泵與風(fēng)機(jī)課件流體機(jī)械_第三章

1、第三章 流體機(jī)械的性能本章要點(diǎn)1.2.3.4.5.損失及效率性能曲線相似理論通用性能曲線和無因次性能曲線比轉(zhuǎn)速31損失及效率流體機(jī)械在工作中存在各種損失，可分為機(jī)械損失、容積損失和效率、容積效率和一. 機(jī)械損失及效率損失，這些損失的大小就用機(jī)械效率來衡量。軸承摩擦損失Pm1：與軸承型式有關(guān)機(jī)械損失 Pm其中軸端密封摩擦損失Pm2：與軸端密封的結(jié)構(gòu)、型式有關(guān)圓盤摩擦損失Pm3 ：與腔室形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)有關(guān) P K u D 10 632（31）m 322式中 K圓盤摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)、相對(duì)側(cè)壁間隙、表面粗糙度有關(guān)D 2葉輪外徑，mu 2 葉輪出口圓周速度，m / s流體密度，kg / m

2、3圖31 圓盤摩擦損失（a）填料密封（b）水封環(huán)1軸；2壓蓋；3填料；4填料箱；5水封環(huán)；6引水管圖32帶水封環(huán)的填料密封1密封環(huán)；2支承環(huán)（甲）；3浮動(dòng)環(huán)；4彈簧；5支承環(huán)（乙）；6支承環(huán)（丙）；7支承環(huán)（?。?；8密封圈圖33浮動(dòng)環(huán)密封1彈簧座；2彈簧；3傳動(dòng)銷；4動(dòng)環(huán)密封圈；5動(dòng)環(huán)；6靜環(huán)；7靜環(huán)密封圈；8防轉(zhuǎn)銷圖34機(jī)械密封圖35迷宮密封圖36螺旋密封 Pm Pm 1 Pm 2 Pm 3（32）P PmPh（33）機(jī)械效率mPP離心泵機(jī)械效率一般在0.900.97，離心風(fēng)機(jī)機(jī)械效率一般在0.920.98。機(jī)械損失中，葉輪圓盤摩擦損失占主要部分，尤其對(duì)低比轉(zhuǎn)速的離心泵或風(fēng)機(jī)。減少機(jī)械損失的

3、要點(diǎn)是降低葉輪圓盤摩擦損失。常用措施有：1. 采用合理結(jié)構(gòu)圓盤摩擦損失與轉(zhuǎn)速的三次方、葉輪外徑的五次正比。為提高泵的揚(yáng)程，一般采用多級(jí)葉輪形式而不采用增大葉輪直徑的方法。葉輪與殼體的間隙B應(yīng)合理，一般取B/D225。2. 保持葉輪及泵體內(nèi)表面光潔葉輪表面磨光后圓盤摩擦損失可下降20。二. 容積損失及效率由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件與部件之間存在間隙，部分流體在壓力差作用下，通過間隙從高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。泄漏發(fā)生在葉輪進(jìn)口處、軸向推力平衡裝置處及軸端密封處。因泄漏而消耗的功率Pv gqv HT（34）式中，泄漏流量qv 與泄漏間隙及間隙兩端的壓差有關(guān)。qv A2gH（35） gqv H TPh Pvqv容積效率

4、（36） gvPq ) HqhvTvTbm圖38平衡盤處泄漏Dm通過途徑B形成多級(jí)泵的級(jí)間泄漏，由此造成的損失歸屬于圓盤摩擦損失圖37泵內(nèi)流體泄漏提高容積效率的方法是減少泄漏流量 qv，這可從減小泄漏間隙及增1. 減小泄漏面積 對(duì)于發(fā)生在葉輪漏的阻力兩個(gè)方面采取措施。A Dmbm的容積損失，泄漏面積式中密封環(huán)直徑密封間隙Dmbm要減小泄漏面積A，可以減小密封直徑Dm，但受結(jié)構(gòu)限制，不能任意減小。另一方面，減小密封間隙b也可減小泄漏面積。同樣，間隙b也不能任意減小，否則泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)靜部件容易產(chǎn)生碰摩。2. 增大間隙中的阻力增加密封的軸向長(zhǎng)度以增加沿程阻力；采用各種型式的密封環(huán)以增加局部阻力；各類

5、密封環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖39。圖39密封環(huán)結(jié)構(gòu)三.損失及效率實(shí)際流體在過程中存在著摩擦損失，擴(kuò)散損失及沖擊損失。摩擦損失：由沿程阻力引起，2vqq 2擴(kuò)散損失：由流體轉(zhuǎn)彎、流道截面變化引起，v損失沖擊損失：因流入角 1與安裝角 1a 不一致引起，) 2qvdi 1a 1沖角1a1a1aw1vrwrvvw1111111u1ru11u, i 0, i 0qvdqvd1q, i 0vd圖310葉輪的沖擊損失 gqv HPeH效率 gq HhP PHhvvTT提高效率的措施：設(shè)計(jì)合理的葉片形狀和流道，各部位速度分布合理提高加工精度及表面質(zhì)量挫削葉片出口端的背面，減小尾跡漩渦總效率與機(jī)械效率、容積效率、效率的關(guān)

6、系：Pe PePP Ph Pv PhPe PvPhPhP Ph P Pm h v mv圖311泵內(nèi)能量平衡圖對(duì)于風(fēng)機(jī)，總效率又稱為全壓效率，用以衡量風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。此外，還有靜壓效率、全壓內(nèi)效率和靜壓內(nèi)效率。 qv pst靜壓效率 st（37）P Pe（38）內(nèi)效率 iPi qv pst（39）靜壓效率內(nèi)效率stiPi Ph Pm3式中， Pi 為內(nèi)功率，Pi（310）例3-1 某離心泵在轉(zhuǎn)速n=1450r/min時(shí)， qv=1.24m3/s， H=70m，軸功率P=1100kW，容積效率v =0.93，機(jī)械效率 m效率h 。水的密度=1000kg/m3。=0.94，求解：泵的總效率 gqv H

7、 1000 9.811.24 70 0.774 Pe1100 1000PP h v m由 0.774 0.885得h 0.93 0.94mv32性能曲線量 qv 與揚(yáng)程H ( p)、軸功率P、在一定轉(zhuǎn)速效率 、汽蝕余量 h 的關(guān)系曲線，稱為性能曲線。qv H ( p) 曲線一.設(shè)v2 w2 0v1uv2 mu vu 2 v2m cot 2a ) 22uguHT 2 (u22 u2gv2uqvT cot 2 (u g)（311）2 D b2a22（312）HT 是 qvT 的一次函數(shù)，直線的斜率與 2a 有關(guān)。H T 2 a90o2 a2 a 90o 90oq Hqv H曲線可在曲線T vT基礎(chǔ)

8、上扣除各項(xiàng)損失后得到qvT圖312 qvT HT 性能曲線aa曲線無限多葉片情況下qvTbb曲線有限多葉片情況下 qvTHT 曲線HT曲線cc曲線扣除摩擦損失后HqvT曲線dd曲線扣除沖擊損失后 qvT Hee曲線曲線qv H扣除泄漏損失后曲線qv H性能曲線圖313qv P 曲線二.P Ph Pm（313） gqvT HT gqvT KHT gqvT K ( A1 B1qvT )Ph Ku2A22 Ku2 cot 2aB2 D b A qB q2222vT2vTPPh2 a90o2 a 90o Pm2 a 90oqvqvTPhP 性能曲線qvTqv圖314性能曲線圖315qv 三.曲線 gq

9、v H Pe（314）（泵）PPpqv Pe （風(fēng)機(jī)）（314a）或PPH 和 qv P根據(jù)已獲取的 qvqv曲線，選取一系列H 和 qvP 曲線中查得相應(yīng)的H和P，代入式值，從qvqv（314），算得各對(duì)應(yīng)的。 max高效區(qū)qv性能曲線qv 圖316四. 曲線分析1.最佳工況點(diǎn)和高效工作區(qū)最高效率所對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)，最高效率點(diǎn)附近的區(qū)域（最高效率的8590），稱為高效工作區(qū)。在選用泵（風(fēng)機(jī)）時(shí)，應(yīng)使實(shí)際工作點(diǎn)位于高效工作區(qū)內(nèi)。2.空載工況 0時(shí)，稱為空載工況。從 qv P曲線可以看出qvT當(dāng)空載時(shí)，P 0 ，泵內(nèi)流體與葉輪摩擦產(chǎn)生熱量會(huì)使流體溫度升高甚至發(fā)生水的汽化。對(duì)于離心式泵與

10、風(fēng)機(jī)，空載時(shí)軸功率最小，為避免啟動(dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)電流過大而造成原調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉。過載，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)將3. 曲線的三種形狀平坦型：流量變化較大時(shí)，揚(yáng)程變化較小，如圖317中曲線a。這種類型的泵適用鍋爐給水泵。陡降型：流量變化較小時(shí)，揚(yáng)程卻變化較大，如圖317中曲線b。這種類型的泵適用循環(huán)水泵。駝峰型：如圖317中曲線c。最高點(diǎn)左側(cè)為不穩(wěn)定工作區(qū)，右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)。泵與風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)位于右側(cè)穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)。Hba平坦型曲線cb陡降型曲線c駝峰型曲線aqvH 性能曲線qv圖317三種33相似理論相似理論被廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科領(lǐng)域，工建筑、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等。在泵與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和中，也應(yīng)用了相似理論，其原因在于

11、：1. 粘性流體在泵與風(fēng)機(jī)中的情況復(fù)雜，目前用理論方法無法進(jìn)行精確計(jì)算，往往要用試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能。如用原型進(jìn)行試驗(yàn)，不但不經(jīng)濟(jì)，而且往往受到試驗(yàn)條件的限制，所以后進(jìn)行換算。原型縮小為模型進(jìn)行試驗(yàn)，然在積累了大量效率高、各方面性能優(yōu)越的泵與風(fēng)機(jī)資料后，可以從中選取一個(gè)作為模型，進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，且性能可靠。在運(yùn)行過程中，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，依據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行性能參數(shù)的相似換算。一.相似條件要保證流體的相似，必須具備三個(gè)條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似。1. 幾何相似模型和原型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的幾何尺寸成同一比例，各對(duì)應(yīng)角相等，葉片數(shù)相等。b1 pb2 pD1 pD2 pDp L 常數(shù)（3

12、15）b1mb2 mD1mD2 mDm 2 p 2 m ,2. 運(yùn)動(dòng)相似1 p 1m ,L , Z p Zm（316）模型和原型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度方向相同，大小成同一比例，即模型和原型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度三角形為相似三角形。v1 pv2 pw1 pw2 pu2 pDp np L 常數(shù)（317）v1mv2 mw1mw2 mu2 mDm nm3. 動(dòng)力相似模型和原型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的同名力方向相同，大小成同一比例。流體在泵與風(fēng)機(jī)中受四種力作用：慣性力、黏性 力、重力、壓力。其中，起主導(dǎo)作用的是慣性力及黏性力。只要保證這兩個(gè)力滿足相似條件，而表征這兩個(gè)力相似的準(zhǔn)則數(shù)是雷諾數(shù)。當(dāng) R105時(shí)，就處于自模化狀Ree態(tài)，

13、動(dòng)力相似的要求得以滿足。泵與風(fēng)機(jī)工作時(shí)，R動(dòng)力相似可以認(rèn)為是自動(dòng)滿足的。105，e但是，為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，一般希望模型和原型的尺寸 5 D2 m , 2 Rem不要差別太大，有資料為 D2 p。Rep二. 相似定律在滿足相似條件的基礎(chǔ)上，模型與原型的性能參數(shù)間存在一定的關(guān)系。q 1. 流量相似關(guān)系Qqv D2 b2v2 mvD2 b22 v2 v2 m v2 p v2 mp vp2 m v2 mm vm D2 pb2 p D2 mb2 mqvp（318）qvm 幾何相似2 p2 mv2 mpu2 mpD2 p np運(yùn)動(dòng)相似v2 mmu2 mmD2 m nm vp vmqvp ( D2 pnp)

14、3代入式（ 318），（319）qvmD2 mnm2. 揚(yáng)程（全壓）相似關(guān)系u1v1u u2 v2 u u2 v2 uQH H ThhhggHu2 p vpu hm（320）H mu2 m v2 umu 2uvDn2 p2 up2 p (2 p2 p)2運(yùn)動(dòng)相似u 2uvDn2 m2 um2 m2 m2 m代入式（320），Hp ( D2 p) (（321） hmH mp pD2 mnm pD(2 pn(hp hm)（322） mpmD2 mnm3. 功率相似關(guān)系 gqv H gqv H mv hQP （323） p qvp Hp mm vm hmPp（324） m qvm H m m hpP

15、m將式（319）、式（321）代入式（324）與機(jī)械效率成反比關(guān)系（325） p m mm mpPpD(2 p)5 ( np)3PmD2 mnm一般情況下，原型的機(jī)械效率、容積效率及效率均大于模型的相應(yīng)效率，如果近似認(rèn)為模型與原型的效率相等，則式（319）、式（321）、式（325）可簡(jiǎn)化為：qvp ( D2 pnp)3（326）qvmD2 m ( D2 pnmH)2 ( np（327）p)2H mp pD2 mnm pD(2 p)2 ( np)2（328） m ppmPpD2 mnmD(2 p)5 ( np（329）)3 mPmD2 mnm三. 相似定律的特例1. 同一臺(tái)泵，相同流體，不同轉(zhuǎn)

16、速qv1n1（330）qv 2H 1n2 ( n1（331）比例定律)2H 2P1n2 ( n1（332）)3P2n22. 相同轉(zhuǎn)速，相同流體，不同幾何尺寸qvp ( D2 p)3（333）qvmD2 mHp ( D2 p)2（334）H mPpD2 m ( D2 p（335）)5PmD2 m3. 同一臺(tái)泵，相同轉(zhuǎn)速，不同流體qv 2H 1 H 2（336）（337）（338）1 2P1P234通用性能曲線和無因次性能曲線一.通用性能曲線將各種不同轉(zhuǎn)速下泵與風(fēng)機(jī)的各種性能曲線繪制在同一坐標(biāo)系中，稱為通用性能曲線。通用性能曲線可通過比例定律計(jì)算獲取。在轉(zhuǎn)速為n1的曲線上任取1、2、3點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速變

17、為n2時(shí)，通過比例定律，求出轉(zhuǎn)速為n2曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)1、2、3。H112n2, H ( n2H)2q即33v1112nn1 2 1 n1n, H ( 2 )2 H2q3 同理v 222nnnn2111nn2n, H ( n23)2qHv 333nqv11圖318通用性能曲線在比例定律中，將式（330）和式（331）聯(lián)立，消去轉(zhuǎn)速n，H 1H 2（339） L kq 2v 2（340）H kq 2即v式（340）為相似拋物線方程。滿足同一相似拋物線方程的工況均為相似工況，這些工況點(diǎn)都在同一條相似拋物線上。如圖316中的1、1、1，或2、2、2等。相似拋物線又是等效率曲線。二.無因次性能曲線在繪制

18、性能曲線時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)都是有量綱的。如果采用無因次參數(shù)，繪制成的性能曲線稱為無因次性能曲線。無因次參數(shù)流量系數(shù)（341）Dqv由式（326）知，對(duì)于相似的泵或風(fēng)機(jī)，常數(shù)。nD 3所以，對(duì)于相似的泵或風(fēng)機(jī)， q 常數(shù)。2v壓力系數(shù) ppppp K（342） ( n D2 u2 n D2222)2260p由式（328）知，對(duì)于相似的泵或風(fēng)機(jī)，常數(shù)。 n D22所以，對(duì)于相似的泵或風(fēng)機(jī)， p 常數(shù)。2對(duì)于風(fēng)機(jī)，往往用 p 來標(biāo)明風(fēng)機(jī)的型式，如413.2型p風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的=0.38。功率系數(shù)PPPPP K（343） A u D 2n D3 n D3352 ( 2 )3222460P由式（329）知，對(duì)于

19、相似的泵或風(fēng)機(jī)，常數(shù)。 n D352所以，對(duì)于相似的泵或風(fēng)機(jī)， P效率 常數(shù)。qvp u2qpA uq p vP222 v（344）PP A u3222. 無因次性能曲線由于無因次參數(shù)已經(jīng)消去了各參數(shù)的量綱，所以每種相似的泵或風(fēng)機(jī)只有一條無量綱性能曲線。無量綱性能曲線在風(fēng)機(jī)中應(yīng)用廣泛，對(duì)于泵來說，由于種類多，以及汽蝕現(xiàn)象等，目前未廣泛使用。無量綱參數(shù)表示的只是一個(gè)相對(duì)量，泵或風(fēng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)需由式（341）式（343）反算得出。2qv 3D nq（345）2v2402 D2 n p（346）p 226024 D n PP 53（347）24 60335比轉(zhuǎn)速一.公式推導(dǎo)由式（326）得vm（34

20、8）D 3D 3nn2 p2 mmH mHp（349）由式（327）得D 2n 2D 2n 22 pp2 mm兩式聯(lián)立，消去D2 ，得q 2 n 4q 2 n 4nqnqvppvmmpvpmvm或（350）3p3mHH3/ 4p3/ 4mHHn 3.65 nqv（351）定義泵的比轉(zhuǎn)速s3/ 4Hn r / minqv m/ s3H m式中：系數(shù)3.65的由來：最早比轉(zhuǎn)速的概念應(yīng)用在水輪機(jī)中。水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速公式由相似第二、第三定律導(dǎo)出：n r / minnPns 式中：P 馬力H m5/ 4H將 P gqv H/ 735代入，有1000 9.806 qv H / 735n 3.65 nqvns

21、5/ 43/ 4HH對(duì)于比轉(zhuǎn)速的意義可以這樣理解：在同一類相似的泵中，取一個(gè)H=1m，qv=0.075m3/s的泵作為標(biāo)準(zhǔn)泵，該泵的轉(zhuǎn)速即為比轉(zhuǎn)速。p g對(duì)于風(fēng)機(jī)，將 H代入式（350） ，有n pqvpnmqvm（352） 3/ 4 3/ 4ppp m m p規(guī)定相似風(fēng)機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，t20，p1.013105Pa。nqv風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速 ny（353）p 3/ 420若風(fēng)機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，則n r / minqv m/ s3p Pnq vn y（354） 3/ 41 .2 p式中：a kg / m 3說明：1. ns是有量綱的，因各國(guó)不同，H，qv，n所用的單位不同，所得的ns

22、值也不同。我國(guó)ns的量綱為m3/4s-3/2 。近來國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中采用無量綱的比轉(zhuǎn)速，稱為型式數(shù)K。2nqvK （355）60 ( gH )3/4K與我國(guó)ns的換算關(guān)系是 ： K（356） 0.0051759ns我國(guó)采用的比轉(zhuǎn)速公式中的系數(shù)3.65是針對(duì)水泵的，有較大的局限性，而型式數(shù)則與泵所輸送的流體性質(zhì)無關(guān)，通用性更強(qiáng)。ns是由相似定律導(dǎo)出的，因此相似的泵或風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速相等。但反過來，ns相等的泵或風(fēng)機(jī)并不一定相似。一臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)在不同工況下可有不同的比轉(zhuǎn)速，作為泵或風(fēng)機(jī)參數(shù)的比轉(zhuǎn)速是指設(shè)計(jì)工況下的比轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速是以單級(jí)、單吸的泵或風(fēng)機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)的，對(duì)于雙吸葉輪，應(yīng)以qv/2代替qv，對(duì)于多級(jí)泵或風(fēng)機(jī)

23、，應(yīng)以H/i代替H。二.比轉(zhuǎn)速應(yīng)用1. 對(duì)泵或風(fēng)機(jī)進(jìn)行分類比轉(zhuǎn)速是泵或風(fēng)機(jī)的一個(gè)綜合特征參數(shù)，與葉輪形狀n 3.65 nqv和性能有著密切的關(guān)系。從比轉(zhuǎn)速的定義式低ns泵或風(fēng)機(jī)特點(diǎn)小流量、高揚(yáng)程，相對(duì)而言，D2較片狹長(zhǎng)，為離心式。高ns泵或風(fēng)機(jī)特點(diǎn)s3/ 4H2較小，葉大流量、低揚(yáng)程，相對(duì)而言，D2較小、b2較大，葉片寬短。這是因?yàn)榱鞯缹挾虝r(shí)，上線的揚(yáng)程差別較大，在葉輪的出口會(huì)產(chǎn)生二次回流，造成損失。為使上下兩邊流線揚(yáng)程相近，須縮短后蓋板直徑。所以，隨著ns的逐漸增大，泵或風(fēng)機(jī)的型式也逐漸由離心式變?yōu)榛炝魇健⑤S流式。2. 用ns進(jìn)行相似設(shè)計(jì)或選型進(jìn)行相似設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)qv、H、n計(jì)算出

24、ns，從性能良好的模型中選一臺(tái)ns相近的作為模型，把模型參數(shù)換算成原型參數(shù)。用戶也可以根據(jù)所需的泵或風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)算出比轉(zhuǎn)速，作為選型的依據(jù)。ns30 30ns300300ns500500ns1000容積式離心式混流式軸流式泵ny2.7 2.7ny123.6ny16. 618ny36容積式前彎式后彎式軸流式風(fēng)機(jī)離心式36性能曲線的測(cè)試方法一.水泵性能曲線測(cè)試1. 試驗(yàn)裝置圖319水泵試驗(yàn)裝置2.性能參數(shù)測(cè)量方法流量測(cè)量流量測(cè)量常用方法有：流量計(jì)；管流量計(jì)；噴嘴流量計(jì)。圖320噴嘴流量計(jì)圖321流量計(jì)圖322管流量計(jì)揚(yáng)程測(cè)量泵進(jìn)口的能量v 2pE1 h111（357） g2 gv 2p（358）h2E222泵出口的能量 g2 gp pv 2v 2（359）H E2 E1h2h1揚(yáng)程21 g 21 2 g式中p1 , p2 v1 , v2 h1 , h2 泵泵泵的靜壓，Pa的流速，m/s的高差，m功率測(cè)量直接測(cè)量泵的軸功率比較，通常先測(cè)量電的輸入電功率，然后換算成泵的軸功率。電功率的測(cè)量可采用三相兩瓦(W1 W2 )式中率表測(cè)量（