离心泵及其振动

离心泵及其振动简介离心泵的原理及常见的故障工业中的很多流程都需要将流体从一个位置输送到另一个位置，扮演者重要的角色。

涵盖的工业很广泛，从大型核电厂和普通电厂、输油管线、石化厂、市政废水处理厂、水厂，到大小型建筑物，到轮船和海上石油平台等等。

一般来说，泵在旋转机械中是那种皮实、可靠的一类设备。

但在很多流程中，泵是关键设备，一旦故障宕机，后果往往是严重的，甚至是灾难性的。

除直接经济损失外，安全问题也是不容小视，甚至超过经济损失，如泵失效导致放射性物质或有毒液体泄露，会殃及工厂相关人员的生命，甚至包括周边百姓。

此外环保因素也一样，有害流体因为泵的泄露等失效，会严重污染空气、水和土壤，甚至导致环境的不可逆危害，治理起来费时、费力、费钱。

所以，虽然泵常常没有归入关键机组，但对它的重视，按关键机组对待并不为过。

什么是泵?几乎所有人都都熟悉泵及其基本原理，如汽车发动机的冷却液通过泵在散热器和水套中循环。

泵克服流体的重力、摩擦力，将流体加速到一定的出口速度，送到一定的高度。

克服重力的影响不难理解，但对于克服流体的阻尼–摩擦力的概念可能未必尽人皆知。

流体流经管道，流体分子间会产生“摩擦”，因为分子间在运动过程中速度不一样，之间就会有相对运动，摩擦自然就产生了。

流体间运动速度不一样可以通过特殊情况理解，在管道壁流体的流速为零，在管道中心的流速最大，也就是所谓的流场梯度。

所以，重力和摩擦力是泵运行中需要克服的阻力。

摩擦力有流体和管壁间的摩擦力，以及分子间的摩擦力。

因此，简言之，管壁光滑的摩擦力比粗糙的小，大直径管比小直径管摩擦力小；流体的特性影响摩擦力，内聚力大的流体，也就是粘度大的流体摩擦力大。

当然实际情况可能要复杂得多，但足够去理解泵的阻力了。

泵是一种能量转换设备，是将驱动机械的旋转动能，转换成所泵流体的能量。

•克服流体运动过程中的重力，提高扬程、克服流体内、外摩擦力。

•流体出口速度比入口速度提高。

下图是流体流过泵和管道，流体能量的变化图能量梯度线表示了能量的损失大小。

是泵必须克服的。

上图并没有讨论流体净增加的能量。

泵作为一种能量转换的设备，目标是能量转换效率高，耗能小。

泵的分类按增加流体能量的方式，泵分为：•容积式泵。

包括柱泵塞、活塞泵、隔膜泵、螺杆泵、齿轮泵等活塞泵和齿轮泵虽然不是往复运动，但同样也是以冲击的方式周期性给流体增加能量。

•叶片式泵。

通过叶片以平滑和连续的方式给流体增加能量（动能），这种泵也叫做离心泵按旋转轴分类•卧式泵•立式泵按叶片方式分类•单级泵•悬臂泵单端支撑•简支泵•多级泵本文主要讨论离心泵，因为离心泵使用最为广泛，也因为在电力和流程工业企业的资产、运行和维修成本等方面举足轻重。

离心泵的设计大同小异。

为了讨论离心泵的常见故障，有必要了解其设计和运行特征，下图1.2 和1.3 示出的是一个典型的单级、端部水（或其它液体）蜗壳泵的结构示意图和实物图。

图1.2典型单级、端部进水（或其它液体）、悬臂泵截面图。

液体从右端轴向进入叶轮蜗壳，径向上部排出，图中示出了流体的平均流线。

图 1.3 离心水泵。

两图都是左侧进水，从顶部排出。

图1.2的离心泵安装在自身的底座上，图1.3直接悬臂安装在电机外壳上，没有另外的支撑。

2. 离心泵的设计和运行离心泵的几个性能参数压头（H），也称作扬程，单位：米，表示泵输送给流体的能量，一般有如下三种不同的表达：•静压头，或者简称压头(HP)，用压力表测得。

•扬程(HE)，表示为垂直方向的相对高度•速头(HV)，表示流体的动能，一般是用皮托管测量。

流体的总能量是，压头，是上述三种能量之和，可以是它们的任意比例的组合。

可以是一种、两种、或者三种都存在。

如静止的游泳池，没有速压，底部只有静压，顶部只有扬程，中间有扬程和静压。

在游泳池的底部装一个一定小管径的阀门，通过测量流体的流速，也能换算流体的能量及其它几个量（假设没有增加总能量和不计能量损耗）。

流体的能量转换的定理是伯努利定理。

总之，离心泵的能量可以以三种形式任意组合表示，它们之间也可以互相转换。

通常是先给流体增加速头，然后一部分转换成压头。

离心泵的特点：•泵的轴很短，是为刚性轴•叶轮要么安装在外侧轴端，要么安装在中间•密封可以在防止流体泄露的任何位置•叶轮拧或嵌入密封之间•摩擦环或密封环，在出入口间起到密封的作用，防止流体回流离心泵注入能量的三种方式所有的离心泵都是通过叶片给流体一个速头的方式注入能量，但速度的方向不尽相同。

分为三种类型：•径向流向：叶片使流体的出口方向垂直于轴向，如图2.1a•混合流向: 叶片使流体的出口方向与轴向成一定的夹角，但不垂直、不平行。

如图2.1b•轴向流向: 叶片使流体的出口方向平行于轴向。

如图2.1c图2.1 离心泵的三种不同的能量注入方向。

每种方向各有特点，每种应用场合不一样。

离心泵的结构及其功能离心泵即有简单的小泵，也有复杂的大泵。

但其主要的部件设计和功能是相同的。

下面讨论它们的结构和常见故障叶轮叶轮，或叶轮叶片是将驱动轴转子的旋转能量转换成泵内流体的动能的部件。

径向流叶轮径向流叶轮的本质上是一个旋转的轮盘，其一边上均匀分布有几个叶片（如图2.2），流体通过管道从叶轮的中心（眼）注入，被叶轮的前缘接着，因离心力的作用（离心泵的由来），驱动和引导流体流出叶片，叶片的型式通常是反旋转方向的，后面讨论。

图 2.2 流体流经叶轮的入口、出口方向。

流体流出时是有速度的。

下图2.3是流体流出叶片的速度示意图。

速度的变化可以用两个矢量来表示，一个矢量是U是相对于轴心的切线速度，等于质点所在位置的半径乘以周旋转的角速度；另一个矢量是Vt，是流体流经叶片的曲面切向速度，它和叶型有关。

图2.3流体在入口和出口的速度矢量。

从图示可以看到叶片的曲率越大，Vt的方向决定了总速度V2要减小，压头会减小。

流体流经泵的出入口后速度的改变有V2和V1的矢量差决定。

V1不能作为流体获得的能量，因为它是在流体进入泵之前就有了的。

上述的描述是简化了的、很理想的流体情况，但该模型依然很有用。

要注意的是，实际上应该考虑流体的摩擦导致的能量损耗，泵实际性能有所下降，虽然供应商有很多算法可以估计能耗，但实际上还离开不了实测值的完善。

轴向流叶轮轴向流叶轮通常归类于离心机，但是，它并不利用离心力来增加流体的速度，而是如同螺旋桨（如图）的原理，叶轮的形状使其产生的是与泵轴相同方向的推力。

混流叶轮第三类离心泵的叶轮是介于径向流叶轮和轴向流叶轮之间叶轮。

流体在泵中加速，方向既有径向，也有轴向，如图2.1b所示，所以其叶型也是综合了两者之间的特点。

三种不同的叶型，分别提供了不同的压力与流量特性的组合特性。

径流泵用于压力大、流量小的场合，而轴流泵用于低压力、高流量的地方。

而混流泵则介于两者之间。

这种压力与流量的关系特性就构成了泵的比转速。

比转速可以作为泵的不同叶型设计的重要依据，综合了全压H和流量Q的特性。

一种叶型不能适应所有的应用，即使一种叶型可以运行在不同的全压和流量的组合，其运行效率可能很低。

所以实践中，经济上对于不同的应用的泵要求优化设计。

而比转速，Ns，概念就应运而生了。

大部分的应用中，流量Q、全压H、及转速是预先确定的，如流量是工艺要求决定的，全压是由系统的摩擦和重力等损耗决定的，而转速是由驱动设备定下来的，将这些因素考虑进比转速，Ns，就可以选择出合适的叶型了。

其中，N为泵的转速，RPM，Q是最高效率点及全叶轮直径下的流量, gpm，H是最高效率点及全叶轮直径下的扬程, ft。

计算出了比转速，那么这个特定的泵，其转速和叶轮直径就是恒定了。

这就是泵设计的相似定律，制造商和用户可以根据相似定律来估算不同的叶型或不同的转速。

简言之，比转速是叶型几何参数的函数，如果已知泵的比转速，就能大致确定其叶型。

下图是其关系图，这种关系是几何形状（尺寸的比例关系，样式）和比转速的关系，与叶轮的尺寸无关。

径流泵的比转速小，叶片直径相对流体入口直径大，所以全压大而流量小。

叶轮设计特点叶轮的曲率弯曲方向一般与旋转方向相反，曲率越大，压头越小，流量就越大。

较少的叶轮用直叶片，是曲率为o的特殊情况，压头最大。

而压力大时流量会小后面讨论。

叶轮直径增加压头可以通过增加叶轮的直径实现。

增大叶轮的直径，直接增加的是U，也就增加了合成矢量的V，即压头。

增大叶轮直径的代价是增大了负荷力矩，而功率是力矩和转速的函数，所以增大叶轮直径就要增加一定的转速下的功率。

为减小出口的压头或功耗，有时可小量减小叶轮的直径（称作“裁剪”）。

例如，出口管道强度不够或者承受不了过大的泵的压头，亦或者仅是功耗过大不经济。

根据前述讨论，我们知道，改变压头可以是改变叶型的曲率或者直径等多种方法，增加流量（增加Vt，并降低V），转子转速可以降低（降低U，从而降低了V），或者减小叶轮的直径（降低U，从而降低了V），除了降低叶轮的直径外，其它通过减小V来达到降低压头的办法在大多数应用中难以实现。

流量是工艺决定的，转速是定速电机，叶型中的叶轮是集成在叶片上的，除非该叶片，也是不易更改的，所以改变叶片的直径是最省事的办法。

泵的蜗壳在设计时考虑了可以适应一定范围的叶片直径，所以允许叶片的拆除、修磨、和回装在原蜗壳里。

开式vs闭式闭式叶轮可以最大地减小泄露，所以比开式叶轮效率高，但价格较贵。

按叶轮的盖板的情况来分类开式、半开式和闭式叶轮。

图2.2是半开式的叶轮。

另外，盖板与蜗壳的间隙小，之间的结合处需要有可更换的摩擦环，也能提高效率，减小泄露，但增加成本。

图示见后面的2.14、2.15。

单吸vs双吸式•双吸式有较好的轴向力的平衡•双吸式扩大了入口面积•通常常用单吸式，因为其较低的成本，还有双吸式更容易被异物堵塞。

泵的流体入口英文中常称为“eye”，单侧入水是为单吸式，两侧入水双吸式。

分别见图2.14和2.15，双吸式的入口净正吸头要求小于单吸泵。

泵壳的功能泵壳通常铸成蜗壳形，是主要固定部件。

它收集来自叶轮的高能流体和保持到流体排出叶轮，并使液体的部分动能转换为压力能，最后将液体均匀地导向排出口。

图示速度图和压头的关系泵壳的出口设计是将速度头（动能）转化为压头。

这里假设没有功耗，流体能量不变。

从图1.2右侧可以看到，流体流出叶片后，其流体的流通面积是沿蜗壳逐渐增大的，流体速度逐渐变小，根据伯努利原理，变小的流速转换成了压力势能。

1. 蜗壳最常见的泵壳是单蜗壳形，螺旋形，如图2.6，蜗壳为流体提供一种逐渐扩大的流体通道，叶轮出水口与蜗壳间最小流通面积的地方是螺旋线的起点，叫做“分水”，在此处的排水分成两股，一股去蜗壳，一股直接去排水口，如图2.6所示。

图2.6单蜗壳泵蜗壳。

可见螺旋状的泵壳，分水处的流体有两个流向，一股沿蜗壳，作为流道的起点运动，一股直接去了排水口。