第11章葉片式泵與風機得理論基礎(chǔ)

2023/2/6泵和風機流體力學泵與風機岳麗芳2023/2/6下篇

泵和風機為了把一定流量的流體沿管路系統(tǒng)從一處送到另一處，常采用流體輸送機械來實現(xiàn)。輸送機械向流體傳遞的能量，主要用來克服管路系統(tǒng)的能量損失，提高流體位能，滿足工藝對壓力的要求泵與風機是利用外加能量輸送流體的流體機械。它們大量地應(yīng)用于燃氣及供熱與通風專業(yè)。主要學習內(nèi)容：常用的泵與風機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)、運行、調(diào)節(jié)和選用方法等知識。2023/2/6下篇

泵和風機2023/2/6下篇

泵和風機2023/2/6第十一章葉片式泵與風機得理論基礎(chǔ)第一節(jié)工作原理及性能參數(shù)第二節(jié)基本方程式——歐拉方程式第三節(jié)葉型及其對性能的影響第四節(jié)理論的流量壓頭曲線和流量功率曲線第五節(jié)泵與風機的實際性能曲線第六節(jié)相似律與比轉(zhuǎn)數(shù)第七節(jié)相似律的實際應(yīng)用2023/2/6第一節(jié)工作原理及性能參數(shù)工作原理與基本結(jié)構(gòu)泵和風機的性能參數(shù)2023/2/6一、工作原理與基本結(jié)構(gòu)1.離心泵和風機的工作原理當葉輪隨軸旋轉(zhuǎn)時，葉片間的流體也隨葉輪旋轉(zhuǎn)而獲得離心力，并使流體從葉片之間的出口處甩出。被甩出的流體擠入機殼，于是機殼內(nèi)的流體壓強增高，最后被導向出口排出。流體被甩出后，葉輪中心部分的壓強降低。外界流體就能從吸入口通過葉輪前盤中央的孔口吸入，源源不斷地輸送氣體。2023/2/6一、工作原理與基本結(jié)構(gòu)2.離心泵和風機的基本結(jié)構(gòu)離心泵的基本結(jié)構(gòu)2023/2/6一、工作原理與基本結(jié)構(gòu)離心風機的基本結(jié)構(gòu)2023/2/6二、泵和風機的性能參數(shù)1.泵的揚程H與風機的全壓p和靜壓pj(1)泵的揚程H定義：泵所輸送的單位重量流量的流體從進口至出口的能量增值。也就是單位重量流量的流體通過泵所獲得的有效能量，以p表示，單位是m。單位重量流量的流體所獲得的能量增量可用能量方程來計算。如分別取泵或風機的入口與出口為計算斷面，列出它們的表達式可得：2023/2/6二、泵和風機的性能參數(shù)1.泵的揚程H與風機的全壓p和靜壓pj(2)風機的全壓風機的壓頭(全壓)p：指單位體積氣體通過風機所獲得的能量增量。單位為Pa，由于1Pa＝1N/m2；故風機的p表示壓頭又稱全壓。風機的靜壓pj：指風機全壓減去風機出口動壓，即假設(shè)Z2＝Z1時有：2023/2/6二、泵和風機的性能參數(shù)2.流量Q單位時間內(nèi)泵或風機所輸送的流體量稱為流量。常用體積流量表示，單位為“m3/s”或“m3/h”。嚴格講，風機的容積流量特指風機進口處的容積流量。3.功率泵的有效功率：在單位時間內(nèi)通過泵的流體所獲得的總能量叫有效功率，以符號Ne表示Ne＝QH/1000kW風機的有效功率：在單位時間內(nèi)通過風機的流體所獲得的總能量，也以符號Ne表示Ne＝Qp/1000kW2023/2/6二、泵和風機的性能參數(shù)4.效率（全壓效率）泵或風機的有效功率與輸入的軸功率的比，稱為泵或風機的全壓效率(簡稱效率)=Ne/N泵或風機的軸功率：風機的靜壓效率j

：通常泵或風機的效率，是由實驗確定的。

5.轉(zhuǎn)速：指泵或風機葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，即“r/min”2023/2/6第二節(jié)

基本方程—歐拉方程

葉輪幾何形狀及參數(shù)速度三角形葉輪的歐拉方程式葉輪及其對性能的影響2023/2/6一、葉輪幾何形狀及參數(shù)2023/2/6流體在葉輪中的運動流體一方面隨葉輪旋轉(zhuǎn)作圓周運動，其圓周速度為u1，另一方面又沿葉片作相對運動，其相對速度為w1。因此，流體在進口處的絕對速度v1應(yīng)為這兩個速度的矢量和。2023/2/6二、速度三角形2023/2/6速度三角形除了清楚表達流體在葉輪流道中的流動情況外，又是研究泵或風機的一個重要手段。當葉輪流道幾何形狀（安裝角已定）及尺寸確定后，如已知葉輪轉(zhuǎn)速n和流量Qt，即可求得葉輪內(nèi)任何半徑r上的某點的速度三角形。2023/2/6三、葉輪的歐拉方程式鑒于流體在葉輪流道中的運動十分復雜，為便于應(yīng)用一元流動理論分析其流動規(guī)律，作以下幾個假定：1、假設(shè)流體通過葉輪的流動是恒定的，且可看成是無數(shù)層垂直于轉(zhuǎn)動軸線的流面之總和，在層與層的流面之間其流動互不干擾。2、假設(shè)葉片無限多，無限薄。3、假設(shè)進入葉輪的流體是理想不可壓縮流體，即不計能量損失。2023/2/6推導依據(jù)是“動量矩”：質(zhì)點系對某一轉(zhuǎn)軸的動量矩對時間的變化率等于作用于該質(zhì)點系的所有外力對該軸的合力矩。單位時間內(nèi)流經(jīng)葉輪進出口流體動量矩的變化則為2023/2/6而加在轉(zhuǎn)軸上的外功率理想流體下，軸功率等于有效功率2023/2/6三、葉輪的歐拉方程式理想葉輪的歐拉方程式理想化條件下單位重量流體的能量增量與流體在葉輪中運動的關(guān)系，即歐拉方程：說明：1）理論揚程僅與流體在葉片進出口處的運動速度有關(guān)，與流動過程無關(guān)。2）理論揚程與被輸送流體的種類無關(guān)。2023/2/6實際葉輪的歐拉方程式（即有限多葉片）實際葉輪工作時，流體從外加能量所獲得的理論揚程值。這個公式也叫做理論揚程方程式。三、葉輪的歐拉方程式K稱為環(huán)流系數(shù)。它說明軸向渦流的影響，有限多葉片比無限多葉片作功小，這并非粘性的緣故，對離心式泵與風機來說，K值一般在0.78~0.85之間。

2023/2/6四、理論揚程的組成第一項是離心力作功，使流體自進口到出口產(chǎn)生一個向外的壓能增量。第二項是由于葉片間流道展寬、相對速度降低而獲得的壓能增量，它代表葉輪中動能轉(zhuǎn)化為壓能的份額。由于相對速度變化不大，故其增量較小。

第三項是單位重量流體的動能增量。利用導流器及蝸殼的擴壓作用，可取得一部分靜壓。

2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響當進口切向分速理論揚程達到最大值因此，在設(shè)計泵或風機時，總是使進口絕對速度與圓周速度間的工作角等于90°。這時流體按徑向進入葉片間的流道。要求適當設(shè)計葉片的進口方向來保證，即取決于安裝角。由于則2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響當2＝90°時，ctg2＝0，這時HT＝u22/2g，葉片出口按徑向裝設(shè)，這種葉型叫做徑向葉型。當2<90°時，ctg2>0，這時HT<u22/2g，葉片出口和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，這種葉型叫做后向葉型。當2>90°時，ctg2<0，這時HT>u22/2g，葉片出口和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，這種葉型叫做前向葉型。

2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響根據(jù)以上分析，似乎可得出如下結(jié)論：具有前向葉型的葉輪所獲得的揚程最大，其次為徑向葉型，而后向葉型的葉輪所獲得的揚程最小。因此似乎具有前向葉型的泵或風機的效果最好。2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響實踐證明，在其它條件相同時，盡管前向葉型的泵和風機的總的揚程較大，但能量損失也大，效率較低。下面分析揚程中動壓頭的情況。通常在離心式泵或風機的設(shè)計中，除使流體徑向進入流道，常令葉片進口截面積等于出口截面積，根據(jù)連續(xù)性原理得出：則：2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響2023/2/6揚程與vu2成正比。在其他條件相同時，采用前向葉片的葉輪給出的能量高，后向葉片的最低，而徑向葉片的居中。后向葉片型葉輪的vu2較小，全部理論揚程中的動壓頭成分較少；前向葉型葉輪vu2較大，動壓頭成分較多而靜壓頭成分減少。第三節(jié)葉型及其對性能的影響分析2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響因此，離心式泵全都采用后向葉輪。在大型風機中，為了增加效率或降低噪聲水平，也幾乎都采用后向葉型。但就中小型風機而論，效率不是主要考慮因素，也有采用前向葉型的，這是因為葉輪是前向葉型的風機，在相同的壓頭下，輪徑和外形可以做得較小。在微型風機中，大都采用前向葉型的多葉葉輪。至于徑向葉型葉輪的泵或風機的性能，顯然介于兩者之間。2023/2/6第三節(jié)葉型及其對性能的影響幾種葉片形式的比較1）從流體所獲得的揚程看，前向葉片最大，徑向葉片居中，后向葉片最小。2）從效率看，后向葉片最高，徑向葉片居中，前向葉片最低。3）從結(jié)構(gòu)和尺寸看，在流量和轉(zhuǎn)速一定時，達到相同的壓力前提下，前向葉輪直徑最小，徑向葉輪直徑居中，后向葉輪直徑最大。4）從工藝觀點看，直葉片制造最簡單。2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線三種形式表示流量、揚程、功率這些性能之間的關(guān)系上述三種關(guān)系以曲線形式繪制在以流量Q為橫坐標圖上，這些曲線為性能曲線。一、理論揚程、流量性能曲線2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線二、理論流量、軸功率性能曲線2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線2023/2/6第四節(jié)泵與風機的理論性能曲線結(jié)論：1、前向葉型的風機在流量增加時，原動機超載的可能性要比徑向葉型風機的大得多，而后向葉型風機幾乎不會發(fā)生原動機超載現(xiàn)象。2、在計入各項損失的情況下，得到實際性能曲線。3、流量揚程性能曲線更具有實用意義。2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線泵和風機的能量損失泵和風機的實際性能曲線離心風機的選擇性能曲線2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線泵或風機損失可分為：流動水力損失(降低實際壓力)，容積損失(減少流量)機械損失（多耗功）2023/2/6一、流動水力損失水力損失的大小與過流部件的幾何形狀、壁面粗糙度以及流體的黏性有關(guān)。1、進口損失2、撞擊損失3、葉輪中的水力損失4、動壓轉(zhuǎn)換和機殼出口損失水力效率：第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線二、容積損失葉輪工作時，機內(nèi)存在壓力較高和壓力較低的兩部分。同時，由于結(jié)構(gòu)上有運動部件和固定部件之分，這兩部分之間必然存在著縫隙。這就使流體有從高壓區(qū)通過縫隙泄漏到低壓區(qū)的可能性。這部分回流到低壓區(qū)的流體流經(jīng)葉輪時，顯然也能獲得能量，但未能有效利用。容積效率：2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線三、機械損失包括軸承和軸封的摩擦損失，還包括葉輪轉(zhuǎn)動時其外表與機殼內(nèi)流體之間發(fā)生的所謂圓盤摩擦損失。軸承和軸封摩擦損失的功率泵的圓盤摩擦損失的功率機械損失的總功率機械效率2023/2/6四、泵與風機的全效率當只考慮機械效率時，供給泵與風機的軸功率為而泵與風機實際所得的有效功率是泵與風機的全效率五、泵與風機的實際性能曲線第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線2023/2/6第五節(jié)

泵與風機的實際性能曲線通常按Q-H曲線的大致傾向可將其分為三種：1）平坦型，2）陡降型，3）駝峰型第八節(jié)相似律與比轉(zhuǎn)數(shù)2023/2/6泵或風機的設(shè)計、制造通常是按“系列”進行的。同一系列中，大小不等的泵或風機都是相似的，即滿足力學相似性原理。

泵和風機的相似率表明了同一系列相似機器的相似工況之間的相似關(guān)系。一、泵與風機的相似律1、同一系列泵或風機的各過流部件相應(yīng)的線尺寸之間的比值應(yīng)相等，相應(yīng)的角度也應(yīng)相等。2023/2/6第八節(jié)相似律與比轉(zhuǎn)數(shù)2、相似機在相似工況點的同名速度比值相等和方向相同，即相似工況點的速度三角形相似。2023/2/6第八節(jié)相似律與比轉(zhuǎn)數(shù)3、泵與風機在模擬時，并不采用“準數(shù)”來判斷相似，而是根據(jù)工況相似提出相似關(guān)系。相似工況：當原型性能曲線上某一工況點A與模型性能曲線上工況點A所對應(yīng)的流體運動相似，也就是相應(yīng)的速度三角形相似，則這兩個工況點為相似工況。在相似工況下，原型與模型的揚程、流量及功率有如下關(guān)系，此關(guān)系就叫相似律。2023/2/6第八節(jié)相似律與比轉(zhuǎn)數(shù)（一）流量關(guān)系（二）揚程關(guān)系（三）功率關(guān)系第九節(jié)相似律的實際應(yīng)用2023/2/6一、輸送流體的密度改變時性能參數(shù)的換算流體密度改變，風機的性能參數(shù)也發(fā)生變化。2023/2/6第九節(jié)相似律的實際應(yīng)用二、轉(zhuǎn)速改變時相似工況點的性能參數(shù)換算2023/2/6第九節(jié)相似律的實際應(yīng)用三、泵葉輪切削—僅葉輪直徑改變的換算2023/2/6二、泵和風機的實際性能曲線離心泵的揚程H與風機的壓頭p、軸功率N以及及效率均隨流量而變，一般均由實驗測出：H=fH(Q)p=fp(Q)N=fN(Q)=f(Q)它們之間的關(guān)系可用圖1.37所示的離心風機工作性能曲線表示。在風機出廠前由風機制造廠測定，列入產(chǎn)品樣本或說明書中，供使用部門選擇風機和操作時參考。各種型號的離心風機都有其本身獨有的性能曲線，但它們都有一些共同的規(guī)律：2023/2/6二、速度三角形2023/2/6二、泵和風機的實際性能曲線2023/2/6二、泵和風機的實際性能曲線2023/2/6泵和風機的實際性能曲線的特點泵的揚程（風機的壓頭）一般隨流量加大而下降；泵與風機的軸功率在流量為零時為最小，隨流量的增大而上升。故在啟動時，應(yīng)關(guān)閉出口閥門，以減少啟動電流，保護電機；隨著流量加大，風機的效率出現(xiàn)一極大值。泵與風機在與最高效率點相對應(yīng)的流量及揚程與壓頭下運轉(zhuǎn)最為經(jīng)濟。該最高效率點稱為風機的設(shè)計點，對應(yīng)的參數(shù)為最佳工況參數(shù)。銘牌上標出的性能參數(shù)即是最高效率點對應(yīng)的參數(shù)。2023/2/6泵和風機的實際性能曲線的特點泵與風機一般不大可能恰好在設(shè)計點運行，但應(yīng)盡可能在高效區(qū)（在最高效率的92％范圍內(nèi)）工作。離心風機的性能曲線隨轉(zhuǎn)速而變，因而性能曲線圖上或說明書中一定標出測定時的轉(zhuǎn)速。一般性能曲線的測定條件:對于風機，大氣壓強為101.325kpa、大氣空氣溫度為20℃(鍋爐引風機為200℃)，相對濕度為50%下進行的，此時空氣密度為1.2kg/m3。對于泵，大氣壓強為101.325kpa、大氣空氣溫度為20℃，清水。2023/2/6四、離心風機的選擇性能曲線8-18№4-№10離心風機的性能選擇曲線2023/2/6第四節(jié)相似律在泵與風機的實際應(yīng)用風機的無因次性能曲線比轉(zhuǎn)數(shù)密度改變時性能參數(shù)的換算轉(zhuǎn)速改變時性能參數(shù)的換算泵葉輪切削時性能參數(shù)的換算葉輪直徑與轉(zhuǎn)數(shù)均改變時性能參數(shù)的換算2023/2/6一、風機的無因次性能曲線系列：泵與風機設(shè)計、制造通常是按“系列”進行的。同一系列中，大小不等的泵或風機都是相似的，即它們之間的流體力學性質(zhì)遵循力學相似原理。按系列進行生產(chǎn)的原因之一是因為流體在機內(nèi)的運動情況十分復雜，以致目前不得不廣泛利用已有泵和風機的數(shù)據(jù)作為設(shè)計的依據(jù)。有時，由于實型泵或風機過大，就運用相似原理先在較小的模型機上進行試驗，然后再將試驗結(jié)果推廣到實型機器。2023/2/6一、風機的無因次性能曲線2023/2/6二、比轉(zhuǎn)數(shù)1.比轉(zhuǎn)數(shù)的概念同一類型泵或風機，不論其尺寸大小，而反映其流量Q，揚程(全壓)H以及轉(zhuǎn)數(shù)n之間關(guān)系的類型性能代表量——比轉(zhuǎn)數(shù)ns。水泵的比轉(zhuǎn)數(shù)：式中：Q的單位為m3/s、H的單位為m、n的單位為r/min；雙吸泵流量除以2；多級泵揚程除以級數(shù)。2023/2/6二、比轉(zhuǎn)數(shù)2.比轉(zhuǎn)數(shù)的實用意義：比轉(zhuǎn)數(shù)大表明其流量大而壓頭?。环粗?，比轉(zhuǎn)數(shù)小時，表明流量小而壓頭大。比轉(zhuǎn)數(shù)可以反映該系列泵或風機在結(jié)構(gòu)上的特點。因為比轉(zhuǎn)數(shù)大的機器流量大而壓頭小，故其進出口葉輪面積必然較大，即進口直徑D0與出口寬度b2較大，而輪徑D2則較小，因此葉輪厚而小。反之，比轉(zhuǎn)數(shù)小的機器流量小而壓頭大，葉輪的D0與b2小而輪徑D2較大，故葉輪相對地扁而大。2023/2/6二、比轉(zhuǎn)數(shù)2.比轉(zhuǎn)數(shù)的實用意義：比轉(zhuǎn)數(shù)可以反映性能曲線變化的趨勢。對于直徑D2相同的葉輪來說，低比轉(zhuǎn)數(shù)的機器由于壓頭增加較多，故流道一般較長，比值D2/D0和出口安裝角β2也