泵与风机的理论基础

1、第第5章章 泵与风机的理论基础泵与风机的理论基础n主要内容主要内容离心式泵与风机的基本结构、工作原理与性能离心式泵与风机的基本结构、工作原理与性能参数参数离心式泵与风机的离心式泵与风机的基本方程基本方程-欧拉方程欧拉方程性能曲线及叶型性能曲线及叶型对性能的影响对性能的影响相似律与比转数相似律与比转数5.1 泵与风机泵与风机5.1 泵与风机泵与风机5.1 泵与风机泵与风机5.1 泵与风机泵与风机5.1 泵与风机泵与风机5.1 泵与风机泵与风机5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n1 离心式风机的离心式风机的基本结构基本结构5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n1）叶轮）叶轮前盘前

2、盘、叶片叶片（前向、后向和径向）、后盘和轴盘。（前向、后向和径向）、后盘和轴盘。n2）机壳）机壳蜗壳、进风口等。蜗壳、进风口等。n3）进气箱）进气箱n4）前导器）前导器n5）扩散器）扩散器n6）电动机）电动机5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n离心式泵的离心式泵的基本结构基本结构n1）叶轮）叶轮n2）泵壳）泵壳n3）泵座）泵座n4）轴封装置）轴封装置防止液体泄漏或空气进入水泵。防止液体泄漏或空气进入水泵。5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n叶轮结构叶轮结构形式示意图形式示意图5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n叶片结构叶片结构形式示意图形式示意图5.2 泵与风机的

3、基本结构泵与风机的基本结构n叶片叶片形状示意图形状示意图5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n进风口进风口形式示意图形式示意图5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n离心泵的离心泵的基本机构基本机构5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n离心泵离心泵叶轮叶轮形式形式5.2 泵与风机的基本结构泵与风机的基本结构n思考题思考题1：离心水泵有轴封装置，而离心风机没有，为什离心水泵有轴封装置，而离心风机没有，为什么？么？n思考题思考题2：水泵启动时，为什么要求灌满水？水泵启动时，为什么要求灌满水？5.3 泵与风机工作原理及性能参泵与风机工作原理及性能参数数n离心式泵与风机的工作原理

4、离心式泵与风机的工作原理n过程：过程：流体受到流体受到离心力离心力的作用的作用经叶片被甩出叶轮挤入挤入机（泵）壳流体压强增高压强增高排出叶轮中心形成叶轮中心形成真真空空外界外界的流体吸入吸入叶轮不断地输送流体。5.3 泵与风机工作原理及性能参泵与风机工作原理及性能参数数n离心式泵与风机的工作原理离心式泵与风机的工作原理n实质：实质：能量的传递和转化过程。电动机高电动机高速旋转的机械能速旋转的机械能被输送流体的动能和被输送流体的动能和势能势能。n在这个能量的传递和转化过程中，必然伴随着能量损失能量损失，这种损失越大，该泵或风机的性能就越差，工作效率工作效率越低。5.3 泵与风机工作原理及性能参泵

5、与风机工作原理及性能参数数n离心式泵与风机的性能参数离心式泵与风机的性能参数n1）流量流量 Q (m3/s, m3/h)单位时间内输送的流体量。单位时间内输送的流体量。n2）扬程）扬程H/全压全压 P (mH2O,Pa)单位重量或单位体积的流体获得的能量。单位重量或单位体积的流体获得的能量。n3）有效功率：）有效功率：有效功率有效功率Ne:单位时间内流体由泵或风机获得单位时间内流体由泵或风机获得的能量；的能量； Ne=QH=QP5.3 泵与风机工作原理及性能参泵与风机工作原理及性能参数数n离心式泵与风机的性能参数离心式泵与风机的性能参数n4） 轴功率轴功率 N：电动机传给泵和风机轴上的功率。电

6、动机传给泵和风机轴上的功率。n5）效率）效率 (%)有效功率与轴功率之比。有效功率与轴功率之比。n6）转速）转速 n (r/min)5.4 欧拉方程欧拉方程n1 绝对速度、相对速度、圆周速度绝对速度、相对速度、圆周速度n流体流体相对静止大地相对静止大地的速度为的速度为绝对速度绝对速度；流；流体体相对叶轮相对叶轮的速度为的速度为相对速度相对速度；叶轮叶轮相对相对于静止大地的速度为于静止大地的速度为圆周速度圆周速度。uwv绝对绝对速度速度相对相对速度速度圆周圆周速度速度5.4 欧拉方程欧拉方程n速度三角形速度三角形安装角安装角工作角工作角5.4 欧拉方程欧拉方程n速度三角形速度三角形uvu切向分速

7、度切向分速度压力压力径向分速度径向分速度流量流量5.4 欧拉方程欧拉方程n某叶轮，某叶轮，已知流量和转速，求速度三角形已知流量和转速，求速度三角形：n由安装角由安装角，得到速度三角形。，得到速度三角形。rbvFvQrrT2rv60dnrub叶轮宽度，叶轮宽度，排挤系数。排挤系数。5.4 欧拉方程欧拉方程n基本假定：基本假定：n1）恒定流，即流动不随时间变化。）恒定流，即流动不随时间变化。n2）不可压缩流体。即流体密度不变。）不可压缩流体。即流体密度不变。n3）叶片数目无限多，厚度无限薄。）叶片数目无限多，厚度无限薄。叶片入口和出口无突变，沿圆周各点速度相等，叶片入口和出口无突变，沿圆周各点速度

8、相等，即流体轴向对称。即流体轴向对称。n4）理想流动（无能量损失）。）理想流动（无能量损失）。5.4 欧拉方程欧拉方程n推导欧拉方程推导欧拉方程理论依据：理论依据：动量矩定理动量矩定理质点系质点系对某一转轴的对某一转轴的动量矩动量矩对时间的变化率，对时间的变化率，等于作用于该质点系的等于作用于该质点系的所有外力所有外力对该轴的对该轴的合力合力矩矩M M。n理想状态下，理想状态下，有效功率有效功率等于等于轴功率轴功率5.4 欧拉方程欧拉方程)(1122TuTuTvrvrQMM：合外力矩TTHgQMNN：轴功率)(11122TuTTuTTvuvugH欧拉方程： ruu：圆周速度5.4 欧拉方程欧拉

9、方程n欧拉方程的意义欧拉方程的意义n 1）理论扬程）理论扬程HT，仅与速度三角形有关，与流动，仅与速度三角形有关，与流动过程无关。过程无关。n 2）理论扬程理论扬程HT与被输送流体的与被输送流体的种类无关种类无关。只要只要叶片进、出口处的叶片进、出口处的速度三角形速度三角形相同，都可以得到相同，都可以得到相同的相同的扬程。扬程。n 3）代表）代表单位重量单位重量流量获得的流量获得的全部能量全部能量，包括，包括压压力能力能和和动能动能。)(11122TuTTuTTvuvugH5.4 欧拉方程欧拉方程n欧拉方程的修正欧拉方程的修正5.4 欧拉方程欧拉方程n实验结果：圆盘实验结果：圆盘顺时针顺时针运

10、动时，纸标运动时，纸标指向指向基本不变基本不变。n原因分析：碗随桌原因分析：碗随桌顺时针顺时针转动时，由于惯转动时，由于惯性作用，性作用，水水只做只做平移平移运动，故运动，故水相对碗水相对碗逆逆时针时针转动转动-轴向涡流。轴向涡流。5.4 欧拉方程欧拉方程n轴向涡流对流速分布的影响轴向涡流对流速分布的影响叶轮转动叶轮转动时，时，流体流体随叶道随叶道平移平移运动，运动，流体流体相对相对叶轮叶轮在在叶道中叶道中形成与叶轮转动形成与叶轮转动方向相反方向相反的的轴向轴向涡流涡流。即即泵与风机泵与风机中，中，气流气流经叶道不仅有经叶道不仅有相对运动相对运动，还有还有轴向涡流轴向涡流。流动合成后，流动合成

11、后，顺顺叶轮流动方向叶轮流动方向前部前部，涡流，涡流增大增大原相对流速，在原相对流速，在后部后部则则抑制抑制相对流速。导致相对流速。导致同同一半径一半径上流速上流速分布不均分布不均，叶片叶片两侧形成两侧形成压差压差，且且出口速度出口速度朝旋转朝旋转反反方向方向偏离偏离切线。切线。5.4 欧拉方程欧拉方程n轴向涡流对流速分布的影响轴向涡流对流速分布的影响5.4 欧拉方程欧拉方程n轴向涡流对流速分布的影响：轴向涡流对流速分布的影响：速度分布不速度分布不均匀。均匀。叶片两侧形成压差，导致阻力矩耗能。叶片两侧形成压差，导致阻力矩耗能。相对速度出口反向偏离，进口同向偏离。相对速度出口反向偏离，进口同向偏

12、离。5.4 欧拉方程欧拉方程n轴向涡流对流速分布的影响：轴向涡流对流速分布的影响：相对速度出口反向偏离，进口同向偏离。相对速度出口反向偏离，进口同向偏离。5.4 欧拉方程欧拉方程n 理想状态理想状态n 实际状态实际状态n K称为环流系数。说明轴向涡流的影响，称为环流系数。说明轴向涡流的影响，有限多有限多叶片比叶片比无限多无限多叶片叶片作功小作功小。n 离心式泵与风机，离心式泵与风机，K值一般在值一般在0.780.85之间。之间。)(11122TuTTuTTvuvugH)(11122TuTTuTTvuvugH1TTHHK5.4 欧拉方程欧拉方程n 1 19090 时，时，进口切向分速度进口切向分

13、速度v vu1u1v v1 1 coscos 1 10 0。理论扬程将达到理论扬程将达到最大值最大值。n泵与风机设计时，总使泵与风机设计时，总使进口进口绝对速度绝对速度与圆与圆周速度的周速度的工作角工作角等于等于9090, 理论扬程方程式理论扬程方程式就简化为：就简化为： TuTTvugH2215.4 欧拉方程欧拉方程n欧拉方程的物理意义欧拉方程的物理意义n 应用应用余弦定理余弦定理，流体运动的速度可改写为：，流体运动的速度可改写为：n 则有：则有：1121211112121212222222222222222cos22cos2uuvuvuvuvuwvuvuvuvuw切向分切向分速度速度222

14、121211122222222wvuvuwvuvuuu5.4 欧拉方程欧拉方程n欧拉方程的物理意义欧拉方程的物理意义gvvgwwguuHT222212222212122第一项是第一项是离心力作功离心力作功，使流体，使流体自进口到出口产生一个向外的自进口到出口产生一个向外的压能增量压能增量，轴流机为零轴流机为零5.4 欧拉方程欧拉方程n欧拉方程的物理意义欧拉方程的物理意义gvvgwwguuHT222212222212122由于叶片间流道展宽、相对速度降低由于叶片间流道展宽、相对速度降低获得的获得的压能增量压能增量，代表叶轮中，代表叶轮中动能动能转转化为化为压能压能的份额。由于相对速度变化的份额。

15、由于相对速度变化不大，不大，较小较小。5.4 欧拉方程欧拉方程n欧拉方程的物理意义欧拉方程的物理意义gvvgwwguuHT222212222212122单位重量流体的单位重量流体的动压水头增量动压水头增量。利用导流器及蜗壳的扩压作用，利用导流器及蜗壳的扩压作用，可取得一部分静压，不宜过大。可取得一部分静压，不宜过大。5.4 欧拉方程欧拉方程n叶轮进、出口断面能量方程：叶轮进、出口断面能量方程：n由于进出口为同轴圆断面，其平均位能相由于进出口为同轴圆断面，其平均位能相等，则有等，则有TdTjTHHgvvPPH2212212gvPZHgvPZT22222221115.4 欧拉方程欧拉方程n 对比两

16、式：对比两式：n 得到得到静压水头静压水头： TdTjTHHgvvPPH2212212gwwguuPPHTj222122212212gvvgwwguuHT2222122222121225.4 欧拉方程欧拉方程n 动压水头动压水头增量增量n 扬程相同时，动压头增量不宜过大，扬程相同时，动压头增量不宜过大，想想为什么？想想为什么？gvvHTd221225.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n1 流动损失与流动效率流动损失与流动效率流体流体在进口前在进口前预旋预旋,改变叶片传给流体的理论功改变叶片传给流体的理论功和进口相对速度的大小及方向，影响气流角与和进口相对速度的大小及方向，影响气流角

17、与叶片安装角的一致性，使叶片安装角的一致性，使扬程下降扬程下降；泵与风机泵与风机非设计工况非设计工况运行，使相对速度并非沿运行，使相对速度并非沿叶片切向，形成叶片切向，形成撞击损失撞击损失；叶轮进口至出口的叶轮进口至出口的摩擦损失摩擦损失；边界层分离及边界层分离及涡流损失涡流损失等。等。5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n流动损失流动损失n流动效率流动效率：实际扬程与理论扬程之比：实际扬程与理论扬程之比2222iihiihvpgvH或ThTThThTThPPPPPHHHHH或5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n2 泄漏损失与泄漏效率泄漏损失与泄漏效率n外泄漏外泄漏损

18、失：损失：转轴与涡壳间的泄漏损失。转轴与涡壳间的泄漏损失。n内泄漏内泄漏损失：损失：流体由高压区流回低压区引起的损失；流体由高压区流回低压区引起的损失；平衡孔回流损失。平衡孔回流损失。5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n泄漏效率泄漏效率：实际流量与理论流量之比。：实际流量与理论流量之比。n 泄漏量：泄漏量：n ：间隙大小。：间隙大小。3221PuDqqQQQQTe5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n3 轮阻损失与轮阻效率轮阻损失与轮阻效率 n 轮阻效率轮阻效率：叶轮旋转引起流体与叶轮前、后盘外侧面和轮叶轮旋转引起流体与叶轮前、后盘外侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失。缘

19、与周围流体的摩擦损失。Ni为内功率，即实际消耗于流体的功率。为内功率，即实际消耗于流体的功率。n轮阻损失：轮阻损失：irirNNN 2232DuNr5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n有效功率有效功率：流体经过泵与风机后单位时间：流体经过泵与风机后单位时间获得的能量获得的能量n内功率内功率：消耗于流体的功率。：消耗于流体的功率。n轴功率轴功率：泵与风机轴上的输入功率。：泵与风机轴上的输入功率。1000PQNerhiNqQpPN)(为机械传动损失。mmisNNNN5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n内效率：有效功率与内功率之比内效率：有效功率与内功率之比irehire

20、hrrieiNPQPQNPQQQPPNQQPPPQNN1111111115.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n求解上式，可得求解上式，可得内效率内效率：rehieiNN5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n机械传动效率：机械传动效率：内功率与轴功率之比内功率与轴功率之比smssimNNNNN5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n全压效率：全压效率：有效功率与轴功率之比有效功率与轴功率之比.mrehmisiieseNNNNNN5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n能量传输过程分析能量传输过程分析电动机叶轮流体机械传动泄漏、轮阻、流动轴功率NS内功率

21、Ni有效功率Nemr，e，h5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n选配电机选配电机功率功率：nK：电机容量：电机容量储备系数储备系数 seMNKNKPQKPQKN5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n静压效率：静压效率：istististststsstPPPQQPNQPPPPQQPNQPstst:2:1静压内效率：静压总效率：5.5 泵与风机的损失与效率泵与风机的损失与效率n作业：作业：请画出请画出开启式、封闭式开启式、封闭式压缩机的压缩机的能量传输能量传输过程过程图，并列出各种效率的表达式。图，并列出各种效率的表达式。n作业：作业：查阅查阅GB501892005和和G

22、B507362012关于风机关于风机单位风量耗功率单位风量耗功率、空调冷热、空调冷热水系统水系统水泵输送能效比水泵输送能效比和热水采用暖系统和热水采用暖系统水泵耗电输热比水泵耗电输热比的规定。的规定。5.6 性能曲线性能曲线n泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线)( )( )(321QfQfNQfH5.6 性能曲线性能曲线n泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线HTQTNTQTn分析基础：分析基础：欧拉方程欧拉方程5.7 叶型对扬程的影响叶型对扬程的影响221uTvugH理论扬程：2222ctgvuvru切向速度：uvu25.7 叶型对扬程的影响叶型对扬程的影响TTQBctgAH2222rTvb

23、DQ理论流量：constnDunctgbDQguguctggvuguHTrT602222222222222一定，则轮宽轮宽5.7 叶型对扬程的影响叶型对扬程的影响n固定转速固定转速下，不论下，不论叶型叶型如何，如何，流量与扬程流量与扬程的关系是的关系是线性线性的。的。n流量为零时，流量为零时，HT=A=(u2)2/g。TTTTQfHQBctgAH25.7 叶型对扬程的影响叶型对扬程的影响n叶片形式叶片形式5.7 叶型对扬程的影响叶型对扬程的影响5.7 叶型对功率的影响叶型对功率的影响n理想状况下，认为理想状况下，认为有效功率即轴功率有效功率即轴功率。n代入代入HT=f(QT),有：有：TTTe

24、HQNN222)(ctgDQCQctgBQAQNTTTTT5.7 叶型对功率的影响叶型对功率的影响n前向型前向型叶片易发生叶片易发生电机超载电机超载，后向型后向型几乎几乎不会不会发生发生电机超载电机超载现象。现象。5.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响22uvu22uvu22uvu2222ctgvuvru切向速度：5.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响n扬程扬程与与切向速度切向速度成成正比正比，前向叶片前向叶片叶轮给叶轮给出的能量出的能量最高最高，但从，但从效率效率而言，情况刚好而言，情况刚好相反相反。n假设流体假设流体径向径向进入叶道；叶道进入叶道；叶道进口进口截

25、面积截面积等于等于出口出口截面积，则截面积，则动压水头增量动压水头增量：gvgvvgvvHurTd22222222221225.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响n后向型后向型叶轮出口速度的叶轮出口速度的切向分速度较小切向分速度较小，理论扬程中理论扬程中动压头成分较少动压头成分较少。n前向前向型型叶轮叶轮切向分速度切向分速度较大较大，动压头成分动压头成分较多较多。n动压头成分越大，动静压转换损失越大动压头成分越大，动静压转换损失越大。n前向型的扬程较大，损失也较大。前向型的扬程较大，损失也较大。n离心泵、风机离心泵、风机采用采用后向叶轮后向叶轮，微型风机微型风机中中采用采用前向叶

26、轮前向叶轮。5.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响n不同叶型的速度三角形不同叶型的速度三角形5.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响n总结总结：扬程扬程：前向叶片最大，径向次之，后向最小。：前向叶片最大，径向次之，后向最小。效率效率：后向叶片最大，径向次之，前向最小。：后向叶片最大，径向次之，前向最小。结构结构：流量和转速一定，达到相同压力条件下，：流量和转速一定，达到相同压力条件下，前向叶片最小，径向次之，后向最大。前向叶片最小，径向次之，后向最大。制造：径向直叶片最简单。制造：径向直叶片最简单。大功率大功率泵与风机选泵与风机选后向叶片后向叶片，转速转速受限，而受限

27、，而压压力力要求要求较高较高时，选用时，选用前向叶片前向叶片，从摩擦和积垢，从摩擦和积垢角度，选用径向直叶片。角度，选用径向直叶片。前向叶轮前向叶轮风机，相同压头下，风机，相同压头下，体积体积更小。更小。5.8 叶片安装角对压力的影响叶片安装角对压力的影响n后向叶轮后向叶轮性能曲线相对性能曲线相对平缓平缓，流量变化较，流量变化较大时，大时，扬程扬程能保持能保持基本恒定基本恒定。n前向叶轮前向叶轮具有具有驼峰型驼峰型性能曲线，流量增加性能曲线，流量增加时，时，扬程先增大后减小扬程先增大后减小，可能出现，可能出现不稳定不稳定工况工况。n思考：不稳定工况的具体表现，如何避免。思考：不稳定工况的具体表

28、现，如何避免。5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n相似条件相似条件几何相似几何相似前提前提运动相似运动相似保障保障动力相似动力相似目的目的112211221122kbbbbDDDD22112v2v1v1v2ww1w1w2u2u1u1u2eceRRuuEE5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n 在在几何相似几何相似的泵与风机中，只要能保持叶片的泵与风机中，只要能保持叶片入口入口速度三角形速度三角形相似，且对应点的相似，且对应点的惯性力惯性力与与粘性力粘性力的的比值相等比值相等，则其，则其流动流动过程必然过程必然相似相似。n流量系数相等，则入口速度三角形相似。流量系数相等，则入口

29、速度三角形相似。22211122244uDvbDuDQQ2211uuuu22211122244uDvbDuDQQ112211bbDDDD5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n运动相似条件运动相似条件：几何相似几何相似流量系数相等流量系数相等Re、Eu相等相等n实际工程中，根据相似工况相似工况提出相似关系相似关系。n思考题：思考题：流量系数相等的本质？流量系数相等的本质？5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n相似工况相似工况流动过程相似流动过程相似的工作状况。的工作状况。n当两台泵或风机的当两台泵或风机的流动过程相似流动过程相似，对应，对应工工况况相似工况相似工况。n即当即当一台

30、一台泵或风机泵或风机性能曲线性能曲线上上某点某点A A与与另一另一台台与其与其相似的泵相似的泵或风机或风机性能曲线性能曲线上的上的AA所所对应的对应的流动相似流动相似，则，则A A与与AA为相似工况点为相似工况点，对应工况为对应工况为相似工况相似工况。5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n在相似工况下，其在相似工况下，其运动相似运动相似，则必然满足，则必然满足动力相似动力相似的条件。的条件。总压力和惯性力总压力和惯性力比值相比值相等，则等，则Eu数相等。数相等。n由运动相似和比例性质，由运动相似和比例性质，静压差静压差满足下式：满足下式：212111vvpp222222vvpp2211

31、pppppppppppppp121222112222vpvp5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n由于由于动压动压成比例，则成比例，则全压差全压差满足下式：满足下式：n由运动相似可得，由运动相似可得，2222vPvPtt222222222222uPuPuPuPuvuvtt5.9 泵与风机的相似原理泵与风机的相似原理n相应地，利用相应地，利用N=PQ/N=PQ/, ,有有全压系数相等。则有令 ,22PPPuP功率系数相等。 NN 效率相等。 5.10 泵与风机的相似律及其应用泵与风机的相似律及其应用n相似工况下相似工况下的性能参数之间的关系的性能参数之间的关系全压（扬程）关系全压（扬程）关系22222222222222)()(nnDDnDnDuuPP2222)()(nnDDPPHH5.10 泵与风机的相似律及其应用泵与风机的相似律及其应用n流量关系流量关系nnDDnDDnDDuDuDQQ322222222222222)(445.10 泵与风机的相似律及其应用泵与风机的相似律及其应用n功率关系功率关系n效率关系效率关系3522352352322232223 2223222)()(44nnDDnDnDDnDnDDuDuDNN5.10 泵与风机的相似律及其应用泵与风机的相似律及其应用n相似