【正文】 北京化工大學機電學院 王奎升 流體機械 第四章 葉片式流體機械 概述 葉片式流體機械在國民經(jīng)濟的各個部門以及人民生活中都有廣泛的應用。在石油工程上，葉片式流體機械主要用在油田注水、油井采油、油品輸送以及作為鉆井泵的灌注用泵等；而軸流泵用作熱電站中的循環(huán)水泵、油田供水用泵等。本章主要介紹葉片式流體機械（離心泵）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線、水力設計和選擇使用等問題。 圖 41 離心泵工作原理示意圖 l葉輪； 2葉片； 3螺殼； 4吸入管； 5排出管 離心泵開始工作后 ， 充滿葉輪的液體由許多彎曲的葉片帶動旋轉(zhuǎn) 。 在離心力的作用下 ， 液體沿葉片間流道 ，由葉輪中心甩向邊緣 ， 再通過螺形泵殼 (簡稱螺殼 )流向排出管 。 隨著液體的不斷排出 ， 在泵的葉輪中心形成真空 ， 吸入池中液體在大氣壓力作用下 ， 通過吸入管源源不斷地流入葉輪中心 ， 再由葉輪甩出 。 葉輪的作用是把泵軸的機械能傳給液體 ， 變成液體的壓能和動能；螺殼的作用則是收集從葉輪甩出的液體 ， 并導向排出口的擴散管 。 由于擴散管的斷面是逐漸增大的 ， 使得液體的流速平緩下降 ， 把部分動能轉(zhuǎn)化為壓能 。 在有些泵上 ， 葉輪外緣裝有導葉 ， 其作用也是導流及轉(zhuǎn)換能量 。 在吸入管上及排出口的擴散管后分別裝有真空表和壓力表 ， 用以測量泵進口處的真空度及出口壓力 ， 從而了解泵的工作狀況 。 離心泵的工作特點 （ 1） 工作件 (葉輪 )等速旋轉(zhuǎn) ， 液流均勻 、 平穩(wěn) 。 （ 2） 液體被葉輪甩出后其壓能與動能均增加 ， 再經(jīng)轉(zhuǎn)能裝置 ， 把動能轉(zhuǎn)化為壓能 ， 液體所能增加的壓能有限 。 （ 3） 吸入和排出在時間上是同時進行的 ， 從而取消了泵閥 （ 4） 泵的流量隨壓力的增加而減少 ， 調(diào)節(jié)方便 。 離心泵的分類 離心泵通常按葉輪數(shù)目、葉輪結(jié)構(gòu)、泵殼結(jié)構(gòu)特點及其 用途等進行分類。 葉輪數(shù)目 葉輪吸入方式 泵殼結(jié)構(gòu) 單級泵和多級泵 單吸泵和多吸泵 螺殼泵和透平泵 離心泵的特性參數(shù) （ 1）流量。是指泵在單位時間內(nèi)所輸送的液體體積 ,用 Q來表示 ,其單位為 L／ s或 m3 /h。 （ 2）壓頭 (或揚程 )。是指每一單位重量 (N)的液體通過泵后 ,其能量的增加值 ,用 H示 ,其單位為 J／ N或 m；由于一般離心泵的工作壓力不高，所以通常不采用 MPa，而只用“ m液柱”來表示壓頭的大小。 （ 3）功率 。離心泵的功率通常是指泵的軸功率，也就是動力機輸入到泵軸的功率，以 N軸表示，其單位為 kW。單位時間內(nèi)流過離心泵的液體從泵那里得到的能量叫做有效功率，用 N表示。 （ 4）效率。任何泵不可能把動力機輸入的軸功率完全傳遞給液體，成為有效功率，因為在泵內(nèi)有各種能量損失。泵的效率為有效功率與軸功率之比。 （ 5）轉(zhuǎn)速。指泵軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，其單位為 r/min。 離心泵的典型結(jié)構(gòu)及主要零部件 離心泵的典型結(jié)構(gòu) 在石油工程上使用著各種類型的離心泵。在壓頭不大的場合，往往使用單級離心泵；在注水站和長距離輸油干線上，需要很大的壓頭，使用多級離心泵；在一些特殊的場合，送熱油產(chǎn)品或從深井中采油，要用不同類型的熱油泵或多級電動潛油泵。 圖 42 單級懸臂式 B型泵 1帶吸入短管的泵蓋； 2密封環(huán)； 3葉輪的環(huán)狀突起； 4泵殼； 5葉輪； 6鎖緊螺母； 7泵軸； 8填料套筒； 9填料； 10壓緊套筒； 11支承架； 1213一軸承 圖 43 分段式多級高壓注水泵 1吸入端蓋； 2第一級葉輪； 3第一級導葉； 4中間級葉輪； 5中間級導葉； 6段； 7最末級的導葉； 8排出端蓋； 9軸封裝置； l0滑動軸承； 11壓緊裝置； 12底座 離心泵的主要零部件 離心泵的主要零部件有葉輪、泵殼、導葉、軸、軸承、密封裝置及軸向力平衡裝置等。 葉輪是離心泵中最重要的零件，它將動力機的能量傳給液體。圖 44所示為單吸式葉輪，它由兩個輪蓋構(gòu)成，一個蓋板帶有輪轂，泵軸從其中通過，另一蓋板形成了吸入孔。蓋板之間鑄有葉片，從而形成一系列流道，葉片一般為 6～ 12片，視葉輪用途而定。圖 45所示為雙吸式葉輪。在這種葉輪上，兩個輪蓋都有吸入孔，液體從兩側(cè)同時進入葉輪。 圖 44 葉輪和導葉 圖 45 雙吸式葉輪 是一個液體能的轉(zhuǎn)能裝置，分為有導葉的透平泵泵殼和螺旋形的泵殼兩種。螺殼泵的泵殼結(jié)構(gòu)很簡單，如圖 46和圖 47所示。 圖 46 螺殼泵泵殼及擴散管 圖 47 雙層螺殼和加導葉的螺殼結(jié)構(gòu) 導葉的作用與螺殼相同，它用于分段式多級泵中，具有結(jié)構(gòu)緊湊和在各種工況下平衡徑向力的優(yōu)點。導葉按其結(jié)構(gòu)型式可分為徑向式導葉和流道式導葉。圖 48和圖 49中給出徑向式導葉和流到式導葉的結(jié)構(gòu)。 圖 48 徑向式導葉 圖 49 流道式導葉 為了保證泵的正常工作，應當防止液體外漏、內(nèi)漏或外界空氣吸入泵內(nèi)，因此必須在輪與泵殼間、軸與殼體間都裝有密封裝置。 圖 410 葉輪的密封環(huán) 圖 411 機械密封簡圖 1靜環(huán)； 2動環(huán)； 3彈簧； 4傳動彈簧座； 5固定螺釘； 8密封圈； 7防轉(zhuǎn)銷； 9壓蓋 圖 412 軟填料密封裝置 1套筒； 2填料； 3封漏環(huán)； 4壓蓋； 5填料盒 圖 413 離心泵的軸向推力圖 1， 2葉輪兩側(cè)空間； 3密封環(huán) 離心泵的基本工作理論 葉輪流道投影圖及主要尺寸 葉輪流道的幾何形狀常用軸面投影圖和平面投影圖來表示，見圖 414。 圖 414 葉輪投影圖 a)軸面投影； (b)平面投影 ?D0— 葉輪的進口直徑； D1,D2 — 葉輪的葉片進、出口直徑； b1,b2— 葉輪的葉片進、出口寬度； — 葉輪的葉片進、出口的結(jié)構(gòu)角，是葉片進、出口端部中線的切線和圓周切線的夾角，在離心泵中，一般小于 40 176。 ； t— 節(jié)距。 1 , 2kk?? 葉輪內(nèi)液體的運動 圖 415 液體質(zhì)點在葉輪內(nèi)的運動情況 1．葉輪進口速度三角形 圖 416 葉輪內(nèi)液體的運動 液體進入葉片流道的相對速度 1w可由下式確定： 1w1c 1u已知 和就 可由繪制的進口速度三角形 ,求得相對速度 如圖 416所示