《流體力學與流體機械》 課件 模塊七 排水設備（項目四）

項目四離心式水泵在管路中的工作演講人【學習目標】了解水泵管路系統(tǒng)和水泵之間的相互關系及影響；了解水泵串、并聯(lián)工作的目的及串、并聯(lián)后的特性；掌握礦山排水系統(tǒng)管路特性，能熟練計算管路的特性方程并能繪制管路特性曲線和求工況點；掌握離心式水泵工況調節(jié)的原理及方法，并能在實際中選擇運用；掌握水泵的正常工作條件、經(jīng)濟運行及性能的測定，并能正確地計算吸水高度；掌握排水設備的操作、運行、管理及故障的分析、診斷與處理。水泵性能曲線上每一個點都對應一個工況，但是當水泵在管路系統(tǒng)中運行時，在哪一點上工作，不僅取決于水泵本身，而且還取決于與其連接的管路系統(tǒng)的阻力特性。因此,為確定水泵的實際工作點，必須研究管路特性。管路特性方程圖7-41為一臺水泵與一條管路相連接的排水管路系統(tǒng)。若以H表示水泵給水提供的圖7-41排水設備示意圖壓頭，取吸水井水面0-0為基準面，列出1-1面和排水管出口截面3-3的伯努利方程，則管路特性方程管路特性方程logo對于具體的管路系統(tǒng)而言，其實際揚程是確定的，因而當管路中流過的流量一定時，所需要的壓頭取決于管路阻力系數(shù)，即取決于管路長度、管徑、管內壁粗糙度及管路附件的形式和數(shù)量。上式稱為排水管路特性方程式。該式表達了通過管路的流量與管路所消耗的壓頭之間的關系。對于具體的管路系統(tǒng)而言，其實際揚程是確定的，因而當管路中流過的流量一定時，所需要的壓頭取決于管路阻力系數(shù)，即取決于管路長度、管徑、管內壁粗糙度及管路附件的形式和數(shù)量。管路特性曲線圖7-42管路阻力特性曲線離心式水泵的汽蝕和吸水高度在確定水泵安裝高度時，水泵的汽蝕是影響水泵安裝高度的重要因素。水泵的安裝高度過大時，可能在泵內產生汽蝕。汽蝕出現(xiàn)后，輕者使流量和揚程下降，嚴重時使泵無法工作。因此，了解產生汽蝕的機理以及如何防止汽蝕的發(fā)生對水泵的選型設計和使用是非常必要的。汽蝕現(xiàn)象水泵在運轉時，若由于某些原因而使泵內局部位置的壓力降到低于水在相應溫度的飽和蒸汽壓時，水就會發(fā)生汽化，從水中析出大量汽泡。隨著水的流動，低壓區(qū)的這些汽泡被帶到高壓區(qū)時，會突然凝結。汽泡重新凝結后，體積突然收縮，便在高壓區(qū)出現(xiàn)空穴。于是四周的高壓水以很大的速度去填補這個空穴，此處會產生巨大的水力沖擊。此時水的動能變?yōu)閺椥宰冃文?，由于液體變形很小，根據(jù)實驗資料表明沖擊變形形成的壓力可高達幾百兆帕。在壓力升高后，緊接著彈性變形能又轉變成動能，此時壓力降低，這樣不斷循環(huán)，直至把沖擊能轉變成熱能等能量耗盡為止。這種汽泡破裂凝結發(fā)生在金屬表面時，就會使金屬表面破壞。這種在金屬表面產生的破壞現(xiàn)象稱為汽蝕。吸水高度吸水高度(或稱水泵幾何安裝高度)是指泵軸線的水平面與吸水池水面標高之差，圖7-44所示為最常見的離心泵吸水管路簡圖。列出吸水池水面0-0與水泵入口截面1-1的伯努利方程為水泵允許吸上真空度水泵實際運行時產生的吸上真空度，不能超過允許吸上真空度。最大吸上真空度是由制造廠試驗得到的，它是發(fā)生汽蝕斷裂工況時的吸上真空度。水泵的允許吸水高度為為了提高水泵的吸水高度，吸入管路的液體的流速不能太高，吸入管路的阻力損失不能太大，所以要盡可能地選擇必要的、阻力比較小的局部件。為了保證離心式水泵運轉的可靠性，水泵的幾何安裝高度應該以運行時可能出現(xiàn)的最大工況流量進行計算。汽蝕余量水泵在運行時，可能因更換了一個吸入裝置而導致水泵產生汽蝕，也可能因更換了一臺水泵而導致發(fā)生汽蝕。由此可見，水泵的汽蝕既與吸人裝置系統(tǒng)有關，也與水泵本身吸入性能有關。汽蝕余量近年來，生產廠家引入了另一個表示水泵汽蝕性能的參數(shù)，稱為汽蝕余量，以符號NPSH或EMBEDEquation.KSEE3表示。汽蝕余量分為裝置汽蝕余量（或有效汽蝕余量）和臨界汽蝕余量（或必需汽蝕余量)。汽蝕余量裝置汽蝕余量是由吸入液面上的大氣壓力、液體的溫度、水泵的幾何安裝高度和吸入管路的阻力損失的大小所決定的，與水泵本身性能無關。在給定的吸入裝置系統(tǒng)與吸入條件下，裝置汽蝕余量就可以確定。在吸入液面上的大氣壓力、液體的溫度和水泵的幾何安裝髙度不變時，裝置汽蝕余量隨流量的增加而下降。裝置汽蝕余量越大，出現(xiàn)汽蝕的可能性就會越小，但不能保證水泵一定不出現(xiàn)汽蝕。汽蝕余量臨界汽蝕余量有效汽蝕余量的大或小，并不能說明水泵是否產生氣泡或發(fā)生汽蝕。因為有效汽蝕余量僅指液體在水泵吸入口處所具有的超過飽和蒸汽壓力的富裕能量，但水泵吸入口處的液體壓力并不是水泵內壓力最低處的液體壓力。液體從水泵吸入口流至葉輪進口的過程中，能量沒有增加，但它的壓力卻還要繼續(xù)降低。汽蝕余量臨界汽蝕余量單位重量液體從水泵吸入口到葉輪葉片進口最低處的壓力為飽和蒸汽壓時的壓力降，稱為臨界汽蝕余量，亦稱泵的汽蝕余量，也就是說，臨界汽蝕余量是水泵內發(fā)生汽蝕的臨界條件，它是水泵本身汽蝕性能參數(shù)，與吸入裝置條件無關。汽蝕余量允許汽蝕余量分析裝置汽蝕余量與臨界汽蝕余量可知，雖然有著本質的區(qū)別，但是它們之間存在著不可分割的緊密聯(lián)系。裝置汽蝕余量是在泵吸入口處提供大于飽和蒸汽壓力的富裕能量，而臨界汽蝕余量是液體從水泵吸入口流至葉輪壓力最低點所需的壓力降，這壓力降只能由裝置汽蝕余量來提供。欲使水泵不產生汽蝕。水泵工況點當一臺水泵與某一管道系統(tǒng)連接并工作時，把水泵的揚程曲線和管道特性曲線，按相同比例畫在同一坐標紙上。水泵正常工作條件穩(wěn)定性工作條件泵在管路上穩(wěn)定工作時，不管外界情況如何變化，泵的揚程特性曲線與管路特性曲線有且只有一個交點，反之是不穩(wěn)定的。下面討論穩(wěn)定工作條件。水泵運轉時，對于確定的排水系統(tǒng)管路特性曲線基本上是不變的。對于確定的泵，泵的參數(shù)是不變的，泵的特性曲線只隨轉速而變化。轉速與供電電壓有關，供電電壓在一定范圍內是經(jīng)常變化的，因此有可能出現(xiàn)如下兩種極端情況，如圖7-46所示。水泵正常工作條件經(jīng)濟性工作條件為了提高經(jīng)濟效益，必須使水泵在高效區(qū)工作，通常規(guī)定運行工況點的效率不得低于最高效率的85%~90%。水泵正常工作條件不發(fā)生汽蝕的條件為保證水泵正常運行，實際裝置的汽蝕余量應大于泵的允許汽蝕余量。總之要保證水泵的正常和合理工作，必須滿足：穩(wěn)定工作條件；工況點位于工業(yè)利用區(qū)；實際裝置的汽蝕余量大于泵的允許汽蝕余量。水泵工況點調節(jié)水泵在確定的管路系統(tǒng)工作時，一般不需要調節(jié)，但若選擇不當，或運行時條件發(fā)生變化，則需要對其工況點進行調節(jié)。由于工況點是由水泵的揚程特性曲線與管路特性曲線的交點決定的，所以要改變工況點，就可以采用改變管路特性或改變泵的揚程特性的方法來達到。水泵工況點調節(jié)節(jié)流調節(jié)當把排水閘閥關小時，由于在管路中附加了一個局部阻力，于是泵的工況點就沿著揚程曲線朝流量減小的方向移動。閘閥關得越小，附加阻力越大，流量就變得越小。這種通過關小閘閥來改變水泵工況點位置的方法，稱為節(jié)流調節(jié)。把閘閥關小時，水泵需額外増加一部分能量用于克服閘閥的附加阻力。所以，節(jié)流調節(jié)是不經(jīng)濟的，但是由于此方法簡單易行，在生產實踐中，可用在臨時性及小幅度的調節(jié)中，特別是全開閘閥使電機過負荷時，可采用少量關小閘閥使電機電流保持在額定電流之下。水泵工況點調節(jié)減少葉輪數(shù)目多級泵由多個葉輪串聯(lián)而成，其揚程可依據(jù)水泵串聯(lián)工作的理論確定。因此，多級泵的揚程是單級葉輪的揚程乘以葉輪個數(shù)，當泵的揚程髙出實際需要揚程較多時，可采用減少葉輪數(shù)調節(jié)泵的揚程，使其進人工業(yè)利用區(qū)進行有效地工作。此法在鑿立井時期排水時采用較多。鑿立井時，隨井筒的延伸所需的揚程隨之發(fā)生變化，而吊泵的揚程是一個有級系列，為適應使用需要，往往采用拆除葉輪的辦法來解決。拆除葉輪時只能拆除最后或中間一級，而不能拆除吸水側的第一級葉輪。因為第一級葉輪拆除后，增加了吸水側的阻力損失，將使水泵提前發(fā)生汽蝕。拆除葉輪時，泵殼及軸均可保持原狀不動，但需要在軸上加一個與拆除葉輪軸向尺寸相同的軸套，以保持整個轉子的位置固定不動，另外也可采用換軸和拉緊螺栓的方法。兩種方法各有優(yōu)缺點，前者調整方便，操作簡單，工作量小，但對效率有一定的影響；后者調整工作量較大，但對效率影響較小。水泵工況點調節(jié)削短葉輪直徑削短直徑后的葉輪與原葉輪在幾何形狀上并不相似，但當切割量不大時，可看成近似相似，仍遵循相似定律。在保持轉速不變的情況下，由相似定律可導出切割定律。水泵工況點調節(jié)低比轉數(shù)葉輪由于葉輪流道形狀窄而長，當切割量不大時，出口寬度基本不變。水泵工況點調節(jié)中、高比轉數(shù)葉輪由于流道形狀短而寬，當葉片外徑變化時，出口寬度變化較大，一般認為葉片出口寬度與外徑成反比。離心式水泵的聯(lián)合工作當單臺水泵在管路上工作不能滿足排水的流量或揚程需要時，通常采用兩臺或多臺同型號水泵聯(lián)合工作的方法解決，聯(lián)合工作的方法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)工作兩臺或兩臺以上水泵順次連接，前一臺水泵向后一臺水泵進水管供水，稱為水泵的串聯(lián)工作。采用串聯(lián)工作的目的是增加揚程。前一臺泵的出口與后一臺水泵的進口直接連接，稱為直接串聯(lián)工作。若前一臺泵的出水口與后一臺泵的進水口中間有一段管子連接則稱為間接串聯(lián)。圖7-51所示為兩臺水泵直接串聯(lián)工作的系統(tǒng)簡圖。兩臺泵串聯(lián)工作時，水泵I由吸水管吸水，經(jīng)泵I増壓后，進入泵II再次增壓一次，然后將水排入管道。串聯(lián)工作揚程（1）對于泵間隔串聯(lián)的情況，其等效揚程特性曲線和工況點求法相同，但當前一臺泵的揚程排至后一臺時，應還有剩余揚程，否則不能進行正常工作。（2）一般選用型號相同或特性曲線相近的水泵進行串聯(lián)工作。否則因為串聯(lián)時兩泵流量相同，流量較大的水泵必然在低流量下工作，不能發(fā)揮其效能，因而很不經(jīng)濟。（3）串聯(lián)工作時，若有一臺泵發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就得停止工作。并聯(lián)工作兩臺或兩臺以上的泵同時向一條管路供水時稱為并聯(lián)工作。并聯(lián)工作的目的是增加流量。管道阻力愈小，管道特性曲線愈平緩，并聯(lián)效益愈高。所以管道特性曲線較陡時，不宜采用水泵并聯(lián)工作。最后還應指出，兩臺或多臺水泵并聯(lián)時，各水泵應有相同或相近的特性，特別是泵的揚程范圍應大致相同，否則揚程較高的水泵不能充分發(fā)揮其效能。因為并聯(lián)時各泵揚程總是相等的，如果低揚程泵揚程合適，則高揚程泵必然因揚程太低而流量過大，使工況點落在工業(yè)利用區(qū)之外。離心式水泵的操作離心式水泵的啟動啟動前，除對水泵進行全面檢查外（如各部件連接是否牢固，泵軸轉動是否靈活，吸水濾網(wǎng)無堵塞，盤車時轉軸是否靈活，有無卡住現(xiàn)象等），首先要向泵腔和吸水管灌注引水，并排出泵腔內的空氣；然后在關閉排水管上的閘閥的情況下啟動電動機。當水泵的轉速達到額定轉速時，逐漸打開閘閥，并固定在適當?shù)拈_啟位置，使水泵正常運轉。離心式水泵的操作水泵啟動前向泵內灌注引水因為若在泵腔內無水的情況下啟動，由于泵腔內空氣的密度遠比水小，即使水泵轉速達到額定值時，如若水泵進水口處不能產生足夠吸上真空度，也無法將水從水池吸人泵內。當水倉水位高于水泵時，水泵經(jīng)常處于注滿水的狀態(tài)，無須其他注水裝置，否則必須進行注水。常用的注水方法有下列幾種：（1）從泵上灌水漏斗處人工向泵內灌水。一般用于水泵初次啟動。（2）用排水管上的旁通管把排水管中的存水引回到水泵腔，一般用于水泵再次啟動。采用上述兩種方法時，吸水管底部必須設置防止引水漏掉的底閥。而設置的底閥增加了管路的阻力，使排水設備多增加了能量消耗，且底閥會出現(xiàn)堵塞而無法吸水的故障。離心式水泵的操作水泵啟動前向泵內灌注引水（3）用射流泵注水。（4）利用真空泵注水。用真空泵注水的系統(tǒng)，如圖7-54所示，它常用于大型水泵的注水。其抽氣速率比射流泵快，可在短時間內使泵灌滿水。水環(huán)式真空泵是最常用的一種，真空泵轉動后，把泵腔內及吸水管中的空氣抽出，形成一定真空，泵腔與吸水面形成壓差，水就進入泵腔。由于真空泵不受壓力水源限制，所以應用相當廣泛。采用后兩種方式，可實現(xiàn)無底閥排水，這樣可以減小吸水管路的阻力損失，對于水泵節(jié)能和防止汽蝕都是有利的，如條件允許應盡置采用。離心式水泵的操作關閉排水管路上閘閥啟動由于閘閥關閉時泵的流量為零，從泵的功率特性曲線可以看出，零流量時泵所需功率最小，電動機的啟動電流也最小。所以關閉閘閥啟動，可減小啟動電流，減輕對電網(wǎng)的沖擊。在啟動時，一旦電動機轉速達到正常，應迅速地逐漸打開閘閥，而不應在閘閥關閉狀態(tài)長時間（一般不超過3min)空轉，因為這樣容易引起泵內的水過熱。打開閘閥的過程應注意觀察壓力表、真空表和電流表的讀數(shù)是否正常。在開啟過程中壓力表讀數(shù)隨著閘閥開度的增加而減小，相反真空表讀數(shù)是增大的，電流表讀數(shù)也逐漸上升，最后都穩(wěn)定在相應的位置上。離心式水泵的操作運行中的注意事項（1）經(jīng)常注意電壓、電流的變化。當電流超過額定電流，電壓超過額定電壓的±5%時，應停止水泵，檢査原因，進行處理。（2）檢查各部軸承溫度是否超限（滑動軸承不得超過65℃，滾動軸承不得超過75℃)。檢查電動機溫度是否超過銘牌規(guī)定值；檢查軸承潤滑情況是否良好（油量是否合適，油環(huán)轉動是否靈活）。離心式水泵的操作檢查各部螺栓及防松裝置是否完整齊全，有無松動（4）注意各部聲響及振動情況，有無由于汽蝕而產生的噪音。（5）檢查填料密封情況，填料箱溫度和平衡裝置回水管的水量是否正常。（6）經(jīng)常注意觀察壓力表、真空表和吸水井水位的變化情況，檢查底閥或濾水器插人水面深度是否符合要求（一般以插人水面0.5m以下為宜)。（7）按時填寫運行記錄。離心式水泵的操作離心式水泵的停泵停泵時，首先關閉排水管上的閘閥，而后關閉真空表的旋塞，再按停電鈕，停止電動機。若不如此，則會因逆止閥的突然關閉，而使水流速度發(fā)生突變，產生水擊。嚴重時會擊毀管路，甚至擊毀水泵。停機后，還應關閉壓力表旋塞，并及時清除在工作中發(fā)現(xiàn)的缺陷，查明疑點，做好清潔工作。如水泵停車后在短期內不工作，為避免鎮(zhèn)蝕和凍裂，應將水泵內的水放空，若水泵長期停用，則應對水泵施以油封。同時每隔一定時期，電動機空運轉一次，以防受潮?？辙D前應將聯(lián)軸器分開，讓電動機單獨運轉。排水設備的常見故障診斷及處理排水設備丁作時發(fā)生故障，勢必影響排水工作的進行，嚴重時影響正常生產。因此，必須掌握珍斷故障的基本方法，以求準確、迅速地排除故障。排水設備的故障可分為兩類，一類是泵本身的機械故障，一類是排水系統(tǒng)的故障。因為水泵不能脫離排水系統(tǒng)而孤立工作，當排水系統(tǒng)發(fā)生故障時，雖不是水泵本身的故障,但能在水泵上反映出來。排水設備的常見故障診斷及處理泵內存有空氣此時，真空表和壓力表讀數(shù)都比正常值小，常常不穩(wěn)定，甚至降到零。因為泵內存在空氣時，壓頭會顯著降低，流量也會急劇下降。01泵內存有空氣是由吸水系統(tǒng)不嚴密引起的，容易發(fā)生漏氣的部位及原因有：吸水管系統(tǒng)連接處不嚴，填料箱密封不嚴，真空表接頭松動，吸水管插入水中的部分過淺等。02此外，當吸水管與水泵安裝位置不合適時，由于吸水管最高處不能完全充滿水，有空氣憋在里面，水泵也不能正常工作。03應特別注意，離心式水泵轉速降低或反轉，也有類似征兆，兩表讀數(shù)偏小，但比較穩(wěn)定。04排水設備的常見故障診斷及處理吸水管堵塞此時，真空表讀數(shù)比正常值大，壓力表讀數(shù)比正常小。因為吸水管堵塞，吸水管阻力増加，也就加大了吸上真空度，所以真空表讀數(shù)比正常值大。同時由于流量減小，排出阻力便減小，因此壓力表讀數(shù)比正常值小。吸水管堵塞容易發(fā)生的部位及原因有：吸水管插人太深，由于吸水井淤泥太多，沒有及時清理，底閘與泥接觸；濾網(wǎng)太臟；底閥未能全打開等。排水設備的常見故障診斷及處理排水管堵塞此時，壓力表讀數(shù)比正常值大，真空表讀數(shù)比正常值小。因為排水管堵塞，使排水管阻力增大，因而壓力表讀數(shù)上升；又因排水管阻力增大，使流量減小，故真空度下降。排水管堵塞發(fā)生的部位及原因為排水閥門未打開或開錯閥門。排水設備的常見故障診斷及處理水泵葉輪堵塞此時，壓力表和真空表讀數(shù)均比正常讀數(shù)小。因為葉輪堵塞后，都會使揚程曲線明顯收縮，則工況點向流量減小的方向移動，揚程減小故壓力表和真表的讀數(shù)均比正常讀數(shù)小。排水設備的常見故障診斷及處理排水管破裂此時，一般是壓力表讀數(shù)下降，真空表讀數(shù)突然上升。這是因為排水管破裂后，排水管阻力減少，使流量增大，從而造成真空度上升。從兩表讀數(shù)來看，同吸水管堵塞時真空度增大，壓力表讀數(shù)下降一樣，但是排水管破裂往往是突然發(fā)生的，因此兩表讀數(shù)變化比吸水管堵塞時要快一些。另外，流量增大會引起負荷增加，與吸水管堵塞引起負荷降低的情況可從聲響、電流表讀數(shù)的變化加以區(qū)別。在這種情況下，應立即停泵，査明原因。排水管路破裂的原因，主要是管路焊接質量不高、鋼管銹蝕嚴重、操作中突然開閉閘閥而引起水擊等。只要嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，認真檢查管路的銹蝕情況并定期試壓，就能避免事故的發(fā)生。排水設備的常見故障診斷及處理泵產生汽蝕一般來講泵產生汽蝕時，真空表和壓力表讀數(shù)常常不穩(wěn)定，比正常值小，有時甚至降到零。但由于引起泵產生汽蝕的直接原因不同，所以兩表的變化規(guī)律也不完全相同。若吸水管嚴重堵塞時，使真空表讀數(shù)增大，但真空度過大，超過泵的允許吸上真空度時，便會引起汽蝕，這時真空度降低，甚至降到零。若泵的允許吸上真空度本來就低（或泵安裝位置過高），剛打開排水閘閥就可能產生汽蝕，這時真空度不一定是先增加后降低，往往是一開始就低下來，甚至為零。若排水管破裂發(fā)生在泵站的附近時，使真空表讀數(shù)增加太多，超過了泵的允許吸上真空度而產生汽蝕，這時真空表讀數(shù)的變化情況是突然升高，然后又下降。防止和消除汽蝕方法有以下幾種。排水設備的常見故障診斷及處理泵產生汽蝕（1）從泵的設計上看，應盡量減小允許汽蝕余量值增大。（2）從吸水裝置的設計上看，一是盡量減小吸水管路水頭損失，即減少吸水管長度、減少吸水管附件（如底閥