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水泵初探
摘要:
水泵作为一种向管路系统输送能量的装置,在实际生活中有非常广泛的应用,实现将水从低处压往高处的作用,是目前城市供水系统不可或缺的一个部件。水泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。
本论文共分为三个部分对水泵进行介绍。第一部分——水泵原理旨在介绍水泵的基本原理及其特点及分类。第二部分——水力计算通过由理论公式的推导(加入一些简化假设条件)半定量地熟悉水泵的工作参数——扬程的影响因素和提高方式;同时引入两条特性曲线更加工程化地了解扬程与流量的关系以及确定方式。
第三部分——拓展应用更多方面的介绍水泵的其它问题,如与虹吸管进行对比,工程实例混凝土输送泵的介绍以及水泵的防护(气蚀现象)。
正文:
一、水泵原理
引子——“吹瓶子”原理:
生活中吹瓶子的时候,如果嘴一直贴着瓶口,随着瓶中酒的减少,瓶子内部和大气形成压强差,这一负压阻止了啤酒流出,也就是大气压阻止了啤酒流出,使得吹瓶子的速度减慢。而怎样才能解决这个问题呢?我们在瓶口插一根吸管,把瓶子和大气联通,消除了这一负压,使得啤酒更容易流出。
这一事例中,负压阻止了啤酒流出,相反的,水泵正是利用了这一原理,利用负压作用于液体。
水泵工作原理:
在打开水泵后,叶轮在泵体内做高速旋转运动(打开水泵前要使泵体内充满液体),泵体内的液体随着叶轮一块转动,在离心力的作用下液体在出品处被叶轮甩出,甩出的液体在泵体扩散室内速度逐渐变慢,液体被甩出后,叶轮中心处形成真空低压区,也就是负压,液池中的液体在外界大气压的作用下,经吸入管流入水泵内。泵体扩散室的容积是一定的,随着被甩出液体的增加,压力也逐渐增加,最后从水泵的出口被排出。液体就这样连续不断地从液池中被吸上来然后又连续不断地从水泵出口被排出去。
离心泵的一般特点:
(1)水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入,垂直于轴向流出,即进出水流方向互成90°。
(2)由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水,因此在起动前必须向泵内和吸水管内灌注引水,或用真空泵抽气,以排出空气形成真空,而且泵壳和吸水管路必须严格密封,不得漏气,否则形不成真空,也就吸不上水来。
(3)由于叶轮进口不可能形成绝对真空,因此离心泵吸水高度不能超过10米,加上水流经吸水管路带来的沿程损失,实际允许安装高度(水泵轴线距吸入水面的高度)远小于10米。如安装过高,则不吸水;此外,由于山区比平原大气压力低,因此同一台水泵在山区,特别是在高山区安装时,其安装高度应降低,否则也不能吸上水来。
二、水力计算
引子:
在对水泵的运行基本原理有所了解过后,我们将深入一步研究水泵在工程实际中的应用。在应用中,水泵最重要的便是如何提高扬程,同时降低损耗提高效率的问题,故须对影响水泵扬程的参数进行研究,找到合理的水泵选取方法。
水泵扬程特性曲线:
(一)理想水泵(离心泵)扬程基本表达式
首先引入几点假设:;
;
(无粘性)
液流分析:液体质点进入叶轮后做复合圆周运动,分为牵连运动(圆周)和相对运动。
通过动量矩定理可推导出(推导过程见另附纸):
——理论扬程
——牵连速度(圆周速度)
——绝对速度在圆周方向的投影
讨论:由上述理论推导可知,:
,水流垂直流入叶轮可提高扬程(因为此时第二项为零)。
,提高转速、增加叶轮直径以提高扬程(因为圆周速度有如下公式——。
(但是水泵的功率与液体种类有关),即同一型号水泵在同等条件下,不同液体均能达到相同的高度,但是所需功率将不同。
由于推导假设条件的限制,该公式运用到实际中的可行性,需要进行进一步的讨论:
,与实际误差不大。
,液槽中实际流速分布不均匀。由于液流惯性使叶片迎水面流速提高、压力降低,叶片背水面流速降低、压力提高,产生反旋现象。反旋将降低扬程,故引入修正系数P , 。
,实际情况下有水力损耗,包括叶轮进出口的冲击,液槽中的紊动、摩阻损失等等,故引入水力效率进行修正,。
至此,我们通过对水泵本身的液流分析,得到了它的扬程基本方程式,主要为定性地确定了水泵扬程的影响因素。然而这种推导在实际中的应用并不好,原因在于我们基本方程式中的速度是较难测试的参数,并且本身该公式由于太多的理想条件约束,误差较大,而在引入修正系数后,修正系数的测定也成了需要攻克的对象。
换个角度思考,我们不妨