流体力学第九章课件

第九章离心式泵与风机的结构原理与工作特性第一节泵与风机概述第二节离心泵与风机的基本构造第三节离心泵与风机的工作原理与主要性能参数第四节离心式泵与风机的理论性能第五节离心式泵与风机的实际性能曲线第六节离心式泵与风机性能的相似转换与比转数2/7/20231一、泵与风机在工程中的应用泵与风机——利用外加能量输送流体的机械。

泵——输送液体

风机——输送气体工程上的应用：广泛应用在石油、化工、水利、造船、电力等各领域。§9-1泵与风机概述在专业中的作用：是供热、通风、空调工程中不可缺少的动力设备。

图片2/7/20232二、泵与风机的分类

按工作原理不同主要分为：叶片式、容积式工作原理泵风机叶片式离心式离心泵旋涡泵离心风机轴流式轴流泵轴流风机混流式混流泵容积式往复式活塞泵、隔膜泵、计量泵回转式齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵罗茨风机混流风机2/7/20233一、离心泵的结构型式与主要部件

泵体电动机§9-2离心泵与风机的基本构造机座联轴器入口出口2/7/20234密封环吸入室叶轮轴封装置泵轴压出室轴承密封圈2/7/202351、离心泵的基本组成叶轮——对液体做功的部件（核心部件）泵轴——传递扭矩的部件吸入室——引导流体进入叶轮压出室——收集来自叶轮的液体轴封——防止液体通过泵轴与泵体间的间隙泄漏密封圈——起静密封作用轴向力平衡装置——使叶轮轴向受力平衡平衡孔、平衡管、双吸式叶轮、平衡盘和平衡鼓。2/7/202362、离心泵的分类按轴方向（轴地面的相对关系）分：

卧式、立式按吸入方式（几个吸入口）分：

单吸泵、双吸泵按叶轮级数（叶轮个数）分：

单级泵、多级泵2/7/20237二、离心风机的结构型式与主要部件

电机机壳机座吸入口出口叶轮2/7/202381、离心风机的主要组成进风口（集流器）——使气流以较小阻力进入叶轮。有圆筒式、锥形、曲线式等形式。叶轮——将电机功传给气体（核心部件）。机壳——收集来自叶轮的气体，并将部分动压转化为静压。出风口——使气流顺利排出。有机翼形、平板形、弧形三种结构形式。轴——传递扭矩、带动叶轮旋转。2/7/20239按增压大小可分为：

低压风机：增压值小于1000Pa

中压风机：增压值在1000~3000Pa之间

高压风机：增压值大于3000Pa2、离心风机的分类

低压和中压风机主要用于通风换气，在本专业中应用较多。2/7/202310一、离心泵与风机的工作原理

泵轴旋转，充满在叶片之间的水，在离心力的作用下，从叶轮中心甩向叶轮周围，经泵壳流入压水管。叶轮进口处产生真空，水在大气压下，经吸入管流向水泵。动画§9-3离心泵与风机工作原理与主要性能参数2/7/2023111、泵的扬程与风机的风压泵的扬程（H）

单位重量的流体通过泵所获得的有效能量。（m）风机的全压（p）与静压（pj

）

全压(p):单位体积气体通过风机所获得的有效能量。(Pa)静压（pj）：风机的全压减去风机出口的动压。（Pa）

二、泵与风机的主要性能参数下标“1”代表入口参数下标“2”代表出口参数2/7/2023122、流量（qv）单位时间内泵或风机所输送的流体量。（m3/s）3、功率与效率有效功率（Pe）：

单位时间内通过泵或风机的流体所获得的总能量。轴功率（P）：原动机传给泵或风机轴的功率。（W）全效率（η）：4、转速（n）泵或风机叶轮每分钟的转数。（r/min）（W）2/7/202313理想叶轮：假设流体通过叶轮的流动是恒定的，且在垂直于转轴的流面之间不互相干扰；假设叶轮具有无限多叶片，叶片无限薄，每条流线都具有与叶片相同的形状——液体无环流；假设流经叶轮的流体是理想不可压流体——无能量损失。一、流体在叶轮内的运动分析流体在理想叶轮流道内的流动可看成一元理想流体恒定流动。垂直于转轴的流面相邻两叶片§9.4离心式泵与风机的理论性能2/7/202314随叶轮旋转运动（牵连运动）沿叶片径向运动（相对运动）流体在叶轮内做复合运动：流体的运动可用速度三角形表示：u-圆周速度;v-绝对速度;w-相对速度Wvuβαvuvrβ：叶片与圆周速度反方向夹角（叶片安装角）α

：绝对速度与圆周速度的夹角（叶片工作角）uvwβαω2/7/202315下标“1”-进口参数下标“2”-出口参数D1-进口直径D2-出口直径b2-叶片出口宽度二、离心式泵与风机的理论压头推导原理：动量矩定理——作用于流体的外力矩（外力施加于叶轮转轴上的力矩）等于流体动量矩的变化率：根据:

轴功率流体获得的功率vv下标“T”-理想叶轮内无任何损失下的理论值2/7/202316结论：1、仅与流体在进、出口处的运动速度有关；

理想叶轮：

2、与被输送的流体种类无关，只要进、出口速度三角形相同，就得到相同的

。2/7/202317实际叶轮叶片数有限对理论扬程的影响：带来的影响：使相对速度朝旋转反方向偏离，绝对速度值减小。叶片数有限，流体在流道内产生相对涡流运动。v2TW2Tv2Tβαvu2Tu2TW2Tv2T2/7/202318k：涡流修正系数，

实际叶轮：简写：或：2/7/202319理论扬程之组成：——动压水头增量(HTd

)

。

动压水头大，流动的损失会较大，影响机器的效率。因此，在总扬程相同情况下，动压水头增量不宜过大。——由于离心力作功使流体产生的静压水头增量。——由于流道展宽，相对速度降低产生的静压水头增量。(HTj)2/7/202320三、叶型及其对机器性能的影响设计时:使（1）进口截面积等于出口截面积；（2）wvuβαvrvuv因此：：前向叶型：径向叶型：后向叶型叶型有三种：2/7/202321

离心泵一般为后向叶型，大型离心风机也采用后向叶型；中小型风机有的采用前向叶型。前向叶型，HT最大

，HTd最大，效率最低。径向叶型，HT居中

，HTd居中，效率居中。后向叶型，HT最小

，HTd最小，效率最高。结论：2/7/202322四、离心泵与风机的理论性能曲线叶片的排挤系数叶轮外缘面积：流体流通面积：vr2u2vr2qvTqvT对一定的叶轮、在一定的转速下：qvT2/7/202323HTqvTβ2>90°β2=90°β2<90°HT与qvT曲线PT与qvT曲线NTβ2>90°β2=90°β2<90°qvT2/7/202324一、离心式泵与风机内的损失

3、水力损失包括进口损失、撞击损失、动压转换和出口损失等。水力效率：1、机械损失圆盘摩擦损失（主要）：轴封和轴承的摩擦损失:∆P1=1%~3%N机械效率：2、容积损失：部分流体漏回到入口处。

容积效率：q§9.5离心式泵与风机的实际性能曲线2/7/202325机器的全效率：由于流体在泵或风机内的流动很复杂，流体在机器内产生的各种损失现还无法从理论上确定，因此实际性能曲线还不能通过理论推导得出。2/7/202326二、泵与风机的（实际）性能曲线包括：H~qv，P~qv，~qv等曲线,由厂家通过试验测定得出。试验条件:水泵：20℃，1个大气压，清水；通风机：20℃，1个大气压，相对湿度50%，空气

H~qv曲线最为重要，其变化趋势有三种：平坦型、陡降型和驼峰型，应优先选用平坦型。图片Pqv,m3/h2/7/202327关于性能曲线的说明：压头（风压）~流量（H~qv、

p~qv）曲线：是判断离心泵或风机是否满足管路使用要求的重要依据。轴功率曲线（P～qv）：

轴功率一般随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，因此离心泵与风机应在出口阀关闭下启动，以防止电机过载。效率曲线（～qv）：

效率曲线有一最高点，称为设计点。因为离心泵与风机在最高效率点工作时最经济，所以其所对应的流量、压头（风压）、轴功率为最佳工况参数。2/7/202328

§9-6离心泵与风机性能的相似转换与比转数一、泵与风机的相似条件（一）几何相似两机的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角度相等。（其一为模型机，另一为实型机）（二）运动相似模型机和实型机各对应点的速度方向相等，大小成比例，比值相等，即流体在各对应点的速度三角形相似。（三）动力相似模型和原型相对应点的各种力的方向相等，大小成比例，比值相等。（自然满足）同一系列大小不等的泵或风机都是相似的。2/7/202329二、泵与风机的相似定律相似工况点：实型机性能曲线上某点与模型机性能曲线上某点所对应的流体运动相似，该两点为相似工况点。相似工况点的参数间满足如下关系：注:下标“m”——模型机参数；下标“n”——实型机参数；转速变化，机器的性能曲线会发生变化。2/7/202330例1：某风机铭牌上参数为：n0=1250r/min，p0=79mmH2O，qv0=8300m3/h，P=2kW，

0=91.4%。如风机改在n=1450r/min下运行，试求相应的流量、全压及轴功率。解：由相似定律得:

2/7/202331例2：某锅炉引风机铭牌上的参数为：p0=162mmH2O、qv0

=20000m3/h、=60%。配用电机功率为22kw，三角皮带传动，传动效率为t=98%，今用此风机输送温度为20°C的清洁空气，转速不变，求在这种情况下风机的性能参数，并校核配用电机的功率能否满足要求。（实验条件：1个大气压，200°C的空气）解：由相似定律得:

qv=qv0=20000m3/h

校核配用电机的功率：配用电机不能满足需要。2/7/202332例3：已知某模型机在直径D2m=160mm，转速nm=2900r/min下的qv~H曲线，试按相似律换算出同一系列相似泵当轮径D2=120mm，n=2600r/min情况下的qv-H曲线。解：1、在模型机性能曲线上取工况点A1，查出其参数：2、根据相似定律：计算出实型机与之对应的相似工况点的参数：3、在图上画出与A1点对应的相似工况点A2。4、用同样的方法画出与模型机性能曲线上B1、C1、D1….点对应的B2、C2、D2…….点。5、将A2、B2、C2、D2点用光滑曲线连接。qv2/7/202333三、风机的无因次性能曲线对于不同的工况点值不同。曲线无因次性能曲线:

曲线曲线同一系列的机器无因次性能曲线相同。2/7/202334其中：p曲线曲线曲线工程上用的无因次性能曲线:

(所有物理量的单位均为国际单位)2/7/202335四、泵与风机的比转数比转数——包括流量、压头及转速等参数在内的综合性相似特征数。1、泵的比转数（单位：n：rpm,qv：m3/s,H：m）

在同一系列泵中，确定一台为标准模型泵，该泵在最高效率下，当扬程Hm=1m，流量qvm=0.075m3/s时，该泵的转速叫做该系列中其它泵的比转数。（rpm）2/7/2023362、风机的比转数（单位：n：rpm,qv：m3/s,p：mmH2O）

在同一系列风机中，确定一台为标准模型机，该机在最高效率下，压头pm=1mmH2O，流量qvm=1m3/s时，该风机的转速叫做该系列中其它风机的比转数。（rpm）2/7/202337家用中央空调系统2/7/202338空调系统原理图2/7/2023392/7/202340室内通风系统2/7/202341热水循环系统2/7/202342室内热水系统2/7/2023432/7/2023442/7/202345轴流泵2/7/202346混流泵工作原理

当原动机带动叶轮旋转后，对液体的作用既有离心力又有轴向推力，是离心泵和轴流泵的综合。因此它是介于离心泵和轴流泵之间的一种泵。混流泵的比转速高于离心泵，低于轴流泵，一般在300-500之间。它的扬程比轴流泵高，但流量比轴流泵小，比离心泵大。2/7/202347贯流泵贯流泵是卧式轴流泵的一种。由电动机、减速装置和水泵组成一整体，装设在水下堤坝内部的机坑内，其进出水流道位于一条直线上，近似直圆筒形，水力损失少，提水效率高，且结构紧凑，安装、检修方便。贯流泵工矿适用于大流量、低扬程的场合，主要用于雨水排放、工农业送水、区域调水，尤其适用于排涝与灌溉综合考虑的水利、防洪工程。2/7/202348罗茨泵2/7/202349螺杆泵2/7/202350齿轮泵2/7/2023512/7/202352离心风机2/7/202353混流风机2/7/202354轴流（斜流）风机2/7/202355贯流风机特点：小流量，低噪声，叶轮