流体输送机械(多)

1、第二章第二章 流体输送机械（多）流体输送机械（多） 一、流体输送机械：为流体提供外加能量的机械一、流体输送机械：为流体提供外加能量的机械（机器（机器 和设备）。和设备）。二、分类二、分类 泵，泵， 液体液体 风机或压缩机或真空泵，风机或压缩机或真空泵， 气体气体 离心式 （离心泵、离心风机）或动力式或叶轮式 往复式 （往复泵、往复压缩机） 容积式或正位移式 旋转式 （齿轮泵、罗茨鼓风机） 流体动力作用式 （喷射泵）第一节 离心泵离心泵一、工作原理一、工作原理1.结构：见图结构：见图2-1。2原理：甩出、真空、吸入。叶轮旋转时，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体沿叶片间的通道从

2、叶轮中心被甩到叶轮外围，具有很高的能量，从而液体可流到所需场所。当液体被甩出后，在叶轮中心就会形成一定的真空，外界压力与该真空的压差就使液体经底阀，吸入管道流入叶轮中心。这样，只要叶轮不停地旋转，液体就源源不断地被吸入和排出。3气缚：叶轮旋转时不能输送液体的现象。若离心泵启动前未充满液体，则叶片间必充满气体。由于气体密度很小，所产生的离心力也很小。所以在叶轮中心形成的真空不足以将液体吸入泵内，这时叶轮虽然旋转，但不能输送液体。二、主要部件1叶轮：见图2-2和图2-3。 敞式 （开式） 半蔽式 （半闭式） 单吸 蔽式 （闭式） 双吸 为平衡轴向推力，可在叶轮后盖板上钻一些小孔（见图2-3a）或采

3、用双吸式叶轮。2泵壳：见图2-4。泵壳一般制成蜗牛壳形，以便动能有效地转化为静压能，为了进一步提高转化率，有时在叶轮与泵壳之间装有一个导轮。3轴封（装置）：旋转的泵轴与固定的泵体之间的密封。(1)填料密封填料一般采用浸油或涂石墨的石棉绳。结构简单，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。(2)机械（端面）密封动环硬度大，常用硬质合金、陶瓷等，而静环硬度较小，常用石墨制品、聚四氟乙烯等。三、基本方程11.推导 2w2c2rc2uc2u221c1w1u11R1l2l21p2p1a2a1b2b2R由牛顿第二定律：可导出 即 转动定律即：物体所受对某给定轴的合外力矩等于该物体对该轴的动量矩随时间的变化率。d

4、tmcdF)(dtlmcdlF)(dtlmcdlFM)( 如图所设，设一段不可压缩理想液体在叶片间作连续稳定的流动，且流线与叶片重合， dt时间内由a1a2流动到b1b2，则外力对轴的力矩有：(1)重力的力矩。由于轴的对称性，重力的力矩之和为零。(2)进出口压力的力矩：由于压力垂直指向所考虑的流体的内部，所以压力的方向为径向，因此，压力对轴的力矩为零。(3)前后盖板压力的力矩：由于该压力的方向与轴平行，所以该压力对轴的力矩为零。(4)内摩擦力的力矩：由于是理想流体，没有内摩擦力，所以内摩擦力的力矩为零。(5)叶片压力的力矩：该力矩即为转轴传给叶轮的转矩。设该转矩为M，则定积分得 (相当于a1b

5、1处的流体移到了a2b2处) 21)(lmcdMdtdttt12)()()(lmclmctdttM1122lclcmMdt1122lclcdtQMdtT1122lclcQMT又转矩的功： 转矩的功率：所以 111222coscosRcRcQMTMdA MdtMddtANT111222coscosRcRcQMNTT111222coscosucucQMNTT而所以 基本方程(2-5)(P89)gQHNTTTWsJsNmsmmkgsmm233gucucgQNHTTT111222coscos111222coscosucucQNTT又由余弦定律 得得 理论压头(2-4)(P89)(21cos)(21co

6、s222222222212121111wucucwucucgwwguugccHT222222121222122222222222111212121cos2cos2ucucwucucw 在叶片进出口间列柏努利方程：得 对比式(2-4)得所以静压头的增量来自离心力作功和流体沿叶片动压头的减少。 fHgcgpzHgcgpz2222222111cpTHHgccgppH2212212gwwguugppHp222221212212gccgwwguuHT222212222212122质量为m的液体所受离心力：单位重量的液体所受离心力：单位重量的液体所受离心力所做的功：2mRF gRmgF221212)(22

7、122212222RRRRguuRRgdRgRdRmgFA三、基本方程21.离心力场流线柏努利方程zxymg2mrrcos2mrsin2mr2mrmaFncos2 rmFysin2 rmFzgmFg0X22cosyrYgzgrZ22sin 由流线柏努利方程的最初形式： 对理想流体，有 对匀速离心力场和重力场中的稳定流动或某一时刻，有2)(112uddzhdyhdxhdttpdpZdzYdyXdxzyx2112uddttpdpZdzYdyXdx021)sin(cos222uddpdzgrdyr 对不可压缩流体沿流线进行不定积分，得021222uddpgdzdzzdyyConstupgzzy221

8、2122222Constupgzr22222离心力场流线柏努利方程2.基本方程假定：(1)叶轮为具有无穷多个叶片、每个叶片无限薄的理想叶轮，即液体质点严格沿叶片表面而流动，在同一圆周上所有液体质点的所有物理量都各自相等。222222222222111221upgzrupgzr(2)流过叶轮的液体为理想液体，即液体流过叶轮时无能量损失。在1、2两点间列某一时刻流线柏努利方程：所以 2222222111cpgzWcpgzT2)(21221212ccppzzgWT 站在叶轮上，在1、2两点间列同一时刻流线柏努利方程，则222222222222111221wpgzrwpgzr22)(222122122

9、21212wwrrppzzg)(2222212122ruwwuu 所以 理论压头(2-4)(P89)222212222212122ccwwuuWTgccgwwguuHT222212222212122 由余弦定理 得 基本方程(2-5)(P89)111212121cos2ucucw222222222cos2ucucwgcucuHT111222coscos在离心泵的设计中，一般使1=90，则cos1=0所以由得由gucucgQNHTTT111222coscosgcuHT222cos22222222cosrruccuccuctg得代入上式，得又将 22222cosctgccur22222cosctg

10、cucrgctgcuuHrT22222222bDcQrT6022nDu代入上式，得 2.讨论(1)理论压头与叶轮直径及转速成正比。(2)叶片的几何形状对理论压头的影响：a.后弯叶片，290，ctg20，b.径向叶片，2=90，ctg2=0，c.前弯叶片，290，ctg20，TTTQgbnctggnDQbDgctguguH222222222222603600guHT22guHT22guHT22由上可见，2值越大，HT值越高，似乎前弯叶片较好。但由于2大于90以后，随2的增加，动压头增加，静压头反而减小，从而能量损失大，效率低。因此，实际上离心泵的叶片总是后弯的。见图2-9。(3)理论流量对理论压

11、头的影响当叶轮的几何尺寸(D2、b2、2)和转速(n)一定时，理论压头与理论流量呈线性关系。290，QT，HT2=90，QT，HT290，QT，HTa. 实际上，叶轮的叶片数是有限的，液体也是非理想的，所以实际压头和实际流量的关系曲线应在理论压头和理论流量的关系曲线的下方。QQT或HHT或四、性能参数1.流量：单位时间内泵所输送的液体体积，Q，m3/s、m3/h或L/s。2.扬程（压头）：单位重量的液体流经泵后所获得的能量，H，m液柱。扬程（一般）由实验测定，装置如图，原理如下：在真空表和压力表之间列柏努利方程：120hfHgugpzHgugpz2222222111式中 叶轮提供给单位重量的液

12、体的能量，m液柱。所以式中 分别是压力表和真空表的读数，Pa。HguugppzzHHHf221221212guugpgphguugpppphHvmvama22)()(2122021220vmpp ,3.有效功率：液体流经泵后所获得的功率，Ne，W。显然4.效率：有效功率与轴功率之比，即 容积损失v，高压液体泄漏到低压处，Q能量损失 机械损失m，轴与轴承，轴封的摩擦 水力损失h，液体内摩擦及液体与液体及泵壳的碰撞，H所以gHQNeNNehmv5.轴功率：电机提供给泵轴的功率，N，W。由得或 ，kWeNN gHQN 1021000807. 9HQHQN五、特性曲线1.特性曲线：反应扬程、轴功率、效

13、率和流量之间函数关系的曲线，一般用20C的清水在特定转速下由实验测定。由轴功率特性曲线知，启动泵时，应关闭出口阀门，以保护电机。由效率特性曲线知，泵的工作点应在高效率区(最高效率的92%)。HNmin2900rpn 2.各因素对特性曲线的影响(1)密度的影响a.由 知Q与无关，又由泵的基本方程可知，扬程与液体的密度无关，所以HQ曲线不变。b.由只与Q、H及轴的摩擦有关，所以效率也与密度无关，Q曲线不变。c.由 知，NQ曲线有变。uAQ 102HQN (2)粘度粘度增大，能量损失增大，因此泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大。即 ，H，Q，N特性曲线的改变可按下式进行换算：式中 CQ，

14、CH，C换算系数，可由图2-14及图2-15查得。CHCHQCQHQ,(3)转速当转速变化不大（20%）时，有以下近似关系： 比例定律(4)叶轮直径当叶轮直径变化不大（10%）时，有以下近似关系： 切割定律31212212121212,nnNNnnHHnnQQ31212212121212,DDNNDDHHDDQQ六、气蚀现象和安装高度1.气蚀现象：液体汽化后又凝结，且对叶轮产生破坏的现象。当叶轮入口处压力等于或低于液体的饱和蒸汽压时，该处液体就会汽化并产生汽泡，这些汽泡流到高压处又重新凝结，凝结时会产生很高的局部冲击力，会使叶轮因疲劳而破坏成蜂窝或海绵状，而且会产生很大的噪音和强烈的振动。产生

15、气蚀现象可以是安装高度过高、液体温度过高、吸入管路阻力过大等。2.允许吸上真空度(1)定义 式中 p1泵入口处允许达到的最低绝对压力，Pa； 用液柱高度来表示的泵入口处允许达到的最高真空度，m液柱，通常在10mH2O(9.807104Pa)的大气压下，用20C的清水由实验测定。sHgppHas1sH(2)允许安装高度Hg与 的关系在贮槽液面与泵入口处之间列柏努利方程， 则所以若则 (2-26) sH000pgH11fHgugpzgugpz2221112000fHgugppzz2211001app 0fsgHguHH221(3)校正3.汽蚀余量(1)定义式中 NPSH汽蚀余量，泵入口处静压头和动

16、压头之和与操作温度下液体饱和蒸汽压头之差。100024. 01081. 9)10(3vasspHHHgpgugpNPSHv2211式中 (NPSH)c临界汽蚀余量，泵入口处最低静压头和动压头之和操作温度下液体饱和蒸汽压头之差 。用20C的清水由实验测定，在一固定流量下，通过关小泵吸入管路的阀门，以泵的扬程下降3%作为发生气蚀的依据，测出相应的p1,min。gpgugpNPSHvc2)(21min, 1式中 (NPSH)r必需汽蚀余量，由临界汽蚀余量加上一定的安全量而得。(2) Hg与(NPSH)r的关系 (2-25) (3)校正：通常不校正而把它作为安全系数。3 . 0)()(crNPSHNP

17、SHfrvfvvfgHNPSHgpgpHgpgugpgpgpHgugpgpH)(22021102110三、工作点和流量调节1.管路特性曲线及泵的工作点在1、2两截面间列柏努利方程，得又2121fHguugppzzH221221212gudllHecef22 令则 管路特性曲线24222824QgddllgdQdlleceece guugppzzK221221212428gddllBece 2BQKH工作点：泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。当泵在管路系统中工作时，流经管路的流量就是流经泵的流量；管路所需要的外加能量就是液体流经泵后所获得的能量。2.流量调节(1)改变阀门的开度实质是改变管路特性

18、曲线。能损大，但方便，多采用。(2)改变泵的转速实质是改变泵的特性曲线。能损小，但昂贵，少采用。(3)改变叶轮的直径实质也是改变泵的特性曲线。不方便，相当于换一台泵，极少采用。3.并联当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。两台相同的泵并联时，其联合特性曲线为单台特性曲线在流量上的两倍。但并联后的流量并非单台泵流量的两倍，因为流量增大，管路阻力增加。4.串联当一台泵的扬程不够时，可以用两台泵串联操作，以提高扬程。两台相同的泵串联时，其联合特性曲线为单台特性曲线在扬程上的两倍。但串联后的扬程并非单台泵扬程的两倍，因为扬程提高，管路阻力也增加。八、类型和选择1.类型(1)分类 单级

19、，IS型 单吸 水泵 多级，D型，扬程高 双吸，Sh型，流量大 耐腐蚀泵，F型，耐腐蚀 油泵， Y型，密封性好 污水泵，PW型 杂质泵，P型， 砂泵， PS型 防堵、耐磨 泥浆泵，PN型 低温泵，隔热性好(2)型号IS10080160 40FM1-26 100Y-1202(3)系列特性曲线将同一类型的各种型号泵的较高效率范围内的HQ曲线绘在一个总图上（如图2-28，P113），以方便选用。2.选择(1)确定输送系统的流量和扬程 生产任务流量 管路系统扬程(2)选择泵的类型和型号 液体性质 类型 操作条件 流量 型号 扬程(3)核算泵的特性曲线 若液体的密度和粘度与水相差很大，则应核算泵的特性曲

20、线：然后根据核算后的泵的特性曲线确定泵的型号。102HQN QCQQ HCHH C第二节第二节 其它类型泵其它类型泵一、往复泵一、往复泵1.结构结构2.原理原理当活塞向右运动时，工作室的容积增大，当活塞向右运动时，工作室的容积增大，形成负压，将液体经吸入阀吸入工作室；形成负压，将液体经吸入阀吸入工作室；当活塞向左运动时，工作室的容积缩小，当活塞向左运动时，工作室的容积缩小，形成高压，将液体经排出阀排出工作室。形成高压，将液体经排出阀排出工作室。3.分类 单动 双动 三联4.特点(1)容积式泵：往复一次，就排出一定体积的液体，而与压头无关。 单动泵： 理论流量： 双单泵： rTASnQ rTSn

21、aAQ)2(由于漏泄，实际流量低于理论流量。(2)压头无限：只要泵的机械强度和原动机功率允许。是正位移泵之一。(3)有自吸能力(4)用回路调节流量二、计量泵：装有可调偏心轮的往复泵，通过调节偏心轮来调节冲程，从而严格地调节流量。三、隔膜泵：活柱往复泵，用弹性薄膜（橡胶或金属）将活柱与液体隔开，适合输送腐蚀性液体和悬浮液。 四、旋转泵：正位移泵之一。 1.齿轮泵：两齿拨开形成低压，两齿合拢形成高压。 2.螺杆泵：两杆均合拢。五、旋涡泵：一种特殊的离心泵，启动前要灌满液体，启动时要全开出口阀，并用回路调节流量。第三节第三节 气体输送和压缩机械气体输送和压缩机械一、用途一、用途1.输送气体输送气体2

22、.产生高压气体产生高压气体3.产生真空产生真空二、分类 通风机 14.7kPa (表) 鼓风机 =14.7294kPa(表)，压缩比4 终压 压缩机 294kPa (表)，压缩比4 真空泵 =Pa (大气压)，初压为负压三、离心通风机1.分类 低压离心通风机 0.9807kPa (表) 中压离心通风机 终压 =0.98072.942kPa (表) 高压离心通风机 =2.94214.7kPa (表)2.原理： 与离心泵相似3.结构： 与离心泵相似4.性能参数(1)风量：单位时间内排出的气体体积，并换算成吸入状态的数值，Q，m3/h。(2)风压：单位体积的气体流径风机后，所获得的能量，HT，J/m

23、3=Pa，mmH2O。风压也由实验测定，装置与测泵扬程的装置相似，原理如下：在风机进出口之间列柏努利方程，得fehuuppzzgW2)(212212122)()()(21221212uuppzzghWHfeT 所以 校正 22)(222212uHuppHSTT2 . 1TTHH(3)轴功率与效率5.特性曲线：反应HT、HST、N、与Q之间函数关系的曲线。kWQHNT,10006.选择(1)确定输送系统的风量和风压生产任务进口(吸入)态风量Q管路系统实际风压 实验风压HTTH(2)确定风机的类型和型号 气体性质 实验风压范围 进口(吸入)态风量 实验风压HT类型型号四、离心鼓风机又称透平鼓风机，结构和原理与多级离心泵类似。五、离心压缩机结构和原理与离心鼓风机的相似，只是离心压缩机的级数更多，一般要分级降温，且叶轮逐级缩小。六、罗茨鼓风机结构如图，原理与齿轮泵相似。七、液环压缩机结构如图，原理为气室的变化。八、往复压缩机1. 结构如图2.原理 假设理想气体无气阀阻力无