离心泵外文翻译.doc
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JIANGSUUNIVERSITY
本科毕业设计
离心泵外文翻译
学院名称:
能动学院
专业班级:
动力流体0903
学生姓名:
刘敏杰
学号:
3090201087
指导教师:
袁丹青、丛小青
实用课程
涡轮机械
离心泵特性的测量
杜伊斯堡-埃森大学工学院机械工程系涡轮机械
Prof.Dr.-Ing.F.-K.Benra
目录
1离心泵概述
1.1离心泵的应用领域及范围……………………………………………………………………………………
1.2离心泵叶轮及水力设计
2理论基础
2.1叶轮的速度情况
2.2流体在叶轮中被压缩
2.3扬程的确定
2.3.1有限叶片数的影响
2.3.2叶片出口安放角
2.4损失与效率
2.5性能表现
2.5.1离心泵性能特性
2.5.2相似准则
2.5.3离心泵的工况点
2.5.4离心泵及其设备
3离心泵的测试与调节
3.1一种离心泵
3.2离心泵的驱动设备
3.3离心泵设备的启动
3.4变量的测量
3.4.1流动测量
3.4.2压力的测量
3.4.3转矩、转速等的测量
4调试方法以及评价
4.1阀门特性曲线
4.2转速特性曲线
4.3评估与总结
文中对应符号下标及含义
符号
单位
含义
下标
含义
A
m^2
表面
a
叶轮a
B
m
叶轮宽度
A
设备
B
T
磁场强度
b
叶轮b
c
m/s
绝对速度
d
转矩
D
m
叶轮直径
dyn
动态的
f
S^-1
频率
D
压力点
F
N
功
el
电子
g
m/s^2
重力加速度
erf
需要的
H
m
扬程
h
水力的
K
-
一个常数
i
内部
m
Kg/s
流量
i
随机的
n
Min^-1
转速
K
离合器
-
比转速
m
机械的
NPSH
m
能量高度
max
最大
p
-
低功因素
min
最小
p
N/m^2
压力大小
M
测得值
P
kW
输出功率
N
标准尺寸
r
m
半径
Opt
最佳的
Re
-
雷诺数
P
水泵
s
m
距离
r
摩擦因素
St
-
St数
R
摩擦
t
s
时间
stat
静态的
u
m/s
圆周速度
S
吸入点
U
V
电压
Sch
顶点
v
m/s
速度
Sch
叶片
w
m/s
相对速度
Sp
缺口
Y
m^2/s^2
叶片具体功
th
理论上的
z
m
高度
u
在圆周方向上
Z
m^2/s^2
损失功
vorth
给定的
V
损失
o
0点
1
第一级位置
2
第二级位置
8
无限制环境下
参考文献
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tDuisburg-Essen
13.Benra,F.-K
BerechnungundKonstruktionvon
Str?
mungsmaschinen
Vorlesungsskript,Universit?
tDuisburg-Essen
14.Simon,H.:
Str?
mungsmaschinenI
Vorlesungsskript,Universit?
tDuisburg-Essen
15.Simon,H.:
Str?
mungsmaschinenII
Vorlesungsskript,Universit?
tDuisburg-Essen
1.离心泵概述
1.1离心式泵的应用范围
1.2叶轮形式及水力设计
1离心泵概述
1.1离心泵的应用范围
第一种离心式水泵已经在1689年由法国物理学家丹尼斯-帕潘。
自那时以来,离心泵进入各行各业,尤其是径向流类型的泵被大量应用在建筑行业的液体输送上。
除了水,其他类型的水也可以作为输送介质,特别是石油,但除此之外,腐蚀性液体或固液混合物也可以利用离心泵来输送。
用途
1.水管理(供水,灌溉,排水,污水处理)
2电厂,供热系统
3化学与石化
4造船
5其他目的
泵类型
潜水泵,供水泵,增压泵,喷洒灌溉泵,排污泵
循环泵,锅炉给水泵,冷凝泵,蓄能泵,反应堆泵
隔膜泵,燃料与燃油泵,化工泵,管道泵,化工流程泵,直列泵,液态气体泵
舱底污水泵,压载泵,码头泵,船泵,燃油泵
消防泵,排水泵,干式油池润滑泵,透析液进料泵
图1-1:
离心泵的应用领域
1.2叶轮形式与水力设计
尽管离心泵应用在各种行业内,其种类与形式很多,但是大致可以用H,V图来进行归纳(图1-2).根据流量,扬程,转速,叶轮形式,用以达到最高效率。
参考特殊形式的转速,根据不同的应用领域,叶轮的形式各不相同(图1-3).
1.低比转速(n=10-30):
带有简单弯曲叶片的径向式叶轮。
低流量,高扬程。
2.中比转速(n=30-50):
叶轮径向流出,双曲面叶片设计,中流量,中扬程。
3.Helicoidic叶轮(n=50-80):
双弯曲叶片叶轮,中流量,小扬程。
4.高比转速对角线叶轮(n=80-135):
有双曲面叶片,高流量,低扬程。
5高比转速螺旋式叶轮(n=135-330):
类似翅膀的转子叶片。
最高流量,最低扬程。
图1-2.不同离心泵叶轮的应用形式
图1-3.叶轮的各种不同形式
如果需要非常大的体积流量,又或者因为吸入方式导致有限的入口流速,径向流多级泵被广泛的使用。
两个连在一起尺寸相同的叶轮被安置在一个壳体里面,扬程相同,流量叠加。
由于叶轮的最大输送扬程依赖于设计时的压力选择,高转速又限制于坚固性,为实现高扬程,可以将多个单级泵串联起来,在相同流速下,单级泵输送水头被叠加起来。
泵是一种将低静压状态转换到高静压状态的机械,离心泵叶轮将机械能传递到围绕叶片绕流的液体。
液流受到来自叶轮的离心力的影响,叶轮压力的提升是离心力的结果,也可能是流动中受到叶轮流道的影响。
输送介质的绝对速度增加,随后在扩散流道中转换城静压能。
2.1叶轮的速度状态
对于通过旋转叶轮流道的液体来说,有必要将绝对运动跟相对运动区分开来,液体颗粒的运动称为绝对速度,如果站在叶轮外边缘来观看液体流动,那么与叶轮一起运动的液体颗粒相对观察者的速度成为相对速度。
图2-1:
离心泵叶轮的速度特性
在图2-1中,展示的是后弯式叶轮的速度情况,液流进入当前叶片流道有一个相对速度
标志处A点,叶轮有一个圆周速度圆周速度与相对速度矢量叠加后即得到绝对速度。
流动过程中,相对速度会不断减小,在标志处B点,液流有圆周速度u2与相对速度w2。
于是可以得到绝对速度c2。
这个速度比C1要大一些,这是因为叶片做功,有能量的传递。
动能的传递发生在下面的引导机制,流动是伴随速度c2并且一直持续缓慢变化到c3。
2.2叶轮及peeler中的压缩
叶轮在工作过程中,一方面通过液体从u1到u2的过程中圆周速度的增加,另一方面通过液体在叶轮及peeler中流动的减速,将功传递为液体的压力能。
为了确定在叶轮与peeler中所产生的压缩现象,这里我们引入一个假设:
所以流体所有颗粒在叶轮中的流动都是按照确定的路径进行的,(一元流动假设)。
因此,垂直于泵轴上的每一个同心圆上面周围流体的流动状态(压力与速度)是相同的,依据这个假设,可以分为无数多,无限薄的叶片。
此外,动能向压能的转换应该发生在叶片流道上,并且应该满足c3=c1这个条件。
离心力作用下导致压力增加的值能够确定,如果两个圆柱面r和r+dr之间泵输送的介质颗粒数目是有限的,两个相邻的叶片和轮壁及轮盘之间的颗粒也是可以确定的,因此确定的质点离心力可以表示如下:
下面是压力增加的公式
如果定义:
然后是离心力的具体流动动能变化的计算,离心力做的功可以沿着半径积分得到。
液流由于重力作用而产生加速。
离心力作用下,液流水头有所增加。
相对速度w的减少而导致的压力的增加可以从下面的动力学积分公式推得:
因为w随着压力的提升而减少,因此dw也会逐渐减少。
因为ds/dt=w以及
那么可以把公式写成:
这样可以得到:
相对速度减少而转换来的功的计算可以沿着整个流道进行积分得到:
功除以重力加速度,那么输送的扬程可以表示为:
结合图2-2c,在peeler中速度能的转换可以表示为:
2.3扬程的测定
无限多叶片假设下整个流动过程中传递的功表示为:
我们利用速度三角形来表示各个速度之间的关系。
利用流体机械中的欧拉方程,我们可以最终将相对速度消除。
那么理论扬程可以表示为:
2.3.1有限叶片数的影响
当叶轮中叶片数有限时,沿着同心圆持续的压力比将不复存在(图2-3),基于相对速度涡流的普佛德尔理论可以解释这种速度的不均匀分布。
在叶片正面相对速度较小,而在叶片背面相对速度较大,这就导致原来正常的流动过程中中出现向的速度涡流,这样,相对流动角的扩大将导致速度cu28到cu2过程中圆周速度分量的减小,因此,根据欧拉方程:
在有限叶片数的条件下,那么由叶片传递的功就会有所减小,由图2-3,这两种叶轮做功之间的比值关系可以用减小因素p来表示:
功的减少并不代表功的损失,而是作为对泵叶轮不够准确的线性理论的修正。
因为跟无限叶片数假设不同,功减系数始终不为零,这就使得两个叶片功始终不同。
2.3.2叶片角
叶片出口角理论上可以取值的范围是十分广泛的:
当叶片出口角>90度时,这时叶片就是后弯式叶片。
当叶片出口角=90度时,这时叶片属于径向式叶片。
当叶片出口角<90度时,这时叶片属于前弯式叶片。
图2-4.叶片出口安放角
方程跟速度三角形表明,叶片出口角角度越大,那么叶片所做的功也就越多,从图2-4中,我们可以看出,当叶片出口角比较小的时候,导致绝对速度c2的值比较大,在peeler中该速度能向压力能转换的过程也将导致重力能的损失。
因此,我们倾向于选择角度稍大的后弯式叶片,以期得到一个较小的绝对速度c2.但是较大的出口角也有其缺点,那就是要实现相同的扬程,就需要更大的圆周速度,这样就会导致圆盘摩擦损失有所加大。
由于叶轮进出口之间巨大的压力差,这就导致了较大的泄漏损失,然而,这些缺点都无法掩盖其具有较高水力效率的优点。
因此,在离心泵中,一般只有出口角在140-160度的后弯式叶片被广泛使用。
2.4损失与效率
离心泵中发生的损失可以被归结为一下几类:
1)内部损失
1.水力损失或者叶片摩擦损失,有效面积或液流放心的改变。
2.叶轮与泵壳体之间密封区域流体的损失,一般发生在轴封处或者平衡活塞处。
3.泵轴轮毂处的摩擦损失。
2)外部损失或者机械损失
1.滑动轴承处损失或者密封处表面摩擦损失。
2.离合器处的空气摩擦损失。
3.驱动泵的辅助设备的能量损耗。
因为泵壳内部有部分功被损失掉了,因而在叶轮输送流体介质时就必须额外得输送出这部分功。
这些内部损失的能量有一个共同点就是他们都会转变为热能使得输送介质升温。
这些损失的总和可以用Pi来表示,他们必须由泵轴来提供。
相反,外部耗散掉的热以及机械损失的能量不会进入流体内部。
而是会被排出去。
哪个效率可以决定水泵的总效率,即内部效率?
叶片效率和水力效率?
这是不可能的,他们必须经过计算,排除掉损失,并且这些不是压力损失。
有关损失的公式汇总在图2-5
2.5性能表现、
对于离心泵的性能表现,可以理解为机器提供的流量跟扬程之间的关系。
在评估水泵的性能表现时,必须考虑到泵不是一个孤立的机器,而是要考虑到水泵是一个完整的整体,但是其各个组成部分都需要被考虑进去。
2.5.1离心泵特性
从消费者的角度来看,泵可以用以下几点特性来描述。
涡轮机械的特性代表了不同机械或者操作参数之间的关系。
泵有等参数,但是最重要的参数还是NPSH。
经常使用到的具有代表性的参数比如扬程H,功率P,效率,或是基于体积流量的NPSH值,几何学参数比如叶轮直径D2,peeler的位置a或者机器的转速n,经常被用作基准参数。
此外还有许多用来表示水泵特性曲线的参数(比如自旋特性,转速特性)
图2-6:
水泵的性能曲线
在图2-6中,我们已经可以读出很多提供给我们的特征参数的数据。
在图2-7后,接下来的都是固定转速径向型离心泵的一些特性。
1.平均流量
水泵排出流量,当水泵工作在额定转速,额定扬程以及规定的传输液体。
2.最佳流量
在合同上标明的规定转速、规定流体情况下效率最高的工况对应的的流量。
3.最大流量
允许的最大流量,在这种情况下,水泵能持续安全稳定得泵送而不会受到损害(限制条件如NPSH,径向力或轴向力)。
4.最小流量
允许工作的最小流量,水泵可以持续工作无损伤。
5.最高扬程
水泵可以持续工作无损伤情况下能达到的最大扬程。
6.标准扬程
合同上标明的标准转速,标准工质的情况下水泵的扬程。
7.最优扬程
标准流速,规定流体情况下,最佳效率点工况下的扬程。
8.最小扬程
水泵可以持续工作无损伤情况下允许的最小扬程。
9.0流量扬程
额定转速,规定流体情况下,流量为0时的扬程。
10.理论极限扬程
水泵运行特性理论曲线顶点处所对应的扬程。
图2-7:
离心泵固定转速时的性能特性
要想精确得测定出上述的这些特性参数,只能通过试验的方法。
为了更好的理解这个理论的有效性。
首先我们要假设过程是基于无摩擦,绕叶片理想流动,然后我们再考虑有限叶片数的影响以及损失。
具有相同的圆周速度以及相同的相对流动角,相同转速,无旋入流的情况下,不同的流量的情况,从欧拉方程可以得到:
图2-8:
不同流量下对应的速度三角形差异
轴面速度是与流量成比例的。
可用以下公式:
、
从叶片出口处的速度三角形可以推导出:
以及:
、
可以推导出:
体积流量大小所影响的理论特性见图2-9,角度决定了直线上升的梯度大小,当该角度采用通常的钝角时,的值会随着流量的增加而有下降的趋势。
图2-9:
无损失流动下的理论特性曲线
如果P的值比较小并且1/(1+p)将会是一个常数,那么流量跟功之间的关系也将会是一条直线。
到目前为止,我们都没有考虑到损失。
如果考虑到碰撞损失跟摩擦损失,那么结果就会显著不同。
在设计工况点的摩擦损失值我们有以下公式给出:
如果运行工况跟设计工况不是同一点,那么他们的比值会是他们对应的流量比值的平方成正比。
流速偏离设计工况时对应的流速时,流速越大,那么造成的摩擦损失就越大。
如果速度的方向与相对流动的方向出现偏差时,以及体积流量的变化都会造成额外的碰撞损失。
具体减少的功与实际流量与理论流量差值与实际流量比值的平方成正比。
通过减去Yvr跟Yvs两种损失后,就会得到我们想要的水泵特性曲Y=f(V)了,此外,从下面这个公式:
Y/Yth=
计算水泵水力效率的过程中,除了功之外,扬程也会经常被表示为流速的函数。
图2-10:
实际水泵性能曲线
2.5.2相似定律
这个准则适用于同一转速下的离心泵,要开发一台新的产品,一般来说,我们必须知道在不同转速下泵运行的曲线,或者去参考一个已经制作完成的水泵。
另外,我们会采用机械相似准则。
利用相似转换得到透平机械的主要参数,下面所述的条件必须满足:
拿来作为对比参考的水泵,必须在形状跟形式上面几何相似。
流道中的液流的流动,必须保证运动学相似,这就意味着,水泵的无量纲速度三角形必须几何相似。
进行对比的流体,必须动力学相似,惯性力跟摩擦力必须也要相似,这就要求他们的雷诺数要相似。
在相同的效率下,无旋入流的情况下,两个几何相似的叶轮a,b有着相同的无量纲速度三角形,同时有着下面的联系:
扬程:
体积流量:
有用功:
我们一般所说的效率相等都是近似,是不准确的,因为设备机器大小的影响,转速的影响,输送介质的粘度的影响,都会影响效率。
效率的变化我们可以通过公式来衡量。
通过佛莱德尔公式:
即使是不同转速的泵,事实证明这个公式是始终成立的。
图2-11所表示的是一台双级径向叶片式离心泵,设定的参数:
流量74.5立方米每小时,并且转速是1500转每分钟,当输送介质为水时,通过测量值可以得到下列曲线。
图2-11.一台双级水泵的相似性证明
2.5.3泵的运行点
设备所使用的离心泵的运行点不仅受到水泵本身的特性的影响,同时也受到设备自身的影响。
设备的特性决定了输送扬程,这是输送水流过程中克服各种阻力(流动以及管道)所必须的。
根据连续性方程以及能量守恒定律,扬程可以由以下的公式表达:
设备的特性包涵静态特性(不受流量的影响),以及动态特性(跟速度的平方与输送路径的长度成正比)
图2-12是一个普通离心泵设备的静态以及动态特性的示意图。
如果管道是直管道,那么每米下降的压力损失可以用达西公式近似计算:
简写为:
图2-12:
整个设备装置的特性曲线
我们如果假设管道的摩擦系数跟阻力系数是独立且不变的,那么其实在雷诺数以及在扬程公式中他们都是可以忽略不计的。
水泵的工况点其实可以是进行自调节的,在那一点,设备跟离心泵的扬程是吻合的,这是水泵特性与机械特性的交点,水泵在调节工况点时需要保证的一个很重要的条件是:
NPSH1(给)=NPSH2(需)
只有在满足这个条件,才能保证水泵的空化性能能保证要求。
2.5.4离心泵设备的组织
随着机器的状态不断改变,一个调节的机制就开始起作用了,两个特性的交点不断的移动,知道达到要求的流量时,才会停止,为了达到这个效果,可以采取以下几种措施:
对机器进行改进:
改变机器特征对应函数H=F(V)的动态特性:
1.节流,阀门调节。
2.打开旁通压力脉冲。
改变机器的静态特性。
1.调节水箱中的压力。
2.改变水位高度。
对水泵进行改进:
改变水泵的参数:
1.水泵的转速
2.在叶轮前端通过旋转阀门或者安排支路来调节
3.转动叶片的安放位置
4.接通或断开并联工作的水泵
5.修正叶轮的直径
6.切割叶片的端部
对传输介质的改进:
1.通过注入蒸汽泡沫改变传输介质的平均密度。
图2-13:
阀门特性曲线
在实际的过程中,我们经常会同时进行用节流阀门调节(节流特性),也利用改变水泵的比转速来实现。
我们可以通过调控电动机,来控制动态损失Hv,
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