泵与压缩机往复泵.ppt

泵与压缩机,主讲: 冯 进 长江大学机械工程学院,4 其它型式的泵,在石油储运工业中，使用最多的是离心泵，这是由于离心泵的流量，扬程能满足生产的需要，而且适应性强，结构简单、使用维护方便等特点所决定。 在其它一些场合下需要有特殊的使用性能时，如在输送含有气体的液体时需要有自吸能力的泵，像自吸式离心泵、旋涡泵等。在输送压力高、流量小、输送液体粘度大及含有气体的介质时，需要选用某些容积式泵来完成任务。本章主要介绍往复泵。,4.1 往复泵,往复泵是容积泵的一种，它依靠活塞在泵缸中往复运动，使泵缸工作容积呈周期性的扩大与缩小来吸排液体。由于往复泵结构复杂、易损件多、流量有脉动，大流量时机器笨重，所以在许多场合为离心泵代替。但在高压力、小流量、输送粘性大的液体，要求精确计量及要求流量随压力变化小的情况下仍采用各种型式的往复泵。,往复泵是泵类产品中出现最早的一种，在旋转式原动机出现以前，往复泵几乎是唯一的泵类。在旋转式原动机出现后，出现了象离心泵等其它类型泵，在某些应用场合取得了往复泵。但往复泵的特点并没有被其它类型泵所代替，至今仍将作为一种不可缺少的泵类，被广泛采用。,4.1.1往复泵的结构及工作原理,1.往复泵的结构 往复泵主要由两部分组成，即动力部分和水力部分。动力部分又称动力端，主要由曲柄、连杆、十字头等组成。水力部分又称液力端，主要由泵头、缸套、活塞，活塞杆、吸入阀、排出阀及密封盘根等组成。,2.往复泵的工作过程 活塞从最左端往右运动，工作腔容积增大，压强降低，吸入阀打开，排出阀关闭，液体从吸入管流入缸内，开始吸入过程，直到活塞运动到最右端为止。活塞从最右端往左运动，工作腔容积减小，压强上升，吸入阀关闭，排出阀打开，液体从缸内流入排出管，开始排出过程，直到活塞运动到最左端为止。,活塞往复一次，称为一个冲程。 在一个冲程泵吸入和排出液体各一次，这种泵称为单作用泵。 在一个冲程泵吸入和排出液体各两次，称为双作用泵。,3.往复泵的工作原理 活塞在缸内往复运动，实现工作腔容积变化，使吸入阀和排出阀交替开闭，从而实现吸排液体的目的，将机械能转换为液体的压能。,4.往复泵的工作特点 1)往复泵的流量与往复泵活塞(柱塞)的直径D、冲程长度S、活塞(柱塞)每分钟往复次数n及液缸数z有关，而与往复泵的扬程、输送介质的温度和粘度无关。 2)往复泵的扬程取决于往复泵在其中工作的装置特性，只要往复泵有足够的强度、原动机功率，以及相应的密封能力，活塞就可以把液体排出。,3)往复泵不能象离心泵那样在关死点运转，因此在往复泵装置中必须装有安全阀或其它安全装置。 4)往复泵有良好的自吸能力，泵在一定的安装高度下，不需要灌泵就可以在规定的时间内启动并达到正常工作状态。,往复泵也存在某些缺点； 1)往复泵的流量较小，且流量不均匀。 2)由于往复泵的转速比较低，所以，其外形尺寸和重量较大。 3)往复泵的结构比较复杂。,4.1.2往复泵的分类,1.按泵的液力端特点分类 1）按与输送介质接触的工作构件分类 活塞泵、柱塞泵和隔膜泵 2）按作用特点分类 单作用泵、双作用泵和差动泵 3）按缸的数量分类 单缸泵、双缸泵、三缸泵、多缸泵,4）按缸的布置位置分类 卧式泵、立式泵、角式泵、对置式泵 2.按泵的动力端传动特点分类 曲柄连杆泵、凸轮泵、无曲柄泵 3.按泵的驱动方式分类 机动泵、直动泵、手动泵,4.按泵的排出压强分类 低压泵（小于1MPa） 中压泵(110MPa) 高压泵（大于10MPa） 5.按泵的冲次大小分类 低速泵（n80rpm ） 中速泵（ 80rpm n 250rpm） 高速泵（ 250rpm n 550rpm） 超高速泵（ n550rpm ）,6.按泵的输送介质分类 油泵、酸泵等。 7.按泵的用途分类 注水泵、计量泵等。,4.1.3往复泵的流量,1.理论平均排量 往复泵的理论流量是单位时间内活塞所排出的液体体积，在理论上等于活塞工作面在吸入行程中单位时间内在泵缸中扫过的体积，泵的理论平均排量。 单作用泵 双作用泵,2.理论瞬时排量 由于活塞作变速运动，所以往复泵工作过程中的流量也是变化的。因此，为了研究流量变化规规律，就必须知道每一瞬时的排量。在排出过程中，任一瞬时往复泵的理论排量等于活塞的面积与活塞运动速度的乘积。,1）泵的理论瞬时流量 曲柄转角从左止点开始算起，即在左止点时 =00，逆时针旋转方向量度。活塞位移x也以左止点为起点， =00 ， x 0。 （1）活塞位移,其中：,活塞位移,（2）活塞运动速度,其中：,其中：,活塞运动速度,（3）活塞运动加速度,其中：,活塞运动加速度,（4）单作用泵的理论瞬时排量,当活塞从左往右运动，左腔吸入液体，速度0。当活塞从右往左运动，左腔排出液体，速度0。因此，单缸单作用泵的理论瞬时排量为：,（0）,（A）单缸单作用泵的理论瞬时排量,单缸单作用泵理论瞬时排量和平均排量,（B）双缸单作用泵的理论瞬时排量,双缸单作用往复泵的两曲柄的相位角为0 = 1800。当缸1的活塞从左往右运动时，缸2的活塞从右往左运动。因此，双缸单作用泵的理论瞬时排量为：,双缸单作用泵理论瞬时排量和平均排量,（C）三缸单作用泵的理论瞬时排量,三缸单作用往复泵的两曲柄的相位角为0 = 1200。设缸1的瞬时排量为q1，缸2的瞬时排量为q2，缸3的瞬时排量为q3，三缸单作用泵的理论瞬时排量为：,三缸单作用泵理论瞬时排量和平均排量,（D）四缸单作用泵的理论瞬时排量,四缸单作用往复泵的两曲柄的相位角为0 = 900。设缸1的瞬时排量为q1，缸2的瞬时排量为q2，缸3的瞬时排量为q3，缸4的瞬时排量为q4，四缸单作用泵的理论瞬时排量为：,四缸单作用泵理论瞬时排量和平均排量,（E）五缸单作用泵的理论瞬时排量,五缸单作用往复泵的两曲柄的相位角为0 =720。设缸1的瞬时排量为q1，缸2的瞬时排量为q2，缸3的瞬时排量为q3，缸4的瞬时排量为q4，缸5的瞬时排量为q5，五缸单作用泵的理论瞬时排量为：,五缸单作用泵理论瞬时排量和平均排量,（A）单缸双作用泵的理论瞬时排量,当活塞从左往右运动，左腔吸入液体，右腔排出液体，理论瞬时排量为(F-f)。当活塞从右往左运动，右腔吸入液体，左腔排出液体，理论瞬时排量为-F 。因此，单缸单作用泵的理论瞬时排量为：,（5）双作用泵的理论瞬时排量,单缸双作用泵理论瞬时排量和平均排量,（B）双缸双作用泵的理论瞬时排量,双缸双作用往复泵的两曲柄的相位角为0 =900。设缸1的瞬时排量为q1，缸2的瞬时排量为q2，双缸双作用泵的理论瞬时排量为：,双缸双作用泵理论瞬时排量和平均排量,3. 流量不均度不均匀系数 往复泵流量不均匀系数的表示方法较多，通常有： qmax瞬时排量最大值 qmin瞬时排量最小值 qm瞬时排量平均值,由于往复泵的流量不均匀合造成排出压力的脉动，尤其是当排出压力的变化频率与排出管路的自振频率相等或成整倍数时，就会引起共振。往复泵的流量、压力波动会使原动机的负载不均匀，缩短往复泵和管路的使用寿命。同样，因流量和压力的波动会使往复泵的吸入条件变坏。 选样合适的液缸数、作用数或采用空气室等方法可以减小流量和压力的脉动。,4.实际流量 实际上，往复泵所排出液体的体积要比理论上计算的体积小。往复泵在单位时间内所排出液体量称为实际流量，用Q表示。 a流量系数， a小于1。,实际流量和理论流量差别的原因有： 1)由于吸人阀和排出阀开闭迟缓所引起。 2)阀、活塞和液缸体、活塞杆和填料箱等有关地方的不严密引起的泄漏。 3)在吸入管路中的压力降低时，从吸入液体中分离出溶解在液体中的气体，以及少量空气通过吸入管路、填料箱等不严密处进入液缸体内形成空气囊。 4)当往复泵的工作压力较高时，就不能忽略液体的压缩性。,根据上述原因可以把流量系数分为两部分，即充满系数v和容积效率v 。 在吸入过程中，受进入气体和析出气体的影响，液体未充满液缸，实际进液量为：,在排出过程中，受阀的开闭迟缓和密封不严的影响，造成液体泄漏，实际排液量为： 一般往复泵的流量系数a 0.850.98。,4.1.4往复泵的压强和扬程,1.排出压强p2 往复泵的排出压强是指泵出口处的压强换算到基准面上的值，用p2表示，单位为Pa。 往复泵的基准面，对卧式泵是指包括液缸中心线的水平面，对立式泵是指包括活塞(柱塞)行程中点的水平面，,在样本或技术文件中规定的排出压强是指往复泵允许的最大排出压强。在实际应用时，必须使排出压强小于额定的排出压强。,2.吸入压强p1 往复泵的吸入压强是指泵入口处的压强换算到基准面上的值，用p1表示，单位为Pa。 往复泵的基准面，对卧式泵是指包括液缸中心线的水平面，对立式泵是指包括活塞(柱塞)行程中点的水平面，,3.往复泵的扬程H 往复泵的扬程是指单位重量液体经过泵以后能量的增加量。也即液体在泵出口和进口的比能差。,4.1.4往复泵的功率和效率,1.有用功率Pe 单位时间内通过泵的液体所获得的能量称为有用功率。有用功率可按下式计算： Q泵的实际排量，单位m3s； H泵的扬程，单位m。,2.指示功率Pi 单位时间内通过活塞对液体所作的功称为指示功率。指示功率可按下式计算： Q1单位时间从活塞得到能量的液体量，单位m3s； Hi指示扬程，表示单位重量液体从活塞获得的能量，单位m。,3.效率 1）容积效率v 容积效率 表示往复泵的实际流量Q和进入泵内液体流量Q1的比值。,2）水力效率h 单位重量液体通过泵以后所获得的能量和活塞对单位重量液体所作功的比称水力效率。水力效率主要是考虑液体在泵内流动时，由于沿程摩擦阻力损失和局部阻力损失所造成的压力损失及液体的惯性损失。,3）机械效率m 输入到泵轴上的功率要经过曲柄连杆机构、填料箱等各种传动机构和摩擦副，要消耗一部分功率。因此，泵的指示功率总Pi是要比轴功率P小，其比值称为机械效率。,4） 总效率,4原动机功率P。 当原动机和泵直接连接时，原动机的输出功率就等于输入到泵轴上的功率。当通过传动装置与泵连接时，要考虑传动效率d 。,原动机的实际功率要考虑到往复泵流量脉动的影响而留一定余量，原动机的实际功率Pd为: K功率储备系数。,4.1.5往复泵的吸排性能,1.不稳定运动伯努利方程 在往复泵中，活塞运动的速度是变化的，因此，液流是不稳定的，在不稳定流动中的速度和压强不仅是位置的函数数，也是时间的函数。所以，需要研究在不稳定流动中的压强变化。 如图所示，假定在不稳定液流的微小流束中取一微小段，其长度为ds，面积dA。假定为理想流体，因此流体之间没有摩擦力，只有重力和压力的作用。,把作用在这一小段液体上的所有外力都投影到流动力向上，由牛顿第二定律得：,由于液体是不稳定运动，c (s,t)，从而有:,考虑,，因此,这就是理想液体不稳定流动伯努利方程式。从式中可以看出它比稳定运动伯努利方程式多一项，这一项是液体作变速运动所引起的惯性水头，即,当液体在管路中流动队管路断面一般是不变的，当沿流动方向上的加速度半不变时，惯性水头可以写成：,对于实际液体来说，不仅要克服惯性水头，同时也要克服各种阻力。因此，实际液体不稳定运动伯努利方程式可写成,2.吸入过程活塞表面压强的变化,为了究吸入过程活塞表面上压力的变化规律，以吸入液面为基准面，列出截面-与截面- 之间的不稳定流动伯努利方程。对无吸入空气室的单作用往复泵。吸入过程伯努利方程有：,3.泵的几何吸入高度,为了使往复泵正常工作，在吸入过程中不能出现汽蚀。根据不发生汽蚀条件，限制往复泵的工作转速和几何安装高度。由于吸入阀由关闭到开启时的局部损失很大和缸内残余液体的惯性水头很大，在吸入过程开始时有很大压力降。因此，几何安装高度应满足：,4.排出过程活塞表面压强的变化,为了究排出过程活塞表面上压力的变化规律，以液缸中心线为基准面，列出截面-与截面 -之间的不稳定流动伯努利方程。对无空气室的单作用往复泵。排出过程伯努利方程有：,在排出过程中活塞表面上的压力是不均匀的，排出管路很长时这种压力波动就很大，压力波动会使泵和管路发生振动。在开始排出时形成压力峰值。 总之，由于往复泵中的流动不均匀降低了泵的吸入性能，限制了泵转转的提高，产生了压力波动，使系统及原动机的工作条件变坏。所以，应尽量减少流动的不稳定现象。例如，用多缸往复泵、双作用往复泵或用空气室等各种方法。,4.1.6 空气室,1.空气室的工作原理 往复泵由于结构及工作特点，必然产生流量和压力脉动，从而降低泵构性能，缩短泵和管路的使用寿命。因此，为了改善往复泵的工作条件，尽可能减少不稳定现象对往复泵工作的影响，通常采用在泵上装置空气室的方法来减少流量和压力的脉动。,空气室是利用气体可压缩和膨胀的特性，交替地储存或释放比平均流量多的或少的一部分液体，从而达到减小管路中流量脉动的目的。空气室应尽可能安装在靠近泵的进、出口管路处或液力端上，装在靠近泵进口的称吸入空气室，装在泵出口的称排出空气室。,空气室分为常压空气室和预压空气室两种。常压空气室是在密闭容器中充入常压气体，预压空气室是在密闭容器中加一弹性元件(如橡胶囊)，其内充压缩空气。,1）排出空气室的工作原理,空气室内有一定体积的气体，当往复泵的瞬时流量大于平均流量时，由于流量的增加，排出管路内的阻力增加，液缸内压力上升，空气室内气体被压缩，从而在空气室内储存了一部分液体，这样就减少了排出管路中的流量。同样，当泵的瞬时流量小于平均流量时，由于流量减少，排出管路内的阻力也相应减少，泵内压力下降，这时空气室内气体就膨胀，把储存在空气室内的一部分液体排到排出管路中去，增加了管路中的流量，从而减少了管路中流量和压力的脉动。,2）吸入空气室的工作原理,空气室把吸入管路分成两段，空气室前的管路较长、而空气室到泵进口的一段管路较短。在吸入过程中，随着流量的增加，吸入管路的压力降也增加，这时液缸中的压强也随之减小。当空气室的压强大于液缸中的压强时，空气室中的气体膨胀，把空气室中的一部分液体排到液缸中，从而减少吸入管路中的流量。当泵的吸入流量减小时，吸入管路的压力降也减小，当空气室的压强小于液缸中的压强时，空气室中的气体被压缩，液体沿吸入管路进入空气室。,2.空气室的计算,1)排出空气室的计算 空气室的计算主要是确定空气室的体积，使空气室内的压力波动在允许的范围内。 （1）根据压力不均度系数计算 当瞬时流量大于平均流量时，在曲线ab这一段时间内，由于流量增大后排出管路内的阻力增加，排出压力增大，空气室内气体被压缩，把aBb部分的液体储存在空气室内，使空气室内液面不断升高，直到b点，液面升高到最高位置2，空气室内液体的体积达到最大值Vmax。,在bc这一段时间内，瞬时流量小于平均流量，在cD这一段时间