流體輸送機(jī)械(多)

1、第二章第二章 流體輸送機(jī)械（多）流體輸送機(jī)械（多） 一、流體輸送機(jī)械：為流體提供外加能量的機(jī)械一、流體輸送機(jī)械：為流體提供外加能量的機(jī)械（機(jī)器（機(jī)器 和設(shè)備）。和設(shè)備）。二、分類二、分類 泵，泵， 液體液體 風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)或真空泵，風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)或真空泵， 氣體氣體 離心式 （離心泵、離心風(fēng)機(jī)）或動(dòng)力式或葉輪式 往復(fù)式 （往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)） 容積式或正位移式 旋轉(zhuǎn)式 （齒輪泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)） 流體動(dòng)力作用式 （噴射泵）第一節(jié) 離心泵離心泵一、工作原理一、工作原理1.結(jié)構(gòu)：見圖結(jié)構(gòu)：見圖2-1。2原理：甩出、真空、吸入。葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片之間的液體隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液體沿葉片間的通道從

2、葉輪中心被甩到葉輪外圍，具有很高的能量，從而液體可流到所需場所。當(dāng)液體被甩出后，在葉輪中心就會(huì)形成一定的真空，外界壓力與該真空的壓差就使液體經(jīng)底閥，吸入管道流入葉輪中心。這樣，只要葉輪不停地旋轉(zhuǎn)，液體就源源不斷地被吸入和排出。3氣縛：葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不能輸送液體的現(xiàn)象。若離心泵啟動(dòng)前未充滿液體，則葉片間必充滿氣體。由于氣體密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。所以在葉輪中心形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，這時(shí)葉輪雖然旋轉(zhuǎn)，但不能輸送液體。二、主要部件1葉輪：見圖2-2和圖2-3。 敞式 （開式） 半蔽式 （半閉式） 單吸 蔽式 （閉式） 雙吸 為平衡軸向推力，可在葉輪后蓋板上鉆一些小孔（見圖2-3a）或采

3、用雙吸式葉輪。2泵殼：見圖2-4。泵殼一般制成蝸牛殼形，以便動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率，有時(shí)在葉輪與泵殼之間裝有一個(gè)導(dǎo)輪。3軸封（裝置）：旋轉(zhuǎn)的泵軸與固定的泵體之間的密封。(1)填料密封填料一般采用浸油或涂石墨的石棉繩。結(jié)構(gòu)簡單，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。(2)機(jī)械（端面）密封動(dòng)環(huán)硬度大，常用硬質(zhì)合金、陶瓷等，而靜環(huán)硬度較小，常用石墨制品、聚四氟乙烯等。三、基本方程11.推導(dǎo) 2w2c2rc2uc2u221c1w1u11R1l2l21p2p1a2a1b2b2R由牛頓第二定律：可導(dǎo)出 即 轉(zhuǎn)動(dòng)定律即：物體所受對(duì)某給定軸的合外力矩等于該物體對(duì)該軸的動(dòng)量矩隨時(shí)間的變化率。d

4、tmcdF)(dtlmcdlF)(dtlmcdlFM)( 如圖所設(shè)，設(shè)一段不可壓縮理想液體在葉片間作連續(xù)穩(wěn)定的流動(dòng)，且流線與葉片重合， dt時(shí)間內(nèi)由a1a2流動(dòng)到b1b2，則外力對(duì)軸的力矩有：(1)重力的力矩。由于軸的對(duì)稱性，重力的力矩之和為零。(2)進(jìn)出口壓力的力矩：由于壓力垂直指向所考慮的流體的內(nèi)部，所以壓力的方向?yàn)閺较?，因此，壓力?duì)軸的力矩為零。(3)前后蓋板壓力的力矩：由于該壓力的方向與軸平行，所以該壓力對(duì)軸的力矩為零。(4)內(nèi)摩擦力的力矩：由于是理想流體，沒有內(nèi)摩擦力，所以內(nèi)摩擦力的力矩為零。(5)葉片壓力的力矩：該力矩即為轉(zhuǎn)軸傳給葉輪的轉(zhuǎn)矩。設(shè)該轉(zhuǎn)矩為M，則定積分得 (相當(dāng)于a1b

5、1處的流體移到了a2b2處) 21)(lmcdMdtdttt12)()()(lmclmctdttM1122lclcmMdt1122lclcdtQMdtT1122lclcQMT又轉(zhuǎn)矩的功： 轉(zhuǎn)矩的功率：所以 111222coscosRcRcQMTMdA MdtMddtANT111222coscosRcRcQMNTT111222coscosucucQMNTT而所以 基本方程(2-5)(P89)gQHNTTTWsJsNmsmmkgsmm233gucucgQNHTTT111222coscos111222coscosucucQNTT又由余弦定律 得得 理論壓頭(2-4)(P89)(21cos)(21co

6、s222222222212121111wucucwucucgwwguugccHT222222121222122222222222111212121cos2cos2ucucwucucw 在葉片進(jìn)出口間列柏努利方程：得 對(duì)比式(2-4)得所以靜壓頭的增量來自離心力作功和流體沿葉片動(dòng)壓頭的減少。 fHgcgpzHgcgpz2222222111cpTHHgccgppH2212212gwwguugppHp222221212212gccgwwguuHT222212222212122質(zhì)量為m的液體所受離心力：單位重量的液體所受離心力：單位重量的液體所受離心力所做的功：2mRF gRmgF221212)(22

7、122212222RRRRguuRRgdRgRdRmgFA三、基本方程21.離心力場流線柏努利方程zxymg2mrrcos2mrsin2mr2mrmaFncos2 rmFysin2 rmFzgmFg0X22cosyrYgzgrZ22sin 由流線柏努利方程的最初形式： 對(duì)理想流體，有 對(duì)勻速離心力場和重力場中的穩(wěn)定流動(dòng)或某一時(shí)刻，有2)(112uddzhdyhdxhdttpdpZdzYdyXdxzyx2112uddttpdpZdzYdyXdx021)sin(cos222uddpdzgrdyr 對(duì)不可壓縮流體沿流線進(jìn)行不定積分，得021222uddpgdzdzzdyyConstupgzzy221

8、2122222Constupgzr22222離心力場流線柏努利方程2.基本方程假定：(1)葉輪為具有無窮多個(gè)葉片、每個(gè)葉片無限薄的理想葉輪，即液體質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格沿葉片表面而流動(dòng)，在同一圓周上所有液體質(zhì)點(diǎn)的所有物理量都各自相等。222222222222111221upgzrupgzr(2)流過葉輪的液體為理想液體，即液體流過葉輪時(shí)無能量損失。在1、2兩點(diǎn)間列某一時(shí)刻流線柏努利方程：所以 2222222111cpgzWcpgzT2)(21221212ccppzzgWT 站在葉輪上，在1、2兩點(diǎn)間列同一時(shí)刻流線柏努利方程，則222222222222111221wpgzrwpgzr22)(222122122

9、21212wwrrppzzg)(2222212122ruwwuu 所以 理論壓頭(2-4)(P89)222212222212122ccwwuuWTgccgwwguuHT222212222212122 由余弦定理 得 基本方程(2-5)(P89)111212121cos2ucucw222222222cos2ucucwgcucuHT111222coscos在離心泵的設(shè)計(jì)中，一般使1=90，則cos1=0所以由得由gucucgQNHTTT111222coscosgcuHT222cos22222222cosrruccuccuctg得代入上式，得又將 22222cosctgccur22222cosctg

10、cucrgctgcuuHrT22222222bDcQrT6022nDu代入上式，得 2.討論(1)理論壓頭與葉輪直徑及轉(zhuǎn)速成正比。(2)葉片的幾何形狀對(duì)理論壓頭的影響：a.后彎葉片，290，ctg20，b.徑向葉片，2=90，ctg2=0，c.前彎葉片，290，ctg20，TTTQgbnctggnDQbDgctguguH222222222222603600guHT22guHT22guHT22由上可見，2值越大，HT值越高，似乎前彎葉片較好。但由于2大于90以后，隨2的增加，動(dòng)壓頭增加，靜壓頭反而減小，從而能量損失大，效率低。因此，實(shí)際上離心泵的葉片總是后彎的。見圖2-9。(3)理論流量對(duì)理論壓

11、頭的影響當(dāng)葉輪的幾何尺寸(D2、b2、2)和轉(zhuǎn)速(n)一定時(shí)，理論壓頭與理論流量呈線性關(guān)系。290，QT，HT2=90，QT，HT290，QT，HTa. 實(shí)際上，葉輪的葉片數(shù)是有限的，液體也是非理想的，所以實(shí)際壓頭和實(shí)際流量的關(guān)系曲線應(yīng)在理論壓頭和理論流量的關(guān)系曲線的下方。QQT或HHT或四、性能參數(shù)1.流量：單位時(shí)間內(nèi)泵所輸送的液體體積，Q，m3/s、m3/h或L/s。2.揚(yáng)程（壓頭）：單位重量的液體流經(jīng)泵后所獲得的能量，H，m液柱。揚(yáng)程（一般）由實(shí)驗(yàn)測定，裝置如圖，原理如下：在真空表和壓力表之間列柏努利方程：120hfHgugpzHgugpz2222222111式中 葉輪提供給單位重量的液

12、體的能量，m液柱。所以式中 分別是壓力表和真空表的讀數(shù)，Pa。HguugppzzHHHf221221212guugpgphguugpppphHvmvama22)()(2122021220vmpp ,3.有效功率：液體流經(jīng)泵后所獲得的功率，Ne，W。顯然4.效率：有效功率與軸功率之比，即 容積損失v，高壓液體泄漏到低壓處，Q能量損失 機(jī)械損失m，軸與軸承，軸封的摩擦 水力損失h，液體內(nèi)摩擦及液體與液體及泵殼的碰撞，H所以gHQNeNNehmv5.軸功率：電機(jī)提供給泵軸的功率，N，W。由得或 ，kWeNN gHQN 1021000807. 9HQHQN五、特性曲線1.特性曲線：反應(yīng)揚(yáng)程、軸功率、效

13、率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線，一般用20C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實(shí)驗(yàn)測定。由軸功率特性曲線知，啟動(dòng)泵時(shí)，應(yīng)關(guān)閉出口閥門，以保護(hù)電機(jī)。由效率特性曲線知，泵的工作點(diǎn)應(yīng)在高效率區(qū)(最高效率的92%)。HNmin2900rpn 2.各因素對(duì)特性曲線的影響(1)密度的影響a.由 知Q與無關(guān)，又由泵的基本方程可知，揚(yáng)程與液體的密度無關(guān)，所以HQ曲線不變。b.由只與Q、H及軸的摩擦有關(guān)，所以效率也與密度無關(guān)，Q曲線不變。c.由 知，NQ曲線有變。uAQ 102HQN (2)粘度粘度增大，能量損失增大，因此泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率增大。即 ，H，Q，N特性曲線的改變可按下式進(jìn)行換算：式中 CQ，

14、CH，C換算系數(shù)，可由圖2-14及圖2-15查得。CHCHQCQHQ,(3)轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速變化不大（20%）時(shí)，有以下近似關(guān)系： 比例定律(4)葉輪直徑當(dāng)葉輪直徑變化不大（10%）時(shí)，有以下近似關(guān)系： 切割定律31212212121212,nnNNnnHHnnQQ31212212121212,DDNNDDHHDDQQ六、氣蝕現(xiàn)象和安裝高度1.氣蝕現(xiàn)象：液體汽化后又凝結(jié)，且對(duì)葉輪產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。當(dāng)葉輪入口處壓力等于或低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，該處液體就會(huì)汽化并產(chǎn)生汽泡，這些汽泡流到高壓處又重新凝結(jié)，凝結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的局部沖擊力，會(huì)使葉輪因疲勞而破壞成蜂窩或海綿狀，而且會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。產(chǎn)生

15、氣蝕現(xiàn)象可以是安裝高度過高、液體溫度過高、吸入管路阻力過大等。2.允許吸上真空度(1)定義 式中 p1泵入口處允許達(dá)到的最低絕對(duì)壓力，Pa； 用液柱高度來表示的泵入口處允許達(dá)到的最高真空度，m液柱，通常在10mH2O(9.807104Pa)的大氣壓下，用20C的清水由實(shí)驗(yàn)測定。sHgppHas1sH(2)允許安裝高度Hg與 的關(guān)系在貯槽液面與泵入口處之間列柏努利方程， 則所以若則 (2-26) sH000pgH11fHgugpzgugpz2221112000fHgugppzz2211001app 0fsgHguHH221(3)校正3.汽蝕余量(1)定義式中 NPSH汽蝕余量，泵入口處靜壓頭和動(dòng)

16、壓頭之和與操作溫度下液體飽和蒸汽壓頭之差。100024. 01081. 9)10(3vasspHHHgpgugpNPSHv2211式中 (NPSH)c臨界汽蝕余量，泵入口處最低靜壓頭和動(dòng)壓頭之和操作溫度下液體飽和蒸汽壓頭之差 。用20C的清水由實(shí)驗(yàn)測定，在一固定流量下，通過關(guān)小泵吸入管路的閥門，以泵的揚(yáng)程下降3%作為發(fā)生氣蝕的依據(jù)，測出相應(yīng)的p1,min。gpgugpNPSHvc2)(21min, 1式中 (NPSH)r必需汽蝕余量，由臨界汽蝕余量加上一定的安全量而得。(2) Hg與(NPSH)r的關(guān)系 (2-25) (3)校正：通常不校正而把它作為安全系數(shù)。3 . 0)()(crNPSHNP

17、SHfrvfvvfgHNPSHgpgpHgpgugpgpgpHgugpgpH)(22021102110三、工作點(diǎn)和流量調(diào)節(jié)1.管路特性曲線及泵的工作點(diǎn)在1、2兩截面間列柏努利方程，得又2121fHguugppzzH221221212gudllHecef22 令則 管路特性曲線24222824QgddllgdQdlleceece guugppzzK221221212428gddllBece 2BQKH工作點(diǎn)：泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)。當(dāng)泵在管路系統(tǒng)中工作時(shí)，流經(jīng)管路的流量就是流經(jīng)泵的流量；管路所需要的外加能量就是液體流經(jīng)泵后所獲得的能量。2.流量調(diào)節(jié)(1)改變閥門的開度實(shí)質(zhì)是改變管路特性

18、曲線。能損大，但方便，多采用。(2)改變泵的轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)是改變泵的特性曲線。能損小，但昂貴，少采用。(3)改變?nèi)~輪的直徑實(shí)質(zhì)也是改變泵的特性曲線。不方便，相當(dāng)于換一臺(tái)泵，極少采用。3.并聯(lián)當(dāng)一臺(tái)泵的流量不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵并聯(lián)操作，以增大流量。兩臺(tái)相同的泵并聯(lián)時(shí)，其聯(lián)合特性曲線為單臺(tái)特性曲線在流量上的兩倍。但并聯(lián)后的流量并非單臺(tái)泵流量的兩倍，因?yàn)榱髁吭龃?，管路阻力增加?.串聯(lián)當(dāng)一臺(tái)泵的揚(yáng)程不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵串聯(lián)操作，以提高揚(yáng)程。兩臺(tái)相同的泵串聯(lián)時(shí)，其聯(lián)合特性曲線為單臺(tái)特性曲線在揚(yáng)程上的兩倍。但串聯(lián)后的揚(yáng)程并非單臺(tái)泵揚(yáng)程的兩倍，因?yàn)閾P(yáng)程提高，管路阻力也增加。八、類型和選擇1.類型(1)分類 單級(jí)

19、，IS型 單吸 水泵 多級(jí)，D型，揚(yáng)程高 雙吸，Sh型，流量大 耐腐蝕泵，F(xiàn)型，耐腐蝕 油泵， Y型，密封性好 污水泵，PW型 雜質(zhì)泵，P型， 砂泵， PS型 防堵、耐磨 泥漿泵，PN型 低溫泵，隔熱性好(2)型號(hào)IS10080160 40FM1-26 100Y-1202(3)系列特性曲線將同一類型的各種型號(hào)泵的較高效率范圍內(nèi)的HQ曲線繪在一個(gè)總圖上（如圖2-28，P113），以方便選用。2.選擇(1)確定輸送系統(tǒng)的流量和揚(yáng)程 生產(chǎn)任務(wù)流量 管路系統(tǒng)揚(yáng)程(2)選擇泵的類型和型號(hào) 液體性質(zhì) 類型 操作條件 流量 型號(hào) 揚(yáng)程(3)核算泵的特性曲線 若液體的密度和粘度與水相差很大，則應(yīng)核算泵的特性曲

20、線：然后根據(jù)核算后的泵的特性曲線確定泵的型號(hào)。102HQN QCQQ HCHH C第二節(jié)第二節(jié) 其它類型泵其它類型泵一、往復(fù)泵一、往復(fù)泵1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.原理原理當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積增大，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積增大，形成負(fù)壓，將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室；形成負(fù)壓，將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室；當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積縮小，當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積縮小，形成高壓，將液體經(jīng)排出閥排出工作室。形成高壓，將液體經(jīng)排出閥排出工作室。3.分類 單動(dòng) 雙動(dòng) 三聯(lián)4.特點(diǎn)(1)容積式泵：往復(fù)一次，就排出一定體積的液體，而與壓頭無關(guān)。 單動(dòng)泵： 理論流量： 雙單泵： rTASnQ rTSn

21、aAQ)2(由于漏泄，實(shí)際流量低于理論流量。(2)壓頭無限：只要泵的機(jī)械強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)功率允許。是正位移泵之一。(3)有自吸能力(4)用回路調(diào)節(jié)流量二、計(jì)量泵：裝有可調(diào)偏心輪的往復(fù)泵，通過調(diào)節(jié)偏心輪來調(diào)節(jié)沖程，從而嚴(yán)格地調(diào)節(jié)流量。三、隔膜泵：活柱往復(fù)泵，用彈性薄膜（橡膠或金屬）將活柱與液體隔開，適合輸送腐蝕性液體和懸浮液。 四、旋轉(zhuǎn)泵：正位移泵之一。 1.齒輪泵：兩齒撥開形成低壓，兩齒合攏形成高壓。 2.螺桿泵：兩桿均合攏。五、旋渦泵：一種特殊的離心泵，啟動(dòng)前要灌滿液體，啟動(dòng)時(shí)要全開出口閥，并用回路調(diào)節(jié)流量。第三節(jié)第三節(jié) 氣體輸送和壓縮機(jī)械氣體輸送和壓縮機(jī)械一、用途一、用途1.輸送氣體輸送氣體2

22、.產(chǎn)生高壓氣體產(chǎn)生高壓氣體3.產(chǎn)生真空產(chǎn)生真空二、分類 通風(fēng)機(jī) 14.7kPa (表) 鼓風(fēng)機(jī) =14.7294kPa(表)，壓縮比4 終壓 壓縮機(jī) 294kPa (表)，壓縮比4 真空泵 =Pa (大氣壓)，初壓為負(fù)壓三、離心通風(fēng)機(jī)1.分類 低壓離心通風(fēng)機(jī) 0.9807kPa (表) 中壓離心通風(fēng)機(jī) 終壓 =0.98072.942kPa (表) 高壓離心通風(fēng)機(jī) =2.94214.7kPa (表)2.原理： 與離心泵相似3.結(jié)構(gòu)： 與離心泵相似4.性能參數(shù)(1)風(fēng)量：單位時(shí)間內(nèi)排出的氣體體積，并換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值，Q，m3/h。(2)風(fēng)壓：單位體積的氣體流徑風(fēng)機(jī)后，所獲得的能量，HT，J/m

23、3=Pa，mmH2O。風(fēng)壓也由實(shí)驗(yàn)測定，裝置與測泵揚(yáng)程的裝置相似，原理如下：在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口之間列柏努利方程，得fehuuppzzgW2)(212212122)()()(21221212uuppzzghWHfeT 所以 校正 22)(222212uHuppHSTT2 . 1TTHH(3)軸功率與效率5.特性曲線：反應(yīng)HT、HST、N、與Q之間函數(shù)關(guān)系的曲線。kWQHNT,10006.選擇(1)確定輸送系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量Q管路系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)壓 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓HTTH(2)確定風(fēng)機(jī)的類型和型號(hào) 氣體性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓范圍 進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量 實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓HT類型型號(hào)四、離心鼓風(fēng)機(jī)又稱透平鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)和原理與多級(jí)離心泵類似。五、離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與離心鼓風(fēng)機(jī)的相似，只是離心壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)更多，一般要分級(jí)降溫，且葉輪逐級(jí)縮小。六、羅茨鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖，原理與齒輪泵相似。七、液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖，原理為氣室的變化。八、往復(fù)壓縮機(jī)1. 結(jié)構(gòu)如圖2.原理 假設(shè)理想氣體無氣閥阻力無