泵的选型与质量方面的考虑毕业论文.docx

泵的选型与质量方面的考虑摘要 ：离心泵是通过叶轮的旋转把液体的内能转换成动能的一种旋转装置。液体由吸入口进入蜗壳，通过高速旋转的叶轮，液体呈放射状加速从泵中向外输出，这时叶轮附近留出一个真空，不断吸引更多的流体进入泵的叶轮附近，这样由叶轮的旋转来完成液体的进出。离心泵的基本概况： 泵的提出，最先是用于转移或压缩液体和气体的设备。在所有泵中，我们一步步采取措施来防止气蚀，气蚀将减少流量并且破坏泵的结构。用来处理气体和蒸汽的泵称为气体压缩机，研究流体的运动的科学称为流体力学。水泵是用管子连接的机械把水从一个地方传到另一个地方。水泵的操作压力从一磅到一万磅每平方英尺。日常生活中，泵是很多见的，有用于在鱼池和喷泉使水循环和向水中充气的电泵，还有用于从住宅处把水引走的污水泵。离心泵的早期形式-螺杆泵，是通过一个管子连接一根螺杆组成的，它是利用螺杆的旋转把水提升上去。螺旋泵经常用在污水处理厂中，因为它们可以运输大量的水，而不会因为碎片而堵塞。在远古的中东，因为对农场进行灌溉的需求，所以有一种强大的动力去推进水泵的进程。在这些区域里，早期的泵是为了将水一桶一桶的从水源或河渠中提升到容器中。古希腊的发明家和数学家阿基米德被认为是公元前3世纪首先提出螺旋泵的发明家。之后，古希腊发明家发明了第一个提水泵。在十七世纪末和十八世纪初，英国的工程师Thomas Savory，法国的物理学家Denis Papin，和英国的铁匠和发明家Tomas Newcomen,它们发明了用蒸汽驱动活塞的水泵。蒸汽驱动的水泵首先广泛的被应用是在从煤矿往外输水过程中。现在离心泵使用的例子，是来自于哥伦比亚河上使用的大古利水坝。这个泵有超过灌溉一百万英亩的土地能力。 离心泵被认为是旋转泵，它有一个旋转地叶轮，叶轮上有叶片，叶片是侵入液体中的。液体也是由叶轮轴向进入泵，并且旋转的叶轮将液体甩向叶片根部。同时叶轮也给液体一个较高的速度，这个速度通过泵的一个固定部件转化成压力。我们一般称为扩压器。在高压泵里，很多叶轮可以被系列选用，并且在一个叶轮后有一个扩压器，也可能含有导轮，可以逐渐的降低液体的速度。对于低压泵来说，扩压泵一般就是一个螺旋形的通道，成为蜗壳，作用原理是拦截面逐渐增加可以有效降低流体的速度。在泵工作前，叶轮必须被灌注，也就是在泵启动时，叶轮必须被液体包围。也可以通过在吸入线上放另一个截止阀来实现，截止阀在泵停止工作时是液体保留在泵内。如果截止阀泄露了，泵可以通过阀的入口，从外面的水源比如说蓄水池来取水灌注。一般离心泵在排水线的地方也有一个阀控制流体和压力。对于小流量和高压力来说，叶轮作用很大部分是放射状的。对于高速流体和低压排水压力，泵中流体的方向可以近似于与轴的轴向平行，这时泵有一个轴流。这时叶轮就近似于螺旋推进器。从一种流动的状态转换到另一种流动的状态是渐进的，对于中间状态，设备可称为混流泵。 2.离心泵 离心泵是化工和石油工业中应用最广泛的一种泵。它能输送性能非常广泛的液体和固体含量高的悬浮液，像泥泥浆，可以用多种抗腐蚀材料建造。泵的整个外壳可用像聚丙烯这样的塑料来建造，或者用腐蚀衬里加工。由于它的高速运转，可将其直接耦合到电动机上，由电动机的规格大小决定流量高低。 在这样的泵中，液体被吸入到旋转叶轮的中心，通过离心作用向外流动。由于高速旋转，液体在吸入口和因动能转化为压能的出口侧获得较高的动能和压力差。叶轮由一系列弧形叶片组成，因此能使液体的流动尽可能平稳。叶轮中叶片越多，则液体的流动方向越好控制，那么液体循环流动时因波动引起的损失就越少。在开式叶轮中，叶片被固定在中心轮毂上，而在闭式中叶片则是用两块钢板支撑以减少漏液。由此可以看出，在很大程度上，叶片末端的角度决定了泵的工作特性。流体通常在轴向上通过叶片的上升进入泵壳。在这种简单类型的离心泵中，液体由切向方向随着横截面逐步流到蜗壳中。图（a）所示为旋涡型泵。图（b）中，在涡轮泵中的液体随移动的叶轮在一系列固定叶片中形成扩散环。 这种旋涡能逐渐改变流体的流动方向，并有效地将动能转化成压能。固定叶片前缘处的流体应该没有受到冲击。沿着叶轮叶片，液体的流动具有一定速度，同时，叶片末端相对于泵体有移动。液体的运动方向相对于泵壳和固定叶片所需的角度一样是两个速度的合成方向。在图c中， c. 是液体相对于叶片的速度， 是叶片上某点的切向速度；将这两个速度合成即可得到液体的速度 。因此，很明显，在扩散环中所需要的叶轮角由叶轮的产量、旋转速度和叶片的角度决定。所以，泵在很严格的条件下才能有最大的运行效能。2.1离心泵的有效压头当流体所剩余的动能全部转化为压能时，压力最大。如下文所述，有效压头和半径的平方以及速度成正比，压力更高时，必须使用多级泵。考虑到液体在离泵中心r到r+dr 的距离内旋转，如图d d.所示。这一部分流体的质量为dM =2rdrd，其中是流体的密度，b是这部分流体的宽度。如果流体在与切向方向成角上以速度u流动，则这部分质量流体的角动量为=dM(urcos)流体通过泵所产生的扭转力等于角动量对时间的改变量d=dM (u r cos)=2r bdr ( u r cos)液体的体积流速为：Q=2 r b Dr=Qd(u r cos)因此，液体在泵中受到总的扭转力由d在小标1和2之间积分而得，下标1引用的是泵入口处的条件，小标2是出口时的条件。于是有：=Q（u2r2cos2 u1r1cos1）2.2离心泵的优缺点主要优点有：（1）制造简单，可用多种材料加工。（2）无阀门。（3）高速运转（高达100赫兹），因此可直接耦合到电动机上。一般地，速度越大，泵和电动机的效率越小。（4）能平稳传送。（5）维修费用比其他类型的泵少。（6）输送堵塞时，只要不是长时间运作，泵就不会被损坏。（7）与其它泵相比，体积较小。因此，它可以利用电动机做成密封装置沉浸在吸收罐中。（8）能容易输送含有高比例悬浮固体的液体。主要缺点有：（1）单级泵不能提高压力。而多级泵能提高压头，但价格昂贵而且由于它们的复杂性不能用抗腐蚀的材料加工建造。通常用较高的速度来减少所需要的级数。（2）只有在有限条件下才能以最高效能运作：尤其是涡轮泵。（3）它不能自动注水。（4）在输送和吸收管道中，如果没有止回阀，液体就会在泵停止瞬间倒流到吸入槽内。（5）不能有效处理粘性液体。3. 离心泵中的汽蚀（1）“汽蚀”一词来源于拉丁语高弓足，这意味着一个中空的空间或空腔。韦氏词典定义的字是在一个非常低的压力区域流动的液体腔内迅速形成和崩溃的“腔”。在离心泵中的任何地方像蒸气泡沫，气体泡沫，气体破洞，气泡等各种条件长期作用都会造成汽蚀。这是一个各种结果同时作用的事情，不能简单地看待。汽蚀的形成讨论如下。在离心泵的蜗壳中，汽蚀意味着一个气泡内的液体，他们的形成，成长和随后通过泵的液体流动崩溃所经历的动态过程。一般来说，液体内气泡的形成有两种类型：蒸汽气泡或气态空泡。1.由于一个进程正在进行的液体汽化而引起的泡沫的形成。蒸汽气泡的形成和崩溃引起的汽蚀条件通常被称为雾状气蚀。2.泡沫形成的过程中，由于正在往泵中输送的液体中溶解入气体（一般空气的存在，但可能是系统中的任何气体），由这些气体的形成和崩溃引起的汽蚀条件通常被称为气态空泡。（2）重要的定义：为了使汽蚀机制有一个清晰的认识，我们对所要遵循的重要术语的定义进行了探讨。1）静态压力，2） 动态的压力，3） 总的能头，4） 静压头，5） 速度头，6） 蒸气压。 静态压力：在流体中的静态压力是指单位面积上流体的的移动边界与流体的正常作用力之间的压力差。它描述了系统内部和外部的压力之间的差异，而无视系统中的其他条件。例如，当提到管道，静压是内管和外管的压力之间的差异，而不用管任何管道内的气流。在能源方面，静态压力是流体的势能。 动态的压力：由于流体的动能（二分之一 ），一个移动的流体流施加压力如果高于静态的压力，这种额外的压力就被定义为动态压力。动态压力流体流的动能将转化为势能。换句话说，它是在流体流已经从它的速度'V'到'零'的速度减慢的过程中存在的压力。总能头：定义为总静压和总动压的总和。它是衡量运动流体流的总能量。 速度头：相应的动态压力的能头称为速度头。 蒸汽压：蒸汽压力必须是保持在液体状态时液体的压力。这适用于液体表面的压力不够时保持分子之间非常接近，气体或蒸汽的分子将是自由的的分离和漫游。蒸汽压力取决于液体的温度。温度越高，蒸汽压越高。（3）汽蚀的危害：汽蚀可以摧毁泵和阀门，可立即引起泵的效率损失，并且设备会不断增加的效率损失，加速对泵部件的侵蚀。因此，重要的是理解现象，充分预测和减少汽蚀产生的危害，也给诊断汽蚀问题找到切实可行的解决方案1）汽蚀增强化学腐蚀泵在汽蚀条件下变得更容易受到腐蚀和化学攻击。金属常用的氧化层或钝化层，可以保护金属的进一步腐蚀。气泡如果连续的产生，就可以去除氧化或钝化层而暴露未受保护的金属被进一步氧化。然后这两个进程（空化及氧化）共同作用，加速腐蚀金属泵壳和叶轮，这一进程就是不锈钢也无能为力。2）材料选择金属，塑料，或人类现在已知的任何其他材料，几乎没有能够承受较高能量释放的热量和压力产生的汽蚀。然而，在实践中材料可以选择，提高材料汽蚀作用下的承受能力，提供更长的使用寿命和经济价值的结果，所以，注意泵的结构材料是重要的和富有成效的。汽蚀的问题，是一个可以预测的问题，常见的材料，如铸铁和青铜就很适合泵的结构。铸铁和青铜泵在工作20年或以上的时间，是没有任何问题的，即使这些泵遇到一些腐蚀。（4）汽蚀的机理：气蚀现象是一个循序渐进的过程，如图所示（下）步骤之一，流动液体内气泡的形成。内部形成气泡的液体，当它从液体到蒸气挥发即发生相变。但液体汽化过程中是怎么发生的呢？任何一个封闭的容器内的液体汽化发生在任何液体表面上产生的压力减小，这样就变成等于或小于液体的蒸汽压力，在工作温度下，液体温度上升，蒸汽压力提高，这样就变成等于或大于在液体表面的压力。例如，如果在室温下的水（约77）保存在密闭容器中，系统压力降低到它的蒸气压（约0.52 PSIA），水迅速变为蒸汽。此外，如果工作压力是恒定保持在约0.52 PSIA和允许的温度上升77华氏度以上，那么水迅速变为蒸汽。试想在一个密闭容器中，液体汽化，可发生在离心泵低于液体的蒸气压在泵的输送温度时，它的静态压力降低。第二步，气泡生长，在没有其他条件变化的情况下，新的泡沫不断形成和旧泡沫规模的扩大。形成的液体气泡从叶轮眼沿叶片后缘尖流向叶轮出口。由于叶轮旋转作用，气泡达到非常高的速度，并最终达到叶轮内的高压地区，在那里他们开始崩溃。据估计，在0.003秒的时间是泡沫的生命周期。第三步，泡沫的破灭，由于蒸汽气泡沿叶轮叶片移动，气泡周围的压力开始增加，直到达到一点泡沫外面的压力大于气泡内部的压力。泡沫崩溃。这个过程不是爆炸的过程，而是一个内爆（向内爆裂）。大约每个叶轮叶片上都有数百相同点会同时产生泡沫的破灭。泡沫的破灭是非对称的，周围的液体无秩序地填补这一空白，形成了液体微喷。微喷后泡沫破裂产生的力量，使气泡爆破。曾经有泡沫破灭的压力大于1 GPA（145x106磅）的报道。高度化的爆破效果破坏了泵的叶轮。汽蚀效果示意图在这个数字说明。泡沫崩溃后，冲击波散发向崩溃的边缘。这是我们称之为“汽蚀”其实就像我们听到的什么冲击波。气泡内爆破，简而言之，汽蚀机制是所有有关泵输送液体内部气泡的形成，生长和崩溃的过程。但如何才能使汽蚀机制的知识能真正帮助解决汽蚀问题。了解它的机制和概念，可以帮助确定气泡的类型和他们的形成和崩溃的原因。(5) 解决方案和补救办法：对于汽化（蚀）问题 1. 防止汽化问题，必须增加吸头，降低流体的温度，或减少NPSH（汽蚀余量）必需的。我们应看看每个可能性： 1）增加吸头：提高水箱中的液位提高通进口的位置放置在一个坑泵减少管道损失。这些损失发生的各种原因，包括：1.此系统的目的是不正确。有太多的配件或管道直径太小一个管道内衬已经崩溃。2.固体已经堵在了管内。3.吸入管倒塌，尤其是它在重型车辆运行的时候。4.一个过滤网被堵塞。5.务必通水口是开放的，不妨碍。通料口可以在寒冷的天气冻结。6.东西卡住管道，它要么增长，或留在最后一次打开系统。也许止回阀被打破，东西卡在管内。7.管道的内部，已经出现的腐蚀。8.一个更大的泵已经被安装，现行的制度有太多的损失，增加容量。9.一个截止阀，用来取代闸阀。10.加热冻结和崩溃的管道。11. 增加泵的转速。12.安装一个增压泵13.加压罐 2）降低流体的温度注射少量液体冷却器往往是不切实际的。绝缘管道想着太阳的一面。小心放电循环线，他们可以加热吸收液。 3）降低必需N.P.S.H. 量使用双吸泵。这可以减少N.P.S.H.R.，或在某些情况下，它将使你由41提高泵的转速降低达27使用较低速度的离心泵使用具有较大的叶轮泵。如果可能的话，安装诱导装置。这些诱导装置可以减少N.P.S.H.R.近50。使用几个较小的泵。三个半容量泵可以比一个大的泵便宜，加上备用。这也将保存较轻负载的能量。 2.吸蚀：1减少吸入管道的碎片。 2接近泵源槽/油底壳。3增加吸线直径。4降低吸程要求。5安装较大的泵运行速度较慢这将降低泵（NPSHR值）所需的汽蚀余量。6增加的压力。 7全开吸入管路阀门。 3.放电蚀： 1改变放电线位置 2.减少排放管线长度为3.增加放电线直径。 4.减少排放静压头的要求。 5.安装更大的泵，它会保持无放电空泡所需流动。 6.完全开放的排放管路阀。 4.对于再循环蚀：1.降低特定的速度泵再循环点以上的流动能力和经营范围。 2.提高吸头。运行产生的各种问题通常源于恶劣的条件 甚至大错特错泵的选择. 一次不适宜的选择可能是由于不充分的泵知识储备和安装条件或者是因为没有做出仔细的考虑与分析。在泵常见的错误选择: 在泵的最大流量与最小流量构成的范围内泵的运行尚未完善定义,它的相关性并未被真正意义上理解或是它不同于人们所预期的情况. If the pump is over-sized because too large a “safety margin” was added to the head and/or the flow rate, the pump will run at partload. This entails not only a reduced efficiency but also more vibrations and noise as well as higher wear and the possibility of cavitation damage. The maximum possible flow rate in the plant has not been specified or determinedcorrectly. For its definition the minimum head that can result in the plant has to be determined by considering as applicable: (1) the minimum back pressure; (2) the maximum inlet pressure in the process; (3) the minimum discharge water level; (4) the maximum suction level; (5) the minimum pipe resistances.As explained in Chap. 11.1, plants with pumps operating in parallel have to be examined very carefully in this regard. For the sake of cost savings an existing pump size is used far outside of the range for which it was designed. This implies heavy trimming of the impeller in order to obtain the specified operation point. Even if the operation point is not too far off the BEP of the trimmed impeller, the pump still runs too far to the left of shockless impeller entry flow QSF, because QSF remains unchanged by the trimming. In that case the pump may permanently operate with recirculation at the impeller inlet, with excessive noise, vibrations, and cavitation damage as a possible consequence, Fig. 4.22. The installation conditions of the pump are not sufficiently taken into account.This is particularly relevant in the case of an inappropriate arrangement of the suction pipe or unfavorable approach flow conditions, Chap. 11.7. The special conditions required by the process in which the pump is to operate have not been analyzed adequately. This not only applies to the intended normal operation but also to load cycling, start-up and shut-down procedures and upset conditions. A pump with insufficient margin between NPSHA and NPSH3 (or NPSHi) is selected leading to problems with vibrations, cavitation noise and/or damage. Inappropriate materials are chosen (corrosion, abrasion, cavitation erosion). Inappropriate machine elements (bearings, seals, etc.) are used.Every pump is part of a system working in an optimum way only if all components are well tuned to each other. Therefore it is necessary, for making a good pump selection, to know those plant features which have an impact on the operation of the pump. In addition to the required flow rate and the head, knowledge of the NPSHA is of particular relevance. In the absence of a clear specification, an idea of its order of magnitude has to be formed at least. Is it a process with a few meters of NPSHA or is it a high pressure pump fed by a booster pump? If the pump is fed from an open pit, the minimum NPSHA of the plant will result from the atmospheric pressure (depending on the installation site above sea-level), the minimum submergence that must be determined according to Chap. 11.7.3, and the pressure losses in the suction pipe, if any.The following conditions should (explicitly or implicitly) be known in view of correctly selecting a pump:1. The task of the pump in the system.2. The system pressure and temperature.3. Data for rated performance: QR, HR,tot. Often rated performance equals the guaranteed point Qg, Hg. The rated and/or guaranteed performance may be identical to the BEP (but this is not necessarily so).4. The NPSHA of the plant at rated, guaranteed or BEP conditions and, as necessary,at other operation conditions.5. Performance data for other specific operation points (if necessary).6. The maximum and minimum flow rates in the domain of continuous operation.7. The maximum and minimum flow rates during short-term operation or in transientconditions, e.g. during a switch-over of parallel working pumps, at load rejection or other.8. For pumps operating in parallel the maximum flow rate (run-out) is determined by the operation of a single pump. At run-out the available NPSHA must be sufficient to prevent excessive cavitation, see Fig. 11.3.9. When pumps are installed in series, their interaction has to be analyzed with regard to control and upset conditions such as one pump falling out of service.10. The type and the chemical composition of the medium to be pumped, in particular corrosive substances.11. The physical properties of the pumpage if it is any other than water or a common,clearly defined medium. In this case the vapor pressure must be correctly specified in order to ensure that the effects and risks of cavitation can be assessed.12. Viscosities appreciably above that of cold water need corrections for Q, H, P, and NPSH according to chap. 13.113. Possible inclusions of free gas or dissolved gases that might separate from the liquid in the suction pipe. The free gas content at the impeller inlet can be estimatedfrom Chap. 6.4.2 and appendix A3. The available NPSHA must be se lected so that the volume fraction of free gas at the impeller inlet is below typically 2 to 4% at low suction pressures, refer also to Chap. 13.2.14. Possible inclusions of solids (abrasion).15. The type of driver (electric motor, turbine, combustion engine).16. Fixed or variable speed? Speed range, if applicable.17. Is a gear box necessary?18. What kind of control is intended?19. How much standby capacity is required (e.g. 2x100% or 3x50% pumps)?20. Operation mode: Continuous or short-term operation? Cyclic operation withfrequent start-ups and shut-downs?21. Installation conditions: Horizontal or vertical arrangement?22. Approach flow or suction conditions: Open or closed circuit? Open pit?23. Fluid level variations in the suction and discharge reservoirs or pressure variations on the suction and discharge side of the pumping system.24. The system characteristic or at least its static part Hstat resulting from the geodetic head differences and/or the pressure differences between the suction tankand the discharge vessel (Chap. 11.1).25. Are there any special requirements concerning the head-capacity characteristic(steepness, head rise, shut-off pressure)?26. The maximum admissible shut-off pressure with the allowed tolerance, if applicable.27. For correctly sizing the driver, the maximum power consumption must be determined;with a small specific speed it occurs at about the maximum flowrate, with a medium nq near the BEP, and with very high specific speeds at shut-off.28. Are there any special requirements regarding vibrations or noise? Have limitsbeen specified for the sound level? (refer to Table 10.4).29. What tolerances are permitted for manufacturing and measurements? Whichstandard is to be applied for the acceptance test?30. The guarantee and acceptance conditions, including possible penalties on efficiency or power consumption31. The operation period per year and the energy costs (e.g. $/kWh) or an assessment of the capitalized energy costs (e.g. $/kW). Minimization of the energy costs per year according to the intended operation scenarios.32. Safety considerations, explosion protection, zero-leakage to environment, ecological aspects.Depending on the specific application various issues concerning the system should be analyzed: Process and equipment for start-up and shut-down of the pump. Viscosity at start-up. The start-up current. Is the electric supply sufficient for the start-up current? Transients and upset conditions. The minimum requirements in regards to the instrumentation necessary to ensuresafe operation. Is a safety analysis in case of earthquakes required? Is a water hammer analysis necessary and, if so, are protection measures to betaken? Check valve for preventing backflow. Minimum flow operation: choice of appropriate valves; ensure sufficient backpressure to avoid cavitation (cavitation might damage the valve and is likely toexcite vibrations and noise). Is reverse running of the pump possible? The filling of the suction and discharge pipes (pressure pulsations, cavitation). The method and, possibly, the equipment to limit the maximum flow rate.Of course, the investment, operation and maintenance costs are also of eminentimportance.In order to find the best economical and technical solution that meets all thecriteria listed above, the plant and the pump should be seen and optimized as anentity. For example the NPSHA will influence: (1) the construction costs, (2) thespeed and, consequently, type, size, and cost of the pump and of the driver, (3) thecost of a booster pump and driver, if any, and the accompanying piping and fittings.Meeting the requirements for standby capacity may lead to quite differentpump types and system concepts. The layout of the intakes or the suction pipinghas an effect on the selection of the pump type and on troubl