流体输配管网(第6章)

1第6章泵、风机与管网系统的匹配泵、风机在管网系统中的工作状态点泵、风机的工况调节泵、风机的安装位置泵、风机的选用26.1泵、风机在管网系统中的工作状态点泵、风机在管网系统中的工作状态点是由管网和泵、风机的特性共同确定的！36.1.1管网特性曲线45（3）枝状管网可经过逐次简化为一个管路：6枝状管网的阻力特性2SLP管网特性曲线工程背景：通风空调气体管网机械循环采暖管网室外供热管网空调冷冻水管网空调冷却水管网2stst1122eSLPPPP)gZP()gZP(P72steSLPP两种管网特性曲线2stSLHH气体管网液体管网86.1.2管网特性曲线的影响因素影响管网特性曲线形状的决定因素是阻抗S。S值越大，曲线越陡。972-12i(4S(kgm)2(4S(kgm)2iisLiiisMiilRAlRA采用体积流量时；采用质量流量时。由管路流体力学可知：S=f(l，d，λ，ζ，)S=f(l，d，k，ζ，)通常：设计中－改变l、d来调节管网特性；运行中－调节阀门开度（ζ）改变S，以适应用户对L或压力分布的需要。10实际工作中泵、风机性能会发生变化•产品样本给出的某种类型、规格的泵、风机的性能曲线（或性能参数表），是根据某种标准实验状态下测试得到的数据整理绘制而成的。在实际使用中，工作流体的密度、转速等参数可能与试验时不一致，此时可根据相似律进行性能参数的换算。•由于泵、风机是在特定管网中工作，其入口、出口与管网的连接状况一般与性能试验时不一致，将导致泵、风机）的性能发生改变（一般会下降），称为“系统效应”。系统效应对风机性能的影响更显著。6.1.3管网系统对泵、风机性能的影响11入口系统效应•入口流场不均匀(b)方形弯管(a)圆形弯管管道长度R(c)进口风箱12•风机接有吸入管路→吸入口绝对压力下降，ρ↓，风机作功能力↓，性能曲线下降。13出口系统效应•系统效应管段长度－风机出口截面至管道内气流速度规则分布的截面之间管段长度。在效应管道长度范围内断面的任何改变，均导致风机性能降低。系统效应曲线计算100%的效应管道长度：如果风速是12.5m/s以下取2.5倍管径为长度，那么风速每增加5m/s，例：风速为25m/s,取5倍管径为100%效应管道长度。若管道为方型，边长分别为a,b.出口断面1.00.60.80.90.70.50.4--R-ST-UV-WSPPR-SR-SS-TU-WW-XU直径可按d=(4ab/pi)离心式风机长度增加1倍管径。计算。0.5弯钩接口--U-VW-XX-UUW-X---WW-------100%效应管道长度排气管道当量鼓风断面鼓风断面面积出口断面面积压力恢复无管道12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长050%%100%%8090%14•系统效应曲线系统效应曲线计算100%的效应管道长度：如果风速是12.5m/s以下取2.5倍管径为长度，那么风速每增加5m/s，例：风速为25m/s,取5倍管径为100%效应管道长度。若管道为方型，边长分别为a,b.出口断面1.00.60.80.90.70.50.4--R-ST-UV-WSPPR-SR-SS-TU-WW-XU直径可按d=(4ab/pi)离心式风机长度增加1倍管径。计算。0.5弯钩接口--U-VW-XX-UUW-X---WW-------100%效应管道长度排气管道当量鼓风断面鼓风断面面积出口断面面积压力恢复无管道12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长050%%100%%8090%15•出口连接弯管不同出口管道形式有不同的系统效应，对应的系统效应曲线列表见图6-1-8。与图6-1-7的曲线配合使用，计算系统效应的压力损失。16泵、风机在管网系统中的工作状态点将泵、风机实际的H～Q曲线和管网系统的特性曲线画在同一张图上，交点即为该泵（风机）在管网系统中的工作（运行）状态点。6.1.4泵、风机在管网系统中的工作状态点泵、风机在管网中的工作状态点是其自身的性能和管网特性共同确定的：它工作在所提供的的能量与流动阻力相平衡的流量下－自平衡性能。17稳定工作区与非稳定工作区泵、风机的稳定工作区•大多数泵和风机的Q－H曲线是平缓下降的曲线，这种情况下运行工况是稳定的；•低比转数、具有驼峰形性能曲线的泵或风机，在其压头峰值点的右侧区间运行,设备的工作状态能自动地与管网的工作状态保持平衡并稳定工作,这一稳定的区域称为稳定工作区。18泵、风机的非稳定工作区•低比转数、具有驼峰形性能曲线的泵或风机在压头特性曲线峰值的左侧区域运行时,将工作状态不稳定,此区称为非稳定工作区。•非稳定工作区产生的主要原因：泵和风机具有驼峰形的性能曲线。•解决的方法：应使其工况点保持在Q－H曲线的下降段。19风机的喘振及其防止方法什么是喘振？风机在非稳定工作区运行时，流体可能一会儿由风机流出；一会儿由管网倒流入风机的现象。喘振如何发生？•当风机特性曲线峰值左侧较陡，运行工况点离峰值较远时易发生喘振；•轴流风机比离心风机易发生喘振；•高压风机比低压风机易发生喘振。喘振的危害－很大的噪声、振动、流量和压力剧烈波动，可能造成设备严重破坏。20喘振防止的方法•应尽量避免设备在非稳定区工作；•采用旁通或放空法；•增速节流法。效率在90％～95％以上范围的区域为泵或风机的最佳工作区，在最佳工作区运行即稳定又经济。21系统效应对工况点的影响通过选择合理的进出口连接方式，可以减小或消除系统效应对泵、风机的性能产生的影响。当确实因实际安装位置限制等原因导致无法避免系统效应时，应在设计选用泵（风机）时将系统效应的影响考虑在内。226.1.5管网系统中泵、风机的联合运行并联工作特点：压头相等，总流量等于各台设备流量之和。应用•用户需要流量大,而大流量的设备制造困难且造价高•流量需求变化大,通过停开设备台数调节流量•检修及事故备用联合运行曲线绘制方法•两台相同泵或风机的并联•多台相同泵或风机的并联•不同性能的泵或风机的并联2324并联工作基本结论：•多台设备并联工作的总流量小于并联前各设备单独工作的流量之和。•并联台数增多，每并联上一台设备所增加的流量愈小，效果越差。•管网特性曲线越陡，并联运行流量增加越少。•设备性能曲线越陡，并联运行流量增加越多。25串联工作特点•流量相等，压头等于各台设备压头之和。•两台设备串联工作时,总压头增大,使管路中流体流速提高，则流量也有一定增加。适用情况•高压的设备制造困难且造价高•在改建或扩建时，管道阻力加大，需要压头提高26串联工作基本结论•串联运行的总流量和压头都比串联前高。•表面上看，增加压头是串联的目的。但最终目的还是为了满足更大的流量需求：流量大，管网的阻力大，需要更大的动力。•设备性能曲线越平坦，越适合串联工作。•一般应采用性能相同的泵串联工作；一般风机不直接串联工作。276.2泵、风机的工况调节由于用户需要的流量经常变化,而设备运行时的工况点是由设备性能曲线和管道性能曲线共同决定的，应采用一定的方法进行工况调节,来满足流量变化的要求。调节类型：调节管网系统性能调节泵、风机性能286.2.1调节管网系统特性常用方法：改变管网中的阀门开启度→改变管路的阻力特性，使性能曲线变陡或缓。方法简单，但是不经济。下面分析液体、气体管网系统的调节特性。29液体管网系统的性能调节•泵的调节阀只能装在压出管上；•吸入管上设置调节阀增加吸入口的真空值，可能会引起泵的气蚀。采用增大阻抗减小流量的代价：30气体管网系统的性能调节•风机出口设置调节阀，经济性较差；•风机进口设置调节阀，较为经济，改变进口压力，使风机性能发生变化，以适应流量和压力的特定要求。是广泛采用的调节方法。初始状态：1、1´关小阀门：2、2´开大阀门：3、3´消除了ΔH´产生的无益功：316.2.2调节泵、风机的性能常用方法：•变速调节－改变电机转速（常用变频调节）、调换皮带轮、采用液力联轴器等。方便、常用的方法；•非变速调节－入口节流调节、风机前导叶调节、切削叶轮调节。32变速调节在雷诺自模区内，同一泵或风机在不同转数下的流体流动是相似的；即泵或风机不同转速时的性能曲线上存在一一对应的相似工况点。在相似工况点之间，存在相似律。2222)'QQ('HH)'QQ('PP'PP)'nn()'QQ(；2kQH＝得到变速调节时的相似工况曲线：实际上是狭义的管网特性曲线方程33分析：不改变管网，减小转速，将流量从QA调节到QB。34通过分析，可以得出结论：•具有狭义管网特性曲线的管网，当其特性（总阻抗S）不变时，泵或风机在不同转速运行时的工况点是相似工况点，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，功率与转速三次方成正比；•具有狭义管网特性曲线的管网，若变转速的同时，S值也发生变化，则不同转速的工况不是相似工况，上述关系不成立；•对于具有广义特性曲线的管网，上述关系亦不成立。35•用降低转速来调小流量，节能效果非常显著；•用增加转速来增大流量，能耗增加剧烈。理论上可以用增加转速的方法提高流量，但是转数增加后，使叶轮圆周速度增大，因而可能增大振动和噪声，且可能发生机械强度和电机超载问题，所以一般不采用增速方法来调节工况。36实际应用问题：（1）不改变管网，减小转速，将流量从QA（对应转速n），调节到QB，转速应为多少？解：求流量为QB时要求的工况点（B点）；过B点作相似工况曲线，与转速为n时的性能曲线的交点，是B点的相似工况点；在此两点间依据相似律求应有的转速。（2）转速n时流量为QA，不改变管网，转速减小为n´，流量为多少？解：实际是求转速为n´时的水泵（风机）性能曲线。在转速n的水泵性能曲线上找若干点。利用相似律，求对应的相似工况点的性能参数。37风机进口导流器调节•作用－使气流进入叶轮之前产生预旋,Vu1↑，按欧拉方程，P↓。•分析：－导流叶片不调节Vu1=0，P最大－调节导流叶片方向,Vu1↑，P↓,增加进口的撞击损失;不如变速调节经济,比阀门调节经济；结构简单，调节方便、灵活。38切削叶轮调节•泵或风机的叶轮经过切削，外径改变，其性能随之改变。泵或风机的性能曲线改变，则工况点移动，系统的流量和压头改变，达到节能的目的。•叶轮经过切削与原来叶轮不符合几何相似条件。切削前后性能参数不符合相似律，需重新推导切削前后参数之间的关系。•切削量不大时，近似满足：39•切削律232222222'2'222422222222'2222222QQ'HH'DDN'N'DDH'H'DDQ'QbDbDQQ'HH'DDN'N'DDH'H'DDQ'QbbgvuHvbεπDQuTrT第二切削曲线：，则有第二切削律：高比转数时，第一切削曲线：，则有第一切削律：低比转数时，；40•如何确定？'2D41•应用1：已知水泵叶轮外径D2时的性能曲线，求D2时的性能。解：在外径D2时的性能曲线上选取若干点，应用切削律，计算外径为D2时对应的各个点的参数值，并连成曲线。42•应用2：已知水泵叶轮外径D2时的性能曲线和管网特性曲线，水泵输出流量是Qa，要求通过改变叶轮直径，将流量调整为Qb，求此时的直径D2。解：－找到所要求的新的工况点B；－过新工况点作切削曲线，找到与外径D2的水泵性能曲线的交点C（或D）；－在B点和C点（或D点）之间利用切削律，求出D2。43•注意：－切削会带来效率下降，对切削量有限制。比转数越大，允许切削量越小；－使用中通常是提供几套叶轮经过切削的叶轮在需要时进行更换。44已知水泵性能曲线如下图。管路阻抗S＝76000mH2O/(m3/s)2，静扬程Hst＝19m，转速n＝2900r/min。试求：⑴水泵的流量Q、扬程H、效率η及轴功率N；⑵用阀门调节方法使流量减少25％，求此时水泵