流体力学(热能)第9-10章 泵与风机概要

第十一章叶片式泵与风机的理论基础掌握离心式泵与风机的基本方程；理解泵与风机的性能曲线，理解相似率与比转数及其应用。本章学习要求：1、泵与风机的用途2、分类根据工作原理离心式轴流式混流式（2）容积式往复式旋转式（3）其他类型（1）叶片式§11.1叶片式泵与风机的工作原理与性能参数1、主要结构介绍一、工作原理1—吸入口；2—叶轮前盘；3—叶片；4—后盘；5—机壳；6—出口；7—截流板，即风舌；8—支架2、工作原理机壳内先充满水叶轮带动流体旋转，流体获得能量挤入机壳，动能转化为压能被导向出口排出叶轮入口处压强降低形成真空，在大气压作用下，流体由吸入口进入叶轮，使泵或风机连续工作。（1）泵的扬程H、风机的全压p和静压pj二、性能参数Qm3/sm3/h（2）流量:（3）功率及效率：（4）转速n：NeηNNNer/min一、流体在叶轮中的运动§11.2离心式泵与风机的基本方程——欧拉方程1、运动分析理想叶轮1—叶轮前盘；2—叶片；3—后盘；4—轴；5—机壳（a）风机的叶轮；（b）流体在叶轮中的速度2、速度三角形（1）概念：圆周速度u、相对速度w、绝对速度v径向分速度vr、切向分速度vu叶片安装角β、叶片工作角α二、欧拉方程（2）求速度三角形（1）依据：动量矩定理1、基本假设2、欧拉方程已知叶轮的转速n和流量QT，可求得叶轮半径r的速度三角形。（叶轮的几何形状和尺寸确定。）)(1122TuTuTvrvrQM流体动量矩的变化率=外力矩“理想叶轮”之假设（2）欧拉方程HT∞=1/g(u2T∞.vu2T∞-u1T∞.vu1T∞))(1122TuTTuTTTTvuvuQHQMNHT∞=1/g(u2T∞.vu2T∞-u1T∞.vu1T∞)整理得：欧拉方程特点：1、与流程无关；2、与流体种类无关。离心式泵与风机的基本方程3、叶片有限对欧拉方程修正实际叶轮的理论扬程:HT=1/g(u2.vu2-u1.vu1)4、理论扬程HT之组成gvvgwwguuHT222212222212122讨论三部分组成所占比重关系：（1）动能头gvvHTd22122（2）静能头122221212222ppgwwguuHTj例题[11-1]：有一离心泵，已知叶轮进口直径D1=120mm，出口直径D2=240mm，进口宽度b1=27mm，出口宽度b2=15mm，进口安装角，出口安装角，叶轮转速n=1800r/min，忽略叶片厚度的影响。试求：（1）液体径向流入时的理论流量QT。（）（2）出口工作角及理论扬程。（3）理论功率NT。01150222TH0190解：m/s3.1160180012.060)1(11nDu0190m/s03.315tan3.11tan01111uvvr/sm031.0027.012.003.33111bDvQrTm/s61.2260180024.060)2(22nDum/s74.2015.024.0031.0222bDQvrm/s83.1522cot74.261.22cot02222ruvuv022282.9arctanurvvm5.3683.1561.221122gvugHuTkW1.115.36031.0807.9)3(TTTHQN§11.3叶型及其对性能的影响)cot(122222rTvuugH一、三种叶轮型式（根据不同）21、三种叶轮型式与出口安装角2、2与的关系TH3、实际应用时泵或风机的叶轮型式及原因HT大的叶型一定好吗？为什么？（分析不同叶型动、静压的组成，以及对效率的影响)问题：各种形式的叶轮各有优缺点，对于离心式水泵及大型风机，一般要求效率高，低噪声，多采用后向型叶轮。对于中小型风机，由于本身功率较小，效率成为次要的问题，为了缩小风机的尺寸，常采用前向型叶轮。径向式叶轮的性能介于两者之间，由于它加工容易，出口沿径向，不易积尘堵塞，叶片强度较好，多采用于污水泵、排尘风机、耐高温风机等。习题：试计算例题[11-1]中的理论扬程中，动压头和静压头各占多少？（12.7m，23.8m）§11.4理论性能曲线三种主要性能曲线：（1）)(1QfH（2）)(2QfN（3）)(3Qf一、理论流量—扬程曲线什么是性能曲线？怎么表示？TTQBAH2cot二、理论流量—功率曲线三、效率曲线理想条件，各项损失为零，效率恒为100%。理论性能曲线的意义:（1）定性的说明了性能曲线的变化趋势；（2）可以解释机器在运转时产生一些问题的原因。)cot(2TTTTTQBAQHQN§11.5泵与风机的实际性能曲线一、损失及效率1、水力损失及水力效率h2、容积损失及容积效率VTTThHHHhH)(TTTVQQQqQ)(3、机械损失及机械效率mNNNmm)(4、总效率mhv二、实际性能曲线三、Q-H曲线的三种类型平坦型、陡降型和驼峰型分析：HQ说明：实际泵与风机的性能曲线都是由制造厂根据实验得出的。如图11-17。这些性能曲线是泵与风机选型以及分析其运行工况的根据。§11.6轴流式泵与风机、贯流式风机（自阅）§11.7相似率与比转数一、泵与风机的相似率几何相似：运动相似：相似工况点的速度三角形相似。相似率：相似率的应用：可解决研制、选用、运行中三个方面的问题。（1）流量关系)(3mnlmnnnQQ同一系列的泵与风机，在相似工况下，性能参数有如下关系：…（2）扬程关系22mnlmmnnnnHgHg22mnlmnmnnnpp（3）功率关系5223mnmnmnmnDDnnNN22Dnpp相似工况点的比例常数：22DngHH3DnQQ53DnNN二、风机的无因次性能曲线22upp43600222DuQQ322241000uDNNNpQ无量纲性能系数：三、比转数4321HnQns比转数:反映同系列泵或风机综合性能的特征数。1、定义:必须根据行业规定的单位进行计算。（1）风机：进口为标准大气压时，Q取m3/s，H取Pa或mmH2O，n取r/min。。轴流式混流式离心式风机，500100,12080,8015sssnnn注意！432165.3HnQns（2）水泵：的转速，即m1HP,1HN我国习惯将水泵的比转数换算为式中，Q取m3/s，H取m，n取r/min。2、比转数的实用意义：见图11-7，图11-8（1）反映泵与风机的性能；（2）反映叶轮的形状；（3）反映性能曲线变化的趋势；（4）在泵与风机的设计选型中作用重大。§11.8相似率的实际应用一、被输送流体密度改变时性能参数的换算00QQmmmmnnNNHHQQ3二、当转速改变时性能参数的换算ttBpp273273325.1010000ttBNN273273325.1010000这个综合式表明各项关系式同时成立，若用加大n来提高流量的同时，不要忘记原动机所需功率与转数成三次方比例增长。注！三、泵叶轮切削——仅叶轮直径D改变的换算0500200300;;DDNNDDHHDDQQ四、当叶轮直径和转数都改变时性能曲线的换算用此方法，可将泵或风机在某一直径和某一转速经试验得出的性能曲线，换算出各种不同直径和转速下的许多条性能曲线。例题1：例题2：第十二章叶片式泵与风机在管路上的工作分析及调节掌握管路性能曲线及工作点；理解离心式泵与风机的工况调节，泵或风机的联合工作；了解管道内的压力分布。本章学习要求：§12.1管路性能曲线及工作点一、管路特性曲线21112SQHhHppHz知识回顾：泵与风机的性能曲线管路特性二、泵或风机的工作点[例12-1]当某管路系统风量为500m3/h时，系统阻力为300Pa，今预选一个风机的特性曲线如图所示。试计算：（1）风机实际工作点；（2）当系统阻力增加50%时的工作点；（3）当空气送入有正压150Pa的密封舱时的工作点。解：（1）绘管网特性曲线0012.0)500(3002S2SQp可绘出管网特性曲线1-1，得工作点（Q=690m3/h，p=550Pa)（2）阻力增加50%时，管网特性曲线0018.0)500(5.13002S2SQp可绘出管网特性曲线2-2，得工作点（Q=570m3/h，p=610Pa)（3）有附加正压150Pa，管网特性曲线0012.0S2150SQp可绘出管网特性曲线3-3，得工作点（Q=590m3/h，p=590Pa)关于例题的讨论：（1）管网阻力增加，风量怎样变化？变化率与管网阻力增加成比例吗？（2）计算结果与实际要求风量（Q=500m3/h）相等吗？若不等，可采取哪些方法进行调整，以使风机供给的风量符合实际的要求？当风机供给的风量不能符合实际要求时，三种调整方法：详见“12.3节工况的调节”图12-4性能曲线呈驼峰形的泵的不稳定工况运行工况三、泵或风机在管路运行的稳定工作条件工况稳定的判断条件：dQdHdQdH机管两性能曲线在工况点的斜率：（3）大多数泵与风机的特性曲线都具有平缓下降的曲线，当少数曲线有驼峰时，则工作点应选在曲线的下降段。（2）驼峰形性能曲线是产生不稳定运行的内在因素，管路性能是不稳定运行的外在因素。总结（1）机器性能曲线与管网特性曲线的交点即为工作点。[思考题]1、分析水泵向水池供水时工况点的改变，如下图所示。§12.2泵或风机的联合工作2台风机的并联联合工作目的:增加流量或压头。一、并联运行1、并联总性能曲线2、三种工况点分析（1）联合运行总效果点A;（2）参加联合运行时每台机的“贡献点”D1和D2；（3）不联合只开某一单机的A1或A2；分析：（a）联合总流量小于两单机单独运行的流量和。（b）两单机单独运行的流量都小于联合总流量QA，压头都低于联合运行时的压力值HA。（c）并联运行的经济合理性，要通过研究各机效率而定。二、串联运行注：并联运行对管路曲线较平坦的系统较有利，一般情况应少用并联运行，但目前空调冷、热水系统中，多台水泵运行已广为采用，此时，宜采用相同型号及转数的水泵。3、并联的特殊情况并联合总性能曲线与管路性能曲线不相交，如图所示：1.2台泵或风机串联图12-7泵或风机的串联运行工况分析：串联适用的情况：2、串联的特殊情况（自学）分析：（3）两台泵串联时，后一台泵承受的压力较高，选泵时要注意结构强度；风机串联因操作上可靠性较差，一般不推荐使用。1、两机并联运行时，其总流量Q为什么不等于各机单独工作所提供的流量q1与q2之和？2、两机联合运行时，其功率如何确定？思考题注意（1）只有当管路系统中流量小，阻力大情况下，多级串联才是合理的。同时，要尽可能采用性能曲线相同的泵或风机进行串联。（2）机器性能曲线愈平坦，愈适于串联工作。§12.3离心式泵或风机的工况调节一、改变管路性能曲线的调节方法分析1、出口节流调节特点：（1）只改变管网性能曲线，机器性能曲线没有变动；（2）不经济，节流阀的压力降完全是一种能量损失，使整个装置的效率降低；同时调节也会使机器的工作点偏离设计工况，造成机器效率下降。（3）这种调节方式不适于大功率的装置，但由于简单，投资少，所以在小型装置中广泛应用。2、进口节流调节特点：（1）进口节流调节仅用于气体介质（可压缩），因为对于输送液体介质的泵而言，进口节流和出口节流的效果是相同的，但进口节流的损失将降低装置的有效空化余量，泵吸入口真空度增大，易引起气蚀。所以不宜采用。（2）对于可压缩介质而言，进口节流和出口节流的效果是不同的。进口节流阀的开度改变不仅改变了管网特性（阻力），同时也改变了机器进口处介质的密度和压力，从而改变了机器的特性，使调节更有效。如