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水泵系统与设备运行分析.ppt

水泵系统与设备运行分析

aurora3316
2019-04-16 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《水泵系统与设备运行分析ppt》,可适用于工程科技领域

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、水泵特性泵、汽轮机、燃气轮机泵、压缩机、风机、汽轮机一、绪论本章内容:、水泵分类、应用范围、工作介质绪论mdashmdash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mdashmdash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绪论mdashmdash水泵分类根据流体与泵相互作用的方式可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。绪论mdashmdash水泵分类容积式动力输入轴承、密封等主动螺杆从动螺杆壳体绪论mdashmdash水泵分类容积式优点:流量平稳无脉动流量与转速成正比具计量特性低剪切自吸性能好适应从很低到很高黏度兼容高含固量、含颗粒工况。缺点: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kw,厂家会配kw甚至更大电机。较容易出现干磨高温损坏橡胶等材质的定子定子和密封件一样是耗材。往往细长需要较大安装空间。绪论mdashmdash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、轴承等绪论mdashmdash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绪论mdashmdash应用范围电力工业目前最大的锅炉给水泵的功率已达到MW扬程m水利工程我国排灌机械的配套功率在年代就已达到MW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绪论mdashmdash工作介质泵的工作介质多种多样包括水、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二、水泵基础概述本章内容:、叶片泵工作过程、主要性能参数水泵基础概述mdashmdash叶片泵工作过程动力输入进口出口问题:大小、厚度不一?多级离心泵叶轮水泵基础概述mdashmdash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方便。空间曲面叶片叶片的轴面投影图轴面?轴截面投影水泵基础概述mdashmdash叶片泵工作过程轴面投影图叶轮零件图水泵基础概述mdashmdash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)半螺旋形水泵基础概述mdashmdash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水泵基础概述mdashmdash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。进口肋板直椎管式水泵基础概述mdashmdash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。进口半螺旋形对称水泵基础概述mdashmdash叶片泵工作过程水泵基础概述mdashmdash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。水泵基础概述mdashmdash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)轴向导叶水泵基础概述mdashmdash叶片泵工作过程蜗壳无叶扩压器水泵基础概述mdashmdash主要性能参数、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(ms)、升每秒(Ls)或立方米每小时(mh)。质量流量qm单位为千克每秒(kgs)、千克每分(kgmin)或千克每小时(kgh)。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。进口出口水泵基础概述mdashmdash主要性能参数扬程势能动能位能、转速n转速n是叶轮(转轮)旋转的速度单位常用转每分(rmin)、功率P功率P对泵而言是指机器的输入功率单位为kW。水泵基础概述mdashmdash主要性能参数效率=流体功率机械功率三、水泵中的能量转换本章内容:、流体运动分析、基本方程式、能量损失水泵中的能量转换mdashmdash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=crczcu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=crcz该分量位于轴面内称为轴面速度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=cmcu水泵中的能量转换mdashmdash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=wu式中cmdashmdash绝对运动速度wmdashmdash流体质点相对于叶轮的速度称相对速度umdashmdash叶轮上所考查的流体质点重合点的速度(u=omega∙r)。水泵中的能量转换mdashmdash流体运动分析轴流式叶轮中的绝对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。水泵中的能量转换mdashmdash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。水泵中的能量转换mdashmdash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:)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)相对流动是定常的)轴面速度在过流断面上均匀分布。水泵中的能量转换mdashmdash基本方程式u=pinr进口过流断面A有:A=pirbcm=qvA=qmArho对椎管、弯管及环形吸入室可认为cu=。u=pinrcm=qvA=qmArho水泵中的能量转换mdashmdash基本方程式水泵中的能量转换mdashmdash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NS方程求解叶轮内的粘性流动。水泵中的能量转换mdashmdash基本方程式纳维斯托克斯方程(NavierStokesequation)描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程简称NS方程。矢量形式直角坐标系中NS方程反映了粘性流体(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。水泵中的能量转换mdashmdash能量损失摩擦损失冲击损失分离损失二次流损失叶端损失middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot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水泵中的能量转换mdashmdash能量损失泄漏损失的位置四、数值模拟本章内容:、水力设计软件、三维造型软件、网格划分软件、数值计算软件数值模拟mdashmdash过程简介、后处理、记录结果数值模拟mdashmdash水力设计软件CFturbo是专业的叶轮及蜗壳设计软件该软件结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。数值模拟mdashmdash水力设计软件数值模拟mdashmdash三维造型软件UG(UnigraphicsNX)是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程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。数值模拟mdashmdash三维造型软件数值模拟mdashmdash三维造型软件ProEngineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CADCAMCAE一体化的三维软件。ProEngineer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。ProEngineer作为当今世界机械CADCAECAM领域的新标准而得到业界的认可和推广是现今主流的CADCAMCAE软件之一特别是在国内产品设计领域占据重要位置。数值模拟mdashmdash三维造型软件数值模拟mdashmdash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。数值模拟mdashmdash三维造型软件数值模拟mdashmdash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。GAMBITGUI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。数值模拟mdashmdash网格划分软件ICEMCFD(TheIntegratedComputerEngineeringandManufacturingcodeforComputationalFluidDynamics)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ldquo雕塑rdquo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ANSYSWorkbench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。数值模拟mdashmdash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。数值模拟mdashmdash数值计算软件数值模拟mdashmdash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程。五、水泵特性本章内容:、水泵特性曲线、空化空蚀、流动相似准则、综合相似判别数mdashmdash比转速水泵特性mdashmdash水泵特性曲线、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、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、泄漏损失为图中c区、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mdashmdash摩擦损失b区mdashmdash冲击损失C区mdashmdash泄漏损失d区mdashmdash机械损失Hmdashmdash扬程Pmdashmdash功率etamdashmdash效率水泵特性mdashmdash空化空蚀空蚀的结果空化的轨迹水泵特性mdashmdash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水泵特性mdashmdash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~℃)和高压(MPa以上约个大气压)温度变化率高达℃s并能形成强烈的冲击波和速度高达ms以上的微射流。水泵特性mdashmdash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。水泵特性mdashmdash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水泵特性mdashmdash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。水泵特性mdashmdash空化空蚀水泵特性mdashmdash空化空蚀带诱导轮的离心泵、诱导轮、泵盖、密封环、叶轮、轴套、泵轴、托架、泵体水泵特性mdashmdash流动相似准则试验替代局限问题问题水泵特性mdashmdash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。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、粘性系数等水泵特性mdashmdash流动相似准则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=SrmRep=RemEup=EumFrp=Frmpmdashmdash原型机mmdashmdash模型机水泵特性mdashmdash流动相似准则水泵特性mdashmdash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msH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。水泵特性mdashmdash综合相似判别数(比转速)由比转速可知的几个结论:)叶轮低压边与高压边的直径比值随ns的增大而增大)叶轮高压边的宽(高)度和直径的比值随ns的增大而增大)叶片高压边的叶片角随ns的减小而增大从而使得叶片变得弯曲)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。)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。水泵特性mdashmdash综合相似判别数(比转速)低比转速离心泵比转速:~中比转速离心泵比转速:~高比转速离心泵比转速:~混流泵比转速:~轴流泵比转速:~Chart低比转速离心泵中比转速离心泵高比转速离心泵混流泵轴流泵比转速与叶片泵分类Sheet低比转速离心泵中比转速离心泵高比转速离心泵混流泵轴流泵Q:图中共有几个叶轮?Q:左边管道是进口还是出口?*卧式多级离心泵拆解和安装过程视频*立式单级离心泵拆解和安装过程视频感谢聆听!

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