室。有些机壳内还设置了固定的导叶,就是所谓的导叶式机壳。

5、密封装置(sealing instrument)
密封装置主要用来防止压力增加时流体的泄漏。密封装置有很多种类型,用得zui多的是填料式密封和机械式密封。
填料密封是将一些松软的填料用一定压力压紧在轴上达到密封目的。填料在使用一段时间后会损坏,所以需要定期检查和置换。这种密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的。

而机械密封装置有两个硬质且光滑的表面,一个静态一个旋转。这种密封装置可以达到很好的密封要求,但他们不能用于含杂质流体输送系统,因为其光滑表面会被破环而失去密封作用。这种密封装置在液体循环系统中非常普遍,因为他不需要维护运行很多年。

传统的平垫密封装置

(二) 轴流泵的主要部件

轴流泵的主要部件,如图所示。

轴流泵的特点是流量大,扬程低。其主要部件有:叶轮、轴、导叶、吸入喇叭管等,现分述如下。
1.叶轮
叶轮的作用与离心泵一样,将原动机的机械能转变为流体的压力能和动能。它由叶片、轮毂和动叶调节机构等组成。叶片多为机翼型,一般为4~6片。轮毂用来安装叶片和叶片调节机构。轮毂有圆锥形、圆柱形和球形三种。小型轴流泵(叶轮直径300mm以下)的片和轮毂铸成一体,叶片的角度不是固定的,亦称固定叶片式轴流泵。中型轴流泵(叶轮直径300mm以上)一般采用半调节式叶轮结构,即叶片靠螺母和定位销钉固定在轮毂上,叶片角度不能任意改变,只能按各销钉孔对应的叶片角度来改变,故称半调节式轴流泵。大型轴流泵(叶轮直径在1600mm以上),一般采用球形轮毂,把动叶可调节机构装于轮毂内,靠液压传动系统来调节叶片角度,故称动叶可调节式轴流泵。

2.轴
对于大容量和叶片可调节的轴流泵,其轴均用碳素钢做成空心,表面镀铬,既减轻轴的质量又便于装调节机构。
3.导叶
轴流泵的导叶一般装在叶轮出口侧。导叶的作用是将流出叶轮的水流的旋转运动转变为轴向运动,同时将部分动能转变为压能。
4.吸入管
吸入管与离心泵吸入室的作用相同。中小型轴流泵多用喇叭形吸入管;大型轴流泵多采用肘形吸入流道。
(三)、混流泵

混流泵内液体的流动介于离心泵和轴流泵之间,液体斜向流出叶轮,即液体的流动方向相对叶轮而言即有径向速度,也有轴向速度。其特性介于离心泵和轴流泵之间。
混流泵具有涡壳式和导叶式两种。如左图所示为单级、单吸、立式结构的可潜式蜗壳混流泵,适用于输送清水或物理及化学性质类似于水的其他液体 (包括轻度污水)。被输送介质温度不超过50℃。也可用于农田排灌、市政工程、工业过程水处理、电厂输送循环水、城市给排水等多种领域,使用范围十分广泛。
如图右所示为单级、导叶混流式潜水泵,适用于抽送清水或在轻度污水场合下使用,输送介质温度不超过50℃。本泵为机泵合一的结构,可潜入水中运行,故可在水位变化大,扬程较高的工况下工作,特别适用于城市排水、市政建设、工矿、船坞升降水位以及水位涨落大的江湖地区农田排灌之用。

可潜式蜗壳混流泵

导叶混流式潜水泵

二、风机主要部件
(一)离心式风机的构造特点
离心式风机输送气体时,一般的增压范围在9.807Kpa(1000mH2O)以下根据增压大小,离心风机又可分为:
(1)低压风机:增压值小于l000Pa(约100mmH2));
(2)中压风机:增压值自l000至3000Pa(约100至300mmH2O)
(3)高压风机:增压值大于3000Pa(约300mmH2O以上)。
低压和中压风机大都用于通风换气,排尘系统和空气调节系统。高压风机则用于一般锻冶设备的强制通风及某些气力输送系统。
我国还生产许多专门用于排尘、输送煤锅炉引排酸雾和防腐的各种专用风机。

zui近国内又推出了一种外转子离心风机,它相当于将电动机的转子固定,定子直接嵌装于风机叶轮而转动,这样就把电机装入风机机壳内了。
离心式风机的整机构造可以参考图2-14所示的分解图。

根据用途不同,风机各部件的具体构造也有所不同,分别介绍如下
1、吸入口和进气箱
吸入口可分圆筒式、锥筒式和曲线式数种。吸入口有集气的作用,可以直接在大气中采气,使气流以损失zui小的方式均匀流入机内。某些风机的吸入口与吸气管道用法兰直接连接。
进气箱的作用是当进风口需要转弯时才采用的,用以改善进口气流流动状况,减少因气流不均匀进入叶轮而产生的流动损失。进气箱一般用在大型或双吸入的风机上。
2、叶轮
叶轮的构造曾在前面泵的主要部件中有所介绍。如前所述,它由前盘、后盘、叶片和轮毂所组成。还曾指出叶片可分为前向、径向和后向三种类型。
防爆风机是由有色金属制成的,防腐风机则以塑料板材为材料。
3、机壳
中压与低压离心式风机的机壳一般是阿基米德螺线状的。它的作用是收集来自叶轮的气体,并将部分动压转换为静压,zui后将气体导向出口。
机壳的出口方向一般是固定的。但新型风机的机壳能在一定的范围内转动,以适应用户对出口方向的不同需要。
4、导流器
导流器又称为进口风量调节器。在风机的入口处一般都装置有导流器。运行时,通过改变导流器叶片的角度(开度)来改变风机的性能,扩大工作范围和提高调节的经济性。

(二)轴流式风机的主要部件

轴流式风机的主要部件有:叶轮、集风器、整流罩、导叶和扩散筒等。如图2-19所示。近年来,大型轴流式风机还装有调节装置和性能稳定装置。

1.叶轮
叶轮由轮毂和叶片组成,其作用和离心式叶轮一样,是实现能量转换的主要部件。
轮毂的作用是用以安装叶片和叶片调节机构的,其形状有圆锥形、圆柱形和球形三种。
叶片多为机翼形扭曲叶片。叶片做成扭曲形,其目的是使风机在设计工况下,沿叶片半径方向获得相等的全压。为了在变工况运行时获得较高的效率,大型轴流风机的叶片一般做成可调的,即在运行时根据外界负荷的变化来改变叶片的安装角。如上海鼓风机厂与西德TLT公司联合制造的TLT型送引风机和一次风机均是动叶可调的。
2.集风器
集风器的作用是使气流获得加速,在压力损失zui小的情况下保证进气速度均匀、平稳。
集风器的好坏对风机性能影响很大,与无集风器的风机相比,设计良好的集风器风机效率可提高10%~15%。集风器一般采用圆弧形。
3.整流罩和导流体
为了获得良好的平稳进气条件,在叶轮或进口导叶前装置与集风器相适应的整流罩,以构成轴流风机进口气流通道。
4.导叶
轴流式风机设置导叶有几种情形:①叶轮前仅设置前导叶,②叶轮后仅设置后导叶,③叶轮前后均设置有导叶。
前导叶的作用是使进入风机前的气流发生偏转,把气流由轴向引为旋向进入,且大多数是负旋向(即与叶轮转向相反),这样可使叶轮出口气流的方向为轴向流出。
后导叶在轴流式风机中应用zui广。气体轴向进入叶轮,从叶轮流出的气体速度有一定旋向,经后导叶扩压并引导后,气体以轴向流出。
5.扩散筒(difusser section)
扩散筒的作用是将后导叶出来的气流动压部分进一步转化为静压,以提高风机静压。
6.性能稳定装置
近年来,大型轴流风机上加装了性能稳定装置,又称KSE装置(该装置由前苏联的伊凡诺夫发明)。这种性能稳定装置主要是用来抑制叶轮边缘流体失速倒流而产生的不稳定现象的。
第二节 泵与风机的叶轮理论

一、 离心式泵与风机的叶轮理论
离心式泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转,叶轮上的叶片就对流体做功,从而使流体获得压能及动能。因此,叶轮是实现机械能转换为流体能量的主要部件。
(一)流体在叶轮中的运动及速度三角形
为讨论叶轮与流体相互作用的能量转换关系,首先要了解流体在叶轮内的运动,由于流体在叶轮内的运动比较复杂,为此作如下假设:①叶轮中叶片数为无限多且无限薄,即流体质点严格地沿叶片型线流动,也就是流体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线相重合;②为理想流体,即无粘性的流体,暂不考虑由粘性产生的能量损失;⑧流体作定常流动。
流体在叶轮中除作旋转运动外,同时还从叶轮进口向出口流动,因此流体在叶轮中的运动是一种复合运动。
当叶轮带动流体作旋转运动时,流体具有圆周运动(牵连运动)。其运动速度称为圆周速度,其方向与圆周切线方向一致,大小与所在半径r及转速n有关。流体沿叶轮流道的运动,称为相对运动,其运动速度称为相对速度,其方向为叶片的切线方向、大小与流道及流道形状相关。流体相对静止机壳的运动,称为运动,其运动速度称速度,它是以上两个速度的向量和 。

(三)离心式叶轮叶片型式对HT∞的影响
一般叶片的型式有以下三种:
叶片的弯曲方向与叶抡的旋转方向相反,称为后弯式叶片。
叶片的出口方向为径向,称。
叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相同,称为前弯式叶片。
前弯式叶片产生的能头zui大,径向式次之,后弯式zui小。
对流体所获得的能量中动能和压能所占比例的大小比较可知:后弯式叶片时,流体所获得的能量中,压能所占的比例大于动能;径向式叶片做功时,压能和动能各占总能的一般;前弯式叶片做功时,总能量中动能所占的比例大于压能。
那么,对离心泵而言,为什么一般均采用后弯式叶片,而对风机则可根据不同情况采用三种不同的叶片形式,其原因如下:
由以上分析可知,在转速n、叶轮外径D2、流量qv(qv=A )及入口条件均相同的条件下,前弯式叶片产生的速度比后弯式叶片大,而液体的流动损失与速度的平方成正比。因此,当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时,其能量损失比后弯叶片大。同时为把部分动能转换为压能,在能量转换过程中,必然又伴随较大的能量损失,因而其效率远低于后弯式叶片。反之,前弯式叶片有以下优点:当其和后弯式叶片的转速、流量及产生的能头相同时,可以减小叶轮外径D2。因此,可以减小风机的尺寸,缩小体积,减轻质量。又因风机输送的流体为气体,气体的密度远小于液体,且摩擦阻力正比于密度,所以风机损失的能量远小于泵。鉴于以上原因,在低压风机中可采用前弯式叶片。

二、 轴流式泵与风机的叶轮理论
(一)、概述
轴流式和离心式的泵与风机同属叶片式,但从性能及结构上两者有所不同。轴流式泵与风机的性能特点是流量大,扬程(全压)低,比转数大,流体沿轴向流入、流出叶轮。其结构特点是:结构简单,重量相对较轻。因有较大的轮毂动叶片角度可以作成可调的。动叶片可调的轴流式泵与风机,由于动叶片角度可随外界负荷变化而改变,因而变工况时调节性能好,可保持较宽的工作区。鉴于以上特点,目前国外大型制冷系统中普遍采用轴流式风机作为锅炉的送引风机、轴流式水泵作为循环水泵。今后随着容量的提高,其应用范围将会日益广泛。
(二)、轴流式泵与风机的叶轮理论
1、 翼型和叶栅的概念
由于轴流式泵与风机的叶轮没有前后盖板,流体在叶轮中的流动,类似飞机飞行时,机翼与空气的作用。因此,对轴流式泵与风机在研究叶片与流体之间的能量转换关系时,采用了机翼理论。为此下面介绍翼型,叶栅及其主要的几何参数。
翼型 机翼型叶片的横截面称为翼型,它具有一定的几何型线,和一定的空气动力特性。翼型见图:


叶栅 由相同翼型等距排列的翼型系列称为叶栅。这种叶栅称为平面直列叶栅。

第三节 泵与风机的性能
一、泵与风机的主要性能参数

风机、泵的主要性能参数有下列几个:
(一)、流量(flow guantity)
单位时间内输送的流体数量。可以用体积流量qv表示,也可以用质量流量qm表示。
(二)、压力、扬程(pressure,head)
1、通风机全压
单位体积的气体在通风机内所获得总能量叫通风机全压。单位为:毫米水柱,牛/米2。
2、离心泵扬程
单位重量的液体在泵内所获得总能量叫泵的扬程。单位为:米液柱。
(三)、转速(rotary rate)
叶轮每分钟旋转周数叫转速。单位为:转/分。
(四)、功率和效率(powerefficiency)
通风机和泵之功率有铀功率、有效功率和原动机效率之分。
1、轴功率P
原动机传给通风机、泵轴上的功率,叫通风机、泵的轴功率,又称输入功率,通常用P表示。单位:千瓦。
2、有效功率Pe
有效功率是指单位时间内通过泵与风机的流体获得的功率,即泵与风机的输出功率,用符号Pe表示,单位为KW。
3、原动机功率Pg
原动机的输出功率即为原动机功率,用Pg表示,单位为KW。
轴功率和有效功率之差是泵与风机内部损失功率。泵与风机的效率为有效功率和轴功率之比。 由于原动机机轴与泵与风机的轴连接存在机械损失,用传动效率ηtm表示,所以通常原动机功率比轴功率大。

二、 泵与风机的性能曲线
泵与风机的主要的性能参数有流量qV、扬程H或全压p、功率P和效率η0,对泵而言,还有汽蚀余量△h。这些参数变化关系的曲线,称为性能曲线(performance curve)。性能曲线通常是指在一定转速下,以流量为基本变量,其他各参数随流量改变而改变的曲线。因此,通常的性能曲线为qv-H(p)、qv-P、qv-η、qv-△h等曲线。该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。性能曲线对泵与风机的选型,经济合理的运行都起着非常重要的作用。
对风机而言,因为有全压p和静压pst,所以对应的效率也有全压效率(qv)及静压效率(qv-ηst)曲线。
性能曲线是制造厂通过实验得到的。载入泵与风机样本,供用户使用。以风机为例,实际使用中,为方便起见,一般将上述曲线按同一比例画在一张图中,如右图所示,不同型号的风机,其性能曲线也不同。从图中可以看出,在转速不变的情况下,当风量发生改变时,风压随风量的增大而减小;功率随风量的增大而增大;风机效率存在一个zui高值。相应于zui率下的风量、风压和轴功率称为通风机的zui佳工况。在选择风机或风机运行时,应使其实际运转效率不低于zui率的90%。这也就确定了一台风机其风量的允许调节范围。

4、离心泵与风机性能曲线的分析
(1)当阀门全关时,工况为空转状态。这时候,空载功率Po主要消耗在机械损失上,而这会导致局部水温迅速升高以致汽化。因此,为防止汽化,一般不允许在空转状态下运行(除特殊注明允许的外)。
(2)离心泵与风机,在空转状态时,轴功率zui小,一般为设计轴功率的百分之三十左右,为避免启动电流过大,原动机过载,所以离心式的泵与风机要在阀门全关的状态下启动,待运转正常后,在开大出口管路上的调节阀门,使泵与风机投入正常的运行。
(3)由qv-P性能曲线可见,后弯式叶轮和前弯式叶轮有着明显的差别。后弯式叶轮的qv-P性能曲线,随着流量的增加功率变化缓慢,而前弯式叶轮随着流量的增加,功率急剧上升,因此原动机容易超载。所以,对前弯式叶轮的风机在选用原动机时,容量富余系数应取的大些。
(4)前弯式叶轮效率远低于后弯式。所以一般现在的风机为了节能大多采用率的后弯式叶片。
(5)前弯式叶轮的实际qv-H性能曲线是一具有较宽不稳定工作段的驼峰形曲线,如果风机在不稳定工作段工作,将导致喘振。因此,不允许在此段工作。
(二)、轴流式泵与风机的性能曲线

在一定的转速下,对叶片安装角固定的轴流式泵与风机,试验所测得的典型性能曲线如图2-35所示,和离心式泵与风机性能曲线相比有显著的区别。qv-H(P)曲线,随流量qv减小,扬程(全压)先是上升,当减小到qvc时,扬程(全压)开始下降,流量再减小到qvb时,扬程(全压)又开始上升直到流量为零时的zui大值。
轴流式泵与风机性能曲线归结起来有以下特点:
(1) qv-H(P)性能曲线,在小流量区域内出现驼峰形状,在c点的左边为不稳定工作区段,一般不允许泵与风机在此区域工作。
(2) 轴功率P在空转状态(qv=0)时zui大,随流量的增加随之减少,为避免原动机过载,对轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动。如果叶片安装角是可调的,在叶片安装角小时,轴功率也小,所以对可调叶片的轴流式泵与风机可在小安装角时启动。
(3) 轴流式泵与风机区窄。但如果采用可调叶片,则可使在很大的流量变化范围内保持率。这就是可调叶片轴流式泵与风机较为突出的优点。

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