流體力學(xué)第九章課件

第九章離心式泵與風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與工作特性第一節(jié)泵與風(fēng)機(jī)概述第二節(jié)離心泵與風(fēng)機(jī)的基本構(gòu)造第三節(jié)離心泵與風(fēng)機(jī)的工作原理與主要性能參數(shù)第四節(jié)離心式泵與風(fēng)機(jī)的理論性能第五節(jié)離心式泵與風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能曲線第六節(jié)離心式泵與風(fēng)機(jī)性能的相似轉(zhuǎn)換與比轉(zhuǎn)數(shù)2/7/20231一、泵與風(fēng)機(jī)在工程中的應(yīng)用泵與風(fēng)機(jī)——利用外加能量輸送流體的機(jī)械。

泵——輸送液體

風(fēng)機(jī)——輸送氣體工程上的應(yīng)用：廣泛應(yīng)用在石油、化工、水利、造船、電力等各領(lǐng)域。§9-1泵與風(fēng)機(jī)概述在專業(yè)中的作用：是供熱、通風(fēng)、空調(diào)工程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備。

圖片2/7/20232二、泵與風(fēng)機(jī)的分類

按工作原理不同主要分為：葉片式、容積式工作原理泵風(fēng)機(jī)葉片式離心式離心泵旋渦泵離心風(fēng)機(jī)軸流式軸流泵軸流風(fēng)機(jī)混流式混流泵容積式往復(fù)式活塞泵、隔膜泵、計(jì)量泵回轉(zhuǎn)式齒輪泵、羅茨泵、螺桿泵羅茨風(fēng)機(jī)混流風(fēng)機(jī)2/7/20233一、離心泵的結(jié)構(gòu)型式與主要部件

泵體電動(dòng)機(jī)§9-2離心泵與風(fēng)機(jī)的基本構(gòu)造機(jī)座聯(lián)軸器入口出口2/7/20234密封環(huán)吸入室葉輪軸封裝置泵軸壓出室軸承密封圈2/7/202351、離心泵的基本組成葉輪——對液體做功的部件（核心部件）泵軸——傳遞扭矩的部件吸入室——引導(dǎo)流體進(jìn)入葉輪壓出室——收集來自葉輪的液體軸封——防止液體通過泵軸與泵體間的間隙泄漏密封圈——起靜密封作用軸向力平衡裝置——使葉輪軸向受力平衡平衡孔、平衡管、雙吸式葉輪、平衡盤和平衡鼓。2/7/202362、離心泵的分類按軸方向（軸地面的相對關(guān)系）分：

臥式、立式按吸入方式（幾個(gè)吸入口）分：

單吸泵、雙吸泵按葉輪級(jí)數(shù)（葉輪個(gè)數(shù)）分：

單級(jí)泵、多級(jí)泵2/7/20237二、離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與主要部件

電機(jī)機(jī)殼機(jī)座吸入口出口葉輪2/7/202381、離心風(fēng)機(jī)的主要組成進(jìn)風(fēng)口（集流器）——使氣流以較小阻力進(jìn)入葉輪。有圓筒式、錐形、曲線式等形式。葉輪——將電機(jī)功傳給氣體（核心部件）。機(jī)殼——收集來自葉輪的氣體，并將部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓。出風(fēng)口——使氣流順利排出。有機(jī)翼形、平板形、弧形三種結(jié)構(gòu)形式。軸——傳遞扭矩、帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。2/7/20239按增壓大小可分為：

低壓風(fēng)機(jī)：增壓值小于1000Pa

中壓風(fēng)機(jī)：增壓值在1000~3000Pa之間

高壓風(fēng)機(jī)：增壓值大于3000Pa2、離心風(fēng)機(jī)的分類

低壓和中壓風(fēng)機(jī)主要用于通風(fēng)換氣，在本專業(yè)中應(yīng)用較多。2/7/202310一、離心泵與風(fēng)機(jī)的工作原理

泵軸旋轉(zhuǎn)，充滿在葉片之間的水，在離心力的作用下，從葉輪中心甩向葉輪周圍，經(jīng)泵殼流入壓水管。葉輪進(jìn)口處產(chǎn)生真空，水在大氣壓下，經(jīng)吸入管流向水泵。動(dòng)畫§9-3離心泵與風(fēng)機(jī)工作原理與主要性能參數(shù)2/7/2023111、泵的揚(yáng)程與風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓泵的揚(yáng)程（H）

單位重量的流體通過泵所獲得的有效能量。（m）風(fēng)機(jī)的全壓（p）與靜壓（pj

）

全壓(p):單位體積氣體通過風(fēng)機(jī)所獲得的有效能量。(Pa)靜壓（pj）：風(fēng)機(jī)的全壓減去風(fēng)機(jī)出口的動(dòng)壓。（Pa）

二、泵與風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)下標(biāo)“1”代表入口參數(shù)下標(biāo)“2”代表出口參數(shù)2/7/2023122、流量（qv）單位時(shí)間內(nèi)泵或風(fēng)機(jī)所輸送的流體量。（m3/s）3、功率與效率有效功率（Pe）：

單位時(shí)間內(nèi)通過泵或風(fēng)機(jī)的流體所獲得的總能量。軸功率（P）：原動(dòng)機(jī)傳給泵或風(fēng)機(jī)軸的功率。（W）全效率（η）：4、轉(zhuǎn)速（n）泵或風(fēng)機(jī)葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。（r/min）（W）2/7/202313理想葉輪：假設(shè)流體通過葉輪的流動(dòng)是恒定的，且在垂直于轉(zhuǎn)軸的流面之間不互相干擾；假設(shè)葉輪具有無限多葉片，葉片無限薄，每條流線都具有與葉片相同的形狀——液體無環(huán)流；假設(shè)流經(jīng)葉輪的流體是理想不可壓流體——無能量損失。一、流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析流體在理想葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)可看成一元理想流體恒定流動(dòng)。垂直于轉(zhuǎn)軸的流面相鄰兩葉片§9.4離心式泵與風(fēng)機(jī)的理論性能2/7/202314隨葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（牽連運(yùn)動(dòng)）沿葉片徑向運(yùn)動(dòng)（相對運(yùn)動(dòng)）流體在葉輪內(nèi)做復(fù)合運(yùn)動(dòng)：流體的運(yùn)動(dòng)可用速度三角形表示：u-圓周速度;v-絕對速度;w-相對速度Wvuβαvuvrβ：葉片與圓周速度反方向夾角（葉片安裝角）α

：絕對速度與圓周速度的夾角（葉片工作角）uvwβαω2/7/202315下標(biāo)“1”-進(jìn)口參數(shù)下標(biāo)“2”-出口參數(shù)D1-進(jìn)口直徑D2-出口直徑b2-葉片出口寬度二、離心式泵與風(fēng)機(jī)的理論壓頭推導(dǎo)原理：動(dòng)量矩定理——作用于流體的外力矩（外力施加于葉輪轉(zhuǎn)軸上的力矩）等于流體動(dòng)量矩的變化率：根據(jù):

軸功率流體獲得的功率vv下標(biāo)“T”-理想葉輪內(nèi)無任何損失下的理論值2/7/202316結(jié)論：1、僅與流體在進(jìn)、出口處的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)；

理想葉輪：

2、與被輸送的流體種類無關(guān)，只要進(jìn)、出口速度三角形相同，就得到相同的

。2/7/202317實(shí)際葉輪葉片數(shù)有限對理論揚(yáng)程的影響：帶來的影響：使相對速度朝旋轉(zhuǎn)反方向偏離，絕對速度值減小。葉片數(shù)有限，流體在流道內(nèi)產(chǎn)生相對渦流運(yùn)動(dòng)。v2TW2Tv2Tβαvu2Tu2TW2Tv2T2/7/202318k：渦流修正系數(shù)，

實(shí)際葉輪：簡寫：或：2/7/202319理論揚(yáng)程之組成：——?jiǎng)訅核^增量(HTd

)

。

動(dòng)壓水頭大，流動(dòng)的損失會(huì)較大，影響機(jī)器的效率。因此，在總揚(yáng)程相同情況下，動(dòng)壓水頭增量不宜過大?！捎陔x心力作功使流體產(chǎn)生的靜壓水頭增量?！捎诹鞯勒箤?，相對速度降低產(chǎn)生的靜壓水頭增量。(HTj)2/7/202320三、葉型及其對機(jī)器性能的影響設(shè)計(jì)時(shí):使（1）進(jìn)口截面積等于出口截面積；（2）wvuβαvrvuv因此：：前向葉型：徑向葉型：后向葉型葉型有三種：2/7/202321

離心泵一般為后向葉型，大型離心風(fēng)機(jī)也采用后向葉型；中小型風(fēng)機(jī)有的采用前向葉型。前向葉型，HT最大

，HTd最大，效率最低。徑向葉型，HT居中

，HTd居中，效率居中。后向葉型，HT最小

，HTd最小，效率最高。結(jié)論：2/7/202322四、離心泵與風(fēng)機(jī)的理論性能曲線葉片的排擠系數(shù)葉輪外緣面積：流體流通面積：vr2u2vr2qvTqvT對一定的葉輪、在一定的轉(zhuǎn)速下：qvT2/7/202323HTqvTβ2>90°β2=90°β2<90°HT與qvT曲線PT與qvT曲線NTβ2>90°β2=90°β2<90°qvT2/7/202324一、離心式泵與風(fēng)機(jī)內(nèi)的損失

3、水力損失包括進(jìn)口損失、撞擊損失、動(dòng)壓轉(zhuǎn)換和出口損失等。水力效率：1、機(jī)械損失圓盤摩擦損失（主要）：軸封和軸承的摩擦損失:?P1=1%~3%N機(jī)械效率：2、容積損失：部分流體漏回到入口處。

容積效率：q§9.5離心式泵與風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能曲線2/7/202325機(jī)器的全效率：由于流體在泵或風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)很復(fù)雜，流體在機(jī)器內(nèi)產(chǎn)生的各種損失現(xiàn)還無法從理論上確定，因此實(shí)際性能曲線還不能通過理論推導(dǎo)得出。2/7/202326二、泵與風(fēng)機(jī)的（實(shí)際）性能曲線包括：H~qv，P~qv，~qv等曲線,由廠家通過試驗(yàn)測定得出。試驗(yàn)條件:水泵：20℃，1個(gè)大氣壓，清水；通風(fēng)機(jī)：20℃，1個(gè)大氣壓，相對濕度50%，空氣

H~qv曲線最為重要，其變化趨勢有三種：平坦型、陡降型和駝峰型，應(yīng)優(yōu)先選用平坦型。圖片Pqv,m3/h2/7/202327關(guān)于性能曲線的說明：壓頭（風(fēng)壓）~流量（H~qv、

p~qv）曲線：是判斷離心泵或風(fēng)機(jī)是否滿足管路使用要求的重要依據(jù)。軸功率曲線（P～qv）：

軸功率一般隨流量的增大而增大，當(dāng)流量為零時(shí)，功率最小，因此離心泵與風(fēng)機(jī)應(yīng)在出口閥關(guān)閉下啟動(dòng)，以防止電機(jī)過載。效率曲線（～qv）：

效率曲線有一最高點(diǎn)，稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)。因?yàn)殡x心泵與風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)工作時(shí)最經(jīng)濟(jì)，所以其所對應(yīng)的流量、壓頭（風(fēng)壓）、軸功率為最佳工況參數(shù)。2/7/202328

§9-6離心泵與風(fēng)機(jī)性能的相似轉(zhuǎn)換與比轉(zhuǎn)數(shù)一、泵與風(fēng)機(jī)的相似條件（一）幾何相似兩機(jī)的幾何尺寸成比例，比值相等，各對應(yīng)角度相等。（其一為模型機(jī)，另一為實(shí)型機(jī)）（二）運(yùn)動(dòng)相似模型機(jī)和實(shí)型機(jī)各對應(yīng)點(diǎn)的速度方向相等，大小成比例，比值相等，即流體在各對應(yīng)點(diǎn)的速度三角形相似。（三）動(dòng)力相似模型和原型相對應(yīng)點(diǎn)的各種力的方向相等，大小成比例，比值相等。（自然滿足）同一系列大小不等的泵或風(fēng)機(jī)都是相似的。2/7/202329二、泵與風(fēng)機(jī)的相似定律相似工況點(diǎn)：實(shí)型機(jī)性能曲線上某點(diǎn)與模型機(jī)性能曲線上某點(diǎn)所對應(yīng)的流體運(yùn)動(dòng)相似，該兩點(diǎn)為相似工況點(diǎn)。相似工況點(diǎn)的參數(shù)間滿足如下關(guān)系：注:下標(biāo)“m”——模型機(jī)參數(shù)；下標(biāo)“n”——實(shí)型機(jī)參數(shù)；轉(zhuǎn)速變化，機(jī)器的性能曲線會(huì)發(fā)生變化。2/7/202330例1：某風(fēng)機(jī)銘牌上參數(shù)為：n0=1250r/min，p0=79mmH2O，qv0=8300m3/h，P=2kW，

0=91.4%。如風(fēng)機(jī)改在n=1450r/min下運(yùn)行，試求相應(yīng)的流量、全壓及軸功率。解：由相似定律得:

2/7/202331例2：某鍋爐引風(fēng)機(jī)銘牌上的參數(shù)為：p0=162mmH2O、qv0

=20000m3/h、=60%。配用電機(jī)功率為22kw，三角皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)效率為t=98%，今用此風(fēng)機(jī)輸送溫度為20°C的清潔空氣，轉(zhuǎn)速不變，求在這種情況下風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，并校核配用電機(jī)的功率能否滿足要求。（實(shí)驗(yàn)條件：1個(gè)大氣壓，200°C的空氣）解：由相似定律得:

qv=qv0=20000m3/h

校核配用電機(jī)的功率：配用電機(jī)不能滿足需要。2/7/202332例3：已知某模型機(jī)在直徑D2m=160mm，轉(zhuǎn)速nm=2900r/min下的qv~H曲線，試按相似律換算出同一系列相似泵當(dāng)輪徑D2=120mm，n=2600r/min情況下的qv-H曲線。解：1、在模型機(jī)性能曲線上取工況點(diǎn)A1，查出其參數(shù)：2、根據(jù)相似定律：計(jì)算出實(shí)型機(jī)與之對應(yīng)的相似工況點(diǎn)的參數(shù)：3、在圖上畫出與A1點(diǎn)對應(yīng)的相似工況點(diǎn)A2。4、用同樣的方法畫出與模型機(jī)性能曲線上B1、C1、D1….點(diǎn)對應(yīng)的B2、C2、D2…….點(diǎn)。5、將A2、B2、C2、D2點(diǎn)用光滑曲線連接。qv2/7/202333三、風(fēng)機(jī)的無因次性能曲線對于不同的工況點(diǎn)值不同。曲線無因次性能曲線:

曲線曲線同一系列的機(jī)器無因次性能曲線相同。2/7/202334其中：p曲線曲線曲線工程上用的無因次性能曲線:

(所有物理量的單位均為國際單位)2/7/202335四、泵與風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)數(shù)——包括流量、壓頭及轉(zhuǎn)速等參數(shù)在內(nèi)的綜合性相似特征數(shù)。1、泵的比轉(zhuǎn)數(shù)（單位：n：rpm,qv：m3/s,H：m）

在同一系列泵中，確定一臺(tái)為標(biāo)準(zhǔn)模型泵，該泵在最高效率下，當(dāng)揚(yáng)程Hm=1m，流量qvm=0.075m3/s時(shí)，該泵的轉(zhuǎn)速叫做該系列中其它泵的比轉(zhuǎn)數(shù)。（rpm）2/7/2023362、風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)（單位：n：rpm,qv：m3/s,p：mmH2O）

在同一系列風(fēng)機(jī)中，確定一臺(tái)為標(biāo)準(zhǔn)模型機(jī)，該機(jī)在最高效率下，壓頭pm=1mmH2O，流量qvm=1m3/s時(shí)，該風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速叫做該系列中其它風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)。（rpm）2/7/202337家用中央空調(diào)系統(tǒng)2/7/202338空調(diào)系統(tǒng)原理圖2/7/2023392/7/202340室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)2/7/202341熱水循環(huán)系統(tǒng)2/7/202342室內(nèi)熱水系統(tǒng)2/7/2023432/7/2023442/7/202345軸流泵2/7/202346混流泵工作原理

當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)后，對液體的作用既有離心力又有軸向推力，是離心泵和軸流泵的綜合。因此它是介于離心泵和軸流泵之間的一種泵。混流泵的比轉(zhuǎn)速高于離心泵，低于軸流泵，一般在300-500之間。它的揚(yáng)程比軸流泵高，但流量比軸流泵小，比離心泵大。2/7/202347貫流泵貫流泵是臥式軸流泵的一種。由電動(dòng)機(jī)、減速裝置和水泵組成一整體，裝設(shè)在水下堤壩內(nèi)部的機(jī)坑內(nèi)，其進(jìn)出水流道位于一條直線上，近似直圓筒形，水力損失少，提水效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、檢修方便。貫流泵工礦適用于大流量、低揚(yáng)程的場合，主要用于雨水排放、工農(nóng)業(yè)送水、區(qū)域調(diào)水，尤其適用于排澇與灌溉綜合考慮的水利、防洪工程。2/7/202348羅茨泵2/7/202349螺桿泵2/7/202350齒輪泵2/7/2023512/7/202352離心風(fēng)機(jī)2/7/202353混流風(fēng)機(jī)2/7/202354軸流（斜流）風(fēng)機(jī)2/7/202355貫流風(fēng)機(jī)特點(diǎn)：小流量，低噪聲，葉輪