第二章泵与风机的叶轮理论.doc

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课程名称 热工与流体机械
任课老师 乔 红 编写日期
授课日期 授课班级
基本课题 泵与风机的结构
课程要求 掌握离心式泵与风机的主要部件和基本结构，掌握轴向推力及其平衡方法，了解火电厂常用的泵与风机及其典型结构。
作业布置
第二章 泵与风机的构造
第一节 离心式泵与风机的主要部件和基本结构
离心泵是最广泛应用的泵，种类繁多，根据不同的特点，可以分为以下几类：
1、 按叶轮级数分类
（1）单级泵 只有一个叶轮
（2）多级泵 在同一轴上装有两个或两个以上的叶轮。液体每经过一个叶轮，能量就提高一次。
2、 按叶轮的吸入方式分类
（1）单吸泵 叶轮只有一个吸入口
（2）双吸泵 叶轮在两侧有吸入口
3、 按泵壳分开方式分类
（1） 分段式 泵的壳体按与主轴垂直的平面分段接合
（2） 中开式 泵的壳体在通过主轴中心线的平面上分开。
4、 按泵轴的布置方式分类
（1） 卧式 泵轴为水平布置，安装检修方便，占地面积大
（2） 立式 泵轴为垂直布置
5 、按产生的扬程分类
（1）低压泵 扬程低于
（2）中压泵 泵所产生的单级扬程为20--100
（3）高压泵 泵所产生的单级扬程高于100
一、 离心泵的主要部件
三大部件：转体（转子）、静体、部分转体（密封装置及平衡装置等）。
1. 转体：叶轮、 轴、轴套 、联轴器
2. 静体：吸入室、压出室、泵壳、泵座，通常吸入室、压出室、泵壳铸造成
一体。
3. 部分转体：密封装置、轴向推力平衡装置和轴承等
（一） 转体部分
1. 叶轮
（1） 作用：对液体做功并提高液体的能量。是泵的最主要部件，将原动机输入的机械能传递给液体，使液体的能量得到提高。套装在泵轴上。
（2） 结构：由前盖板、后盖板、叶片及轮毂组成。液体从叶轮中心进入，流经前、后盖板间由各叶片形成的通道，由轮缘排出。叶片固定在轮毂或盖板上，叶片数目为6-12片。
（3） 分类：按叶轮盖板情况分开式叶轮、半开式叶轮、闭式叶轮。
开式叶轮：只有叶片没有前后盖板，泄流量大、效率低，用于输送粘性很大的液体。
半开式叶轮：只有后盖板和叶片，用于输送含纤维、悬浮物等杂质的流体。
闭式叶轮：有前后盖板的叶轮，泄流量小、效率高，扬程大，用于输送清水、油及其无杂质的液体。
（4） 材料
叶轮的材料取决于输送液体的化学性质，机械杂质的磨损情况以及设计要求的机械强度而定。一般清水泵的叶轮常用铸铁或铸钢。当输送具有腐蚀性的液体时叶轮常用青铜、磷青铜、不锈钢等。大型给水泵和凝结水泵的叶轮采用优质合金钢。
2. 轴及轴套
（1） 轴
a. 作用：传递扭矩使叶轮旋转，位于泵腔中心，并沿着中心的轴线伸出腔外搁置在轴承上。
b. 轴形状
有等直径平轴和阶梯式轴 。中小型泵常采用平轴，叶轮滑装在轴上，叶轮间的距离用轴套定位，径向定位通常用键。大型泵采用阶梯式轴。
轴的主要材料一般采用碳钢（35号或45号），大功率高压泵采用40铬钢或特种合金钢。
（2） 轴套
a. 作用：保护主轴免受磨损，对叶轮进行轴向定位。
b. 材料：一般为铸铁，但由于被输送液体的性质、温度的不同，也可以用硅铸铁、青铜、不锈钢等。
3. 联轴器（又称靠背轮）
作用：连接主、从动轴以传递扭矩。
结构：形式很多，泵与风机常用的有凸缘固定式联轴器、齿轮可移式联轴器、挠性可移式联轴器以及液力耦合器等。
（二） 静体部分：主要减少阻力损失。
1. 吸入室
a. 位置：主要指吸入室法兰至首级叶轮之间的流动空间。
b. 作用：引导流体以最小的流动损失平稳而均匀地流入首级叶轮。
c. 吸入室结构要求：流动阻力损失最小，液流平稳而均匀的流入首级叶轮。如果入口处速度分布不均匀，则会使叶轮中液体的相对运动不稳定，导致叶轮中流动损失增大，同时也会降低泵的抗汽蚀性能。
d. 吸入室形式：三种：锥形管、圆环形、半螺旋形。
锥形管：结构简单，制造方便，流速分布均匀、流动损失小。锥度7-8度。用于单级单吸悬臂式离心泵。
圆环形：优点：结构对称比较简单，轴向尺寸较小，缺点：流速分布不均匀，流体进入叶轮时的撞击损失和漩涡损失大，总的损失较大。分段式多级泵大都采用圆环形吸入室。
半螺旋形：优点：液体进入叶轮时的流速分布比较均匀，流动损失较小。缺点：液体通过半螺旋形吸入后，在叶轮入口处会产生预旋而降低了离心泵的扬程。主要用于单级双吸水泵、水平中开式多级泵。
2. 压出室
a. 位置：主要指叶轮出口或末级导叶出口到出口法兰之间的流动空间。
b. 作用：以最小的能量损失汇集从末级叶轮流出的高速液体，并将液体的大部分动能转换为压能，然后引至压水管道。
c. 吸入室结构要求：以最小的流动损失收集并引导流体至压水管；降低流速，实现部分动能向压力能的转换。如果压出室中液体的流速较大，其阻力损失占泵内的流动阻力损失的大部分。所以对性能良好的叶轮必须有良好的压出室与之配合，使整个泵的效率提高。
d. 吸入室形式：两种：环形压出室、螺旋形压出室
环形压出室:其室内流道断面面积沿圆周相等，收集到的液体流量却沿圆周不断增加，故各断面流速不相等，室内是不等速流动。对环形压出室总有冲击损失，效率相对较低。主要用在分段式多级泵或输送杂质多的泵、如灰渣泵、泥浆泵中。
螺旋形压出室:由涡室加一段扩散管组成，不仅具有汇集液体和引导液体至出口泵的作用，而且扩散管使这种压出室具备了将部分动能转换为压力能的作用。优点：制造简单，效率高。广泛应用在单级泵或中开式多级泵中。缺点：单蜗壳泵在非设计工况下运行时，蜗室内液流速度会发生变化，使室内等速流动受到破坏，作用在叶轮边缘上的径向压力变成不均匀分布，转子会受到径向推力的作用。
3. 导叶（又称导向叶轮）
a.是静止的过流部件，位于叶轮的外缘，可看作一个固定叶轮。
分段式多级离心泵的每一个叶轮都装有一个导叶，位于叶轮边缘，固定在泵壳上。一个叶轮和一个导叶配合组成分段式多级离心泵的级。
b. 作用：汇集并引导前一级叶轮甩出的高速流体进入下一级叶轮或压出室，并将液体的部分动能转化为压力能。
c.形式：两种：径向式导叶 流道式导叶
径向式导叶：由正导叶（AB段）、过渡区（BCD段）和反导叶（DE段）组成。正导叶（AB段）引导液体从叶轮中流出并收集起来，同时将大部分的动能转换为压能；过渡区（BCD段）改变流动方向，再流入反导叶；反导叶（DE段）消除速度环量，并把液体引向次级叶轮的进口，对于末级导叶没有反导叶，液体就直接经过正导叶导入压出室。优点：结构简单，便于制造，目前仍然使用。缺点：当泵在变工况运转时，液体流动阻力较大。
流道式导叶：正导叶和反导叶连在一起，形成一个断面连续变化的流道，所以液流速度变化均匀，损失小。优点：结构尺寸比径向式导叶小，但结构复杂，铸造的工艺性能差。多用于分段式多级离心泵。
（三） 部分转体
l 密封装置
离心泵的转动部件和静止部件之间总存在着一定的间隙。如叶轮与泵壳的间隙，轴与泵壳的间隙等。
离心泵工作时，能减少或防止从这些间隙中泄露液体的部件成为密封装置。
密封装置设计要求：密封可靠，长期运转，消耗功率小，适应泵运转状态的变化，此外还要考虑液体的性能、温度和压力。
根据密封装置在泵内的位置和具体的作用分为三种：外密封装置、内密封装置、级间密封装置。
1. 外密封装置
（1） 位置
装设在泵轴穿出泵壳的地方，密封泵轴与泵壳之间存在间隙，因此又称轴封。
（2） 作用
轴端泵内为正压时，防止压力液体漏出泵外。
轴端泵内为负压时，防止外界空气漏入，破坏泵的吸入过程。
（3） 分类：由于运行特点和用途不同，轴封从结构上可分为，
填料密封、机械密封、浮动环密封、迷宫密封等。
A． 填料密封（又称盘根密封）
a. 组成：由填料箱、填料、水封环、水封管和填料压盖等组成。
b. 作用：填料起阻水隔气的作用，一般做成矩形断面。填料压盖用来压紧填料，用压盖使填料和轴或轴承之间直接接触而实现密封。水封环和水封管将压力水引至填料与泵轴之间的缝隙，不仅起到密封作用，同时也起到引水冷却和润滑的作用。
c. 泵工作时分析：填料密封的效果可以用松紧填料压盖的方法来调节。压得过紧：泄流量减少，但填料和轴套之间的摩擦增大，严重时会造成发热、冒烟，甚至烧毁填料或轴套；压得过松：则填料放松，又会使泄流量增大， 泵效率下降，对吸入室为真空的泵来说还可能因大量空气漏入而吸不上水。 一般压盖的松紧程度以水能通过填料缝隙呈滴状渗出为宜（60滴/分或1滴/秒）。
d. 种类：在常温下工作时，常用石墨或黄油浸透的棉织物。若温度或压力过高，可用石墨浸透的石棉填料。对于输送高温水或石油产品的泵，可采用铝箔包石棉填料，或用聚四氟乙烯等性材料制成的填料。
e. 优点：结构简单，安装、检修方便，压力不高时密封效果好。
f. 缺点：使用寿命短，需要经常更换、维修。
g. 适用场合：适用于泵轴圆周速度小于25 的中、低压水泵。
B． 机械密封
机械密封是一种无填料的密封装置。
a. 组成：动环（可随轴一起旋转并能作轴向移动）、静环、弹簧（压紧元件）和密封圈（密封元件）等。
b. 作用：主要依靠密封腔中液体和弹簧作用在动环上的压力，使动环端面贴合在静环端面上，形成密封端面A，另外又用两个密封圈B和C封堵静环和泵壳、动环与泵轴之间的间隙，切断密封腔中液体向外泄漏的可能途径；再加上弹簧和密封圈具有缓冲振动和端面A磨损的作用，又可以确保运行中动环静环密封端面紧密地结合，从而实现装置可靠的密封。此外密封圈还起到缓冲振动和冲击的作用。此外，为带走密封面A产生的摩擦热，避免端面液膜汽化和某些零件老化、变形并防止杂质聚集，该装置还采用引入清洁冷却液体等方法降低密封腔中以液体的温度，并通过少量泄露对端面A进行冷却润滑和冲刷。
c. 组成材料：动、静环材料一般不同，一个用树脂或金属浸渍的石墨等硬度较低的材料，一个用硬质合金、陶瓷等硬度较高的材料。也可用同一种材料如碳化钨。密封圈常根据泄露液体温度的高低用硅橡胶、丁腈橡胶等。
d. 形状：O形、V形或楔形。
e. 优点：密封效果好，可以达到滴水不漏，整个轴封尺寸较小，使用寿命长，一般为1-2年。轴与轴套不易受磨损，功率消耗较小，耐振动性好。
f. 缺点：零件多，结构复杂；安装、拆卸及加工精度要求高，价格高。
g. 适用场合：在现代高温、高压、高转速的给水泵上广泛应用。
C． 浮动环密封、迷宫密封自学
2. 内密封装置
A． 位置：指叶轮入口的密封环，也称口环或卡圈。
B． 作用：防止液流从叶轮出口经过壳体与叶轮外缘间隙返回叶轮进口的内泄漏。
C． 形式：平环式、角环式、锯齿式、迷宫式（前两种常用，锯齿式多用于高压泵中，迷宫式很少见）
D． 材料：采用耐磨材料，如青铜或碳钢，也有采用高级铸铁制成的。
E． 结构：可拆卸式
3. 级间密封装置（又称级间密封环）
A． 位置：装在泵壳或导叶上与定距轴套（或轮毂）相对应的静环。
B． 特点：在多级离心泵中，可能存在后级叶轮入口的流体向前级叶轮后盖板外侧空腔的泄漏，这部分泄露液体不经过叶轮的流道，只在旋转叶轮后盖板的带动下，来回于空腔、导叶、圆环形径向间隙之间流动，它不影响叶轮的流量，也不消耗叶片传递给液体的能量，但却在通过圆盘状的后盖板外侧时产生摩擦而损耗泵的轴功率。
C． 作用：依靠静环和定距轴承之间的圆环形径向间隙来减小这种泄露，减低功率损耗。
l 轴向推力平衡装置
l 轴承
轴承是承受转子径向和轴向载荷的部件，主要有滑动轴承和滚动轴承两大类。
第二节 径向推力、轴向推力及其平衡方法
一、 径向推力及其平衡方法
1． 产生
离心泵运行时，作用在转子上与泵的轴线相垂直的作用力，称为径向推力。
具有螺旋形压水室的离心泵，在设计工况下工作时，液体在叶轮周围作均匀的等速运动，而且叶轮周围的压力基本呈均匀分布，是轴对称的，所以液体作用在叶轮上的径向推力的合力为零，不产生径向推力。当离心泵在变工况下工作时，叶轮周围的液体速度和压力分布均变为非均匀分布，会产生一个作用在叶轮上的径向推力。
分析图2-21和2-22
当流量小于设计流量时，压出室内液体的压力在泵舌处最小，到扩散段进口处达到最大。由于这种压力分布的不均匀，在叶轮上得到一个总的合力，方向自泵舌开始沿叶轮旋转方向90度的位置。此外，由于压出室里液体压力分布的不均匀，使液体从叶轮中流出也不均匀。压出室中压力小的地方，从叶轮中流出的液体多，而压力高的地方，从叶轮中流出的液体少。因此液体流出时对叶轮产生的动反力也不均匀，在泵舌处最大，扩散段最小，合力为，方向从开始向叶轮旋转的方向转90度，指向泵舌。和的合力就是作用在叶轮上的总的径向推力。
当流量大于设计流量时，情况刚好相反，叶轮受到总的径向推力。
2． 危害
泵在非设计工况下运行产生的径向推力是一种交变应力，会使轴产生较大的挠度，甚至使密封环、级间套和轴套、轴承发生摩擦而损坏。而对转轴而言，是一种交变载荷，容易使轴产生疲劳而破坏。
3． 平衡方法
（1） 采用双层压出室平衡径向推力
（2） 大型单级泵在蜗壳内加装导叶
（3） 多级蜗壳式泵可以采用相邻两级蜗壳倒置的布置。
二、 轴向推力及其平衡方法
1． 产生
离心泵运行时，作用在转子上与泵的轴线平行的作用力，称为轴向推力。
分析图2-24
（1）在叶轮正常工作时，出口的高压液体绝大部分经泵的出口排出，还有一小部分液体经过泵壳与叶轮之间的间隙流入叶轮盖板两侧的环形腔室A和B中。实验证明，由于受到叶轮旋转带动的影响，在A、B空间中液体的旋转角速度大约是叶轮旋转角速度的一半。A、B空间中液体的压力是沿半径方向按二次抛物线规律分内布的，如图曲线ab和 cd。可见，在密封环半径以上至叶轮外径之间的环形区域，叶轮两侧的压力分布对称，大小相等，方向相反，轴向力相互抵消。而在密封环半径以下至轮毂半径之间的环形区域内，左侧压力是叶轮吸入口的液体压力，右侧是按二次抛物线分布的，显然压力不对称，产生一个轴向推力，方向指向叶轮入口。
（2）另外，在离心泵叶轮中，流体通常是轴向流入、径向流出，液体流动方向的改变导致液体轴向动量变化，使液体对叶轮产生一个轴向的动反力，方向与相反。
（3）离心泵转子重量所产生的轴向推力
可见轴向推力
2． 危害
使转子产生轴向位移，压向吸入口，造成叶轮和泵壳等动、静部件碰撞、摩擦和磨损，还会增加轴承负荷，导致机组振动、发热甚至损坏。
3． 平衡方法
3.1 单级泵轴向推力的平衡
（1）采用平衡孔和平衡管平衡轴向推力
（2）采用双吸叶轮平衡轴向推力
（3）采用背叶片平衡轴向推力
3.2 多级泵轴向推力的平衡
（1）采用叶轮对称排列平衡轴向推力
（2）采用平衡盘平衡轴向推力
（3）采用平衡鼓平衡轴向推力
（4）采用平衡鼓和平衡盘联合装置平衡轴向推力
（5）采用双平衡鼓装置平衡轴向推力
第三节 离心式风机的构造
一、 离心式风机的结构形式
包括转体和静体两部分。
转体部分包括：叶轮、轴、联轴器。
静体部分包括：进气箱、导流器、 集流器、蜗壳、蜗舌、扩压器等。
气体由进气箱引入，通过导流器调节进风量，然后经过集流器引入叶轮吸入口。流出叶轮的气体由蜗壳汇集起来经扩压器升压后引出。不宜采用多级叶轮。
二、 离心式风机的主要部件
1、 叶轮
a. 叶轮主要用来对气体做功并提高气体的能量。
b. 有封闭式和开式两种。常用封闭式叶轮，可分为单吸式和双吸式两种。双侧吸入的风机一般风量大，风压低。
c. 封闭式叶轮由叶片、前盘、后盘和轮毂组成。前盘有平盘、锥形、弧形。
d. 叶片主要形状：有5种，叶片数目多。叶轮与轴的连接采用轮毂与轴直接配合、法兰连接或空心轴直接焊接的方式。
平板叶片：制造简单，但流动特性较差，效率低。
机翼型叶片：具有良好的空气动力特性，效率高、强度好、刚性大，但制造工艺复杂，输送含尘浓度高的气体时，叶片容易磨损。
圆弧型叶片：对空气动力特性能进行优化，其效率会接近机翼型叶片。
2、 轴
有实心轴和空心轴两种。
3、 进气箱
气流进入风机有两种形式，一种是从周围大气直接吸入气体，叫自由进气；一种是通过进气管和进气箱吸取气体。在大型或双吸的离心风机上装有进气箱。进气箱的几何形状和尺寸对气流进入风机后的流动状态影响极大。
进气箱设计要求：3点
4、 导流器
在离心风机的集流器之前，一般安装有导流器，主要用来调节风机的流量。当运行时，使导流器的导叶绕自身转轴运动，通过改变导叶的安装角度（开度）来改变风机的工作点，减小或增大风机的风量，实现负荷的调节。
5、 集流器（又叫进风口）
一般位于叶轮的进口前。
作用：保证气流能均匀地充满叶轮的进口断面，并且使气流在进口处阻力损失尽量小。
形式：圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形
6、 蜗壳、蜗舌、扩压器
蜗壳主要用来收集从叶轮中出来的气体并引至风机出口处，同时将气流中部分动能转变为压力能。一般由螺旋室、蜗舌和扩压器组成。
蜗壳出口附近的“舌状”结构，称为蜗舌。作用：尽量减少气流在蜗壳内循环流动，提高风机的效率。蜗舌有三种平舌、浅舌和深舌三种。
扩压器将流出螺旋室的气流部分动能转变为压力能，降低气流出口的流速。由于气流旋转的惯性作用，气流在螺旋室出口处朝叶轮旋转方向一边偏斜，所以安装扩压器可使气流流动顺畅，减小冲击能量损失。扩散角为6－8度。
第四节 火力发电厂常用泵与风机的典型结构（227页）
主要有：锅炉给水泵、凝结水泵、循环水泵、 强制炉水循环泵、灰渣泵 、送风机、引风机、排粉机和再循环风机等。
一、 锅炉给水泵
1、 作用
将除氧器内具有一定温度、压力的水连续不断的送到锅炉中去。
2、 性能特点
结构
二、 凝结水泵
三、 循环水泵
四、 炉水循环泵

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