第二章流体输送机械

第二章流体输送机械

第一节概述第二节离心泵第三节往复泵第四节其他化工用泵第五节气力输送机械流体在流动过程中将损失部分机械能，只能由高能位向低能位处流动。但在多数情况下需将流体由低能位向高能位处输送，因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流体补加足够的机械能。用以输送液体的机械通称为泵输送气体的机械按不同的情况称为通风机，

鼓风机，压缩机，真空泵等。本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性，以便选择与使用。第一节概述一、离心泵作用向流体提供能量：用于提高流体势能（低能位向高能位输送流体）和克服管路的阻力损失。铭牌:二、输送流体所需能量

1、管路特性曲线方程H：单位重量流体需补加的能量K由管路特性决定管路特性方程该式表明了管路中流体的流量与需补加能量的关系一般情况下，动能差一项可忽略管路特性曲线低阻管路高阻管路Hqv122、压头（扬程）与流量是输送机械的主要技术指标

压头He：指输送机械向单位重量流体提供的有效能量，J/N输送机械向流体提供的能量He应与管路所需补加能量H相等流体输送机械在不同流量下压头也不同，压头与流量的关系由输送机械本身特性决定，是流体输送机械的主要技术指标，讨论He～qV关系，即确立泵的特性方程是本章的主要内容。

He=H三、流体输送机械分类

按流体性质输送液体—泵：离心泵、往复泵输送气体—机：通风机、鼓风机、压缩机按工作原理

容积式（正位移式）：压缩机、旋转泵动力式（叶轮式）：离心泵、轴流泵1、泵结构第二节离心泵

叶轮(1、2、3、4）

向流体做功泵壳使动能→势能，是能量转化装置一、离心泵工作原理2、旋转流体的考察方法第一章中只是介绍了流体在重力场中的能量守恒及转换流体质点的考察方法：拉格朗日法及欧拉法旋转流体的考察方法：静止坐标参照系旋转坐标参照系3、离心力场中的机械能守恒

（1）液体在叶片间的运动

—切向速度（流体随叶轮旋转具有的速度）

—相对速度（流体沿叶轮间通道流动，相对于叶轮的速度）C—绝对速度（与的向量和）c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）离心泵流量：

注：出口截面积径向管口流速三者关系：

（余弦定理）

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1r2b2u2c2w2旋转坐标系：叶轮水平放置，叶轮进出口截面列柏氏方程：为总势能，包括常规势能和离心力场势能以相对速度计的动能

（3）机械能守恒——假定：理想流体无阻力损失、定态流动12说明：

叶轮通道内，切向速度u与半径有关相对速度w与叶片间流道有关，外缘流道宽，相对速度w小。12静止坐标系：离心泵理论压头（1）、（2）式表明：离心泵以势能和动能两种形式向流体提供能量。对于常用的后弯叶片叶轮，，而且w1>w2，说明提供能量中势能所占比例更大。离心泵设计:为使HT大，cosα1=0，因此使流体从径向进入叶轮，此时α1=90ο消去其中w1、w2，得：故：离心泵理论压头c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（1）流量对压头的影响

由图可知：

3、离心泵理论压头的影响因素

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1二式代入上式中：所以离心泵理论HT-qV图c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）叶轮形状对理论压头的影响

(a)(b)(c)为什么采用后弯叶片？后弯可获得较高能量利用率理论压头=势能+动能前弯C2大，动能虽大，但流体动能经蜗壳部分转化为势能过程中，阻力损失也大。为获得较高的能量利用率，采用后弯叶片。(a)（3）液体密度对压头的影响

但是在同一压头下，泵进出口的压差与ρ成正比对1—1及2—2截面间用柏努利方程

根据：

同一台泵提供的理论压头相同，HT与ρ无关，12气缚：由于没有灌泵，或泵体密封不严，使得泵内存气，启动泵后发生吸不上液体的现象。这一现象称气缚，气缚现象发生后，泵无液体排出，无噪音、振动。为避免气缚应灌泵或检查泵体的密封性。

离心泵启动时为什么要先灌泵？1、泵的有效功率和效率机械损失：轴承机械摩擦

有效压头，低于

qv

实际流量Pe

有效功率

Pa轴功率，由电机输入

泵总效率

水力损失：流体冲击形成旋涡，管道沿程阻力

容积损失：出口液体因缝隙泄漏返回入口

二、离心泵特性曲线小型水泵：一般为5070%，大型泵：可达90%以上离心泵理论HT-qV图a理论压头b环流损失d冲击损失c阻力损失HTqV离心泵有效He-qV图有效压头泵的理论压头与有效压头的关系2、离心泵的特性曲线前面讨论的管路特性曲线，表明的是管路中流体流量与所需补加能量的关系管路特性方程高势能低势能流动V1低阻力管路系2高阻力管路系统0有效压头与流量的关系He～qV效率与流量的关系η～qV轴功率与流量的关系Pa～qV通过实验测定

具体测定方法见p74.例2-1离心泵特性曲线：离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)离心泵的特性曲线离心泵的He、η、Pa

都与离心泵的qV有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：He~qV、η~qV、Pa~qV——离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率点所对应的qV、He、Pa值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)离心泵的特性曲线思考：1、离心泵启动和关闭时出口阀门应关闭还是打开，why？离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。停泵前关闭泵的出口阀门是为了防止高压液体倒流，对泵造成损害。2、离心泵启动时，出口阀门应关闭，此时qV＝0时，Pa=0？离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)离心泵的特性曲线3、离心泵特性曲线的影响因素

1）液体性质的影响

密度离心泵的流量

与液体密度无关。

离心泵的压头

与液体的密度无关

He～qV曲线不因输送液体的密度而发生变化，泵的效率η不随输送液体的密度而变。

离心泵的轴功率与输送液体密度有关。粘度当输送液体粘度大于常温（20℃）清水的粘度时，↑，阻力损失↑，He－qV下降急剧。最高效率点处：qV、He、均，Pa。此时泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正。实验表明，当输送液体粘度<常温（20℃）清水的黏度时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。（2）转速的影响——按比例换算

转速改变，离心泵的特性曲线不同。换算条件：设转速改变前后流体离开叶轮的速度三角形相似，泵效率相等流量之比扬程之比：轴功率之比：流量之比据此可从某一转速下的特性曲线换算出另一转速下的特性曲线。三、离心泵的流量调节和组合操作

离心泵的实际工作状况（流量、压头）是由泵特性和管路特性共同决定的。（1）离心泵的工作点（即操作点）两曲线的交点

He=H联立求解管路特性方程泵的特性方程1、离心泵的流量调节

OqV1qVHeH1离心泵的工作点A（2）离心泵流量调节

◎

改变管路特性曲线

调节阀门开度OqV2qV1H2HA2关小阀门改变泵的工作点A1qV(m3/h)η◎

改变泵的特性曲线

a、改变转速

若把泵的转速n’降低到n：则He~qV线下移，工作点由A1’移至A1，流量由qV1’降为到qV1；则He、Pa均减小。优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，适用于大功率泵。OH(m)调节转速nA1qV(m3/h)qV1nn’b、车削叶轮

调节不够方便（1）并联泵单台泵不能满足输送任务要求可采用多台泵的并联和串联，增大流量或者压头。两泵型号相同，吸入管路相同在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍2、泵的组合操作

将单台泵特性曲线A的横坐标加倍，纵坐标保持不变便可得到两台并联泵的合成特性曲线B。A线泵特性曲线C线管路特性曲线B线组合操作曲线

并联泵的合成特性曲线按同一压头下两台并联泵流量是单泵两倍的原则取点。由图可见：合成曲线B与管路曲线C交于新工作点2qV单H1CqV并H并AB2（2）串联泵

在同一流量下，两台串联泵的压头为单台泵的两倍串联泵的合成特性曲线按同一流量下两台串联泵的压头是单泵两倍的原则取点的坐标12H单MM’qV串H串HqVOqV单（3）组合方式选择低阻输送管道，，并联优于串联高阻输送管道，，串联优于并联02468101214161820051015202530354045H/mqV低阻12高阻例题1.教材p95.习题第2-7题某台离心泵特性曲线可用方程He=20-2qV2表示，式中He为泵的扬程，m；qv为流量：m3/min。现该泵用于两敞口容器间送液，已知单泵流量为1m3/min，欲使流量增加50%，试问应该将相同的两台泵并联还是串联使用？两容器的液面位差为10m。解：管路H=泵He因为Z=10，qV=1，联立上两式得K=8单泵可提供压头即当管路所需压头并联？串联？流量已定并联：同一压头，流量加倍串联，同一流量，压头加倍解法2：作图法—列表、作曲线，找交点坐标作业：P94：1、3、4并联或串联，管路方程不变四、离心泵的安装高度1、汽蚀现象当P1=P1,min时，Pk=PV（液体的饱和蒸汽压），部分液体会发生汽化，发生汽蚀。Hgp0K1离心泵的安装高度0叶片进口处K-K是泵中压强最低处，是最易汽化之处。若发生汽化时（汽蚀），含气泡的液体过K点进入叶轮后，因叶轮对流体施加压能后压强升高，使气泡凝聚、破碎后产生局部真空，周围液体高速补充，对叶片造成冲击和振动；此外，气泡中挟带的氧气对金属产生化学腐蚀，其结果导致叶片过早损坏，这种现象为泵的汽蚀。汽蚀产生的后果：叶片表面产生蜂窝状腐蚀；泵体震动，并发出噪音；流量、压头、效率都明显下降；严重时甚至吸不上液体。汽蚀现象发生时，流量qV、扬程（压头）He

和效率η都明显下降，严重时甚至吸不上液体。因此汽蚀现象是有害的，必须加以避免。那么，如何避免汽蚀现象的产生呢？从前面的分析可知，为避免汽蚀现象的发生：①泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中各处压强高于被输送液体的饱和蒸汽压PV；②可采取P0↑；③∑hf(0-1)↓；④流体降温，使流体的饱和蒸汽压PV↓

。Hgp0K10汽蚀—泵的安装高度太高，使得部分液体汽化引起；—可以输液但损坏泵，严重时无法工作。气缚—由于没有灌泵或泵体密封不良，使泵内存气造成；—不能输液汽蚀与气缚比较：Hgp0K10我国的离心泵规格中采用下述两种指标——必需汽蚀余量（有的教材给出允许汽蚀余量）和最大允许安装高度来表示泵的吸上性能，下面简述这两种指标的意义，并说明如何利用它们来确定泵的安装高度不至于发生汽蚀现象。2、临界汽蚀余量[NPSH]C与必需汽蚀余量[NPSH]r1－1截面与K—K截面：Hgp0K10流量一定，流动进入阻力平方区时（通常均可满足），[NPSH]C只与泵的结构尺寸有关，由泵厂实验测定给出。为确保泵正常工作须使P1>P1min，保证PK>PV不发生汽蚀，因此引入实际汽蚀余量NPSH和必需汽蚀余量[NPSH]r[NPSH]r—与流量有关，流量越大，[NPSH]r也越大。按使用过程中可能的最大流量计算。NPSH≥[NPSH]r+0.5米

3、最大安装高度Hg,max与最大允许安装高度[Hg]

当泵的安装位置达到某一极限高度时，刚好发生汽蚀现象，这一极限高度称为泵的最大安装高度。0—0及K—K截面间列机械能衡算式

已知求算泵厂提供Hgp0K10讨论：影响Hg的因素Hg越大越有利于使用压差要大—p0↑，

pV↓；流体降温则PV↓↑Hg阻力损失要小—∑Hf0-1↓，一般d吸＞d出，以减小进口管直租hf，泵进口管路尽量少用管件阀门以减小进口管路局阻hf

。Hgp0K10例题2.教材p96.习题第2-10题.(习题2-9附图改为习题2-10附图）

故不能正常，应将泵下移1.6m或塔上升1.6m作业：P96页：10五、离心泵的类型与选用离心泵的类型清水泵

IS（单级单吸）

D（多级）Sh（双吸）耐腐蚀泵F油泵YYS（双吸）液下泵FY（工作原理）屏蔽泵电机叶轮联为整体，无泄漏泵，也叫无密封泵离心泵的选用（选效率最高的）(1)根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型(2)根据具体管路对泵提出的流量和压头要求确定泵的型号第三节往复泵一、往复泵的基本结构与作用原理通过活塞的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量。泵缸，活塞，活门。曲柄连杆机构带动图a单缸单动往复泵的流量曲线图b单缸双动往复泵的流量曲线Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

三缸单动往复泵的流量曲线流量不均匀性多缸压缩空气室二、往复泵的流量调节单动泵1，2：

双动泵1，2：—泵缸数目—活塞往复频率1/min—行程m—活塞截面积—活塞杆截面积—活塞往复一次压出体积参考P83图2-26往复泵的流量计算：流量调节

往复泵理论流量仅由活塞扫过的体积决定，与管路情况无关，而提供的压头只取决于管路情况正位移特性

注：往复泵压头与流量无关，离心泵压头与流量有关，二者存在不同之处。特性方程=常数，与管路无关。往复泵的工作点离心泵流量调节可通过出口阀门开度大小调节，实质是调节管路特性。而往复泵流量与管路特性无关，不可安装调节阀，否则可能造成危险（压强升高）：机件破损或电机烧毁调节：（1）旁路调节，1：总流量不变，主管与旁路之间流量分配改变，不经济。（2）改变曲柄转速和活塞行程（改变泵的特性曲线），常用且经济第四节其它化工用泵

一、非正位移泵

1、轴流泵：适于压头较小，输液量大。一般不设出口阀，通过改变泵特性曲线调节流量。2、漩涡泵：适于高压头，小流量，效率低

二、正位移泵

1、隔膜泵，1

输送腐蚀性液体或悬浮液，工作状态2、计量泵

精确输送流量恒定的液体或比例输送几种液体3、齿轮泵

高压头，流量小，用以输送粘稠液体

4、螺杆泵，1

高粘度液体，效率高于齿轮泵隔膜泵计量泵齿轮泵螺杆泵第五节气体输送机械

●

通风机●

鼓风机●

压缩机●

真空泵（1）体积流量大（2）流速大、阻力损失大一、气体输送的特点：输送管路阻力损失:气体是液体10~100倍则相差100倍对气体输送机械的要求：（1）高压头（阻力损失大造成）离心式或轴流式：流量大，但是压头不够（2）大流量（气体密度小体积大，体积流量大）

气体输送机械结构与原理：与流体输送机械基本相同正位移式：高压头，但流量通常小，需大设备二、气体输送机械分类：

一般以出口压强大小进行分类，或压缩比（进出口压强比）（1）通风机：出口压强<15Kpa（表压），压缩比1~1.15（2）鼓风机：出口压强15Kpa~0.3Mpa（表压），压缩比<4（3）压缩机：出口压强>0.3Mpa（表压），压缩比>4（4）真空泵：用于减压，出口压力0.1Mpa（表压）压缩比由真空度决定。1、通风机

（1）分类

轴流式：排送量大，风压甚小，用以通风换气，不用于输送气体（风扇）离心式：工作原理同离心泵，结构也相同。（2）离心通风机主要参数：流量qV（风量），全压PT（风压），功率和效率

说明：离心泵压头以单位重量流体为基准，因次为[L],[m]通风机压头以单位体积气体为基准，因次为[ML-1T-2],[Pa]（压强单位因次）因出口气速大，动风压（动能差）不能忽略，不同于离心泵进出口动能差很小，可忽略静风压+动风压则换算：注：

通风机特性曲线测定：0.1Mpa，20℃空气（）（3）选型

1>求所需风压PT

2>换算成测试条件下风压PT’3>求所需流量qV

4>根据风压和所需流量查风机样品确定型号2、鼓风机

（1）分类旋转式罗茨鼓风机离心式离心鼓风机（2）罗茨鼓风机

工作原理：同齿轮泵，属正位移型，风量与转速成正比，与出口压强无关。（3）离