泵与风机综述

1、制冷流体机械第一章 泵与风机综述关键字：制冷流体机械第一章 泵与风机综述第一节 泵与风机的分类和型号编制一、 泵与风机的分类  泵与风机是利用外加能旦输送流体的流体机械。它们大量地应用于燃气及供热与通风专业。根据泵与风机的工作原理，通常可以将它们分类如下：(一)容积式  容积式泵与风机在运转时，机械内部的工作容积不断发生变化，从而吸入或排出流体。按其结构不同，又可再分为；1往复式   这种机械借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体，如活塞泵(piston pump)等；2回转式   机壳内的转

2、子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入和排出流体，如齿轮泵(gear pump)、螺杆泵(screw pump)等。(二)叶片式  叶片式泵与风机的主要结构是可旋转的、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮的旋转对流体作功，从而使流体获得能量。根据流体的流动情况，可将它们再分为下列数种：1离心式泵与风机；2轴流式泵与风机；3混流式泵与风机，这种风机是前两种的混合体。4贯流式风机。(三)其它类型的泵与风机  如喷射泵（jet pump）、旋涡泵(scroll pump)、真空泵(vacuum pump)等。  本篇介

3、绍和研讨制冷专业常用的泵与风机的理论、性能、运行、调节和选用方法等知识。由于制冷专业常用泵是以不可压缩的流体为工作对象的。而风机的增压程度不高(通常只有9807Pa或1000mmH2O以下)，所以本篇内容都按不可压缩流体进行论述。二、 泵与风机的型号编制  对于泵与风机的型号编制，目前国内的各个厂家有自己的命名规则，书本教材中的便是如此的，而对于行业而言，暂时没有一个严格规范的规则，这种形势，在中国加入wto之后将面临挑战和威胁，所以中国现在已经加快了规范的步伐。第二节 泵与风机的工作原理一、 离心式泵与风机的工作原理  离心式泵与风机的工作原理是，叶轮

4、高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压能和动能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。离心式泵与风机最简单的结构型式如图所示。叶轮l装在一个螺旋形的外壳内，当叶轮旋转时，流体轴向流入，然后转90度进入叶轮流道并径向流出。叶轮连续旋转，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。二、轴流式泵与风机工作原理  轴流式泵与风机的工作原理是：旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能，其结构如图所示。叶轮1安装在圆筒形(风机为圆锥形)泵壳3内,当叶轮旋转时，流体轴向流入，在叶片叶道内获得能量后，沿轴向流出。轴流式泵与风机适用于大流量、

5、低压力，制冷系统中常用作循环水泵及送引风机。三、 贯流式风机的工作原理  近年来由于空气调节技术的发展，要求有一种小风量、低噪声、压头适当和在安装上便于与建筑物相配合的小型风机。贯流式风机就是适应这种要求的新型风机。贯流式风机的主要特点如下：(1)叶轮一般是多叶式前向叶型，但两个端面是封闭的。(2)叶轮的宽度b没有限制，当宽度加大时流量也增加。(3)贯流式风机不像离心式风机是在机壳侧板上开口使气流轴向进入风机，而是将机壳部分地敞开使气流直接径向进入风机。气流横穿叶片两次。某些贯流式风机在叶轮内缘加设不动的导流叶片，以改善气流状态。(4)在性能上，贯流式风机的效率较低，一般约

6、为30一50。(5)进风口与出风口都是矩形的，易与建筑物相配合。贯流式风机至今还存在许多问题有待解决。特别是各部分的几何形状对其性能有重大影响。不完善的结构甚至完全不能工作，但小型的贯流式风机的使用范围正在稳步扩大。四、 其他常用泵（一）、往复泵  现以活塞式为例来说明其工作原理。活塞式膨胀机是气泵的一种。如图所示，活塞泵主要由活塞在泵缸内作往复运动来吸入和排除液体。活塞不断往复运动，泵的吸入与压出过程就连续不断地交替进行。（二）、水环式真空泵  真空式气力输送系统中，要利用真空泵在管路中保持一定的真空度。有吸升式吸入管段的大型泵装置中，在启动时也常用真

7、空泵抽气充水。常用的真空泵是水环式真空泵。水环式真空泵实际上是一种压气机，它抽取容器中的气体将其加压到高于大气压，从而能够克服排气阻力将气体排入大气。  水环式真空泵的构造简图示于下图。（三）、齿轮泵工作原理  齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，通常用作供油系统的动力泵，如图所示，齿轮(主动轮)固定在主动轴上，轴的一端伸出壳外由原动机驱动，另一个齿轮(从动轮)装在另一个轴上，齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合(齿与齿啮合前)，然后进入压油管排出。（四）、螺杆泵工作原理  如图所示，螺杆泵乃是

8、一种利用螺杆相互啮合来吸入和排出液体的回转式泵。螺杆泵的转子由主动螺杆(可以是一根，也可有两根或三根)和从动螺杆组成。主动螺杆与从动螺杆做相反方向转动，螺纹相互啮合，流体从吸入口进入，被螺旋轴向前推进增压至排出口。此泵适用于高压力、小流量。制冷系统中常用作输送轴承润滑油及调速器用油的油泵。（五）、喷射泵工作原理  如图所示，将高压的工作流体，由压力管送入工作喷嘴，经喷嘴后压能变成高速动能，将喷嘴外围的液体(或气体)带走。此时因喷嘴出口形成高速使扩散室的喉部吸入室造成真空，从而使被抽吸流体不断进入与工作流体混合，然后通过扩散室将压力稍升高输送出去。由于工作流体连续喷射，吸入室

9、继续保持真空，于是得以不断地抽吸和排出流体。  工作流体可以为高压蒸汽，也可为高压水，前者称为蒸汽喷射泵，后者称为射水抽气器。这种泵在制冷系统中较为少见。（六）罗茨真空泵  罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。   

10、   一般来说，罗茨泵具有以下特点：     在较宽的压强范围内有较大的抽速；     起动快，能立即工作；     对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；     转子不必润滑，泵腔内无油；     振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；     驱动功率小，机械摩擦损失小；     

11、结构紧凑，占地面积小；     运转维护费用低。 因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。(七）旋片式真空泵    旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为1013251.33×10-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切

12、（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。 两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分。当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排

13、气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽气的目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担，因而提高了极限真空度。制冷流体机械第二章 泵与风机的结构和性能关键字：制冷流体机械第二章 泵与风机的结构和性能第一节 泵与风机的部件结构一、泵的主要部件（一） 离心泵的主要部件尽管离心式泵的类型繁多，但由于作用原理基本相同，因而它们的主要部件大体类同。现在分别介绍如下：1、叶轮(impeller)叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体

14、，提高液体能量的核心部件。叶轮有开式(open impeller)、半开式(semi-open impeller)及闭式叶轮(closed impeller)三种，如图所示。开式叶轮没有前盘和后盘而只有叶片，多用于输送含有杂质的液体，如污水泵的叶轮就是采用开式叶轮的。半开式叶轮只设后盘。闭式叶轮既有前盘也有后盘。清水泵的叶轮都是闭式叶轮。离心式泵的叶轮都采用后向叶型。(左：开式叶轮；中：半开式；右：全封闭）叶轮的运行方式：(以开式为例）2、轴和轴承(shaft and bearing)    轴是传递扭矩的主要部件。轴径按强度、刚度及临界转速定。中小型泵

15、刚度和临界转速确定多采用水平轴，叶轮滑配在轴上，叶轮间距离用轴套定位。近代大型泵则采用阶梯轴，不等孔径的叶轮用热套法装在轴上，并利用渐开线花键代替过去的短键。此种方法，叶轮与轴之间没有间隙，不致使轴间窜水和冲刷，但拆装困难。    轴承一般包括两种形式:滑动轴承(Sleeve bearing)和滚动轴承(Ball bearing)。    滑动轴承用油润滑。一种润滑系统包括一个贮油池和一个油环，后者在轴转动时在轴表面形成一个油层使油和油层不直接接触。另一种系统就是利用浸满油的填料包来润滑。大功率的泵通常要用专门的油

16、泵来给轴承送油。（如图 所示）。    滚动轴承通常用冷冻油润滑，有些电机轴承是密封而不能获得润滑的。滚动轴承通常用于小型泵。较大型泵可能即有滑动轴承又有滚动轴承。而滑动轴承由于运行噪音低而被推荐用于大型泵。3、吸入室( suction room)离心泵吸入管法兰至叶轮进口前的空间过流部分称为吸入室。其作用为在最小水力损失下，引导液体平稳的进入叶轮，并使叶轮进口处的流速尽可能均匀的分布。按结构吸入室可分为直锥角吸入室、弯管形吸入室、环形吸入室、半螺旋形吸入室几种：(1)直锥形吸入室 这种形式的吸入室水力性能好，结构简单，制造方便。液体在直锥形吸入室内流动

17、，速度逐渐增加，因而速度分布更趋向均匀。直锥形吸入室的锥度约7o8o。这种形式的吸入室广泛应用于单级悬臂式离心水泵上。(2)弯管形吸入室 图所示，是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式，这种吸入室在叶轮前都有一段直锥式收缩管，因此，它具有直锥形吸入室的优点。(3)环形吸入室 图所示，吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同。其优点是结构对称、简单、紧凑，轴向尺寸较小。缺点是存在冲击和旋涡，并且液流速度分布不均匀。环形吸入室主要用于节段式多级泵中。4)半螺旋形吸入室 图所示，主要用于单级双吸式水泵、水平中开式多级泵、大型的节段式多级泵及某些单级悬臂泵上。半螺旋形吸入室可使液体流动产生旋转运动，绕泵轴

18、转动，致使液体进入叶轮吸入口时速度分布更均匀，但因进口预旋会致使泵的扬程略有降低，其降低值与流量是成正比的。相比较而言，直锥形吸入室使用最为普遍。4、机壳(casing)机壳收集来自叶轮的液体，并使部分流体的动能转换为压力能，最后将流体均匀地引向次级叶轮或导向排出口。机壳结构主要有螺旋形和环形两种。螺旋形压水室不仅起收集液体的作用，同时在螺旋形的扩散管中将部分液体动能转换成压能。螺旋形压水室具有制造方便，效率高的特点。它适用于单级单吸、单级双吸离心泵以及多级中开式离心泵。单级离心式泵的机壳大都为螺旋形蜗式机壳。环形压水室如图所示，在节段式多级泵的出水段上采用。环形压水室的流道断面面积是相等的，

19、所以各处流速就不相等。因此，不论在设计工况还是非设计工况时总有冲击损失，故效率低于螺旋形压水室。有些机壳内还设置了固定的导叶，就是所谓的导叶式机壳。螺旋形机壳环形机壳5、密封装置(sealing instrument)密封装置主要用来防止压力增加时流体的泄漏。密封装置有很多种类型，用得最多的是填料式密封和机械式密封。填料密封是将一些松软的填料用一定压力压紧在轴上达到密封目的。填料在使用一段时间后会损坏，所以需要定期检查和置换。这种密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的。填料密封填料密封原理而机械密封装置有两个硬质且光滑的表面，一个静态一个旋转。这种密封装置可以达到很好的密封要求，但他们不能用于

20、含杂质流体输送系统，因为其光滑表面会被破环而失去密封作用。这种密封装置在液体循环系统中非常普遍，因为他不需要维护运行很多年。传统的平垫密封装置6、导叶(guide vane)导叶又称导流器、导轮，分径向式导叶和流道式导叶两种，应用于节段式多级泵上作导水机构。（二） 轴流泵的主要部件轴流泵的主要部件，如图所示。轴流泵的特点是流量大，扬程低。其主要部件有：叶轮、轴、导叶、吸入喇叭管等，现分述如下。1叶轮叶轮的作用与离心泵一样，将原动机的机械能转变为流体的压力能和动能。它由叶片、轮毂和动叶调节机构等组成。叶片多为机翼型，一般为46片。轮毂用来安装叶片和叶片调节机构。轮毂有圆锥形、圆柱形和球形三种。小

21、型轴流泵(叶轮直径300mm以下)的片和轮毂铸成一体，叶片的角度不是固定的，亦称固定叶片式轴流泵。中型轴流泵(叶轮直径300mm以上)一般采用半调节式叶轮结构，即叶片靠螺母和定位销钉固定在轮毂上，叶片角度不能任意改变，只能按各销钉孔对应的叶片角度来改变，故称半调节式轴流泵。大型轴流泵(叶轮直径在1600mm以上)，一般采用球形轮毂，把动叶可调节机构装于轮毂内，靠液压传动系统来调节叶片角度，故称动叶可调节式轴流泵。2轴对于大容量和叶片可调节的轴流泵，其轴均用优质碳素钢做成空心，表面镀铬，既减轻轴的质量又便于装调节机构。3导叶轴流泵的导叶一般装在叶轮出口侧。导叶的作用是将流出叶轮的水流的旋转运动转

22、变为轴向运动，同时将部分动能转变为压能。4吸入管吸入管与离心泵吸入室的作用相同。中小型轴流泵多用喇叭形吸入管；大型轴流泵多采用肘形吸入流道。（三）、混流泵混流泵内液体的流动介于离心泵和轴流泵之间，液体斜向流出叶轮，即液体的流动方向相对叶轮而言即有径向速度，也有轴向速度。其特性介于离心泵和轴流泵之间。混流泵具有涡壳式和导叶式两种。如左图所示为单级、单吸、立式结构的可潜式蜗壳混流泵，适用于输送清水或物理及化学性质类似于水的其他液体 （包括轻度污水）。被输送介质温度不超过50。也可用于农田排灌、市政工程、工业过程水处理、电厂输送循环水、城市给排水等多种领域，使用范围十分广泛。如图右所示为单级、导叶混

23、流式潜水泵，适用于抽送清水或在轻度污水场合下使用，输送介质温度不超过50。本泵为机泵合一的结构，可潜入水中运行，故可在水位变化大，扬程较高的工况下工作，特别适用于城市排水、市政建设、工矿、船坞升降水位以及水位涨落大的江湖地区农田排灌之用。可潜式蜗壳混流泵导叶混流式潜水泵二、风机主要部件（一）离心式风机的构造特点离心式风机输送气体时，一般的增压范围在9.807Kpa(1000mH2O)以下根据增压大小，离心风机又可分为：(1)低压风机：增压值小于l000Pa(约100mmH2)；(2)中压风机：增压值自l000至3000Pa(约100至300mmH2O)(3)高压风机：增压值大于3000Pa(约

24、300mmH2O以上)。低压和中压风机大都用于通风换气，排尘系统和空气调节系统。高压风机则用于一般锻冶设备的强制通风及某些气力输送系统。我国还生产许多专门用于排尘、输送煤锅炉引排酸雾和防腐的各种专用风机。最近国内又推出了一种外转子离心风机，它相当于将电动机的转子固定，定子直接嵌装于风机叶轮而转动，这样就把电机装入风机机壳内了。离心式风机的整机构造可以参考图2-14所示的分解图。根据用途不同，风机各部件的具体构造也有所不同，分别介绍如下1、吸入口和进气箱吸入口可分圆筒式、锥筒式和曲线式数种。吸入口有集气的作用，可以直接在大气中采气，使气流以损失最小的方式均匀流入机内。某些风机的吸入口与吸气管道用

25、法兰直接连接。进气箱的作用是当进风口需要转弯时才采用的，用以改善进口气流流动状况，减少因气流不均匀进入叶轮而产生的流动损失。进气箱一般用在大型或双吸入的风机上。 2、叶轮叶轮的构造曾在前面泵的主要部件中有所介绍。如前所述，它由前盘、后盘、叶片和轮毂所组成。还曾指出叶片可分为前向、径向和后向三种类型。防爆风机是由有色金属制成的，防腐风机则以塑料板材为材料。3、机壳中压与低压离心式风机的机壳一般是阿基米德螺线状的。它的作用是收集来自叶轮的气体，并将部分动压转换为静压，最后将气体导向出口。机壳的出口方向一般是固定的。但新型风机的机壳能在一定的范围内转动，以适应用户对出口方向的不同需要。4、导流器导流

26、器又称为进口风量调节器。在风机的入口处一般都装置有导流器。运行时，通过改变导流器叶片的角度（开度）来改变风机的性能，扩大工作范围和提高调节的经济性。 （二）轴流式风机的主要部件轴流式风机的主要部件有：叶轮、集风器、整流罩、导叶和扩散筒等。如图2-19所示。近年来，大型轴流式风机还装有调节装置和性能稳定装置。1叶轮叶轮由轮毂和叶片组成，其作用和离心式叶轮一样，是实现能量转换的主要部件。轮毂的作用是用以安装叶片和叶片调节机构的，其形状有圆锥形、圆柱形和球形三种。叶片多为机翼形扭曲叶片。叶片做成扭曲形，其目的是使风机在设计工况下，沿叶片半径方向获得相等的全压。为了在变工况运行时获得较高的效率，大型轴

27、流风机的叶片一般做成可调的，即在运行时根据外界负荷的变化来改变叶片的安装角。如上海鼓风机厂与西德TLT公司联合制造的TLT型送引风机和一次风机均是动叶可调的。2集风器集风器的作用是使气流获得加速，在压力损失最小的情况下保证进气速度均匀、平稳。集风器的好坏对风机性能影响很大，与无集风器的风机相比，设计良好的集风器风机效率可提高1015。集风器一般采用圆弧形。3整流罩和导流体为了获得良好的平稳进气条件，在叶轮或进口导叶前装置与集风器相适应的整流罩，以构成轴流风机进口气流通道。 4导叶轴流式风机设置导叶有几种情形：叶轮前仅设置前导叶，叶轮后仅设置后导叶，叶轮前后均设置有导叶。 前导叶的作用是使进入风

28、机前的气流发生偏转，把气流由轴向引为旋向进入，且大多数是负旋向(即与叶轮转向相反)，这样可使叶轮出口气流的方向为轴向流出。后导叶在轴流式风机中应用最广。气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度有一定旋向，经后导叶扩压并引导后，气体以轴向流出。5扩散筒(difusser section)扩散筒的作用是将后导叶出来的气流动压部分进一步转化为静压，以提高风机静压。6性能稳定装置近年来，大型轴流风机上加装了性能稳定装置，又称KSE装置(该装置由前苏联的伊凡诺夫发明)。这种性能稳定装置主要是用来抑制叶轮边缘流体失速倒流而产生的不稳定现象的。 第二节 泵与风机的叶轮理论一、 离心式泵与风机的叶

29、轮理论离心式泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片就对流体做功，从而使流体获得压能及动能。因此，叶轮是实现机械能转换为流体能量的主要部件。（一）流体在叶轮中的运动及速度三角形为讨论叶轮与流体相互作用的能量转换关系，首先要了解流体在叶轮内的运动，由于流体在叶轮内的运动比较复杂，为此作如下假设：叶轮中叶片数为无限多且无限薄，即流体质点严格地沿叶片型线流动，也就是流体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线相重合；为理想流体，即无粘性的流体，暂不考虑由粘性产生的能量损失；流体作定常流动。 流体在叶轮中除作旋转运动外，同时还从叶轮进口向出口流动，因此流体在叶轮中的运动是一种复合运动。当叶轮带动流体作旋转运

30、动时，流体具有圆周运动(牵连运动)。其运动速度称为圆周速度，其方向与圆周切线方向一致，大小与所在半径r及转速n有关。流体沿叶轮流道的运动，称为相对运动，其运动速度称为相对速度，其方向为叶片的切线方向、大小与流道及流道形状相关。流体相对静止机壳的运动，称为绝对运动，其运动速度称绝对速度，它是以上两个速度的向量和 。（三）离心式叶轮叶片型式对HT的影响一般叶片的型式有以下三种：叶片的弯曲方向与叶抡的旋转方向相反，称为后弯式叶片。叶片的出口方向为径向，称。叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相同，称为前弯式叶片。前弯式叶片产生的能头最大，径向式次之，后弯式最小。对流体所获得的能量中动能和压能所占比例的大小

31、比较可知：后弯式叶片时，流体所获得的能量中，压能所占的比例大于动能；径向式叶片做功时，压能和动能各占总能的一般；前弯式叶片做功时,总能量中动能所占的比例大于压能。那么，对离心泵而言，为什么一般均采用后弯式叶片，而对风机则可根据不同情况采用三种不同的叶片形式，其原因如下：由以上分析可知，在转速n、叶轮外径D2、流量qv(qvA )及入口条件均相同的条件下，前弯式叶片产生的绝对速度比后弯式叶片大，而液体的流动损失与速度的平方成正比。因此，当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时，其能量损失比后弯叶片大。同时为把部分动能转换为压能，在能量转换过程中，必然又伴随较大的能量损失，因而其效率远低于后弯式叶片。反之，前

32、弯式叶片有以下优点：当其和后弯式叶片的转速、流量及产生的能头相同时，可以减小叶轮外径D2。因此，可以减小风机的尺寸，缩小体积，减轻质量。又因风机输送的流体为气体，气体的密度远小于液体，且摩擦阻力正比于密度，所以风机损失的能量远小于泵。鉴于以上原因，在低压风机中可采用前弯式叶片。二、 轴流式泵与风机的叶轮理论（一）、概述轴流式和离心式的泵与风机同属叶片式，但从性能及结构上两者有所不同。轴流式泵与风机的性能特点是流量大，扬程(全压)低，比转数大，流体沿轴向流入、流出叶轮。其结构特点是：结构简单，重量相对较轻。因有较大的轮毂动叶片角度可以作成可调的。动叶片可调的轴流式泵与风机，由于动叶片角度可随外界

33、负荷变化而改变，因而变工况时调节性能好，可保持较宽的高效工作区。鉴于以上特点，目前国外大型制冷系统中普遍采用轴流式风机作为锅炉的送引风机、轴流式水泵作为循环水泵。今后随着容量的提高，其应用范围将会日益广泛。 (二)、轴流式泵与风机的叶轮理论1、 翼型和叶栅的概念由于轴流式泵与风机的叶轮没有前后盖板，流体在叶轮中的流动，类似飞机飞行时，机翼与空气的作用。因此，对轴流式泵与风机在研究叶片与流体之间的能量转换关系时，采用了机翼理论。为此下面介绍翼型，叶栅及其主要的几何参数。翼型 机翼型叶片的横截面称为翼型，它具有一定的几何型线，和一定的空气动力特性。翼型见图：叶栅 由相同翼型等距排列的翼型系列称为叶

34、栅。这种叶栅称为平面直列叶栅。第三节 泵与风机的性能一、泵与风机的主要性能参数风机、泵的主要性能参数有下列几个：（一）、流量(flow guantity)单位时间内输送的流体数量。可以用体积流量qv表示，也可以用质量流量qm表示。（二）、压力、扬程（pressure，head）1、通风机全压单位体积的气体在通风机内所获得总能量叫通风机全压。单位为：毫米水柱，牛米2。2、离心泵扬程单位重量的液体在泵内所获得总能量叫泵的扬程。单位为：米液柱。 （三）、转速(rotary rate)叶轮每分钟旋转周数叫转速。单位为：转分。（四）、功率和效率(power and efficiency)通风机和泵之功率

35、有铀功率、有效功率和原动机效率之分。1、轴功率P原动机传给通风机、泵轴上的功率，叫通风机、泵的轴功率，又称输入功率，通常用P表示。单位：千瓦。2、有效功率Pe有效功率是指单位时间内通过泵与风机的流体获得的功率，即泵与风机的输出功率，用符号Pe表示，单位为KW。3、原动机功率Pg原动机的输出功率即为原动机功率，用Pg表示，单位为KW。轴功率和有效功率之差是泵与风机内部损失功率。泵与风机的效率为有效功率和轴功率之比。 由于原动机机轴与泵与风机的轴连接存在机械损失，用传动效率tm表示，所以通常原动机功率比轴功率大。二、 泵与风机的性能曲线泵与风机的主要的性能参数有流量qV、扬程H或全压p、功率P和效

36、率0，对泵而言，还有汽蚀余量h。这些参数变化关系的曲线，称为性能曲线（performance curve）。性能曲线通常是指在一定转速下，以流量为基本变量，其他各参数随流量改变而改变的曲线。因此，通常的性能曲线为qvH(p)、qvP、qv、qvh等曲线。该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。性能曲线对泵与风机的选型，经济合理的运行都起着非常重要的作用。（一） 离心式泵与风机的性能曲线1、流量与扬程（qvH）性能曲线当叶片无限多且无限薄并为理想流体时，qvH是一直线方程。 随qV呈直线关系变化，来决定。（1） 后弯式叶轮，qVT增加时， 逐渐减小，如图230（a）所示；（2） 径向式叶片，qVT

37、增加时， 恒定，如图230（b）所示；（3） 前弯式叶片，qVT增加时， 逐渐增大，如图230（c）所示；以上的直线为理论的 qVT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2a>90o的后弯式叶片为例，分析曲线的变化。考虑实际流体粘性的影响，并减去因摩擦、扩散和冲击而损失的扬程。除此之外，还需考虑容积损失对性能曲线的影响，因此，还需减去相应的泄漏量q，即得到实际扬程和流量的性能曲线qv-H，如图231中e线所示。对风机的性能曲线qvp分析和泵的qvH分析相同。2、流量和功率（qvP）性能曲线流量和功率性能曲线，是指在一定转速下泵与风机的流量和轴功率之间的

38、关系曲线。轴功率P等于流动功率Ph和机械损失功率Pm之和。而机械损失和流量无关，所以可先求得流量与流动功率的关系曲线，然后，在相应点上加上机械损失功率即得到流量与轴功率的关系曲线。如图232所示，流动功率Ph随流量的变化为一抛物线关系，其曲线的形状与2a角有关。对于后弯式叶片叶轮，其流动功率是先随流量的增加而增加，当达到某一数值时，则随流量的增加而减少，所以当流量改变时，其流动效率的变化较为平缓（图232a）。对于径向叶片叶轮，其流动功率与流量的关系曲线是一条通过坐标原点上升的直线（图232b）。对于后弯式叶片叶轮，当流量qVT增加时，流动功率Ph急剧增加，是一条通过坐标原点的上升曲线（图23

39、2c）。以后弯式叶轮为例，在流量与流动功率(qVT-Ph)曲线上加一等值的(实际上qV大时Pm稍小些)机械损失功率Pm再考虑到泄漏量的影响即得到qV-P性能曲线。当qVT=0时，轴功率不为零，由此，将流量为零的这一工况称为空载工况，此时的功率就等于泵与风机在空转时的机械损失功率Pm和容积损失功率PV之和。3、流量与效率（qv）性能曲线泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即 由上式可见，效率有两次为零的点，即当qv0时，0，当H=0时，=0。因此，qv-曲线是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于qvqvmax点的曲线。这是理论分析的结果，实际上qvH性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而qv曲

40、线也不可能与横坐标轴相交。如图2-34所示，实际的qv性能曲线位于理论曲线的下方。曲线上最高效率vmax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(qv)及静压效率(qv-st)曲线。 性能曲线是制造厂通过实验得到的。载入泵与风机样本，供用户使用。以风机为例，实际使用中，为方便起见，一般将上述曲线按同一比例画在一张图中，如右图所示，不同型号的风机，其性能曲线也不同。从图中可以看出，在转速不变的情况下，当风量发生改变时，风压随风量的增大而减小；功率随风量的增大而增大；风机效率存在一个最高值。相应于最高效率下的风量、风压和轴功率称为通风机的最佳工

41、况。在选择风机或风机运行时，应使其实际运转效率不低于最高效率的90。这也就确定了一台风机其风量的允许调节范围。4、离心泵与风机性能曲线的分析（1）当阀门全关时，工况为空转状态。这时候，空载功率Po主要消耗在机械损失上，而这会导致局部水温迅速升高以致汽化。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）。（2）离心泵与风机，在空转状态时，轴功率最小，一般为设计轴功率的百分之三十左右，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，在开大出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常的运行。（3）由qvP性能曲线可见，后弯式叶轮和前弯式叶轮有

42、着明显的差别。后弯式叶轮的qvP性能曲线，随着流量的增加功率变化缓慢，而前弯式叶轮随着流量的增加，功率急剧上升，因此原动机容易超载。所以，对前弯式叶轮的风机在选用原动机时，容量富余系数应取的大些。（4）前弯式叶轮效率远低于后弯式。所以一般现在的风机为了节能大多采用高效率的后弯式叶片。（5）前弯式叶轮的实际qvH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，不允许在此段工作。（二）、轴流式泵与风机的性能曲线在一定的转速下，对叶片安装角固定的轴流式泵与风机，试验所测得的典型性能曲线如图2-35所示，和离心式泵与风机性能曲线相比有显著的区别。qvH(P)

43、曲线，随流量qv减小，扬程(全压)先是上升，当减小到qvc时，扬程(全压)开始下降，流量再减小到qvb时，扬程(全压)又开始上升直到流量为零时的最大值。轴流式泵与风机性能曲线归结起来有以下特点：(1) qvH(P)性能曲线，在小流量区域内出现驼峰形状，在c点的左边为不稳定工作区段，一般不允许泵与风机在此区域工作。(2) 轴功率P在空转状态（qv=0）时最大，随流量的增加随之减少，为避免原动机过载，对轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动。如果叶片安装角是可调的，在叶片安装角小时，轴功率也小，所以对可调叶片的轴流式泵与风机可在小安装角时启动。(3) 轴流式泵与风机高效区窄。但如果采用可调叶片，则可

44、使在很大的流量变化范围内保持高效率。这就是可调叶片轴流式泵与风机较为突出的优点。制冷流体机械第三章 泵与风机的运行关键字：制冷流体机械第三章 泵与风机的运行第一节 泵的汽蚀     汽蚀涉及的范围非常广泛,在水力机械、造船和水利等方面都要对此问题的机理和防止措施进行研究。对于流体机械，特别是工作对象是液体的流体机械，汽蚀是流体机械向高速化方向发展的一大障碍。因此，我们需对汽蚀问题持足够的重视态度。一、 汽蚀现象及其对泵工作的影响（一）、汽蚀现象水和汽可以互相转化，这是液体所固有的物理特性，而温度和压力则是造成它们转化的条件。人们知道，0.1MPa大气压力

45、下的水，当温度上升到100时，就开始汽化。但在高山上，由于气压较低，水不到100时就开始汽化。如果使水的某一温度保持不变，逐渐降低液面上的绝对压力，当该压力降低到某数值时，水同样也会发生汽化，把这个压力称为水在该温度下的汽化压力，用符号Pv表示。如当水温为20时，其相位的汽化压力为2.4kPa。如果在流动过程中，某一局部地区的压力等于或低于与水温相对应的汽化压力时水就在该处发生汽化。汽化发生后，就有大量的蒸汽及溶解在水中的气体逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡。当汽泡随同水流从低压区流向高压区时，汽泡在高压的作用下，迅速凝结而破裂，在汽泡破裂的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原

46、汽泡占有的空间，形成一个冲击力。由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，因此，在冲击的作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩、凝结，如此形成多次反复，在流道表面形成极微小的冲蚀。冲击力形成的压力可高达几百甚至上千MPa,冲击频率可达每秒几万次。流道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏，从开始的点蚀到严重的蜂窝状空洞，最后甚至把材料壁面蚀穿，通常把这种破坏现象称为剥蚀。另外，由液体中逸出的氧气等活性气体，借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属起化学腐蚀作用。这种汽泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象(cavitation)。汽蚀表面现象汽蚀后的叶轮汽蚀通常发

47、生的部位：轴流式泵离心式泵   （二）、汽蚀对泵工作的影响由以上分析可知，在流动过程中，如果出现了局部的压力降，且该处压力降低到等于或低于水温对应下的汽化压力时，则水发生汽化。开始发生汽化时，因为只有少量汽泡，叶轮流道堵塞不严重，对泵的正常工作没有明显影响，泵的外部性能也没有明显变化。这种尚未影响到泵外部性能时的汽蚀称为潜伏汽蚀（latent cavitation）。泵长期在潜伏汽蚀工况下工作时，泵的材料仍要受到剥蚀，影响它的使用寿命。当汽化发展到一定程度时，汽泡大量聚集，叶轮流道被汽泡严重堵塞，致使汽蚀进一步发展，影响到泵的外部特性，导致泵难以维持正常运行。综上

48、所述，汽蚀对泵产生了诸多有害的影响。 （1）材料破坏 汽蚀发生时，由于机械剥蚀与化学腐蚀的共同作用，致使材料受到破坏。（2）噪声和振动 汽蚀发生时，不仅使材料受到破坏，而且还会出现噪声和振动。汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪声。但是，在工厂由于其他来源的噪声已相当高，一般情况下，往往感觉不到汽蚀所产生的噪声。其次，汽蚀过程本身是一种反复凝结、冲击的过程，伴随很大的脉动力。如果这些脉动力的某一频率与设备的自然频率相等，就会引起强烈的振动。（3）性能下降 汽蚀发展严重时，大量汽泡的存在会堵塞流道的截面，减少流体从叶轮获得的能量，导致扬程下降，效率也相应降低。这时，泵的外部性能有明显的变化。这种变化

49、，对于不同比转数的泵情况不同。对于一具体的泵的管路系统，通过阀门调节流量，当调整到某一工况，如果继续开大阀门，流量进一步有所增加时，扬程则急剧减小，这表明已经达到致使水泵不能工作的严重程度。这一工况，称为断裂工况(shut off operation point)。二、泵与风机安装高度的确定（一） 吸上真空高度Hs （suction head）由于汽蚀的原因，如果某泵几何安装高度不合适，会限制流量的增加，从而导致性能达不到设计要求。因此，正确的确定泵的机和安装高度是保证泵在设计工况下工作时不发生汽蚀的重要条件。中小型卧式离心泵的几何安装高度如图3-1所示。立式离心泵的几何安装高度是指第一级工作

50、叶轮进口边的中心线至吸水池液面的垂直距离。对于大型泵则应按叶轮入口边最高点来决定几何安装高度。在泵样本中，有一项性能指标，叫作允许吸上真空高度，用符号Hs表示，这项性能指标和泵的几何安装高度有关。几何安装高度就是根据这一数值计算确定的，允许吸上真空高度Hs和几何安装高度之间的关系可进行讨论。流体在旋转叶轮中受离心力的作用被甩出叶轮，这时在叶轮入口处就形成了真空，于是水池中液体就在液面压力作用下经吸水管路进入泵内。取吸水池液面为基准面，列出水面e-e和泵入口s-s断面的伯诺利方程式：因为水池较大，可以认为vs0,则上式移项后得式中 Hg-几何安装高度，m;Pe-吸水池液面压力，pa;Ps-泵吸入

51、口压力，pa;vs-泵吸入口平均速度，m/s;hw-吸入管路中的流动损失，m;-流体密度，kg/m3。上式中, 若等于大气压 ，则前两项之差称为吸上真空高度。在发生断裂工况时的 ，称为最大吸上真空高度或临界吸上真空高度。最大吸上真空高度是由试验确定的。（二） 汽蚀余量h汽蚀余量h是另一个表示泵汽蚀性能的参数,也可用NPSH表示(Net Positive Suction Head)。汽蚀余量又分为有效汽蚀余量ha,或NPSHa和必需汽蚀hr或NPSHs。按照吸入装置条件所确定的汽蚀余量称为有效的汽蚀余量或称装置汽蚀余量，用ha表示。由泵本身的汽蚀性能所确定的汽蚀余量称为必需汽蚀余量或泵的汽蚀余量

52、，用hr表示。1、有效汽蚀余量ha有效汽蚀余量ha,是指泵在吸入口处，单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量。即液体所具有的避免泵发生汽化的能量。有效汽蚀余量ha，由吸入系统的装置条件确定，与泵本身无关。根据有效汽蚀余量的定义，得2必需汽蚀余量hr必需汽蚀余量hr与吸入系统的装置情况无关，是由泵本身的汽蚀性能所确定的。必需汽蚀余量hr指的是：液体从泵吸入口至压力最低点的压力降。必需汽蚀余量hr的表达式为：式中：1，2-压降系数。一般取1=11.2; 2=0.20.3。3有效汽蚀余量ha和必需汽蚀余量hr的关系ha是吸入系统所提供的在泵吸入口大于饱和蒸汽压力的富余能量. ha越大,表示泵抗汽

53、蚀性能好.而必需汽蚀余量是液体从泵吸入口至最点压力点的压力降, hr越小,则表示泵抗汽蚀性能好,可以降低对吸入系统提供的有效汽蚀余量ha的要求。由前述已知，有效汽蚀余量ha随流量的增加是一条下降的曲线。而流量增加会导致 速度 增大，从而致使必需汽蚀余量hr将随流量的增加是一条上升的曲线。这两条曲线交于C点，C点为汽蚀接线点，亦即临界汽蚀状态点，该点的流量为临界流量 。当hr>ha时，有效汽蚀余量所提供的超过汽化压力的富余能量，不足以克服泵入口部分的压力降，从而造成泵内汽蚀，因此 右边为汽蚀区。只有当 < 时，ha>hr，有效汽蚀余量所提供的能量才能克服泵入口部分的压力降且尚有

54、剩余能量，最低压力大于临界压力，从而使泵不发生汽蚀，所以左边为安全区。由上述分析可知，泵不发生气蚀的条件为 ha>hr。三、 提高泵抗汽蚀性能的措施综上所述，泵是否发生汽蚀，是由泵本身的汽蚀性能和吸入系统的装置条件来确定的。因此，提高泵本身的抗汽蚀性能，尽可能减小必需汽蚀余量hr，以及合理的确定吸入系统装置，以提高有效汽蚀余量ha，一般采用以下的措施。1、提高泵本身的抗汽蚀性能(1) 降低叶轮入口部分流速 改进入口几何尺寸，可以提高泵的抗汽蚀性能，一般采用两种方法：（a），适当增大叶轮入口直径D0；（b），增大叶片入口边宽度b1。如图3-6所示。也有同时采用这两种方法的，但均有一定限度，

55、否则将影响泵效率。（2）采用双吸式叶轮 国产125MW和300MW机组的给水泵，首级叶轮都采用的双吸式叶轮。（3）增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径 这样可以减小局部阻力损失。（4）叶片进口边适当加长 即向吸入方向延伸，并作成扭曲形。（5）首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 如采用镍铬的不锈钢、铝青铜、磷青铜等。2、提高吸入系统装置的有效汽蚀余量ha（1）减小吸入管路的流动损失 即可适当加大吸入管直径，尽量减少管路附件，如弯头、阀门等，并使吸入管长最短。（2）合理确定两个高度 即几何安装高度及倒灌高度。 （3）采用诱导轮 诱导轮是与主叶轮同轴安装的一个类似轴流式的叶轮，其叶片是螺旋形的，叶片安装角小，

56、一般取10o12o，叶片数较少，仅23片，而且轮毂直径较小，因此流道宽而长。主叶轮前装诱导轮，使液体通过诱导轮升压后流入主叶轮(多级泵为首级叶轮)。因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量，改善了泵的汽蚀性能。 （4）采用双重翼叶轮 双重翼叶轮由前置叶轮和后置离心叶轮组成，前置叶轮有23个叶片，呈斜流形，与诱导轮相比其主要优点是轴向尺寸小，结构简单，且不存在诱导轮与主叶轮配合不好，而导致效率下降的问题。所以，双重翼离心泵不会降低泵的性能，却使泵的抗汽蚀性能大为改善。（5）采用超汽蚀泵 近年来，发展了一种超汽蚀泵，在主叶轮之前装一个类似于轴流式的的超汽蚀叶轮，如图3-9所示，其叶片采用了薄而尖的超汽蚀翼型

57、，如图3-10所示，使其诱发一种固定型的汽泡。覆盖整个翼型叶片背面，并扩展到后部，与原来叶片的翼型和空穴组成了新的翼型。其优点是汽泡保护了叶片，避免汽蚀并在叶片后部溃灭，因而不损坏叶片。(6)设置前置泵 随着单机容量的提高，锅炉给水泵的水温和转速也将随之增加，则要求泵入口有更大的有效汽蚀余量。为此，除氧器的倒灌高度随之增加。而除氧器装置高度过高，不仅造成安装上的许多困难，同时也不经济。所以目前国内外对大容量的锅炉给水泵，广泛采用在给水泵前装置低速前置泵，使给水经前置泵升压后再进入给水泵，从而提高了泵的有效汽蚀余量，改善了给水泵的汽蚀性能；同时除氧器的安装高度也大为降低。这是防止给水泵产生汽蚀、

58、简单而又可靠的一种方法。第二节 管路特性曲线及工作点泵与风机的性能曲线，只能说明泵与风机自身的性能，但泵与风机在管路中工作时，不仅取决于其本身的，而且还取决于管路系统的性能，即管路特性曲线。由这两条曲线的交点来决定泵与风机在管路系统中的运行工况。一、管路特性曲线通常泵或风机是与一定的管路相连接而工作的。一般情况下，流体在管路中流动时所消耗的能量，用于补偿下述的压差、高差和阻力 (包括流体流出时的动压头)：(一)用来克服管路系统两端的压差，其中包括高压流体面(或高压容器)的压强与低压流体面(或低压容器)的压强之间的压差，以及两流体面间的高差HZ。(二)用来克服流体在管路中的流动阻力及由管道排出时的动压头，二者均与流量平方成正比。于是流体在管路系统中的流动特性可以表达如下：此式表明实际工程条件所决定的要求。如将这一关系绘在以流量Q与压头H组成的直角坐标图上，就可以得到一条通常称做管路性能的曲线。它是一条在H轴上截距等于H1的抛物线。二、泵或风机的工作点(operation point)将泵或风机的性能曲线和管路系统的性能曲线同绘在一张坐标图上如图3-11。管路性能的曲线CE是一条二次曲线。选用某一适当的泵或风机，其性能曲