1、水泵结构及运行原理介绍目 录一、绪论二、水泵基础概述三、水泵中的能量转换四、数值模拟五、水泵特性2泵、汽轮机、燃气轮机3泵、压缩机、风机、汽轮机4一、绪论本章内容：1、水泵分类2、应用范围3、工作介质绪论水泵分类根据能量传递的方向不同，可以将流体机械分为原动机和工作机。流体机械原动机工作机将流体的能量转换为机械能用于驱动其他的设备。如水轮机、汽轮机、燃气轮机、风力机等。将机械能转换为流体的能量，以便将流体输送到高处或有更高压力的空间或克服管路阻力输送到远处，如各种泵、风机和压缩机等。瀑布的能量上下游水位差汽车的涡轮增压风力机用于发电等风机用于输送空气6绪论水泵分类根据流体与泵相互作用的方式，可
2、将泵分成容积式和叶片式。泵容积式叶片式工作介质处于一个或多个封闭的工作腔中，工作腔的容积是变化的，机械与流体之间的相互作用力主要是静压力。能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的介质之间进行的。叶片与流体的相互作用力是惯性力。7绪论水泵分类容积式双螺杆泵动力输入轴承、密封等主动螺杆从动螺杆壳体8绪论水泵分类容积式双螺杆泵优点：1，流量平稳无脉动，流量与转速成正比，具计量特性；2，低剪切；3，自吸性能好；4，适应从很低到很高黏度；5，兼 容 高 含 固 量、含 颗 粒 工 况。缺点：1，因定转子间摩擦大，需要较大力矩。效率偏低，往往轴吸收功率1kw,厂家会配3kw甚至更大电机。2，较容易出现干
3、磨，高温，损坏橡胶等材质的定子，定子和密封件一样是耗材。3，往往细长，需要较大安装空间。9绪论水泵分类叶片式动力输入蜗壳进口出口叶片式叶轮基脚密封、轴承等10绪论水泵分类叶片泵离心泵混流泵轴流泵叶轮结构：前盖板、叶片、后盖板叶轮对于泵，即心脏对于血液循环系统11绪论应用范围电力工业目前最大的锅炉给水泵的功率已达到49.3MW，扬程3000m水利工程我国排灌机械的配套功率，在80 年代就已达到57000MW化学工业石油工业潜油泵、油田注水泵、水下油气混输泵、采矿工业航天技术生物医药食品运输核电工程核反应堆中的核主泵对振动、噪声、耐热、耐压、寿命等性能要求非常高12绪论工作介质泵的工作介质多种多样
4、，包括水、油、化学液体、固液两相混合物甚至牛奶等等粘性是指液体在剪切力的作用下，将产生连续不断的变形以抵抗外力的特性在泵的内部，特别是液体流动速度较高的叶片泵的内部，液体的粘性作用紧紧在高进固壁表面的薄膜（边界层）中才比较显著，而在大部分流场中可以忽略粘性的作用13二、水泵基础概述本章内容：1、叶片泵工作过程2、主要性能参数水泵基础概述叶片泵工作过程动力输入进口出口问题：大小、厚度不一？多级离心泵叶轮15水泵基础概述叶片泵工作过程流体机械的叶片表面一般是空间曲面，为了研究流体质点在叶轮中的运动，必须用适当 的方法描述叶片的空间形状。由于叶轮是绕定轴旋转的，故用圆柱坐标系描述叶轮及叶片的形状比较
5、方便。空间曲面叶片叶片的轴面投影图轴面？轴截面投影16水泵基础概述叶片泵工作过程轴面投影图叶轮零件图17水泵基础概述叶片泵工作过程吸入室在泵中称为吸水室，它的作用是向叶轮提供具有合适大小的、均匀分布的速度入流。入流速度的分布，对叶轮的工作有很大 影响。a)直椎管式 b)弯管式 c)肘管式 d)环形 e)半螺旋形18水泵基础概述叶片泵工作过程吸入室在泵中称为吸水室，它的作用是向叶轮提供具有合适大小的、均匀分布的速度入流。入流速度的分布，对叶轮的工作有很大 影响。直椎管式弯管式肘管式环形半螺旋形19水泵基础概述叶片泵工作过程吸入室在泵中称为吸水室，它的作用是向叶轮提供具有合适大小的、均匀分布的速度
6、入流。入流速度的分布，对叶轮的工作有很大 影响。进口肋板直椎管式20水泵基础概述叶片泵工作过程吸入室在泵中称为吸水室，它的作用是向叶轮提供具有合适大小的、均匀分布的速度入流。入流速度的分布，对叶轮的工作有很大 影响。进口半螺旋形对称21水泵基础概述叶片泵工作过程22水泵基础概述叶片泵工作过程压水室的作用是将从叫轮内流出的介质收集起来送到出口管路或下一 级。同时消除介质所具有的环量（速度矩），将圆周分速度所对应的动能转化为压力能。23水泵基础概述叶片泵工作过程蜗壳可以降低从叶轮流出的截止的流速，但通常还难以满足要求，所以蜗壳后的排出管要做成扩散管，以进一步降低流速。a)蜗壳b)环形室c)叶片式扩
7、压器（径向导叶）d)无叶扩压器e)组合式f)空间导叶g)轴向导叶24水泵基础概述叶片泵工作过程蜗壳无叶扩压器25水泵基础概述主要性能参数1、流量 q单位时间内通过机器的介质的量（体积或质量）称为流量。体积流量 qv，单位为立方米每秒（m3/s）、升每秒（L/s）或立方米每小时（m3/h）。质量流量 qm，单位为千克每秒(kg/s）、千克每分（kg/min）或千克每小时（kg/h）。根据质量守恒定律，机器在稳定条件下工作时（稳定工况），如果忽略机器内部的泄漏，则通过机器各个过流断面的质量流量是相同的。对不可压缩介质，体积流最也将保持不变。进口出口26水泵基础概述主要性能参数扬程 势能 动能 位能
8、3、转速、转速 n转速n是叶轮（转轮）旋转的速度，单位常用转每分（r/min）4、功率、功率 P功率P对泵而言是指机器的输入功率，单位为kW。27水泵基础概述主要性能参数效率=流体功率/机械功率28三、水泵中的能量转换本章内容：1、流体运动分析2、基本方程式3、能量损失水泵中的能量转换流体运动分析圆柱坐标系中，任意速度矢量都可用其在三个方向上的分量表示。速度矢量c分解成了圆周cu、径向cr与轴向cz三个分量。c=cr+cz+cu其中，圆周分量cu沿圆周方向与轴面垂直，该分量对叶轮与流体之间的能量转换有决定性作用。径向速度cr和轴向速度cz的合成为：cm=cr+cz该分量位于轴面内，称为轴面速度
9、，与流量有密切的关系，故一般情况下只研究速度矢量的两个分量，即：c=cm+cu30水泵中的能量转换流体运动分析离心叶轮中的绝对运动与相对运动由于叶轮是旋转的，故流体质点相对于静坐标系的绝对运动与相对于叶轮的运动是不同的。图示为一离心叶轮的叶片中流体的运动情况。a为叶轮不动时流体在叶片中的流线，b为叶轮转动时叶片上固体质点运动的轨迹，c为叶轮中流体绝对运动的流线。根据速度合成定律，绝对运动是相对运动与牵连运动的矢量和，有：c=w+u式中 c 绝对运动速度；w 流体质点相对于叶轮的速度，称相对速度；u 叶轮上所考查的流体质点重合点的速度（u=r）。31水泵中的能量转换流体运动分析轴流式叶轮中的绝对
10、运动与相对运动将轴流式叶轮按照圆周方向进行展开，得到如下图所示的直列叶栅，其绝对速度与相对速度的分析与离心叶轮一致。32水泵中的能量转换流体运动分析流体质点在三维空间中流经的路径称为空间流线；空间流线所组成的面，成为空间流面；空间流线上的点按照一定的角度进行旋转，投影在轴面上形成轴面流线。33水泵中的能量转换基本方程式为了分析叶轮内的流动，暂时引入以下基本假设：1）叶轮的叶片数为无穷多，叶片无限薄。因此叶轮内的流动可以看作是轴对称的，并且相对速度的方向与叶片表面相切；2）相对流动是定常的；3）轴面速度在过流断面上均匀分布。34水泵中的能量转换基本方程式u1=nr1/30进口过流断面A1有：A1
11、=2r1b1cm1=qv1/A1 =qm1/A11对椎管、弯管及环形吸入室，可认为cu1=0。u2=nr2/30cm2=qv2/A2=qm2/A2235水泵中的能量转换基本方程式36水泵中的能量转换基本方程式伯努利方程：能量头=压能差 +动能差 +位能差 +损失能量守恒定律qv、H、n 欧拉方程三维流场研究计算流体动力学求解叶片泵内部无黏流动的数值解的方法已较为成熟；借助湍流模型，利用N-S方程求解叶轮内的粘性流动。37水泵中的能量转换基本方程式纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，简称N-S方程。矢量形式直角坐标系中N-S方
12、程反映了粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。38水泵中的能量转换能量损失流动损失泄漏损失机械损失摩擦损失冲击损失分离损失二次流损失叶端损失通过转子部件和壳体之间的间隙而引起的泄漏轴承、轴封等部位固体摩擦引起的损失；盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的损失，称为圆盘摩擦损失39水泵中的能量转换能量损失泄漏损失的位置40四、数值模拟本章内容：1、水力设计软件2、三维造型软件3、网格划分软件4、数值计算软件数值模拟过程简介4、数值计算3、划分网格2、三维造型1、水力设计过程5、后处理6、记录结果42数值模拟水力设计软件CFturbo是专业的叶轮及蜗壳设计软件，该软件结
13、合了成熟的旋转机械理论与丰富的实践经验，基于设计方程与经验函数开展设计，并且能够根据用户积累的专业技术和设计准则来定制特征函数。CFturbo广泛应用于离心泵、混流泵、离心风机、混流风机、压缩机、涡轮等旋转机械的设计，只需要给出流量、效率等性能需求，就可以自动生成叶轮及蜗壳造型。CFturbo 具备与多种CAD与CAE软件的直接接口，从而确保CFturbo设计生成的几何造型能够便捷地导入各种软件进行模型修改、性能校核、优化设计、性能分析等相关工作。43数值模拟水力设计软件44数值模拟三维造型软件UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程
14、解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块，具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要，优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。45数值模拟三维造型软件46数值模拟三维造型软件Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/
15、Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。47数值模拟三维造型软件48数值模拟三维造型软件Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。49数值模拟三维造型软件5
16、0数值模拟网格划分软件GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。GAMBIT通过它的用户界面（GUI）来接受用户的输入。GAMBIT GUI简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。51数值模拟网格划分软件ICEMCFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)是一种专业的CAE前处理软件。作为专业的前处理软件ICEMCFD为所
17、有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYS Workbench平台,获得Workbench的所有优势。ICEM作为fluent和CFX标配的网格划分软件，取代了GAMBIT的地位。52数值模拟数值计算软件CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自
18、适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM。53数值模拟数值计算软件54数值模拟数值计算软件CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角/柱面/旋转坐标系，稳态/非稳态流动，瞬态/滑移网格，不可压缩/弱可压缩/可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧，NOx生成，辐射，多孔介质及混合传热过
19、程。55五、水泵特性本章内容：1、水泵特性曲线2、空化空蚀3、流动相似准则4、综合相似判别数比转速水泵特性水泵特性曲线1、以摩擦损失为代表的与流量的平方成正比的损失，零流量时没有这部分损失，故摩擦损失为途中的a区；2、冲击损失，在设计工况下，入流满足无冲击进口，叶轮出口满足蜗壳的无冲击入流条件，因而没有冲击损失，在非设计工况下，冲击损失值与流量偏离值的平方成正比，因此冲击损失为图中b区；3、泄漏损失，为图中c区；4、机械损失，与流量无关，为一常量，为图中d区。为了考虑泄漏，同样要将曲线在横轴方向移动。a区摩擦损失 b区冲击损失C区泄漏损失 d区机械损失 H 扬程 P 功率 效率57水泵特性空化
20、空蚀空蚀的结果空化的轨迹58水泵特性空化空蚀涡带的形状旋涡型空化翼型被空化破坏固定型空化59水泵特性空化空蚀空化是指当液体内部局部压力降低时，在液体中或液固界面上蒸汽或气体空穴的形成、生长及溃灭的过程。水力空化过程类似于沸腾，但与液体工质受热沸腾又有着本质的区别。沸腾过程中，空泡的生长发育是由温度升高引起的，并且在整个过程中，空泡的发育与聚合会产生蒸汽团。这些蒸汽团缓慢的凝结，而不是猛烈的溃灭。反之，空化的初生是由于液体中的压强降低，气核的生长膨胀而形成肉眼可见的空泡。当液体的压强升高时，空泡又缩小，溃灭直至消失。空泡溃灭时将在周围的极小空间内出现热点，产生瞬时的高温(约16274957)和高
21、压(50 MPa以上，约500个大气压)，温度变化率高达109 /s，并能形成强烈的冲击波和速度高达100m/s以上的微射流。60水泵特性空化空蚀空蚀又称气蚀，穴蚀。流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。常发生在如离心泵叶片叶端的高速减压区，在此形成空穴，空穴在高压区被压破并产生冲击压力，破坏金属表面上的保护膜，而使腐蚀速度加快。空蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴。61水泵特性空化空蚀 K为最低压力点（实际上，K点通畅在低压边的最大直径初附近），点L位于叶片低压边上，S点是机器进口断面上的一点。D点是下游自由水面上的一点。必
22、需空化余量有效空化余量汽化压力液柱高度动能与位能差62水泵特性空化空蚀必需空化余量NPSHR，只和泵内部流动特性有关而与装置情况无关，从泵本身来说，必需空化余量引起叶片上压力最低点的压力降低，是发生空化的根本原因，因而能够反映泵空化性能的好坏。有效空化余量NPSHA，越大说明泵低压侧液体具有的能量超过液体汽化压力的余量越多，泵越不容易发生空化或空蚀。010302NPSHA NPSHRNPSHA=NPSHRNPSHA NPSHR泵内部最低压力大于液体汽化压力，不会发生空化泵内部最低压力等于液体汽化压力，开始发生空化泵内部最低压力小于液体汽化压力，空化进一步发展，将变得严重63水泵特性空化空蚀02
23、04010305提高制造加工精度使压力下降更为平缓选用抗空蚀性能良好的材料通常选用不锈钢材料合理选择安装高度将安装高度选小一些，对减小空化空蚀是有利的规定合理的运行范围运行偏离最优工况越远，其空蚀越严重在泵进口增加诱导轮，提高水泵的空化性能64水泵特性空化空蚀带诱导轮的离心泵1、诱导轮 2、泵盖 3、密封环4、叶轮 5、轴套 6、泵轴7、托架 8、泵体65水泵特性流动相似准则在工程实践中，除了少数情况外，试验研究一般是在模型装置上进行的，这就是模型试验截止目前，已可用计算机对流体机械的内部流动进行数值模拟，用以替代部分模型试验。如何进行模型试验或设计试验模型？事实上，由于理论方法尚不完善，很多
24、问题仍需模型试验解决。流体机械内的流动现象十分复杂，常常难以单凭数学分析方法得到实用的结果如何把模型试验结果换算到原型上去？010305040206试验试验替代替代局限局限问题问题1问题问题266水泵特性流动相似准则流体机械内部的流动是粘性可压缩流体的非定常流动；水泵内部的流动是粘性不可压缩的非定常流动。流动相似条件时间相似几何相似运动相似动力相似热力相似物性相似123456长度、面积、体积等相似各流动参数变化过程相似相应点流速大小成比例相应点同名力成比例温度场与热流相似对应点介质物性参数相似如密度、粘性系数等67水泵特性流动相似准则2431相似准则表示惯性力与重力之比表示惯性力与粘性力的比值
25、表示在非定常流动中，当地加速度与位移加速度的比值表示压差力与惯性力的比值斯特劳哈尔数Sr弗劳德数Fr欧拉数Eu雷诺数Re流体力学的相似理论指出，在满足几何相似和物性相似的条件下，只要两个流动的若干无量纲数对应相等，即可保证二者相似，这些无量纲数称为相似准则。在满足几何相似的条件下，为使两台泵的流动相似，就必须保证上述相似准则对应相等Srp=Srm Rep=Rem Eup=Eum Frp=Frmp原型机 m模型机68水泵特性流动相似准则泵单位参数流量系数压力系数功率系数换算公式流量关系压力关系功率关系69水泵特性综合相似判别数（比转速）比转速是由叶轮泵在相似工况下的工作参数n、H、P（或qv）组
26、成的不包含几何尺寸的综合性的相似判别数，应用比转速的概念可以为叶轮机械的设计与模型试验带来许多方便。式中，qv的单位为m3/s，H的单位为m，这是我国水泵行业习惯使用的比转速表达式可以看出，同一台泵，在不同的工况点有不同的比转速，结合水泵的特性曲线可知，当一台泵的流量由零变到最大值时，H（或P）将由最大值变为零，ns值则从零变为无穷大。在我国，计算泵的比转速时，使用其最高效率的工况。70水泵特性综合相似判别数（比转速）由比转速可知的几个结论：1）叶轮低压边与高压边的直径比值随ns的增大而增大；2）叶轮高压边的宽（高）度和直径的比值随ns的增大而增大；3）叶片高压边的叶片角随ns的减小而增大，从
27、而使得叶片变得弯曲；4）随着ns的增大，叶轮高压边宽（高）度将增大，因此通过的流量也可增大，则叶轮低压边的液流速度必然增大，会导致较大的损失，因此对于泵的吸入室要求较高。5）对于叶轮的轴面投影图而言，当ns很小时，流道会变得窄而长，因此叶片的低压边可以缩到流道的径向部位；而当ns增大时，叶轮外径减小而宽度增加，此时为保持一定的叶片长度，叶片低压边的位置必须向吸入室方向延伸。71水泵特性综合相似判别数（比转速）低比转速离心泵比转速：3080中比转速离心泵比转速：80150高比转速离心泵比转速：150300混流泵比转速：300700轴流泵比转速：800200072Q1：图中共有几个叶轮？Q2：左边管道是进口还是出口？12373卧式多级离心泵拆解和安装过程视频74立式单级离心泵拆解和安装过程视频75感谢聆听！76
