第四章 泵与风机的性能

第四章泵与风机的性能第一节损失与效率*1、机械损失与机械效率*2、容积损失与容积效率*3、流动损失与流动效率*4、泵与风机的总效率第二节泵与风机的性能曲线*1、离心式泵与风机的理论性能曲线*2、泵与风机的基本性能曲线泵与风机存在三种功率损失机械损失即容积损失故原动机功率不能全部传给流体。流动损失为尽量减少损失提高效率η功率损失效率需研究产生损失的原因程度需讨论及相互间关系。流动损失△Ph机械损失△Pm容积损失△PvPh=P-△PmPP-△Pm-△PvPe泵内能量平衡图第一节损失与效率P1、机械损失（Pm）与机械效率（m）机械损失轴端轴封和轴承的摩擦损失圆盘摩擦损失与轴封轴承的结构及流体的密度有关约为P的1%~5%叶轮前后盖板外侧与流体的摩擦损失约为P的2%~10%△Pdf=Kρu32D22×106=Kρπ3n3D52×106/603KW圆盘损失用下式计算：圆盘损失正比于n3正比于D5正比于：风机小于水泵的圆盘损失。与ns有关：随ns减小圆盘损失急剧增大随n、D增加急剧增大，但前者（n3）小于后者（D5）；故提高单级叶轮扬程，提高n较提高D的机械效率高。ns小，叶轮前后盖板大ns小，△Pdf占P的比例大机械损失用机械效率（m）来衡量，即：m=（P-△Pm）/P2、容积损失（Pv）与容积效率（v）容积损失发生地点容积损失正比于间隙宽度b反比于间隙长度l和弯曲次数总泄漏量q为理论流量qVT的（qVT=q+qV）4%~10%与ns有关：占轴功率的比例随ns的减小急剧增大。容积损失用容积效率（V）来衡量，即：v=（P-△Pm-△Pv）/（P-△Pm）=qv/qvT概念：动、静部件间存在间隙，叶轮转动，间隙两侧产生压力差，从叶轮获能流体有高压侧通过间隙向低压侧泄漏，这种损失称容积损失。叶轮入口与泵壳的间隙泄漏轴封处的间隙泄漏轴向力与外壳的间隙泄漏多级泵的级间泄漏3、流动损失（Ph）与流动效率（h）流动损失概念：流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。摩擦损失：扩散损失：hj=K2qv2冲击损失：hs=K4（qv-qvd）2（见图3-5）21224vfqkgvRlhhf+hj=K3qv3(见图3-6）工况改变，qv偏离qvd时：1与1a不一致引起冲击产生损失流动损失：hh=hf+hj+hs（见图3-5），其最小点在设计流量的左边。流动损失用流动效率（h）来衡量，即：TTvvvmevmhvmhHHHgqHgqPPPPPPPPPPP4、泵与风机的总效率（）概念：泵与风机的总效率等于有效功率与轴功率之比。mvhmmvmvmeePPPPPPPPPPPPPP结论：泵与风机的总效率等于机械效率m、容积效率v、流动效率h三者的乘积。目前泵与风机效率范围：离心泵约为60%~90%。离心风机约为70%~90%，高效离心风机可达90%以上。轴流泵约为70%~89%，大型轴流风机可达90%左右。课堂讨论：1、提高泵与风机的总效率应从哪几方面考虑？2、为什么通常大的（高ns）泵与风机的总效率比小的高？第二节泵与风机的性能曲线泵与风机的基本性能参数之间都相互存在着一定的内在联系，若用曲线形式表示其性能参数间的相互关系，则称这类曲线为泵与风机的性能曲线。泵与风机性能曲线理论性能曲线实验性能曲线●泵与风机内部流动非常复杂，目前理论尚无法定量计算。●从理论上定性分析泵与风机性能参数的变化规律及其影响因素的曲线，称理论性能曲线。有助于深入了解实验性能曲线。●通过实验获得的性能曲线。●在实验数据基础上，通过某种换算得到的性能曲线。基本性能曲线：相对性能曲线：了解水泵性能与构造之间的关系使用。通用性能曲线：水泵变速、变角（可动叶）工况调节使用。无因次性能曲线：风机选型设计、系列之间进行比较使用。全面性能曲线：了解水泵“正常”与“反常”性能的曲线。泵综合性能曲线：选择水泵时使用。风机性能选择曲线：选择风机时使用。●泵与风机产品样本上所载的性能曲线；直观反映其总体性能。●以qv为横坐标、H.P.η.[HS]或[△h]为纵坐标的一组曲线。●对泵与风机选型、经济合理运行（工况调节）有重要作用。因为：v2u∞=u2-v2m∞cotβ2a∞。v2m∞=qvT/（πD2b2）所以：是一直线方程。斜率由β2a∞决定。β2a∞反映三种叶片型式。a、qvT~HT∞性能曲线（叶片无限多、理想流体、理论流量）由于几何尺寸为定值，故u2、β2a∞、D2、b2均为常数。HT∞=A-BqvT则：令：ABVTaamTqbDguguvuguH2222222222cotcot1、离心式泵与风机的理论性能曲线（1）流量与能头（qv~H）性能曲线v2∞w2∞v2m∞α2∞β2a∞v2m∞cotβ2a∞v2u∞u2●β2a∞＜900，cotβ2a∞＞0，B为正值，qvTHT∞qvT~HT∞为一条自左至右下降的直线。qvT=0，HT∞=A；HT∞=0，qvT=B。三种叶片型式qvT~HT∞曲线qvT~HT∞性能曲线qvTBAabcHT∞β2a∞=900●β2a∞＞900，cotβ2a∞＜0，B为负值，qvTHT∞qvT~HT∞为一条自左至右上升的直线。qvT=0，HT∞=A。●β2a∞=900，cotβ2a∞=0，B=0，qvTHT∞不变，qvT~HT∞为一条平行横坐标的直线。qvT=0，HT∞=A。*无限叶片、理想流体、理论流量qvT~HT∞为一下降直线。HT∞=A--BqvT*有限叶片、理想流体、理论流量qvT~HT为一下降直线。HT=HT∞/(1+p)=（A--BqvT）/(1+p)*有限叶片、考虑损失、理论流量qvT~HT/为一下降曲线。HT/=HT-（hf+hj）Hb、qv~H性能曲线（有限叶片、实际流体、实际流量）*有限叶片、考虑hf+hj+hs损失、理论流量qvT~H为一下降曲线。H=HT/-hs*有限叶片、实际流体、实际流量qv~H为一下降曲线。qv=qvT-qqvqqvT~HT∞qvT~HTqvT~HT/qvT~Hqv~Hq~HqvdoAKA图3-10qv~H性能曲线分析图现以β2a∞＜900的后弯式叶片为例进行讨论：因为：P=Ph+△Pm又：则：Ph=A/qvT-B/qvT2（2）流量与功率（qv~P）性能曲线a、qvT~Ph性能曲线（理想流体、理论流量）是一二次抛物线方程。形状由β2a∞决定。β2a∞反映三种叶片型式。1000TVThHgqPVTVTaamTTKBqKAqbDguKguKvuguKKHH2222222222cotcot所以：2100010001000VTVTTVThqgKBqgKAHgqP令：A/B/●β2a∞＜900，cotβ2a∞＞0，B/为正值，qvT=0时，Ph=0；qvT=A//B/时，Ph=0，qvT~Ph为一条先上升后下降的曲线。●β2a∞=900，cotβ2a∞=0，B/=0，Ph=A/qvT，qvT=0时，Ph=0。qvTPh，qvT~Ph为一条通过原点上升的直线。β2a∞=900β2a∞＜900qvT~Ph性能曲线三种叶片型式qvT~Ph曲线oqvT●β2a∞＞900，cotβ2a∞＜0，B/为负值，qvT=0时，Ph=0。qvTPhqvT~Ph为一条通过原点上升的曲线。β2a∞＞900Ph因为：P=Ph+△Pm所以：在qvT~Ph性能曲线上加一等值的△Pm即得qvT~P曲线；从qvT~P曲线上对应qvT减泄漏损失q即得qv~P曲线。见图3-12所示。注意：qv=0时P=△Pm+△Pv≠0，称此工况为空载工况。b、qv~P性能曲线（实际流体、实际流量）oqv流量与轴功率（qv~P）性能曲线P△Pm△PV△PmqvT~PqvT~Phqv~P现以β2a∞＜900的后弯式叶片叶轮为例分析泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即：当qv=0时，η=0；当H=0时，η=0；qv~η是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于qv=qvmax的曲线。只要流体通过泵与风机时，必然有动能，故H不可能为0；qv~η曲线的右侧不可能与横坐标轴相交；实际的qv~η位于理论曲线的下方，ηmax即为设计工况点ηd。（3）流量与效率（qv~η）性能曲线理论分析结果实际PHgqPPVe1000ηmax理论实际OqVdqVmaxqVη图3-13流量与效率（qv~η）性能曲线泵的基本性能曲线（或称实验性能曲线），是制造厂通过试验得到的，并转换为标准状态后，载入产品样本，供用户使用。●额定转速；●标准大气压：pamb=101325Pa；●热力学温度T=293K（20℃）；●液体密度ρ=1000kg/m3。2、泵的基本性能曲线a、概述水泵标态以qv为横坐标，H、P、η、[HS]或[△h]为纵坐标的同一直角坐标系中绘制的qv~H、qv~P、qv~η及qv~[HS]或qv~[△h]曲线。叶片泵三种泵型的基本性能曲线见下图所示。b、叶片泵的基本性能曲线H(m)6050403020100(%)508sh-13n=2900r/min10HB-40n=1450r/min350ZLB-125n=1450r/minP(kw)203040(%)8070605040[HS](m)0510qv~ηqv~Hqv~Pqv~[Hs]0204060801000100200300350qvL/sm3/h离心泵基本性能曲线H(m)P(kw)30181512963001020(%)9080706050[HS](m)051003060901201500200400600700qvL/sm3/h混流泵基本性能曲线P(kw)H(m)2587654321015208070605040[h](m)05100200400050010001500qvL/sm3/h半固定轴流泵基本性能曲线qv~[Hs]qv~Pqv~Hqv~ηqv~[h]qv~Pqv~Hqv~η可调叶片轴流泵基本性能曲线234561.61.82.02.22.42.62.83.03.2900ZLB-100D2=850mmn=485r/minH(m)qV(m3/s)-60-40-20+20+400078%80%80%78%82%84%c、可调叶片安装角轴流泵的性能曲线●qv~H曲线随qv的增大总趋势是下降的。β2a及结构不同其形状不同。●qv~P曲线随qv的增大总趋势是上升的。β2a及结构不同其形状不同。●qv~η曲线随qv的增大先上升至ηmax后又下降，其高效区较宽阔。●qv~[HS]曲线随qv的增大总趋势是下降的。某个工况点：对应某qv下的H或P、η、[HS]的一组参数。设计工况点：设计最高效率点对应的一组参数，用脚标d标注。最佳工况点：试验最高效率点对应的一组参数，近似设计工况点。高效工作区：最佳工况点左右90%ηd以上区域，也称经济工作区。铭牌参数：泵与风机铭牌标注参数为最佳工况点参数。d、离心式泵基本性能曲线分析性能曲线变化总趋势（1）工况点不一定重合符号（2）空转状态“”阀门全关，qv=0、H=H0、P=P0叶轮与流体摩擦，水温迅速升高；空载功率P0主要消耗在机械损失上导致泵壳变形，轴弯曲，汽化；为防止汽化，一般不许空转状态运行锅炉给水泵、凝结水泵（饱和液体）低于规定最小流量，开启旁路阀。d、离心式泵基本性能曲线分析●离心泵与风机，空转状态轴功率最小；（P随qv的增大而增大）。●闭阀启动，待运转正常后，再开大出口调节阀门，投入正常运行；●意义：避免启动电流过大、原动机过载及损坏电器设备。●总趋势：H随qv的增大而减小。形状与结构及叶片安装角有关。●陡降的曲线：25%-30%的斜度，qv变化小H变化大,适应H变化大，qv变化小的场合。如取水水位变化大的循环水泵。●平缓的曲线：8%-12%的斜度，qv变化很大H变化很小,适应qv变大，H变化小的场合如汽包锅炉给水泵。●有驼峰曲线：qv增加，H由小