船舶輔機-(哈工程出版社)往復泵

第一章往復泵

Reciprocatingpump第一節(jié)往復泵的主要結(jié)構(gòu)、工作原理和類型一、往復泵的主要結(jié)構(gòu)泵缸、活塞、吸入閥、排出閥、吸入室、濾網(wǎng)等。二、工作原理往復泵是一種容積式泵?；钊蛑谠瓌訖C的驅(qū)動下，在泵缸內(nèi)作往復運動，使泵缸內(nèi)的容積發(fā)生變化，完成吸排和輸送液體。行程：左、右死點（上、下死點）間的距離。作用次數(shù)：往復泵在活塞每一往復行程吸排液體的次數(shù)稱為往復泵的作用次數(shù)。吸入行程：工作容積增加，缸內(nèi)壓力下降。吸入閥打開，排出閥關閉。液體進入缸內(nèi)。排出行程：工作容積減少，缸內(nèi)壓力增加。吸入閥關閉，排出閥打開。液體排出泵缸。三、往復泵的類型1按結(jié)構(gòu)形式分（1）活塞式：活塞環(huán)密封，流量較大，壓頭較低。（2）柱塞式：柱塞外壁與缸體填料函間密封，有較長的密封長度。流量較小，壓頭較高。2按驅(qū)動方式分（1）直動式：氣體、液體和蒸汽驅(qū)動。（2）機動式：電動機、柴油機驅(qū)動。（3）手動式：人力驅(qū)動。3按泵缸中心線分（1）臥式：泵缸中心線與安裝平面平行。（2）立式：泵缸中心線與安裝平面垂直。雙作用泵4按作用次數(shù)分（1）單作用：每一往復行程，吸排一次液體。（2）雙作用：每一往復行程，活塞兩側(cè)各吸排一次液體。（3）由三個單作用泵缸組成一個三作用泵；由兩個雙作用泵缸組成一個四作用泵。第二節(jié)流量和流量不均勻度一、平均理論流量和容積效率 往復泵的活塞在一個往復行程中所排出的液體的體積理論上應等于活塞在排出行程中所掃過的體積。1平均理論流量QT（理想工況）

（1）單作用泵缸和差動泵

D——活塞截面直徑S——工作行程n——活塞每分鐘往復次數(shù)式中：（2）雙作用泵

I——作用次數(shù)d——活塞桿直徑式中：（3）多作用泵2容積效率ηv（1）產(chǎn)生泄漏的原因（實際流量Q<理論流量QT）(1.1—1)●吸入閥和排出閥開閉遲緩；實際工作時，當排出行程結(jié)束和吸入行程開始時，由于排出閥沒有及時關閉，使得部分液體經(jīng)排出閥漏回泵缸，同樣，在吸入行程結(jié)束和排出行程開始時，由于吸入閥沒有及時關閉，使得部分液體經(jīng)吸入閥漏回吸入管內(nèi)，造成實際泵的流量減小。●閥與閥座、活塞與泵缸、活塞桿與填料函間的泄漏；●缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的氣； 氣體來源： 進入泵缸的少量的氣體；溶解在液體中的氣體●高壓下，液體壓縮影響等因素。（2）容積效率ηv：表示泵流量損失的多少。二、瞬時流量Qi流量不均勻度Q1瞬時流量Qi：表示某一時刻的流量。

Qi=Avi

vi：活塞的瞬時速度。電動往復泵瞬時速度分析： 簡化條件：曲柄半徑與連桿長度之比R/L<<0.2。此時，活塞速度可近似的用曲柄銷的線速度在活塞桿方向上的分量來代替。即：所以：Qi=Avi=ARsinβ

當曲柄轉(zhuǎn)角β由0到360度變化時，單作用泵的瞬時流量是很不均勻的。單缸單作用往復泵瞬時流量Qi

按正弦規(guī)律變化。2流量不均勻度Q：表示泵流量不均勻的程度。

Qimax：最大瞬時流量。(1.1—2)多作用往復泵的瞬時流量可將各缸在同一時刻排出的流量疊加而得。顯然多作用往復泵瞬時流量的均勻程度要比單作用泵好，其中三作用泵瞬時流量的均勻程度比單、雙、四作用泵都好。泵的流量不均勻程度可用流量脈動率表示：流量不均勻度Q的變化規(guī)律：不是按缸數(shù)增加而單調(diào)減少的，而是按1、3、5、7或2、4、6規(guī)律減少。缸數(shù)為奇數(shù)時的流量不均勻度小于相鄰的缸數(shù)為偶數(shù)時的流量不均勻度。P55計算不同缸數(shù)的流量不均勻度單缸單作用雙缸單作用三缸單作用流量不均勻度的增加會引起泵工作時噪聲、震動和沖擊的增加，希望其值盡量小。但增加缸數(shù)會帶來結(jié)構(gòu)復雜的缺點，直動泵因活塞是勻速運動的，其流量也較為均勻。2汽蝕現(xiàn)象的危害

（1）材料受到破壞沖擊力的作用產(chǎn)生機械剝蝕和化學腐蝕的綜合作用。（2）產(chǎn)生噪聲和震動氣泡的破裂，液體的高頻沖擊力引起嚴重的噪聲和震動。（3）性能下降氣泡的形成堵塞了流通面積，消耗了能量，使泵的功率增加，流量、壓頭和效率下降。第三節(jié)工作過程分析和空氣室一、汽蝕現(xiàn)象1汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生液體在流動到低壓區(qū)時，溶解在液體中的氣體會逸出；當壓力等于或低于液體相應溫度的飽和蒸汽壓力時，液體也會汽化，形成汽泡。當汽泡流動到高壓區(qū)時，汽泡重新凝結(jié)成液體，氣體也會重新溶入液體，形成局部真空，周圍液體會以極高的速度和頻率來填補，形成高壓和高頻的沖擊力，這種沖擊力的作用會對水泵帶來多種危害。液體在流動過程中，由于壓力的變化，造成氣泡的形成、發(fā)展和破裂，導致各種危害的全過程稱為汽蝕現(xiàn)象。二、泵的正常吸入條件為保證泵的正常工作，吸入壓力必須滿足下列兩點要求：（1）泵的各密封元件應有足夠的密封性，這樣才能在吸入過程中形成足夠低的吸入壓力Ps，即MPa（2）泵吸口處的真空度不得大于泵的允許吸上真空度，從而確保泵內(nèi)最低吸入壓力Ps不低于所輸送液體在其溫度下所對應的飽和壓力Pv，否則液體就會汽化，使得泵不能正常工作。即吸入真空度：這說明，如果不能滿足條件（1），泵就不能造成足夠低的吸入壓力，液體根本吸不上來。如果不能滿足條件（2）的要求，則說明即使泵本身狀況正常，吸入管路也未漏氣，但吸入條件太差，吸入壓力過低，泵也無法正常工作。影響吸入壓力的因素：當其他條件不變，吸入液面壓力Psr越小，吸入壓力Ps就越低，即吸入條件越差。當吸入液面與大氣相通時，Psr等于大氣壓力。對海船來說，大氣壓力幾乎終年不變。但如果泵（凝水泵）從真空容器中吸水，因Psr接近凝水的飽和壓力，故吸入條件很差。（1）、吸入液面壓力（2）、吸高當其他條件不變，吸高Zs越大，Ps就越低。當吸入液面作用的是大氣壓力時，大多數(shù)水泵的許用吸高不超過5～6m。為此，對于那些吸入條件很差的泵（如熱水泵、凝水泵等），應將其安裝在吸入液面之下。泵吸口低于吸入液面的高度稱為流注吸高。（3）、吸入管流速及阻力當其他條件不變時，吸入管流速Vs和管路阻力∑hs越大，則Ps越小。管路阻力包括沿程阻力和彎頭、閥門、濾器等處的局部阻力。除在設計時應盡量減小管長，減少管路彎頭、附件，選用適當?shù)墓軓胶凸軆?nèi)流速外，使用時還應勤洗濾器，開足吸入閥門，以減少吸入管路阻力損失。一般對于油泵，油溫越低，油的粘度越高，流動阻力就越大；而對于水泵，水溫變化對管路阻力的影響很小。（5）、液體溫度液體溫度對吸入壓力的影響，主要看其對液體密度和管路阻力的影響而定。輸油時，油溫降低，管路阻力增大，同時油的密度業(yè)增大，因而將使吸入壓力降低。而輸送水時，水溫對管路阻力和密度的影響不大，因而對吸入壓力影響很小；但另一方面溫度越高，水越容易汽化，吸入條件越差。所以，對吸入溫度可能變化的泵，如鍋爐給水泵，使用中當水溫升高導致吸入失常時，應通過降低泵的轉(zhuǎn)速，或降低吸入液體溫度等措施解決。（4）、液體密度所輸送液體的密度越大，則泵的吸入壓力就越低。（6）慣性水頭慣性水頭是指液體作不穩(wěn)定流動（即各處流速隨時間而變）時才存在的附加水頭。對往復泵來說，由于液體的慣性，泵在吸入行程之初，活塞工作面上的壓力可能比吸口的吸入壓力Ps更低。如小于Pv，活塞面上的液體就會汽化，使活塞與液體脫離，二者之間存在由產(chǎn)生的蒸汽和自液體中逸出的氣體所形成的“氣墊”。當活塞運動到后半行程或返回行程時，由于活塞表面的壓力迅速升高，氣墊中的蒸汽迅速液化，氣體也重新溶入，就會造成嚴重的水擊。（7）原動機轉(zhuǎn)速當其他條件不變時，轉(zhuǎn)速增加，慣性水頭增加，吸入壓力脈動增加。因此轉(zhuǎn)速也是影響泵吸入性能的一個因素。這也是往復泵轉(zhuǎn)速不宜過高的原因之一。三、泵的正常排出條件為將液體輸送到需用處，泵必須能產(chǎn)生足夠大的排出壓力，以克服需用處的液面壓力、排出高度和排出管路中的各種阻力。同時，容積式泵的排出壓力不得超過額定排出壓力，否則，將可能造成原動機過載，甚至使泵的密封或部件損壞。穩(wěn)定流動時泵所必需的排出壓力為：為保證正常工作，在管理時要防止排出管路上的濾器或其他元件堵塞，注意排出閥的打開程度。如排出條件不變，泵的排出壓力低于正常值，則通常意味著泵的流量減小使得管路阻力降低。適當降低轉(zhuǎn)速可減少慣性損失。另外，為了減少往復泵流量和排出壓力的脈動，除了采用多作用泵外，常裝設排出空氣室。式中：排出管路損失中已扣除了排出管出口的速度頭損失。MPa四、吸入過程分析分析往復泵的吸入過程，主要研究在吸入過程中活塞表面壓力的變化規(guī)律。根據(jù)往復泵的理論分析可知，往復泵在吸入過程中活塞的表面壓力是不斷變化的，這些因素有：流動阻力、慣性水頭、吸入液面壓力、吸入閥門阻力等。對這些影響因素分析可得出：影響吸入過程中活塞表面壓力主要因素是因吸入管內(nèi)液體不穩(wěn)定流動慣性力的影響;在吸入行程剛開始時，活塞表面壓力達到最低值。當活塞表面壓力低到一定值時會發(fā)生“汽蝕現(xiàn)象”，影響電動往復泵的正常工作。為了保證往復泵吸入過程的正常進行，不發(fā)生汽蝕，必須滿足以下的汽蝕減免條件：（1）液體溫度對吸入性能的影響

要保證往復泵吸入過程正常進行，必須保證活塞表面壓力高于液體溫度所對應的飽和蒸汽壓力。液體的飽和蒸汽壓力與液體溫度有關，液體溫度越高，相應的飽和蒸汽壓力也越高。越容易發(fā)生汽蝕（2）幾何安裝高度對吸入性能的影響幾何安裝高度越大，活塞表面真空度也越大，泵就越容易發(fā)生汽蝕，為了保證泵具有正常的吸入性能，必須使泵的幾何安裝高度HB盡可能的低。船上的某些泵，如鍋爐給水泵，因其水溫較高，常將泵裝在吸水液面以下的位置，即幾何安裝高度為負值，該泵需在一定的灌注高度下工作，以防止發(fā)生汽蝕。（3）原動機轉(zhuǎn)速對吸入性能的影響電動往復泵在吸入過程中，活塞表面壓力主要受到不穩(wěn)定流動慣性力的影響，而不穩(wěn)定流動慣性力主要是由原動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的。限制了原動機的轉(zhuǎn)速即限制了不穩(wěn)定流動慣性力。根據(jù)理論分析，可以用下式計算出驅(qū)動活塞往復運動的曲柄最高轉(zhuǎn)速n。式中：A，At——分別為泵缸面積和吸入管面積；

pa，pv——分別為大氣壓力和液體溫度所對應的飽 和蒸汽壓力；

R——曲柄半徑；

Lt——吸入管長度；

HB——幾何安裝高度；

Hw——液體經(jīng)吸入閥時的損失；

γ——液體的重度。

因此原動機的轉(zhuǎn)速也是影響電動往復泵的吸入性能的一個因素。這也是電動往復泵在單位時間內(nèi)活塞往復次數(shù)較少的原因之一。

水擊現(xiàn)象：由于液體動量的急劇變化（流量或流速）引起管道內(nèi)壓力的急劇變化，好似液體重擊在物體上。

五、排出過程與吸入過程類似，往復泵在排出過程中，活塞表面壓力也是隨著活塞在排出過程的位置而變化的。在排出過程中，活塞表面壓力的變化主要受液體慣性力的影響，并且在排出行程剛開始時，活塞表面壓力達到最高值。如果往復泵的排出管路很長，原動機轉(zhuǎn)速較高，活塞面積較大時，在排出行程中，產(chǎn)生的慣性力就比較大，活塞表面壓力波動就很大，這樣會引起液流不連續(xù)、噪聲和管路振動等危害，甚至引起管路內(nèi)壓力急劇的變化即水擊現(xiàn)象。這些都會使泵和原動機的工作條件惡化，嚴重時會造成部件或管路系統(tǒng)的破壞。因此對原動機轉(zhuǎn)速、排出管路長度等影響慣性力的因素應加以限制，保證往復泵正常工作。六、空氣室為了改善往復泵的工作，應減小不穩(wěn)定流動慣性力，或使吸入管內(nèi)和排出管內(nèi)的流動盡量均勻。可以采用增加缸數(shù)和設置空氣室的方法。結(jié)構(gòu)：密閉的金屬容器，上部充滿空氣。作用：利用空氣被壓縮和膨脹來儲存或放出一部分液體，以達到管道中液體流量不均勻的目的，防止汽蝕和水擊現(xiàn)象的發(fā)生。（1）吸入空氣室吸入空氣室設置在泵的吸入口處，他將吸入管分為兩段，靠近泵吸入口處的一段為短管，另一段為長管。短管內(nèi)，液體的流動沒有改變，但因管道短，總的慣性力較小，對泵的吸入過程影響較小。(2)排出空氣室

在排出過程中，流量加大時，因流動阻力增大，液體部分被存貯在排出空氣室。流量減小時，被存貯的部分液體排出。這樣，使排出管內(nèi)的液體流動趨于均勻，降低了排出管內(nèi)的慣性力。長管內(nèi)，在吸入過程中，空氣室內(nèi)的液面由低升高，空氣的體積由大變小，由于氣體是可壓縮的，其壓力變化不大并始終處于真空度狀態(tài)，吸入長管內(nèi)的液體在一個近乎不變的壓力差作用下流動，流動也近乎是均勻的，大大降低了長管內(nèi)的慣性力。一、特點

1具有較強的自吸能力。

2具有較高的壓頭。壓頭與泵的負載、軸功率、零件強度和密封條件有關，與泵的幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、作用次數(shù)、流量無關。