水泵与水泵站(水利)

1、 主讲教师主讲教师：谭谭 燕燕 平平 电话电话：187 8350 3741 Email： 绪绪 论论第一节第一节 水泵及水泵站在国民经济中的作用和地水泵及水泵站在国民经济中的作用和地位位一、水泵的作用一、水泵的作用 水水是地球生命之源，没有水，地球上将不会有生命的存在。大家知道：水往低处流，这是自然规律，水体移动所需的能量来自天然水头（或落差）。（这种天然水为无压水）。 人们在长期生活实践中因社会进步的需要，找到了获得自来水的手段。人们所用的自来水为有压的；而天然水是无压的。 其供水手段，即将天然的无压水变成有压水供给农业和工业用水及民用水，其方法有二：供水手段之一，自压（利用水源的天然水头（

2、落差），将水从水源引至能控制用户用水的高地水池，再通过渠道或管道送入用户。给水手段有二，机压借助水泵（消耗燃油或电能）使水获得压能成为有压水。如：人们将地下水取出地面或直接将低处的地表水送入高地水池或水塔、以及工厂中向高压锅炉供水、冷热水的循环等都必将借助水泵才得以实现。城市给排水系统工艺基本流程：城市给排水系统工艺基本流程：取水取水泵站泵站净水净水输水输水泵站泵站去用水点去用水点排出污水排出污水入田入田入江入江火力发电站生产系统广州火车东站广场超大型景观 瀑布 泵房内共设四台瀑布水泵。开启一台为水膜壁流，开启两台为大型水幕，开启三至四台为大型瀑布。二层水面配水采用多孔管水下出水与涌泉出水相结

3、合，均匀布置。既使溢流堰口配水均匀，也可使水流象巨涛拍击陡壁礁崖，似自然山泉瀑布。还可在出流水面上形成1.5m高涌泉水柱与0.5m高涌泉结合的水景造型，同时又加强池水的充氧作用，防止水质腐蚀。污水处理昆明第三污水厂昆明第三污水厂鼓风机房鼓风机房地下水补给改进工程地下水补给改进工程美国加利福尼亚洲橘子城美国加利福尼亚洲橘子城 城市供水中95%98%是用来维持水泵的运转;一般城镇水厂中制水成本的40%70%是水泵消耗的电费;全国水泵机组的电能消耗的占全国总电耗的21%；火电厂中各类泵和风机总耗电约占整个厂用电量的70%80%，整个厂用电约占发电量的12%。从用电量角度看水泵站的重要地位从用电量角度

4、看水泵站的重要地位n一、水泵的定义一、水泵的定义 水泵是一种转换能量的机械，它通过工水泵是一种转换能量的机械，它通过工作体的运动，把外加的能量传给被抽送的作体的运动，把外加的能量传给被抽送的液体，使其能量增加。液体，使其能量增加。 电能电能 机械能机械能 压能（势能）压能（势能）n二、水泵的分类（工作原理）二、水泵的分类（工作原理） (1)(1)叶片式水泵：它是靠装有叶片的叶轮叶片式水泵：它是靠装有叶片的叶轮不停地高速旋转而进行能量转换的。这种不停地高速旋转而进行能量转换的。这种泵具有效率高、成本低、结构简单、使用泵具有效率高、成本低、结构简单、使用方便、运行可靠和适用范围广等优点。方便、运行

5、可靠和适用范围广等优点。 (2) (2)容积式水泵：它是靠泵体工作室容积容积式水泵：它是靠泵体工作室容积的改变来转换能量。的改变来转换能量。 (3)(3)其它类型水泵：除了上述两种泵之外其它类型水泵：除了上述两种泵之外的特殊泵。的特殊泵。 二、水泵分类二、水泵分类:水泵按压力分类:n低压泵：压力在2MPa以下；n中压泵：压力在26MPa；n高压泵：压力在6MPa以上。各种泵的使用范围:单级单吸式离心泵单级双吸式离心泵大型单级双吸式离心泵卧式蜗壳式混流泵轴流泵轴流泵混流泵P PB BA AP Pa,单吸式叶轮 1-前盖板；2一后盖板；3一叶片 4一叶槽；5一吸入口；6轮毂； 7泵轴b,双吸式叶轮

6、 1-吸入口；2一轮盖； 3一叶片 4一轮毂；5一轴孔 泵壳一般由泵盖、壳体（蜗壳）、出水接管组成泵壳的作用：1，使水流平顺地进入叶轮2，汇集叶轮甩出的流体叶轮叶轮水泵水泵轴轴固定部固定部分与转分与转动部分动部分的间隙的间隙 平衡孔平衡孔1 1 排出压力；排出压力；2 2加装的减漏环加装的减漏环3 3平衡孔；平衡孔；4 4泵壳上的减漏环泵壳上的减漏环 单级单吸卧式离心泵单级单吸卧式离心泵1一叶轮，一叶轮，2一泵轴；一泵轴；3一键，一键，4一泵壳，一泵壳，5一泵座一泵座6一灌水孔，一灌水孔，7一放水孔：一放水孔：8一接真空表孔，一接真空表孔，9一接压力表孔，一接压力表孔，10一泄水孔，一泄水孔，

7、1l一填料盒，一填料盒，12一减漏环，一减漏环，13一轴承座，一轴承座，14压盖调节螺栓，压盖调节螺栓，15传动轮（皮带轮或联轴器）传动轮（皮带轮或联轴器）单级单吸式离心泵单级双吸离心泵结构图单级双吸离心泵结构图1 1泵体；泵体；2 2 泵盖；泵盖；3 3叶轮；叶轮；4 4泵轴；泵轴；5 5密度封环；密度封环；6 6轴套：轴套：7 7填料填料盒；盒；8 8填料；填料；9 9水封环；水封环；1010压盖；压盖；1111轴套螺母：轴套螺母：1212轴承体；轴承体；1313固定螺钉；固定螺钉；1414轴承体压盖；轴承体压盖；1515滚动轴承；滚动轴承；1616联轴器；联轴器；1717轴承轴承端；端；

8、1818挡水圈；挡水圈；1919螺杆；螺杆；2020键键单级双吸式离心泵QHNu3/1000取:mkg)(10221kwhtQHWhhNNuh(1)容积损失与容积容积损失与容积效率效率 容积损失是容积损失是指泵的泄漏所造成指泵的泄漏所造成的损失。的损失。图图 离心泵的泄漏损失离心泵的泄漏损失 (2)机械损失与机械效率机械损失与机械效率 由泵轴与轴承之间、泵轴与由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的摩擦而引起的能量损失称为机械损失，可用机械效摩擦而引起的能量损失称为机械损失，可用机械效率来反映这种损失，其值一般为率来反映这

9、种损失，其值一般为0.960.99。(3)水力损失水力损失 粘性液体粘性液体流经叶轮通道和蜗壳流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以时产生的摩擦阻力以及在泵局部处因流速及在泵局部处因流速和方向改变引起的环和方向改变引起的环流和冲击而产生的局流和冲击而产生的局部阻力，统称为水力部阻力，统称为水力损失。额定流量损失。额定流量Q，下离心泵的水力效率下离心泵的水力效率一般为一般为0.80.9。图图11 水力效率与流量的关系水力效率与流量的关系 型号型号:12SH-28A扬程：扬程：10m流量：流量：684m3/h转数：转数：1450r/min效率：效率：78%轴功率：轴功率：28kW允许吸上允许吸上真空

10、高度：真空高度：4.5m总量：总量：660kg(1)(1)相对速度相对速度uWCCWu+=圆周速度圆周速度绝对速度绝对速度即即: : (2)(2)速度矢量三角形速度矢量三角形( (牵连速度牵连速度) )(3)(3)绝对速度的切向分绝对速度的切向分速度速度CuCu和法向分速度和法向分速度CrCr叶轮出口速度三角形叶轮出口速度三角形法向分速度Cr切向分速度Cu C与u的夹角 C与W的夹角222222cotcosbaruCuCC-222sinaCCr（a) a) 后弯式后弯式( (9090) )（b)b)径向式径向式( 90)（c) c) 前弯式前弯式 ( 90)按出水角的大小离心泵叶片形状可分成三

11、种按出水角的大小离心泵叶片形状可分成三种: :Mo=dLdtN=dWdt= Md dt= M(3)叶轮中液体的动量矩与功率：叶轮中液体的动量矩与功率：取一个叶轮流槽来进行分析叶轮中液流质点动量矩的变化取一个叶轮流槽来进行分析叶轮中液流质点动量矩的变化1 1、按动量矩定理可得、按动量矩定理可得: :2 2、等式两边同乘以角速度、等式两边同乘以角速度: M=QT(C2uR2- C1uR1)=Nh代入化简后得到代入化简后得到: :C C2 2ThQTHNdtdL=dt(C2uR2- C1uR1)dm经分析最后得到经分析最后得到:M=QT(C2uR2- C1uR1) 而而:上式即为叶片泵的基本方程式上

12、式即为叶片泵的基本方程式()uuTCuCugH11221-gCuHuT226022Dnuph h水力效率水力效率; ; p p修正系数。修正系数。pHHTT+1pHHHThTh+1hh5 5、 离心泵装置的总扬程离心泵装置的总扬程)2(221112222gvpzgvpzH+-+gvvppzzH2)(21221212-+-+-vappp-1dappp+2设：水泵进口断面设：水泵进口断面1-1的断面比能为的断面比能为E1 水泵出口断面水泵出口断面2-2的断面比能为的断面比能为E2则水泵的扬程：则水泵的扬程： H=E2-E1代入断面比能的表达式可得：合并一下：合并一下：而：而：ZgvvHHHvd+-

13、+22122ddpH vvpH vdHHH+用Hd表示压力表读数换算成的水柱高度，用Hv表示真空表的读数换算成的水柱高度，则：代入到公式gvvppzzH2)(21221212-+-+-可得：忽略水泵进口断面和出口断面的流速水头差和两个断面间的垂直高差，则上式可以简化为： 水泵基准面吸水池自由表面出水池自由表面水泵进口断面水泵出口断面HST（2）总扬程表达式二）总扬程表达式二:先来看一下水泵装置中的几个典型的断面。压水地形高度Hsd吸水地形高度Hss静扬程HST再看几个断面之间的几何再看几个断面之间的几何高度：高度：吸水地形高度吸水地形高度Hss压水地形高度压水地形高度Hsd静扬程静扬程HsTs

14、hgvpzgvpz+)2(221112000svsshgvHzH+-220212221zgvhHHsssv-+下面进行分析：下面进行分析：列吸水池断面与水泵进口断面的能量方程：设 Z0=0， Z1=Hss-Z/2,而： P0=Pa, P1-Pa = -Pv则有：也即：hHHST+2222zgvhHHdsdd-+同理：列水泵出口断面与出水池水面同理：列水泵出口断面与出水池水面之间的能量方程可得到：之间的能量方程可得到：ZgvvHHHvd+-+22122将得到的将得到的H HV V与与H Hd d表达式代入之前所得到下表达式代入之前所得到下式中：式中：化简后得到：化简后得到：n注：注：is s=0

15、.0065,=0.0065,id d=0.0148 =0.0148 ； 吸水管的局部水头损失为吸水管的局部水头损失为1m,1m,压水管的局部水头损失按压水压水管的局部水头损失按压水管沿程损失的管沿程损失的15%15%计计. .VD理论性能曲线理论性能曲线基本性能曲线基本性能曲线相对性能曲线相对性能曲线全面性能曲线全面性能曲线综合性能曲线综合性能曲线通用性能曲线通用性能曲线TTTBQAAQuguH-)cot(2222bguHuT22QT泵理论流量(m3s)。也即不考虑泵体内容积损失(如漏泄量、回流量等)的水泵流量；A2叶轮的出口面积(m2)；22mAQT由叶片泵的基本方程式：当绝对流动角=90的

16、时候而:则:b2m222uctg-u上式表明在理论上，离心泵的扬程和流量为线性关系。（1）当 0 HT随着QT的增大而减小。（2）当 =90时： ctg=0 HT=A，此时水泵的扬程与流量无关，始终为一 常数。（3）当 90时：ctg0 HT随着QT的增大而增大。2)(gggTTTTTTTTQBQABQAKQKHQHQP-22KA 决定。曲线形状由均为常数，b22b22cotbbTQPAKB；时，0cotb222bPABAQTu22g这使得这使得H HT TQQT T直线在直线在H H轴上的截距变小，直线从轴上的截距变小，直线从I I变到变到IIII（如图）（如图）I线:HTQTII线:HTQ

17、Tp1+TTTHKHHu22gI线:HTQTII线:HTQT线h1u22gI线:HTQTII线:HTQT线h1 h2=K2（QT - Q0）2 Q0是水泵的设计流量。再从曲线III上面扣除对应流量下的这部分水力损失后，就得到了曲线；线u22gI线:HTQTII线:HTQT线h1线V线:HQ曲线表示出了水泵的实际的HQ曲线的形态。qHQH是一条下降的曲线，扬程H变化的总趋势是随着Q的增加而降低。离心泵根据叶片安装角离心泵根据叶片安装角 的不的不同大约分为三类：同大约分为三类：（1 1） 较小，曲线较小，曲线，该类型的，该类型的离心泵比转数离心泵比转数ns较大，适用于扬程变较大，适用于扬程变化较大

18、时，流量变化较小的场合，譬化较大时，流量变化较小的场合，譬如水位变化较大的水源地取水的供水如水位变化较大的水源地取水的供水泵；泵；（2） 较大，较大，曲线曲线，该类型的，该类型的离心泵比转数离心泵比转数ns中等，适用于流量变中等，适用于流量变化较大时，扬程变化较小的场合，例化较大时，扬程变化较小的场合，例如自来水厂从清水池取水的供水泵；如自来水厂从清水池取水的供水泵；（3） 大到超过某一值后，曲线大到超过某一值后，曲线，具有驼峰，曲线先上升后下降，具有驼峰，曲线先上升后下降，而最高点而最高点K作为稳定工作与非稳定工作为稳定工作与非稳定工作的分界点，要求水泵必须在作的分界点，要求水泵必须在K右边

19、右边下降区域工作。下降区域工作。b2bb2bb2bb2b离心泵离心泵Q Q H H曲线的三种型式曲线的三种型式轴流泵特性曲线轴流泵特性曲线 nrHHH rPPP rhhhKQHQHQQHH22221122121)(2KQH 20ZLB70型轴流泵通用性能曲线线图1最低净扬程下的抽水装置特性曲线2设计净扬程下的抽水装置特性曲线3最高净扬程下的抽水装置特性曲线离心泵性能曲线型谱图离心泵性能曲线型谱图2SQh +jfhhh管道水头损失特性曲线管道水头损失特性曲线0Qhh=S1Q2+S2Q2=SQ2称为管道水头损特性曲线QH0QkhkHSThkHK管道系统特性曲线H=HST+h管道系统特性曲线也称需要

20、扬程曲线管道系统特性曲线也称需要扬程曲线M MK KD DH HSTSTH HSTSTQ QM MQ QH HQ-h+HQ-h+HSTSTQ-HQ-Hhh离心泵装置的工况点离心泵装置的工况点H HM MK K1 1hM MH HSTSTQ QM MQ QH HQ-hQ-hQ-HQ-H离心泵装置的工况点离心泵装置的工况点Q Q-H-HM M1 1H HM MQ QA AA AH HQ QQ QB BB B节流调节节流调节B B1 1A点为闸阀全开时候的工点为闸阀全开时候的工作点，称极限工作点作点，称极限工作点QB是调节后的工作点，是通是调节后的工作点，是通过关小阀门增大管路的过关小阀门增大管路的

21、S值，值，来获得的来获得的HB1而在QB流量下工作时，原来管道系统所需要的扬程为HB1，但现在水泵的扬程为HB，多出的部分即为线段BB1的长度，这就是闸阀上额外消耗掉的能量HB2SQHHST+)(QfH 2QSHHxx-mmQAQAQAHH+2210流量Q(L/s) 150 175 200 225 250 275扬程H(m) 24.3 23.8 22.5 21.0 18.8 15.8功率P(kw) 52 53 54.2 54.9 55 54.8 效率(%) 68.8 77.1 81.5 84.4 83.8 77.8Q Q0 0H H该曲线称并联特性曲线(Q-H)(Q-H)1+21+2Q QH

22、HQ-HQ-HM M(Q-H)(Q-H)1,21,2Q Q1+21+2Q Q1,21,2N NH HN N1,21,2N NS SH HQ Q步骤：步骤：(1)(1)绘制两台水泵并联后的总和绘制两台水泵并联后的总和(Q-H)(Q-H)l+2l+2曲线曲线(2)(2)绘制管道系统特性曲线绘制管道系统特性曲线, ,求并联工况点求并联工况点M M。(3)(3)求每台泵的工况点求每台泵的工况点N N+OGAOSThhHH221)41(+QSSHHOGAOSTQ Q(Q-H)(Q-H)1+21+2(Q-H)(Q-H)1,21,2H HQ-HQ-HM MQ Q1+21+2Q Q1,21,2N NH HN

23、N1,21,2N NS SH HQ QQ Q(Q-H)(Q-H)1+21+2(Q-H)(Q-H)1,21,2H HQ-HQ-HM MQ Q1+21+2Q Q1,21,2N NH HN N1,21,2N NS SH HQ Q5 5台同型号水泵并联台同型号水泵并联多台同型号泵并联时多台同型号泵并联时:Q-hQ-hB0B0Q-hQ-hA0A0H HSTSTHQ0ABCoIIIIQ-HQ-HSTST+h+hococQ-hQ-hB0B0Q-hQ-hA0A0H HSTSTH Q0ABCoIIIQ-HQ-HSTST+h+hococQpQHQI一定一调一定一调:各水泵串联工作时，各水泵串联工作时，其总和（其总

24、和（Q-HQ-H）性能）性能曲线等于同一流量下曲线等于同一流量下扬程的叠加。扬程的叠加。Q-hQ-hB0B0Q-hQ-hA0A0H HS ST TH Q0ABCoIIIQ-HQ-HSTST+h+hococQpQHmmDDbb2222mmmmnnnDnDuuCC222222mmvvmnnQQ)(3hh222)(mmhhmnnHHhh335mmnnNNmmnnQQ3)()(335MmMmmnnNNhh222mmnnHH2121nnQQ22121)(nnHH32121)(nnNN(1)(1)在在(Q(QH)H)l l线上任取线上任取a a、b b、c c、d d、e e、f f点；点；利用比例律求利

25、用比例律求(Q(QH)H)2 2上的上的a a、b b、c c、d d、e e、f f作作(Q(QH)H)2 2曲线。曲线。同理可求同理可求(Q(QN)N)2 2曲线。曲线。Q QH HQ-HQ-Ha bdcef（Q-HQ-H）2 22kQH 2112QQnn A A1 1Q QH HQ-HQ-HA A2 2求求n n2 2时的效率时的效率(Q(Q)2 2曲线。曲线。在利用比例律时，认为相似工况下对应点的效率是相等在利用比例律时，认为相似工况下对应点的效率是相等的，将已知图中的，将已知图中a a、b b、b b、d d等点的效率点平移即可。等点的效率点平移即可。Q QH HQ-HQ-Ha bd

26、cef（Q-HQ-H）2 2xxHkSQnQQnn+212112222122)(QSHnnHxx-4321)()(HHQQnnmms075. 075mumHNQ4365.3HQnnsnns与水泵相似性的关系:n比转数相等是水泵相似的必要条件。n例:一台 sh 型泵，已知其设计流量为45L/s，设计扬程为 78m ，额定转速为 1450r / min ，试计算其比转数(2)(2)叶片泵叶轮的形状、尺寸、性能和效率叶片泵叶轮的形状、尺寸、性能和效率都随比转数而变的。用比转数都随比转数而变的。用比转数n ns s可对叶片泵可对叶片泵进行分类。进行分类。 要形成不同比转数要形成不同比转数n ns s，

27、在构造上可改变叶，在构造上可改变叶轮的外径轮的外径(D(D2 2) )和减小内径和减小内径(D(D0 0) )与叶槽宽度与叶槽宽度(b(b2 2) )。22DDQQ222)(DDHH322)(DDNN注意：切削律是建于大量试验资料的基础上。如果叶注意：切削律是建于大量试验资料的基础上。如果叶轮的切削量控制在一定限度内时，则切削前后水泵相轮的切削量控制在一定限度内时，则切削前后水泵相应的效率可视为不变。应的效率可视为不变。此切削限量与水泵的比转数有关。此切削限量与水泵的比转数有关。Q QH HQ-HQ-H1 1 2 24 43 35 56 6Q Q-H-HQ-NQ-NQ Q-N-NQ-Q-Q Q

28、-0 02KQH %100(%)222-DDD切削量A AQ QH HQ-HQ-HB B22DQQD 水泵的高效率方框图水泵的高效率方框图水泵吸水井32.00Pa35.00密闭水箱表压196KPa74.50100.00BCA120.00123.00液面压力3.5kg/cm2 gWgvChgvHppssska22)2(20212021+-+-(2)克服吸水管中水头损失克服吸水管中水头损失 ；sh(1)把液体提升把液体提升Hss高度高度gv221(3) 流速水头流速水头gvC22120-(4)产生流速水头差值产生流速水头差值gW220(5)供应叶片背面足点压力下降值供应叶片背面足点压力下降值apk

29、p吸水池水面上的压头吸水池水面上的压头 和泵壳内最低压头和泵壳内最低压头 之差用来支付：之差用来支付： : : 表示吸水井中能量余裕值表示吸水井中能量余裕值; ; : :是泵壳进口外部的压力下降值是泵壳进口外部的压力下降值 ; ; : :反映了泵壳进口内部的压力下降值，此值中反映了泵壳进口内部的压力下降值，此值中 是叶轮进口和进口附近叶片背面是叶轮进口和进口附近叶片背面( (背水面背水面) )的压头差，的压头差， 通通常不小于常不小于3m,3m,由水泵的构造和工况而定的。由水泵的构造和工况而定的。gWgvChgvHppssska22)2(20212021+-+-kapp-+)2(21ssshgvHgWgvC22202120+-gW220(3)(3)气蚀的危害气蚀的危害 水泵性能恶化甚至停止出水；水泵性能恶化甚至停止出水； 水泵过流部件发生破坏；水泵过流部件发生破坏； 产生噪音和振动；产生噪