5第五章--泵与风机的理论基础(讲稿)解读

52第五章泵与风机的理论基础§5-1离心式泵与风机的基本结构一、离心式风机的基本结构各种离心式风机的外型结构见图。1．叶轮：（叶片一般为6～64个）①组成：前盘：分为平前盘、锥形前盘、弧形前盘等。（4－72，4－73风机常用弧形前盘）后盘叶片（结构：焊接和铆接两种形式）轴盘②叶片：ααβ90°β=90°β90°前向叶片径向叶片后向叶片βuvwuvwβuvwβ2uwv根据叶片形状的不同可分为：平板形、圆弧形、中空机翼形（具有优良的空气动力特性、强度高、效率高，4-72，4-73离心风机多采用）2．机壳离心式风机的机壳由进风口、进气箱、前导器、蜗壳和扩散器等组成。①进风口（集风箱）：作用：保证气流能均匀地充满叶轮进口，使气流流动损失最小。形状：圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形等。②进气箱：是一个安装于进气口的均压箱体，其主要作用可使轴承装于风机机壳外边，改善轴承工作条件。另外，风机进口有90°弯头时，安装进气箱，可减少因气流不均匀而产生的流动损失。③前导器：一种具有调节导流作用的装置。通常置于大型风机的进风口，或进口的流道内，可以通过改变前导器叶片的角度，改变风机性能和使用范围。前导器分为轴向式和径向式。④蜗壳：由具有对数螺旋线的蜗板和两块侧板焊接或咬口而成。⑤扩散器：是置于风机出口处的扩散装置（断面积增大），其作用是降低出口流体速度，使部分动压转变为静压，扩散器分为圆形截面和方形截面。离心式风机可做成左旋或右旋：站在电动机一侧，叶轮顺时针方向为“右”、逆时针方向为“左”。53二、离心式泵的基本结构主要由叶轮、泵壳、泵座、密封环和轴封装置组成。1．叶轮：单吸叶轮（叶轮多采用铸铁、铸钢和青铜制成）双吸叶轮根据其盖板情况可分为：封闭式叶轮：如图5-1-6，具有前后两个盖板，如：单吸式、双吸式叶轮，叶片6～12个半开式叶轮：如图5-1-7，只有后盖板，没有前盖板，如：污水泵敞开式叶轮：如图5-1-8，前后都没有盖板，叶轮少，一般2～5片2．泵壳：一般是铸成蜗壳式，水泵设计时应使蜗壳渐扩段面流动的水流速度是一常数，壳顶设有充水和放气的螺孔。3．泵座：水泵的支承，有与底板和基础固定的法兰孔。4．轴封装置：防止泄漏及进气的密封装置，设置在轴与泵的间隙处。单级单吸式离心泵的结构如图5-1-9、图5-1-10所示。§5-2离心式泵与风机的工作原理及性能参数一、工作原理从流程看：电动机→轴承转动→叶轮转动→流体流动从能量角度：电能→机械能→流体的动能和势能这中间一定会有损失，损失越小，效率越高，损失越大，效率越低。二、性能参数1．流量：单位时间内泵与风机输送流体的量，用Q表示。有：体积流量（h/m3、s/m3）和质量流量（kg/h、t/h）等2．泵的扬程和风机的全压①泵的扬程：单位重量流体流经泵的入口与出口所得到的总能量之差，用“H”表示。gvPZH221111gvPZH22222221HHHH＝12-21212212122HgvvPPZZH②风机的全压：单位体积流体流经风机进口和出口所具有的总能量之差，用“P”表示。221121vgH'PPj5422222vgH'P=Pj22112PPPP212122121222Pvv)HH(g)'P'P(Pjj212122121222Pvv)HH)((g)PP(Pajj2121221222Pvv)PP(jj2jP——相对压力'Pj2——绝对压力③关系：HP其中：γ——流体的容重，3/mkN3．功率①有效功率：单位时间流体从泵或风机中所获得的总能量，用“Ne”表示。PQHQNe（W或kW）②轴功率：单位时间传递到泵与风机轴上的输入功率，用“N”表示。4．效率：泵与风机的有效功率与轴功率之比。NNe＝效率既反映了损失的大小，也反映了输入功率被流体利用的程度，效率高则损失小，输入功率被流体利用的程度就高。5．转速：泵或风机的叶轮每分钟的转数，即minr，一般用“n”表示。55§5-3离心式泵与风机的基本方程——欧拉方程一、流体在叶轮中的运动与速度三角形1．速度三角形：如右图所示。流体随叶轮旋转的圆周速度1u（牵连速度）流体沿叶轮方向作相对运动1w（相对速度）流体实际运动速度1v（绝对速度）2．两个概念叶片工作角：v和u之间的夹角出口角：w与u的夹角通常还将1v分解为径向速度1rv和切向速度1uv。3．圆周速度和转速的关系：60ndru其中：w——旋转速度r——叶轮半径n——转速4．流体的流量：rVFQbrF2其中：b——叶轮宽度；ε——叶轮排挤系数，反映了叶轮厚度对过流面积的遮挡程度。二、泵和风机的基本方程——欧拉方程目的：找出泵和风机的扬程或全压与流速的关系1．基本假定①恒定流：流体不随时间变化（constQ）；②不压缩流体（const）；③叶片无限多，厚度无限薄（）；④流动过程为理想过程（无损失，T）。2．依据定理动量矩定理，质点系对某一转轴的动量矩对时间的变化率等于作用于该质点系的所有外力对该轴的合力矩M。3．推导M)rVrV(QTuTuT1122MNQNHαvαwβ2uwu56（MrFuFdtdsFN）得：)rvrv(QMNTuTut1122)uvuv(QTTuTTuT1122得：)uvuv(gQNHTTuTTut11221欧拉方程：)uvuv(HPTTuTTu11224．分析：欧拉方程的特点：（1）流体所获得的扬程仅与流体在叶片进、出口处的速度三角形有关，与流动过程无关。（2）H和P与流体种类无关，只要进、出口的速度三角形相同就可获得相同的扬程。三、欧拉方程的修正推导欧拉方程的四个前提假设：（1）流体为恒定流；（只要电机转速不变就可保证）（2）不可压缩流体；（液体适用，气体可近似认为适用）（3）叶片无限多，无限薄；（实际上不可能，需要修正）（4）无能量损失。（实际上不可能，需要修正）1．对叶片数量和厚度的修正：（1）存在轴向涡流（如图5-3-2所示）：有限叶片时，会出现在相对流动的同时，存在轴向涡流（图5-3-3），造成叶片两面流速不同，形成叶片两边压力差，形成轴向的阻力矩，轴向涡流对速度分布的影响如图5-3-4如示。（2）叶轮出口处流体的相对速度向旋转反方向偏离切线，由TW2变为TW2。所以：)uvu(vg1H1Tu1T2Tu2TTTHkTHH1HHkTT其中：k——环流系数或压力减小系数，对于离心式泵与风机的k值一般在0.78～0.85之间。2．对能量损失的修正：)(1＝1122uvuvgHuuTηH3．特殊形式：当901＝，01uv，0111cosvvu时，H最大，则：221uvgHu57四、欧拉方程的物理意义引用余弦定理：11212111121212122uvuvucosvuvuwu222222222222222v2uvucosαv2uvuw将)uvu(vg1H1u12u2进行形式变换，得：2gww2gvv2guuH222121222122分析：①2guu2122：单位重量流体在叶轮旋转时所产生的离心力所作的功，是流体进口至出口产生向外的压能的增量（静压水头）。离心力2mrF2guurωrω2g1rdrgLH2122212222rrjR2121离心式风机：12rr，12uu离心力作用很强；轴流风机：12rr，12uu不受离心力作用。②2gvv2122：单位重量流体动能增量，是动压水头增量，不宜过大。③2gww2221：由于叶片流道的渐宽，相对速度有所降低而获得的压能增量（静压水头增量），它代表叶轮中动能转化为压能的份额。④分析1、2断面的能量关系：2gvγPZH2gvγPZ22222111（忽略能量损失）21ZZ（1、2同轴）TdTj212212THH2gvvrPPH其中：2gww2guurPPH2221212212Tj（静压水头增量）582gvvH2122Td（动压水头增量）§5-4泵与风机的损失与效率推导欧拉方程时，第四点假设为无能量损失，实际流体在泵与风机的进口与出口间是有能量损失的。流动损失（水力损失）：引起泵与风机的扬程或全压下降；泄漏损失（容积损失）：引起泵与风机的流量下降；轮阻损失：引起泵与风机的内功率增加；机械损失：引起泵与风机的轴功率增加。一、流动损失和效率1．流动损失（流体的能量损失）包括局部阻力损失和沿程阻力损失，大小与过流部件的几何形状、壁面粗糙度及流体的粘性有关。①进口损失1H：流体从入口至叶片，发生摩擦及90转弯所引起的水力损失。②撞击损失2H：当流量与设计流量不同时，相对速度的方向就不再与叶片安装角的切线方向一致，会引起碰撞损失。222)QQ(kHp③叶轮中的水力损失3H：流体在叶轮中的沿程损失，包括流速的大小、方向变化及离开叶片出口的局部阻力损失。④动压转换和机壳出口损失4H：流体离开叶轮进入机壳后，动压转换为静压的转换损失和机壳出口的损失。4321HHHHHhgHiih2222iihvP2．流动效率TThThHHHΔHHη或：ThTThPΔPPPPη其中：H——实际扬程（m）TH——理论扬程（m）二、泄漏损失（容积损失）及效率1．泄漏损失：（由于局部运动部件和静止部件的存在，则有间隙存在）59①外泄漏损失：从转轴与蜗壳之间的间隙处泄漏，用1q表示，较小可忽略；②内泄漏损失：由于机内存在着高压和低压区，运动部件和静止部件存在着间隙，部分流体从高压区回流至低压区，引起输出流量的减少，回流量用2q表示。机内流体泄漏回流见图5-4-1。21qqq2．泄漏效率：qQQQqQQQTTTv3．泄漏量的估算：3Pδα2uπDq21其中：1D——叶片进口直径，m；α2——间隙边缘收缩参数，α＝0.7；P——泵与风机的全压参数；δ——间隙的大小，m；2u——叶轮外径的圆周速度，m/s。减小内泄漏，应尽量减小间隙，有实验表明：D从0.5%→0.05%，效率提高3%～4%，一般取：220011001D～三、轮阻损失及效率1．轮阻损失：①流体与叶轮前后圆盘外侧面损失耗功率：35231210522rCNNf(kW)fc——摩擦系数②轮缘与周围流体的摩擦损失功率：32323102eDuCNf(kW)e——叶轮外缘厚度损失功率总和：310223232rDβρurNNNN（kW）60——轮阻损失计算系数（与eR、圆盘与壳体的相对间隙及圆盘外侧粗糙度有关）2．轮阻效率：irirNNNηiN——泵与风机的内功率irrN)(N1四、机械损失及效率1．机械（传动）损失：轴承和轴封的摩擦损失：smN).~.(N030010sN——轴功率2．机械效率：sismsmNNNNNηiN——内功率（miSNNN）五、泵与风机的功率及效率1．功率（1）有效功率eN：单位时间单位流量的流体通过泵或风机后增加的总能量。对于风机：PQNe（kW）其中：P——风机全压，kPa；Q——体积流量，s/m3。对于水泵：QHNe（kw）其中：γ——液体容量，3m/kN；Q——体积流量，s/m3；H——水泵扬程，m。（2）内功率iN：实际消耗于流体的功率，由于流动损失、泄漏损失和轮阻损失等存在而消耗的功率。对于风机：rhiNq))(QΔP(PN其中：P——实际全压；Q——实际流量；rN——轮阻损失耗功率；hΔP——全压损失；q——泄漏量。61对于水泵：rhiNq(QΔH(HN））（kW）（3）轴功率：