船舶辅机-(哈工程出版社)往复泵

第一章往复泵

Reciprocatingpump第一节往复泵的主要结构、工作原理和类型一、往复泵的主要结构泵缸、活塞、吸入阀、排出阀、吸入室、滤网等。二、工作原理往复泵是一种容积式泵。活塞或柱塞在原动机的驱动下，在泵缸内作往复运动，使泵缸内的容积发生变化，完成吸排和输送液体。行程：左、右死点（上、下死点）间的距离。作用次数：往复泵在活塞每一往复行程吸排液体的次数称为往复泵的作用次数。吸入行程：工作容积增加，缸内压力下降。吸入阀打开，排出阀关闭。液体进入缸内。排出行程：工作容积减少，缸内压力增加。吸入阀关闭，排出阀打开。液体排出泵缸。三、往复泵的类型1按结构形式分（1）活塞式：活塞环密封，流量较大，压头较低。（2）柱塞式：柱塞外壁与缸体填料函间密封，有较长的密封长度。流量较小，压头较高。2按驱动方式分（1）直动式：气体、液体和蒸汽驱动。（2）机动式：电动机、柴油机驱动。（3）手动式：人力驱动。3按泵缸中心线分（1）卧式：泵缸中心线与安装平面平行。（2）立式：泵缸中心线与安装平面垂直。双作用泵4按作用次数分（1）单作用：每一往复行程，吸排一次液体。（2）双作用：每一往复行程，活塞两侧各吸排一次液体。（3）由三个单作用泵缸组成一个三作用泵；由两个双作用泵缸组成一个四作用泵。第二节流量和流量不均匀度一、平均理论流量和容积效率 往复泵的活塞在一个往复行程中所排出的液体的体积理论上应等于活塞在排出行程中所扫过的体积。1平均理论流量QT（理想工况）

（1）单作用泵缸和差动泵

D——活塞截面直径S——工作行程n——活塞每分钟往复次数式中：（2）双作用泵

I——作用次数d——活塞杆直径式中：（3）多作用泵2容积效率ηv（1）产生泄漏的原因（实际流量Q<理论流量QT）(1.1—1)●吸入阀和排出阀开闭迟缓；实际工作时，当排出行程结束和吸入行程开始时，由于排出阀没有及时关闭，使得部分液体经排出阀漏回泵缸，同样，在吸入行程结束和排出行程开始时，由于吸入阀没有及时关闭，使得部分液体经吸入阀漏回吸入管内，造成实际泵的流量减小。●阀与阀座、活塞与泵缸、活塞杆与填料函间的泄漏；●缸内气体产生的气； 气体来源： 进入泵缸的少量的气体；溶解在液体中的气体●高压下，液体压缩影响等因素。（2）容积效率ηv：表示泵流量损失的多少。二、瞬时流量Qi流量不均匀度Q1瞬时流量Qi：表示某一时刻的流量。

Qi=Avi

vi：活塞的瞬时速度。电动往复泵瞬时速度分析： 简化条件：曲柄半径与连杆长度之比R/L<<0.2。此时，活塞速度可近似的用曲柄销的线速度在活塞杆方向上的分量来代替。即：所以：Qi=Avi=ARsinβ

当曲柄转角β由0到360度变化时，单作用泵的瞬时流量是很不均匀的。单缸单作用往复泵瞬时流量Qi

按正弦规律变化。2流量不均匀度Q：表示泵流量不均匀的程度。

Qimax：最大瞬时流量。(1.1—2)多作用往复泵的瞬时流量可将各缸在同一时刻排出的流量叠加而得。显然多作用往复泵瞬时流量的均匀程度要比单作用泵好，其中三作用泵瞬时流量的均匀程度比单、双、四作用泵都好。泵的流量不均匀程度可用流量脉动率表示：流量不均匀度Q的变化规律：不是按缸数增加而单调减少的，而是按1、3、5、7或2、4、6规律减少。缸数为奇数时的流量不均匀度小于相邻的缸数为偶数时的流量不均匀度。P55计算不同缸数的流量不均匀度单缸单作用双缸单作用三缸单作用流量不均匀度的增加会引起泵工作时噪声、震动和冲击的增加，希望其值尽量小。但增加缸数会带来结构复杂的缺点，直动泵因活塞是匀速运动的，其流量也较为均匀。2汽蚀现象的危害

（1）材料受到破坏冲击力的作用产生机械剥蚀和化学腐蚀的综合作用。（2）产生噪声和震动气泡的破裂，液体的高频冲击力引起严重的噪声和震动。（3）性能下降气泡的形成堵塞了流通面积，消耗了能量，使泵的功率增加，流量、压头和效率下降。第三节工作过程分析和空气室一、汽蚀现象1汽蚀现象的产生液体在流动到低压区时，溶解在液体中的气体会逸出；当压力等于或低于液体相应温度的饱和蒸汽压力时，液体也会汽化，形成汽泡。当汽泡流动到高压区时，汽泡重新凝结成液体，气体也会重新溶入液体，形成局部真空，周围液体会以极高的速度和频率来填补，形成高压和高频的冲击力，这种冲击力的作用会对水泵带来多种危害。液体在流动过程中，由于压力的变化，造成气泡的形成、发展和破裂，导致各种危害的全过程称为汽蚀现象。二、泵的正常吸入条件为保证泵的正常工作，吸入压力必须满足下列两点要求：（1）泵的各密封元件应有足够的密封性，这样才能在吸入过程中形成足够低的吸入压力Ps，即MPa（2）泵吸口处的真空度不得大于泵的允许吸上真空度，从而确保泵内最低吸入压力Ps不低于所输送液体在其温度下所对应的饱和压力Pv，否则液体就会汽化，使得泵不能正常工作。即吸入真空度：这说明，如果不能满足条件（1），泵就不能造成足够低的吸入压力，液体根本吸不上来。如果不能满足条件（2）的要求，则说明即使泵本身状况正常，吸入管路也未漏气，但吸入条件太差，吸入压力过低，泵也无法正常工作。影响吸入压力的因素：当其他条件不变，吸入液面压力Psr越小，吸入压力Ps就越低，即吸入条件越差。当吸入液面与大气相通时，Psr等于大气压力。对海船来说，大气压力几乎终年不变。但如果泵（凝水泵）从真空容器中吸水，因Psr接近凝水的饱和压力，故吸入条件很差。（1）、吸入液面压力（2）、吸高当其他条件不变，吸高Zs越大，Ps就越低。当吸入液面作用的是大气压力时，大多数水泵的许用吸高不超过5～6m。为此，对于那些吸入条件很差的泵（如热水泵、凝水泵等），应将其安装在吸入液面之下。泵吸口低于吸入液面的高度称为流注吸高。（3）、吸入管流速及阻力当其他条件不变时，吸入管流速Vs和管路阻力∑hs越大，则Ps越小。管路阻力包括沿程阻力和弯头、阀门、滤器等处的局部阻力。除在设计时应尽量减小管长，减少管路弯头、附件，选用适当的管径和管内流速外，使用时还应勤洗滤器，开足吸入阀门，以减少吸入管路阻力损失。一般对于油泵，油温越低，油的粘度越高，流动阻力就越大；而对于水泵，水温变化对管路阻力的影响很小。（5）、液体温度液体温度对吸入压力的影响，主要看其对液体密度和管路阻力的影响而定。输油时，油温降低，管路阻力增大，同时油的密度业增大，因而将使吸入压力降低。而输送水时，水温对管路阻力和密度的影响不大，因而对吸入压力影响很小；但另一方面温度越高，水越容易汽化，吸入条件越差。所以，对吸入温度可能变化的泵，如锅炉给水泵，使用中当水温升高导致吸入失常时，应通过降低泵的转速，或降低吸入液体温度等措施解决。（4）、液体密度所输送液体的密度越大，则泵的吸入压力就越低。（6）惯性水头惯性水头是指液体作不稳定流动（即各处流速随时间而变）时才存在的附加水头。对往复泵来说，由于液体的惯性，泵在吸入行程之初，活塞工作面上的压力可能比吸口的吸入压力Ps更低。如小于Pv，活塞面上的液体就会汽化，使活塞与液体脱离，二者之间存在由产生的蒸汽和自液体中逸出的气体所形成的“气垫”。当活塞运动到后半行程或返回行程时，由于活塞表面的压力迅速升高，气垫中的蒸汽迅速液化，气体也重新溶入，就会造成严重的水击。（7）原动机转速当其他条件不变时，转速增加，惯性水头增加，吸入压力脉动增加。因此转速也是影响泵吸入性能的一个因素。这也是往复泵转速不宜过高的原因之一。三、泵的正常排出条件为将液体输送到需用处，泵必须能产生足够大的排出压力，以克服需用处的液面压力、排出高度和排出管路中的各种阻力。同时，容积式泵的排出压力不得超过额定排出压力，否则，将可能造成原动机过载，甚至使泵的密封或部件损坏。稳定流动时泵所必需的排出压力为：为保证正常工作，在管理时要防止排出管路上的滤器或其他元件堵塞，注意排出阀的打开程度。如排出条件不变，泵的排出压力低于正常值，则通常意味着泵的流量减小使得管路阻力降低。适当降低转速可减少惯性损失。另外，为了减少往复泵流量和排出压力的脉动，除了采用多作用泵外，常装设排出空气室。式中：排出管路损失中已扣除了排出管出口的速度头损失。MPa四、吸入过程分析分析往复泵的吸入过程，主要研究在吸入过程中活塞表面压力的变化规律。根据往复泵的理论分析可知，往复泵在吸入过程中活塞的表面压力是不断变化的，这些因素有：流动阻力、惯性水头、吸入液面压力、吸入阀门阻力等。对这些影响因素分析可得出：影响吸入过程中活塞表面压力主要因素是因吸入管内液体不稳定流动惯性力的影响;在吸入行程刚开始时，活塞表面压力达到最低值。当活塞表面压力低到一定值时会发生“汽蚀现象”，影响电动往复泵的正常工作。为了保证往复泵吸入过程的正常进行，不发生汽蚀，必须满足以下的汽蚀减免条件：（1）液体温度对吸入性能的影响

要保证往复泵吸入过程正常进行，必须保证活塞表面压力高于液体温度所对应的饱和蒸汽压力。液体的饱和蒸汽压力与液体温度有关，液体温度越高，相应的饱和蒸汽压力也越高。越容易发生汽蚀（2）几何安装高度对吸入性能的影响几何安装高度越大，活塞表面真空度也越大，泵就越容易发生汽蚀，为了保证泵具有正常的吸入性能，必须使泵的几何安装高度HB尽可能的低。船上的某些泵，如锅炉给水泵，因其水温较高，常将泵装在吸水液面以下的位置，即几何安装高度为负值，该泵需在一定的灌注高度下工作，以防止发生汽蚀。（3）原动机转速对吸入性能的影响电动往复泵在吸入过程中，活塞表面压力主要受到不稳定流动惯性力的影响，而不稳定流动惯性力主要是由原动机转速转速产生的。限制了原动机的转速即限制了不稳定流动惯性力。根据理论分析，可以用下式计算出驱动活塞往复运动的曲柄最高转速n。式中：A，At——分别为泵缸面积和吸入管面积；

pa，pv——分别为大气压力和液体温度所对应的饱 和蒸汽压力；

R——曲柄半径；

Lt——吸入管长度；

HB——几何安装高度；

Hw——液体经吸入阀时的损失；

γ——液体的重度。

因此原动机的转速也是影响电动往复泵的吸入性能的一个因素。这也是电动往复泵在单位时间内活塞往复次数较少的原因之一。

水击现象：由于液体动量的急剧变化（流量或流速）引起管道内压力的急剧变化，好似液体重击在物体上。

五、排出过程与吸入过程类似，往复泵在排出过程中，活塞表面压力也是随着活塞在排出过程的位置而变化的。在排出过程中，活塞表面压力的变化主要受液体惯性力的影响，并且在排出行程刚开始时，活塞表面压力达到最高值。如果往复泵的排出管路很长，原动机转速较高，活塞面积较大时，在排出行程中，产生的惯性力就比较大，活塞表面压力波动就很大，这样会引起液流不连续、噪声和管路振动等危害，甚至引起管路内压力急剧的变化即水击现象。这些都会使泵和原动机的工作条件恶化，严重时会造成部件或管路系统的破坏。因此对原动机转速、排出管路长度等影响惯性力的因素应加以限制，保证往复泵正常工作。六、空气室为了改善往复泵的工作，应减小不稳定流动惯性力，或使吸入管内和排出管内的流动尽量均匀。可以采用增加缸数和设置空气室的方法。结构：密闭的金属容器，上部充满空气。作用：利用空气被压缩和膨胀来储存或放出一部分液体，以达到管道中液体流量不均匀的目的，防止汽蚀和水击现象的发生。（1）吸入空气室吸入空气室设置在泵的吸入口处，他将吸入管分为两段，靠近泵吸入口处的一段为短管，另一段为长管。短管内，液体的流动没有改变，但因管道短，总的惯性力较小，对泵的吸入过程影响较小。(2)排出空气室

在排出过程中，流量加大时，因流动阻力增大，液体部分被存贮在排出空气室。流量减小时，被存贮的部分液体排出。这样，使排出管内的液体流动趋于均匀，降低了排出管内的惯性力。长管内，在吸入过程中，空气室内的液面由低升高，空气的体积由大变小，由于气体是可压缩的，其压力变化不大并始终处于真空度状态，吸入长管内的液体在一个近乎不变的压力差作用下流动，流动也近乎是均匀的，大大降低了长管内的惯性力。一、特点

1具有较强的自吸能力。

2具有较高的压头。压头与泵的负载、轴功率、零件强度和密封条件有关，与泵的几何尺寸、转速、作用次数、流量无关。