第二章 流体输送机械

Review一、相似理论与因次分析1、力学性相似原理相似定义几何相似：长度比例系数，面积比例系数和体积比例系数运动相似：速度比例系数，加速度比例系数动力学相似：四大相似准数相似三定律与单值性相似：Eu=f(Fr,Re)

2、相似准数及其物理含义推导方法：动力相似定义；运动微分方程Review3、四大相似准数定义及物理含义Re＝惯性力/粘性力；Eu=p/pu2压力差/惯性力；Fr=u2/gl惯性力/重力；M=u/a=惯性力/弹性力。4、模型律完全相似与局部相似特种模型律模型律的应用：管内流体流动：Re模型律、管壁粗糙度相似具有自由面的液体急变流动：Fr模型律液体孔口淹没出流：Eu模型律Review5、因次（量刚）分析理论白金汉（Buckinghan）π定理瑞利定律相似理论与因次分析的区别：

相似理论是在描述物理现象的物理方程已知的情况下，探求两现象的相似条件。用于模型制备、设计及原模型数据转换。因次分析是在决定某物理现象的诸因素已知条件下，根据量纲一致性推导出描述该现象的物理方程－隐式准则方程。适用于实验方案确定及其数据处理。二、一元气体动力学基础Review1、理想气体一元稳定流动运动方程Review2、音速、滞止参数、马赫数3、气体一元稳定流动连续性方程

第二章流体输送机械

本章内容2.1概述2.2离心泵2.3其他类型化工用泵2.4气体输送机械作业：11-5,6,10,13-5,13-6习题：1，2，4，5，7，9，11，12本章要求1、掌握如下基本概念：气缚，扬程，工作点，效率，轴功率，汽蚀、汽蚀余量，压缩比，余隙（体积、比）等.2、了解泵与风机的分类及特点.3、熟悉离心泵的构造、工作原理、性能参数、特性曲线及其影响因素.4、熟悉离心泵工作点及流量的调节方法.5、熟悉气体输送机械的分类.6、了解往复泵、齿轮泵、漩涡泵、真空泵、压缩机的构造、工作原理、特点及应用.2.1流体输送机械概述定义：为流体提供能量的机械称流体输送机械。最多的是泵和风机作用表现在：①为流体提供动力，以满足输送要求；

②为工艺过程创造必要的压强条件；

大量用于机械、燃气、供热、通风等行业。流体输送机械的分类流体输送机械按工作原理分类：离心式（叶轮式）往复式旋转式流体动力作用式根据流体性质的不同分为：输送液体用泵输送气体用压缩机（或风机）

真空泵

内容提要离心泵的工作原理和主要部件

离心泵的主要性能参数和特性曲线

离心泵的工作点与流量调节

2.2离心泵离心泵的气蚀现象与安装高度

离心泵的类型与选用2.1.1离心泵的操作原理和主要部件

1、操作原理A获能（叶轮）B转能排液（泵壳）C吸液（入口）离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，将动能和静压给予液体，在泵壳内液体的部分动能转变成静压能，使液体获得较高的压力，压出泵体外。

2、离心泵的气缚现象

离心泵为自吸泵。离心泵若在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力很小。此时在吸入口的所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动泵但不能输送液体的现象，称气缚。Airbinding为此需安装带吸滤网的止逆底阀。3、离心泵的主要部件A叶轮：6～12片后弯叶片平衡孔：平衡轴向推力B泵壳（蜗壳）导轮C轴封装置（一）叶轮种类（二）泵壳离心泵吸液方式离心泵轴封装置2.2.2离心泵的主要性能参数

1、流量（送液能力Q）单位:m3/s2、扬程（H）单位:J/N=m也称压头3、功率（N轴、Ne）：单位，W4、效率（）

泵轴叶轮液体能量能量离心泵功率损失的原因值反映泵工作时机械能损失情况，一般0.6～0.85,大型泵可达0.9.（1）流体流动摩擦损失（水力损失）：仅获得有效扬程H－ηh。P296由进口、撞击、叶轮、动压转换（出口）四部分组成（2）流量损失（容积损失）：部分高压液体泄漏（通过缝隙等）到低压区－ηv（3）机械损失：泵轴与轴承之间的摩擦和泵轴密封处的摩擦损失。ηm离心泵启动或正常运转时可能超过正常负荷，电机功率应大于轴功率。H-Q曲线：N轴-Q曲线：-Q曲线：2.2.3离心泵的特性曲线及影响因素1、离心泵的特性曲线：标志着泵的性能一般以流量Q为横坐标，用扬程H、功率N、效率η绘Q～H、Q～N、Q～η、Q～Hs曲线。条件:额定转速，标准状况，清水1、离心泵的特性曲线H-Q曲线：Q～H曲线是下降的曲线，即随流量Q的增大，扬程H逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率点10%左右）.不同泵曲线陡降不同。N轴-Q曲线：离心泵的轴功率随流量增加而逐渐增加，曲线有上升的特点。当流量为零时（闸阀关闭），轴功率最小。因此，为便于离心泵的启动和防止动力机超载，启动时，应将出水管路上的闸阀关闭，启动后，再将闸阀逐渐打开，即水泵的闭阀启动。轴流泵与离心泵相反。1、离心泵的特性曲线-Q曲线：流量效率曲线为从最高点向两侧下降的变化趋势。max7%范围为高效区；max点为额定点。Q～Hs曲线：离心泵流量与允许吸上真空度曲线是一条下降的曲线。而离心泵流量与汽蚀余量(HSV或Δh)曲线是一条上升的曲线。1、离心泵的特性曲线试验性能曲线测定:在一定的转速下测定水泵扬程、轴功率、效率与流量之间的关系，并绘出完整的性能曲线。水泵样本或产品目录中除了以性能曲线表示水泵的性能外，还以表格的形式给出水泵的性能。离心泵的性能表IS60－540型泵性能表水泵型号流量Q扬程H(m)转速n(r/min)功率P(KW)效率(%)允许吸上真空度(m)叶轮直径D(mm)重量(kg)IS60-540m3/hL/s轴功率配套功率590164981450213300745.45408477922209025077.54.593626082279753.5离心泵的通用性能曲线水泵在不同转速下的性能曲线用同一个比例尺，绘在同一坐标内而得到的性能曲线。

H=KQ2相似工况抛物线或等效率线离心泵的通用性能曲线2、影响离心泵性能的因素转速的影响：同种型号泵，同种液体，效率不变时，符合比例定律Q1/q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3叶轮直径影响：切割量<5％时，效率不变，符合切割定律Q`/Q=D2`/D2H`/H=(D2`/D2)2N`/N=(D2`/D2)3

液体密度影响：流量、扬程H=(p2-p1)/g不变，轴功率N轴=QHg/随密度增大而增大粘度影响：增大，流量，扬程减小，轴功率下降，效率下降。

N轴=Ne/离心泵特性曲线测量2.2.4离心泵的工作点与流量调节1、管路特性方程与管路特性曲线管路的特性曲线是表示一定的管路系统所必需的有效压头H与流量Q的关系。见图2-7在一稳定流动系统中，在1-1、2-2列柏努利方程式得：H=Z+P/g+u2/2g+Hf当管路系统一定时，Z与P/g均为定值，上式可整理成如下形式：H=H0+Hf,由范宁公式可得Hf＝KQ2所以：H=H0+KQ2此式表示在特定的管路中，送液量Q与所需压头H的关系称此式为管路特性曲线方程。将此关系标绘在图上，即可 得H—Q曲线。K大，高阻力管路。离心泵管路特性方程及工作点2.2.4离心泵的工作点与流量调节2、工作点当离心泵安装在一管路中，泵所提供的流量与压头（H-Q泵的特性曲线）,应与管路所要的流量与压头(H-Q管路特性曲线)相一致。两曲线的交点即为工作点P（dutypoint）。p74见图2－8。若P点对应最高效率区则工作点是适宜的。

3、离心泵的流量调节

对一台泵而言，其特性曲线H-Q是不会变的，而管路特性曲线可变。当原工作点所提供的流量不满足新条件下所需要的送液量时，即应设法改变原工作点的位置，即需要进行流量调节。调节方法有：（1）调节阀门开度；（2）改变泵的转速；（3）切割叶轮直径；（4）离心泵并联；（5）离心泵串联。（1）改变阀门开度在离心泵出口管路上安装一调节阀，实质是改变H=H0+KQ2中之K值。优点：操作简便、灵活。缺点：阀门关小时，管路中阻力增大，能量损失增加，并可能使泵不在最高效率区域中工作。故此种调节方法多用于流量调节幅度不大，而经常需要调节的场合。

改变泵的特性曲线，即，改变叶轮转速、切削叶轮等。用这种方法调节流量在一定范围内可保持泵在高效率区域中工作，能量利用较经济，但不方便，需用变速装置，故应用不广。见图2-10

（2）改变转速、切割叶轮(3)离心泵的并联与串联操作

并联两台泵的吸入、排出管路相同——管路特性曲线相同；两台泵的流量、压头相同——泵的特性曲线相同；

在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍。Q并=2Q单两台泵并联操作的总流量必低于原单泵流量的两倍。Q并<2Q。

(3)离心泵的并联与串联操作串联两台泵的流量、压头相同——泵的特性曲线相同；对于“泵”的特性曲线，同一流量下，两台串联泵的压头等于并联中单台泵的两倍；（注意：流过两台泵的流量是相同的。）串联后总流量、总压头增大，但压头低于原独立的单台泵压头的两倍。H串=2H单。组合方式的选择

1、对于管路特性曲线较平坦的低阻管路，采用并联组合，可获得较串联组合高的流量和压头。2、对于管路特性曲线较陡的高阻管路，采用串联组合，可获得较并联组合高的流量和压头。3、对于(Z+P/g)值高于单泵所能提供最大压头的特定管路，则必须采用串联组合方式。

组合方式的选择高阻管路低阻管路判断泵的联接是串联还是并联？2.2.5离心泵的气蚀与安装高度

1、离心泵的气蚀现象

见p78图2－15离心泵运转时液体在泵内的压强变化a）泵入口叶轮入口静压头

动压头基本不变,总压头b）叶轮入口叶轮入口转弯点（压强最低点）流体流到叶轮转弯点，消耗能量，静压头，动压头基不变，总压头c）叶轮转弯点叶轮出口叶轮对流体做功，静压头

动压头

总压头

d）叶轮出口泵出口泵壳流道渐大，动压头一部分转换为静压头，静压头

流动又消耗能量,动压头

总压头2.2.5离心泵的气蚀与安装高度定义：叶轮入口转弯处存在一个压强最低点。如果此处附近的最低压力等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压pv，液体就会在该处发生汽化并产生气泡，气泡随同液体从低压区流向高压区，气泡在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处产生几万KPa的压强，冲击频率可高达几万次之多，由于冲击作用使泵体震动并产生噪音，且叶轮局部处在巨大冲击力的反复作用下，使材料表面疲劳，从开始点蚀到形成裂缝，使叶轮或泵壳受到破坏，这种现象称为“汽蚀现象”。（cavitation）为避免汽蚀的发生泵的安装高度不能过高，可用泵表格中的汽蚀余量（netpositivesuctionhead）对泵的安装高度加以限制。

有效汽蚀余量△ha和必须汽蚀余量△hr1、有效汽蚀余量△ha(availableNPSH)不汽蚀，液体经吸入管到达泵入口处所具有的压头P1/g+u12/2g应使液体推进叶轮入口，且应大于液体在工作温度下的饱和蒸汽压头Pv/g，其差值常称为有效汽蚀余量△ha表达式为：

△ha＝（P1/g+u12/2g）-Pv/g2、必须汽蚀余量△hr(requiredNPSH)表示液体从泵入口流到叶轮内最低压力点处的全部压头损失。△hr越小，泵越不易汽蚀。这样，△ha用于△hr所富余的压头就越多。判断汽蚀条件：△ha>△hr不汽蚀；△ha=△hr开始发生△ha<△hr严重汽蚀；（三）离心泵的最大安装高度指泵的吸入口与吸入液面间可允许达到的最大垂直距离Hgmax。设泵在最大安装高度上操作，液面压力P0，泵入口处压力P1，泵入口处流体流速u，密度，吸入管损失压头Hf

。从吸液面0-0至泵入口1-1列柏氏方程

P0/g+u02/2g+z0=P1/g+u12/2g+z1+Hf可以看出，当z1上升，Hf0-1上升，则P1下降一直下降到气蚀允许的最小绝压，就不能再下降，否则就产生气蚀，则此时

z1-z0=Hg(u0=0)Hg=(P0-P1)/g-u12/2g-Hf,0-1

Hg=(Pa-P1)/g-u12/2g-Hf,0-1=Pa/g-(P1/g+u12/2g)-Hf

Hg=Pa/g-Pv/g-△ha–Hf

Hgmax=Hg=Pa/g-Pv/g-△hr–Hf（四）允许汽蚀余量△h与最大允许安装高度为保证泵的安全操作允许汽蚀余量△h＝△hr＋0.3m泵规格表中的汽蚀余量就是允许汽蚀余量。最大允许安装高度Hg允许将最大安装高度中的△hr用△h代替：则：

Hg允许=Pa/g-Pv/g-△h–HfPa：储槽液面上方压力Pv：液体工作温度下的饱和蒸汽压△hr：允许汽蚀余量Hf：吸入管路压头损失泵的实际安装高度Hg必须小于或等于Hg允许。Hg实际=Hg计算-(1～0.5)mReview一、流体输送机械的定义、作用及分类作用：为流体提供动力，以满足输送要求；为工艺过程创造必要的压强条件。分类：工作原理；流体性质。二、离心泵的工作原理和主要部件工作原理：能量获得；流体的吸入；流体动静压能的转化气缚及其防止：预先灌水；安装带吸滤网的止逆底阀；密封主要部件：叶轮、泵壳及轴封装置三、离心泵的主要性能参数五大参数：流量；扬程；功率；效率；汽蚀余量Review五大参数的物理含义：Q，H，N，，△h

离心泵功率损失的原因：＝ηh*ηV*ηm四、离心泵的特性曲线及其影响因素1、Q～H、Q～N、Q～η、Q～Hs曲线2、影响因素：n，D叶轮，流体粘度，密度3、特性曲线的测量及测定条件五、离心泵的工作点与流量调节1、管路特性方程及管路特性曲线：H=H0+KQ22、离心泵的工作点：高效区，适宜工作点Review3、离心泵流量（工作点）调节方法

调节阀门开度；改变泵的转速；切割叶轮直径；离心泵并联；离心泵串联：注意组合方式选择。六、离心泵的气蚀与安装高度1、气蚀定义及其判断2、几个汽蚀余量定义及其相互关系：△ha，△hr，△h3、几个安装高度：Hgmax，Hg允许，

Hg实际4、安装高度计算汽蚀的防止当离心泵发生气蚀时，可以通过以下几个方面进行考虑：当地大气压Pa,Hs`,Hg,易气蚀Hg,易气蚀吸入管Hf,易气蚀(故一般离心泵的吸入管比排出管粗)密度,Hs,易气蚀液体温度T,饱和蒸汽压,易气蚀。2.2.6离心泵的类型与选择

1、

类型 按输送液体的性质

按叶轮吸入方式

按叶轮数目

A按叶轮数目

多级泵

单级泵B按吸液方式

双吸式

单吸式C按所产生的压头大小中压泵＝20～50mH2O低压泵<20mH2O高压泵>50mH2OD按泵轴的位置

立式泵

卧式泵离心泵分类清水泵型号说明

IS50-32-250，ISR，S,D,DGIS，ISR－单级单吸式；29个品种S：单级双吸式D,DG：多级式50––泵吸入口直径（mm）32－泵排出口直径（mm）250－叶轮名义尺寸（mm）其它离心泵1、耐腐蚀泵：输送酸、碱、盐。F型；IH型；CZ型2、油泵Y型；SJA型离心泵的选择

确定输送系统的He与Qe。Qe（一般已知）He（由柏努利方程求得）选择泵的类型与型号。液体的性质和操作条件确定泵的类型。由He-Qe选泵型号。核算泵的特性参数，查表选择。N=(HQ)/(102)2.2其它类型泵

往复泵齿轮泵旋涡泵旋转泵往复泵(reciprocatingpump)1、作用原理及主要部件

p354，图14-1主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀、排出阀工作原理：活塞向右移动泵缸容积

泵体压力排出阀门关阀，吸入杆打开液体吸入活塞向左移动泵缸容积泵体压力排出阀门打开，吸入杆关闭液体排出

具有自吸能力。转速不能过大。N＝80～200r/min，安装高度4~5m.往复泵的类型与流量类型：见化工原理图2-21。单动、双动、三联单动泵由于吸入阀和排出阀均在活塞一侧，吸液时不能排液，排液时不能吸液，所以泵排液不连续，不均匀。为了改善往复泵的排液情况，可采用双动泵或三联泵。

双动泵即活塞两侧都装有吸入阀和排出阀，使吸液、排液同时进行。

往复泵的流量调节（1）旁路调节：p84,图2-24（2）改变转速（3）改变行程特性曲线：p354图14-2H与流量几乎无关。单动泵：Qv理＝ASn；双动泵：Qv理＝（2A－a）Sn往复泵的特点

流量仅与泵本身的尺寸及活塞的往复次数有关，而与泵的扬程无关。

压头与泵本身的尺寸无关，只要泵的机械强度及电动机功率允许，要多大压头，往复泵可供多大压头。

有自吸能力，启动泵前无需灌泵。

采用支路调节流量。见化工原理p84，图2-24

旋涡泵p357特殊类型的离心泵，辐射状的径向叶片，原理与多级离心泵相似。扬程高，效率低30～40％Q-H、Q-曲线与离心泵相似。

Q-N曲线与离心泵相反，QN故旋涡泵开车应打开出口阀。回流支路调节流量。启动泵前先灌泵。我国生产W系列。漩涡泵总体漩涡泵叶轮旋转泵

1、齿轮泵：化工原理图2－25工作原理与往复泵相似。在泵吸入口，由于两齿轮分开，空间增大形成低压区而将液体吸入。被吸入液体在齿轮和泵体之间被分成两路由齿轮推着前进。在压出口，由于两齿轮互相合拢，空间缩小形成而将液体压出泵。2、螺杆泵与齿轮泵相似，用两根相互啮合的螺杆推动液体作轴向移动。

2.3气体输送和压缩机械

应用：输送气体产生高压气体产生真空

自动控制的回路或系统需有一定压力的气源

气体输送机械分类通常按出口压力或压缩比分类（1）通风机（fan）:出口表压<15kPa,压缩比<1.15（2）鼓风机（blower）:出口表压10~300kPa,压缩比1.1~4（3）压缩机（compressor）:出口表压>300kPa,压缩比>2(4)真空泵（vacuumpump）:抽设备中气体通风机与鼓风机，鼓风机和压缩机之间无明确划分界限。按工作原理分类：

往复压缩机旋转压缩机离心压缩机流体作用压缩机按终压P2或压缩比P2/P1分压缩机P2/P1>4 P2>3×105Pa(表)鼓风机P2/P1=1.15~4通风机P2/P1=1~1.15 P2<1.5mH2O(表)真空泵用于减压一、离心通风机p87～89构造和原理:与离心泵相似：机壳、叶轮、吸入口、排出口性能参数和特性曲线:风量、全风压、静风压、轴功率、效率

离心通风机的特性曲线有：Q-HT、Q-Hp、Q-N、Q-；见p89,图2-30离心通风机的选择离心通风机二、离心鼓风机和压缩机（透平）

主要结构与离心通风机相似，但级数多，由于PTV故叶轮逐渐变小。压缩机在10级以上，必须分段冷却，以免温度过高。冷却方法：机壳外侧安装冷水夹套；2～3个叶轮为1段，段间安装中间冷却器。

离心鼓风机离心压缩机离心压缩机叶轮三、旋转式鼓风机罗茨鼓风机(Rootsblower)最常用。工作原理与齿轮泵相似。见p92图2-33其气体流量与转速增大。一定转速下，出口压力增大时，气体通过转子与机壳的间隙泄漏增多，流量减小。一般用旁路调节流量，温度低于85℃,风机出口安装安全阀和气体稳压罐。罗茨鼓风机四、往复压缩机

1、气体压缩