流体机械原理：01第零章 绪论

流体机械原理

学习本课程的目的与任务本课程是热能与动力工程及其相近专业的一门重要的专业基础课程。主要内容是介绍离心式泵与风机的分类构造、工作原理、基本方程；着重讨论泵与风机叶轮理论、性能、相似理论、汽蚀、运行、选型及应用。而轴流式泵与风机作为次重点。为了实现泵与风机的安全经济运行，首先，必须掌握泵与风机的基本原理、性能、结构及运行调节等方面的必要知识，掌握泵与风机性能试验技术。同时，随着泵与风机设备的不断更新和高技术驱动装置的投入，还需不断地提高运行操作技术和管理水平。为今后从事专业技术工作和科学研究打下必要的基础。要与其他基础课和专业课紧密联系：本课程以《流体力学》为其主要先修课程，又与《锅炉原理》、《汽轮机原理》、《热力发电厂》、《发电厂集控运行》等课程紧密联系。理论学习以理解为主，不要求死记硬背，应用时可以查阅设备厂提供的参数和资料。树立工程概念和节能理念，注重分析和解决问题的方法。学习方法课程概况一、学时二、教材及参考资料总学时：40，讲课：36，实验：4。三、考核形式《泵与风机》，安连锁编著，中国电力出版社理论考试：闭卷，70%平时成绩：考勤，实验，30%《泵与风机》，何川、郭立君编著，中国电力出版社，2008.6《泵与风机节能技术问答》，吴民强编著，中国电力出版社课程导航绪论第一章泵与风机的叶轮理论第二章泵与风机的性能第三章相似理论在泵与风机中的应用第四章泵的汽蚀第五章泵与风机的运行第六章热力发电厂常用的泵与风机第七章泵与风机的选型复习总结绪论第一节泵与风机在国民经济中的应用第二节泵与风机的分类第三节泵与风机的主要部件第四节泵与风机的主要性能参数第五节泵与风机的发展趋势第一节泵与风机在国民经济中的应用泵与风机:将原动机的机械能转换成流体的压力能和动能从而实现流体定向输运的动力设备。输送液体的为泵，输送气体的为风机，故泵与风机也称为流体机械。泵与风机耗电量占全国总发电量的30％~40%。农业方面：排涝、灌溉；采矿工业：坑道通风及排水；冶金工业：冶炼炉鼓风、流体输送；石油工业：输油和注水；化学工业：高温、腐蚀性气体排送；一般工业：厂房空调、通风；航空航天：动力系统正常工作的维持。

应用电能是国民经济中至关重要的能源，泵与风机是电厂重要的辅机，本书主要研究电厂的泵与风机。第一节泵与风机在国民经济中的应用泵与风机在热力发电厂的应用灰渣泵冲灰水泵排粉风机升压泵凝结水泵给水泵

前置泵循环水泵射水泵疏水泵送风机引风机蒸汽空气水补水泵生水泵烟气灰渣射水抽气器工业水泵汽轮机系统锅炉系统汽轮机锅炉火电厂三大风机其它：冷却风机、罗茨风机一次风机：干燥燃料，将燃料送入炉膛，一般采用离心式风机。送风机：克服空气预热器、风道、燃烧器阻力，输送燃烧所需空气，维持燃料充分燃烧。引风机：将烟气排至大气，同时维持炉膛负压，形成流动烟气，完成烟气及空气的热交换。火电厂三大泵循环水泵：提供凝汽器冷却水,从而建立凝汽器真空。给水泵：将除氧水箱的凝结水通过给水泵提高压力，经过高压加热器加热后，输送到锅炉省煤器入口，作为锅炉主给水。（前置泵）凝结泵：将凝汽器的凝结水通过各级低压加热器补充到除氧器。（凝结水增压泵）其它：疏水泵、工业泵、灰浆泵、灰渣泵泵与风机在热力发电厂的地位安全性：向锅炉供水的给水泵突然发生故障或给水管道破裂发生严重泄漏，就会使锅炉缺水，如果锅炉给水泵由于某种原因发生故障而中断给水，则汽包在短时间内就会“干锅”，引发重大设备事故。

经济性：泵与风机在电厂中耗电量很大，各类泵与风机总耗电约占整个厂用电的70％～80％，而厂用电约占发电量的10％左右。由此可见，提高泵与风机的效率，降低耗电量，是减少电厂厂用电，提高发电厂供电能力，降低成本的一个重要途径。循环水泵凝结水泵锅炉给水泵冷却剂循环泵

蒸汽发生器

控制棒

燃料元件反应堆泵与风机在核电厂中的应用安全壳

第二节泵与风机的分类一、按产生压力的大小分类泵可分为：1.低压泵：<2MPa。2.中压泵：2～6MPa

。3.高压泵：>6MPa

。风机可分为1.通风机：<15kPa。2.鼓风机：15～340kPa

。3.压气机：>340kPa

。第二节泵与风机的分类二、按工作原理分类叶片式容积式离心式轴流式混流式往复式回转式其它真空泵射流泵水锤泵泵叶氏风机罗茨风机螺杆风机离心式轴流式混流式风机叶片式容积式往复式回转式（一）叶片式泵与风机

叶片式：工作叶轮旋转时叶轮上的叶片将能量连续传递给流体，从而使流体获得能量。按叶片对流体的做功不同，可分为离心式、混流式和轴流式三种。利用离心力利用升力利用离心力和升力◆叶轮旋转，叶片迫使流体旋转对流体沿它的运动方向做功；◆流体在惯性力的作用下，从叶轮径向流出，并进入压出室；◆在叶轮中心开成低压区，在吸入端压力作用下，流体经吸入室轴向进入叶轮；◆叶轮连续旋转，流体也就连续地排出、吸入，形成离心式泵与风机的连续工作。离心式泵与风机离心式泵与风机流体沿轴向流入叶片通道，当叶轮在原动机驱动下旋转时，旋转着的叶片给绕流流体一个轴向的推力，此叶片的推力对流体作功，使流体的能量增加并沿轴向排出。叶轮连续旋转即形成轴流式泵与风机的连续工作。轴流式泵与风机入口静叶动叶出口静叶入口静叶调节机构轴流式静叶可调引风机轴流式泵与风机◆通过工作室容积周期性变化而实现输送流体的泵与风机。◆可分为往复式和回转式。◆适用对象：小流量、高压力的场合。◆往复式◆回转式（二）容积式泵与风机◆往复式：原理：借活塞在气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、柱塞泵等。

（二）容积式泵与风机◆回转式：

齿轮泵：一对互相啮合的齿轮，通常用作供油系统的动力泵。

罗茨风机：依靠两个两叶或三叶的转子作相反方向的旋转，达到传递能量于气体并增高其压力的目的。

螺杆泵：主动螺杆与从动螺杆相互啮合，电厂多作为油泵。螺杆泵（二）容积式泵与风机

原理：利用高压工作流体经喷嘴后产生的高速射流来引射被吸流体，与之进行动量交换，以使被引射流体的能量增加，从而实现吸排作用。(1)效率低。(2)结构简单，体积小，价格低。(3)无运动部件，工作可靠，使用寿命长。(4)吸入性能好。(5)可输送含杂质的污水。

CP型系列喷射泵喷射泵（三）其他泵电厂射水泵水环式真空泵叶轮偏心安装，叶轮在前半转（此时经过吸气孔）旋转过程中密封的空腔容积逐渐扩大，气体由吸气孔吸入；后半转（此时经过排气孔）密封容积逐渐缩小，气体从排气孔排出，完成一个抽气过程。电厂主要用于循环水泵在启动时抽真空。（三）其他泵第三节泵与风机的主要部件吸入口和压出口叶轮轴封轴（一）离心泵的主要部件叶轮、吸入室、压出室、密封装置等。（一）离心泵主要部件第三节泵与风机的主要部件第三节泵与风机的主要部件1、叶轮a)叶轮的作用将原动机的机械能传给液体,使液体的动能和压力能有所提高。封闭式半封闭式开式根据结构闭式叶轮开式叶轮半闭式叶轮b)叶轮的分类叶片的内侧带有前后盖板，适于输送干净流体，效率较高。只有后盖板，可用于输送浆料或含固体悬浮物的液体，效率较低。没有前后盖板，适合输送含有固体颗粒的液体悬浮物，不易积存杂质，减少对叶轮磨损)。b)叶轮的分类开式：半开式：封闭式：第三节泵与风机的主要部件按吸液方式单吸式叶轮双吸式叶轮相当于两个没有盖板的单吸式叶轮背靠背并在了一起，可以从两侧吸入液体，具有较大的吸液能力，而且可以较好的消除轴向推力,用于大流量或提高抗汽蚀性能的场合。液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单。第三节泵与风机的主要部件2、吸入室吸入管法兰至叶轮进口前的过流部分。其作用是在最小水力损失情况下，引导液体平稳地进入叶轮，并使叶轮进口处的流速尽可能均匀地分布。直锥形弯管形肘管形环形半螺旋形◆定义：指叶轮出口到泵出口法兰(对节段式多级泵是到后级叶轮进口前)的过流部分。◆作用：收集从叶轮流出的高速液体,并将液体的大部分动能转换为压力能,然后引入压水管◆型式：

螺旋形压出室

环形压出室3、压出室螺旋式压出室效率较环形压出室为高。◆定义：多级泵的流体是从前一级叶轮流入次级叶轮，两级之间必须有导叶。◆作用：汇集前一级叶轮流出的液体，并在损失最小的条件下，引入次级叶轮或压出室，同时在导叶内还把部分动能转化为压力能。◆型式：径向式、流道式。4、导叶5、密封装置密封环又称口环，为防止高压流体通过叶轮进口与泵壳之间的间隙泄漏至吸入口，所以在叶轮进口外圈与泵壳之间加装密封环。平环式角环式锯齿式迷宫式轴端密封填料密封机械密封浮动环密封迷宫式密封（1）填料密封填料一般采用浸油或涂石墨的石棉绳，将其放入填料函与泵轴之间，将压盖压紧迫使它产生变形达到密封。结构简单，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。（2）机械密封由装在泵轴上随之转动的动环和固定在泵壳上的静环组成，两环形端面由弹簧力使之紧贴在一起达到密封目的。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。（3）浮动环密封

结构：浮动环、浮动套、轴套等

原理：以浮动环与支撑环的密封端面在液体压力及弹簧力的作用下，保持紧密接触来实现径向密封；以浮动环的内圆表面与轴套的外表面所形成的微小间隙对产生节流实现员向密封。浮动环浮动套轴套弹簧（4）迷宫密封利用转子和静子间的间隙变化，对泄漏流体进行节流、降压，从而实现密封作用。迷宫密封泄漏量大，为了减少泄漏，可以向密封衬套注入密封水。螺旋密封轴上加工反向螺旋槽，泵轴转动的时候对充满在螺旋槽内的泄漏液体，产生一种向泵内输送的作用，从而达到减少介质泄漏的目的。非接触式，无磨损，寿命长。（二）离心式风机的主要部件二、离心式风机的主要部件1.叶轮由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。叶片轮毂轴前盘后盘空心叶片板式叶片不同叶片形状机翼型 直板型 弯板型空心的机翼型被颗粒磨穿后容易产生振动，直板型制造简单，但效率低。弯板型经过空气动力性能设计优化，效率接近机翼型，效果好。叶轮前盘形式后向及径向叶轮前盘形状对气流的影响(a)平直前盘(b)锥形前盘(c)弧形前盘平直前盘制造简单，但气流进口后分离损失大，效率低。弧形前盘分离损失最小，效率最高，但制造复杂。锥形前盘介于两者之间2.蜗壳蜗壳的任务是汇集叶轮流出的气流并引向出口，与此同时将气流的一部分动能转变成压力能。由螺形室、蜗舌和扩压器组成。螺旋室外形制作成阿基米德螺旋线或对数螺旋线，提高效率。扩压器的扩散角为6～8°。蜗舌由螺旋室内部螺旋的起始部分与风机出口断面反向延长线的一部分构成，可以防止气体在机壳内循环流动，提高效率。3.集流器圆筒形简单，但集流器出口会形成涡流区圆锥形较好，但太短，效果不佳弧形集流器好于前两种锥弧形最符合气流流动的规律，与圆柱型集流器相比，效率可提高2％～3％，高效风机上基本都采用此种集流器二、轴流式泵与风机的主要部件1.轴流式泵与风机的主要部件1.叶轮：叶片+轮毂2.导叶：前、后导叶3.吸入室和集流器4.扩压筒二、轴流泵与风机的主要部件喇叭形吸入室肘形吸入室扩压筒的作用是将导叶流出气流的动能部分转变为压力能，其结构有筒形和锥形。吸入室和集流器泵称为吸入室，风机称为集流器。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。扩压筒扩压筒第四节泵与风机的主要性能参数效率η:流体得到的能量与输入功率的比例转速n:转速高，流量大，扬程高，级数和轴长可以减小功率P：原动机传递给泵与风机轴上的功率扬程H/全压p：单位重量的液体/单位体积的气体获得的能量流量qv（qm）：单位时间内输送的流体量汽蚀余量NPSH:标志泵汽蚀性能的重要参数一、流量

泵与风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流量qV表示，单位为m3/s，m3/h。

测量时,泵以出口流量计算，而风机则以进口流量计算。

对于非常温水或其它液体也可以用质量流量qm表示，单位为kg/s，kg/h。qm和qV的换算关系为：qm=ρqV二、扬程（全压）

单位重力（体积）流体通过泵（风机）所获得的能量增加值。

对于泵：通常用扬程H表示，单位为m；说明：下标“1、2”表示泵与风机进口和出口截面。对于风机：通常用全压p表示，单位为Pa。三、功率和效率

原动机传动装置泵与风机原动机配套功率：PM=KPg，K为容量安全系数（额定条件下）。四、转速泵与风机轴每分钟的转数，通常用n

表示，单位为r/min。有效功率：（kW）

轴功率：传到泵与风机轴上的功率

（kW）

原动机输出功率：（kW）传动效率：

tm效率：五、其它基本性能参数

3、内功率实际消耗于流体的功率称为泵与风机的内功率，用Pi表示。它等于有效功率加上除轴承、轴封外在泵与风机内损失掉的功率。即：Pi=Pe+P

（kW）

2、风机的静压有效功率用Pest表示，其计算式如下：（kW）

1、风机的静压风机的全压减去风机出口截面处的动压pd2（亦称风机的动压）称为风机的静压。用pst表示，即：（Pa）

4、内效率泵与风机的有效功率与内功率之比称为泵与风机的内效率（风机称为全压内效率）。用i

表示，即：5、静压效率和静压内效率静压效率是指风机的静压有效功率和轴功率之比，用st表示，即：同理，静压内效率等于静压有效功率与内功率之比，用ist表示，即：五、其它基本性能参数1．大容量国产300MW机组配套两台锅炉给水泵，单台功率为5500kW。国外1300MW机组只用一台给水泵，其驱动功率为50000KW；1800MW机组给水泵的功率为55000KW；甚至还有驱动功率高达75000kW的给水泵。出口压力也发展到超超临界压力35MPa。随着高超临界压力机组的应用，其给水泵的出口压力将高达50MPa以上。国外700MW机组轴流式送风机和引风机功率11000kW。第五节泵与风机的发展趋势2．高速化上世纪60年代，由于汽蚀和材料的限制，给水泵转速一般仅为3000r／min，近年来已提高到7500r／min(1800MW机组用），泵的单级扬程由200m左右增加到1150m以上。提高转速可提高泵的单级扬程。因此，在总扬程相同时，可减少泵的级数，缩短泵轴的长度，减小体积，减轻总量，节省了材料，搬运维修都更方便。660MW机组配套给水泵，转速3000r/min提高到7500r/min，单级扬程可达1143m；因而级数从5级减少到2级，重量减轻3/4。由此带来的经济效益是十分显著的。第五节泵与风机的发展趋势

3．高效率凡离心泵、轴流泵效率低于60％，通风机、鼓风效率低于70％，必须分批分期地予以改造或更换。改进后的4-13.2(73)型后弯机翼叶片离心式送引风机的效率可达90％左右，原10Sh-6型泵改进为250S-65型，效率由79％提高到84％，原DG500-140型给水泵，改进为DG450-180型后，效率由72％提高到79％。值得注意的是：全国泵与风机设备在系统中的实际运行效率只有40％左右，比发达国家低10％~30%。为此，除提高泵与风机自身的效率外，还需要提高其在系统的运行效率。

第五节泵与风机的发展趋势