第2章泵与风机的性能-2011

1第二章泵与风机的性能第一节损失与效率2•由泵与风机损失的性质可将其分为三种：•1.机械损失•2.容积损失•3.水力损失•轴功率减去由这•三项损失所消耗的功•率等于有效功率。•从图所示的能量平衡图可以看出轴功率、损失功率与有效功率之间的能量平衡关系。3•(一)机械损失和机械效率•轴端密封与轴承的摩擦损失的功率∆P约为轴功率的•1％～5％。•盘摩擦损失是叶轮在壳体内的流体中旋转，叶轮两侧的流体，由于受离心力的作用，形成回流运动，流体和旋转的叶轮发生摩擦而产生能量损失。这项损失的功率约为轴功率的2％～10％，是机械损失中的主要部分。圆盘摩擦损失为：6223210DuKPdf4•总的机械损失功率∆Pm为•机械损失用机械效率来衡量，即•式中——机械损失功率，kW。dfmPPPPPPmmmPmP5•(二)容积损失和容积效率•泵与风机由于转动部件与静止部件之间存在间隙，当叶轮转动时，在间隙两侧产生压力差，因而使部分由叶轮获得能量的流体从高压侧通过间隙向低压侧泄漏，这种损失称为容积损失或泄漏损失。6•容积损失主要发生在以下一些地方：•叶轮入口与外壳密封环之间的间隙；平衡轴向力装置与外壳间的间隙和轴封处的间隙等。•为了减少进口的容积损失，一般在进口都装有密封环。在间隙两侧压差相同的情况下，如间隙宽度b越小，间隙长度l越长，或弯曲次数越多，则密封效果越好，容积损失也就越小。7•容积损失与比转数ns有关。•随比转数ns的减小容积损失增加。•因为低比转数叶轮间隙两侧的压差大，因而导致泄漏量增加。8•1．发生在叶轮入口的容积损失•式中----流量系数；•∆H----间隙两侧的能头差;•A――间隙的环形面积。•2．发生在平衡轴向力装置处的容积损失•总的泄漏量，一般为理论流量的4％～10％。•容积损失用容积效率来衡量，容积效率用下式表示HgAq222HgAq21111qqqHqqgHgqVVTVTVV)(9•(三)流动损失和流动效率•流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。•流体和各部分流道壁面摩擦会产生摩擦损失；•流道断面变化、转弯等会使边界层分离、产生二流次流而引起扩散损失；•由于工况改变，流量q1，偏离设计流量qvd时，入口流动角β1与叶片安装β1a。不一致会引起冲击损失。10•泵与风机流道形状比较复杂，l、R、λ均难以确定，因此可以把全部摩擦损失归并成一个简单的公式，即••扩散损失用下式计算：•两项损失相加，得21VfqKh22VjqKh23VjfqKhh1．摩擦损失和扩散损失•摩擦损失用下式计算：gvRlhf24211•2．冲击损失•相对速度方向与叶片进口切线方向之间的夹角称为冲角α。β1＝β1a,α=0，没有冲击损失；β1＜β1a，α＞0，漩涡发生在非工作面上；β1＞β1a，α＜0，漩涡发生在工作面上。α=β1a-β1•在设计工况时，流体的入口流动角β1等于叶片入口安装角β1a。12•冲击损失用下式计算：••在所有损失中，流动损失最大。24)(VdVsqqKhTTVVhHHHgqHgq流动损失用流动效率ηh表示：13•风机的总效率又称全压效率。•静压效率静压内效率•全压内效率•(四)泵与风机的总效率•泵与风机的总效率等于有效功率与轴功率之比，即PpqstVstmVhePPiVieiPpqPPistVstiPpq•内功率：轴功率-(轴承+密封)摩擦损失功率。•内功率反映了叶轮的输入功率，而轴功率则是整台的输入功率。14•泵与风机的总效率等于流动效率ηh、容积效率ηV和机械效率ηm三者的乘积。•要提高泵与风机的效率就必须在设计、制造及运行等各方面注意减少机械损失、容积损失和流动损失。•离心泵总效率约为0.60～0.90•离心风机约为0.70～0.90•高效风机可达0.90以上•轴流泵的总效率约为0.70～0.89•大型轴流风机可达0.90左右15第二章泵与风机的性能第二节泵与风机的性能曲线16•性能曲线：反映流量qV、扬程H或全压p、功率P、效率η、汽蚀余量Δh这些性能参数间变化关系的曲线。•性能曲线通常是指在一定转速下，以流量qV作为基本变量，其他各参数随流量改变而变化的曲线。•以流量qV为横坐标，扬程H(p)、功率P、效率η、汽蚀余量Δh为纵坐标，绘制出qV-H(p)、qV-P、qV-η、qV-Δh等曲线。•该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。17•鉴于泵与风机内部流动的复杂性，至今还不能用理论计算的方法求得，而是通过试验来确定。•对性能曲线进行理论分析，对了解性能曲线的变化规律以及影响性能曲线的各种因素，具有十分重要的意义。1819•一、离心式泵与风机的性能曲线•(一)流量与扬程(qV-H)性能曲线•1.叶片无限多时的性能曲线•因为得VTaamTqbDgctguguctgvuguH2222222222)(222bDqvVTm式中，，，均为常数。2ua22D2b•令•则有上式是一直线方程。因此，随呈直线关系变化。guA22VTTBqAH20•3．(前弯式叶片)•时,B为负值，•为一条上升的直线。•1．(后弯式叶片)•时，，B为正值，则•增加时，减小，随着增大而直线下降。•2．（径向式叶片）•时,B＝0•为平行于横坐标的直线。902a902a02actgVTTBqAHVTqTHTHVTq02a02a902a902a21•2.性能曲线的变化分析•以上的直线为理论的－性能曲线，由于考虑到有限叶片数和粘性流体的影响，需对上述曲线进行修正，现以＜90°的后弯式叶片为例，分析性能曲线的变化。a2VTqTHVTaTqbDgctguguH22222222•(1)叶片数无限多、列限薄，理想流体的性能曲线（a)VTTBqAHVTaTqbDgctguguH222222V-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V23•(2)有限数叶片数的影响•对于有限数叶片的叶轮，由于轴向涡流的影响，从而其所产生的扬程降低，可用滑移系数进行修正。TTKHH滑移系数K恒小于1，且基本与流量无关。因此，有限数的曲－曲线，是一条向下倾斜的直线（b）。V-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V24•(3)摩擦及扩散损失的影响•考虑实际流体粘性的影响，要在曲线上减去因摩擦、扩散损失的扬程。•摩擦及扩散损失随流量的平方增加，减去各流量下因摩擦及扩散而损失的扬程(c)。V-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V25•(4)冲击损失的影响•冲击损失在设计工况下为零，在偏离设计工况时则按抛物线增加，在对应流量下再从c曲线上减去因冲击而损失的扬程(d)。V-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V26•(5)容积损失的影响•在d线上的各点减去相应的泄漏量q，即得到流量与实际扬程的性能曲线(e)。•对风机的曲线与泵的－曲线分析相同。V-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V271.叶片无限多、理想流体a2.有限叶片数时的性能曲线b3.考虑摩擦及扩散损失的性能曲线c•4.考虑冲击损失的性能曲线d（qVT-H）•5.考虑容积损失的性能曲线e（qV-H）TTKHHVTTBqAHgvh222)(qqhoptVVTVqqqV-Δ泄漏损失冲击损失VTdTV--VT-VTT∞摩擦损失V28•(二)流量与功率性能曲线•流量与功率性能曲线，是指在一定转速下泵与风机的流量与轴功率之间的关系曲线。•轴功率P等于有效功率Pe与机械损失功率ΔPm、容积损失功率、流动损失功率之和。而机械损失与流量无关，因而可先求得流量与有效功率的关系曲线，然后，在相应点加上机械损失功率即得到流量与轴功率的关系曲线。hVmePPPPP29•有效功率Pe为••令••得VTaamTqbDgctguguctgvuguH2222222222)(TVTeHgqPVTaTTqbDgctguKguKguKKHH2222222guKA222222bDgctguKBaVTTqBAH)()(2VTVTVTVTTVTeqBqAgqBqAHgqP30•1．β2a∞＜90°，B’为正•当qVT=0时，Pe=0•当时，Pe=0•通过坐标原点与横轴相交于点的抛物线)(2VTVTeqBqAgPBAqVTBAqVT•2．β2a∞=90°，B’=0,•当qVT＝0时，Pe＝0•通过坐标原点上升的直线•3．β2a∞＞90°，B’为负•当qVT＝0时，Pe＝0•通过坐标原点的上升曲线guKA222222bDgctguKBa31•4.输入功率与流量性能曲线•后弯式叶轮，在流量与有效功率（qVT-Pe）曲线上加一等值的机械损失功率ΔPm，即得到qVT-Pe性能曲线。泄漏量的影响，在性能曲线上由所对应的流量减去相应的泄漏量q。将流量为零的这一工况称为空载工况，功率等于泵与风机在空转时的机械损失功率、容积损失功率、流动损失功率之和。32•(三)流量与效率性能曲线•泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即PqBqAgPPVTVTe)(2avtvtTvtectgbDqquPuHgqPP222222通过坐标原点并与横坐标轴相交的曲线。实际上性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而效率曲线也不可能与横坐标轴相交。曲线上最高效率点，即为泵与风机的设计工况点。对风机而言，因为有全压p和静压pst,所以对应的效率也有全压效率及静压效率曲线。333435•(四)离心式泵与风机性能曲线的分析•1.最佳工况点与经济工作区•在给定的流量qV下，均有一个与之对应的扬程H或全压p，称为工况点。工况点有对应的功率P及效率η值。ηΔη最高效率所对应的工况点，称为最佳工况点。在最佳工况点左右的区域(一般不低于最高效率的0.85～0.9)称为经济工作区或高效工作区。36•2.离心式泵空载运行时的汽蚀•当出口阀门全关时，该工况为空转状态。这时，空载功率主要消耗在机械损失上，如旋转的叶轮与流体的摩擦，使水温迅速升高，会导致泵壳变形、轴弯曲以致汽化，特别是锅炉给水泵及凝结水泵，由于输送的是饱和液体，因此为防止汽化，一般不允许在空转状态下运行(除特殊注明允许的外)。如在运行中负荷降低到所规定的最小流量时，则应开启泵的旁路管。37•3.空载起动•离心式泵与风机，在空转状态时，轴功率(空载功率)最小。为避免启动电流过大，原动机过载，所以离心式的泵与风机要在阀门全关的状态下启动，待运转正常后，再开大出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常的运行。38•4.后弯式叶轮性能曲线的三种基本形状•陡降的曲线，当流量变动很小时，扬程变化很大，适用于扬程变化大而流量变化小的情况，如电厂的取水水位变化较大的循环水泵；•平坦的曲线，当流量变化很大时，扬程变化很小，适用于流量变化大而要求扬程变化小的情况。如电厂的汽包锅炉给水泵；Hq39•有驼峰的曲线，扬程随流量的变化是先增加后减小，曲线上k点对应扬程的最大值Hk和qVk，在k点左边为不稳定工作段，在该区域工作，会影响泵与风机的稳定工作。•不希望使用具有驼峰形曲线的泵与风机。即使使用也只允许在qV＞qVk时工作。qHk驼峰形曲线，一般与叶片出口角、叶片数z、叶片形状等有关。40•5.前弯式叶轮•由性能曲线可见，后弯式叶轮和前弯式叶轮有着明显的差别。•后弯式叶轮的性能曲线，随流量的增加功率变化缓慢；而前弯式叶轮随流量的增加，功率急剧上升，因此原动机容易超载。•因前弯式叶轮的理论性能曲线为一上升直线，在其上扣除轴向涡流及损失扬程后，所得到的实际性能曲线是一具有较宽不稳定工作段的驼峰形曲线。如果风机在不稳定工作段工作，将导致喘振。因此，不