锅炉辅助装置泵与风机性能曲线

锅炉辅助设备

---泵与风机性能曲线锅炉辅助设备本讲主要内容：叶片式泵与风机的流动理论；能量损失与效率；叶片式泵与风机的性能曲线；性能曲线的测试方法。锅炉辅助设备前言：

为分析流体在泵内如何流动及其获得能量的过程，现对泵内流体的流动情况进行分析。

由于流体在叶轮内流动相当复杂，为了分析其流动规律，作如下假设：叶轮中叶片为无限多；流体为理想流体，即忽略了流体的粘性；流动为稳定流，其流动状态与时间无关；流体是不可压缩的；流体在叶轮内的流动是轴对称地流动，即在同一半径的圆周上，流体微团有相同大小的速度。泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备流体运动的速度三角形：

流体在叶轮内的速度分为：绝对速度、牵连速度（圆周速度）、相对速度。α-进流角、工作角；β-安装角泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备泵与风机的能量方程式：

能量方程式建立了叶片对流体做功与流体运动状态之间的联系。

动量矩定理：在稳定流动中，单位时间流出与流入控制体的流体对某一轴的动量矩变化，等于作用在控制体内流体上的所有外力对同一轴的力矩总和。注：下标“1”表示入口的参数；下标“2”表示出口的参数；下标“T”表示理想流体的参数；下标“∞”表示叶片无限多时的参数。泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备泵与风机的能量方程式：

单位时间流出与流入控制体的流体对某一轴的动量矩K分别为：泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备泵与风机的能量方程式：

叶轮传给流体的功率为 风机的能量方程：对于轴流式泵与风机，u1=u2=u，则有：泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备叶片几何尺寸与流动参数之间的关系：

在其他条件相同时，加大叶轮外径D2和提高转速n均可以提高理论能头，但增大D2会使叶轮的摩擦损失增大，从而使泵与风机的效率下降，同时还会使泵与风机的结构尺寸、重量和制造成本增加。 提高转速，可以减小叶轮直径，因而减小了结构尺寸和重量，可降低制造成本。 在进行泵与风机的设计时，一般尽量使工作角α=90°（径向流入），以获得较高的能头。泵与风机的性流动理论锅炉辅助设备能量损失与效率：

泵与风机在运行过程中，存在多种机械能损失，如机械损失、容积损失和流动损失。与叶轮转动相关而与输送流体量无直接关系的为机械损失，记为。经过叶轮而与流体泄漏量相关的为容积损失，记为经过叶轮与输送流体量直接相关的为流动损失，记为锅炉辅助设备损失与效率：轴功率Psh减去这三部分损失所对应的功率记为有效功率Pe锅炉辅助设备机械损失和机械效率：机械损失是指在机械运动过程中克服摩擦所造成的能量损失，包括轴与轴承及轴与轴端密封的摩擦损失，以及叶轮前后盖板外表面与在泵或风机壳体内局部区域作循环流动的流体之间的摩擦损失

（常称为叶轮圆盘摩擦损失）锅炉辅助设备机械损失和机械效率：摩擦损失与轴承的结构型式、轴端密封的结构型式有关。其数量约为轴功率的1%~3%。叶轮圆盘摩擦损失是因为在也轮的两侧与泵壳间充有泄漏的流体，叶轮在壳体内旋转时，叶轮两侧的流体受离心力的作用，形成回流循环运动，使流体和旋转的叶轮发生摩擦而产生能量损失。这项损失的功率约为轴功率的2%~10%，是机械损失的主要部分。锅炉辅助设备机械损失和机械效率：圆盘摩擦损失式中：K为圆盘摩擦系数，由实验求得；D2为叶轮出口直径；u2为叶轮出口圆周速度；B侧壁间隙。与圆周速度的三次方、叶轮外径的平方成正比；与转速的三次方、叶轮外径的五次方成正比。锅炉辅助设备减小机械损失常用做法：采用合理结构对于高压的泵与风机，可以采用多级叶轮而不是增大叶轮直径来提高能头；如提高单级扬程，可加大叶轮外径，或提高转速（更佳）。保持叶轮及泵体内侧表面的光洁以减少摩擦锅炉辅助设备机械损失功率为两种损失之和：机械损失的大小用机械效率ηm来衡量：锅炉辅助设备容积损失和容积效率：泵与风机的转动部件与静止部件之间存在间隙。当叶轮转动时，在间隙两侧产生压力差，使部分由叶轮获得能量的流体从高压侧通过间隙向低压侧泄漏，这种损失称为容积损失或泄漏损失。（容积损失主要是由泄漏引起的）常见泄漏方式：叶轮入口与外壳密封环之间间隙中的泄漏；平衡轴向力装置的间隙中泄漏；轴端密封间隙中的泄漏；多级泵级间间隙中的泄漏。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：叶轮入口与外壳密封环之间间隙中的泄漏（为容积损失主要部分）泵与风机运行时，流体从叶轮获得能量，出口处的压力高于入口处的压力，这个压差驱使部分流体沿着叶轮入口与外壳密封环之间的间隙由出口回流到入口，如图中A线所示。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：离心泵通过叶轮进口与密封环间隙的流体泄漏量可按下式进行计算：密封环泄漏所对应的容积损失锅炉辅助设备容积损失和容积效率：平衡轴向力装置的间隙中泄漏高压泵的进出口存在很大的压力差，为了减小轴向推力，常用到带有径向间隙的轴向力平衡装置，允许少量流体从出口高压端泄漏到低压端。这部分泄漏的流体由叶轮所获得的能量消耗在克服其流动阻力上，从而造成机械能的损失。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：通过平衡轴向力装置间隙泄漏量可按下式进行计算：由平衡轴向力装置间隙的泄漏所引起容积损失为：锅炉辅助设备容积损失和容积效率：轴端密封间隙中的泄漏正常情况下，轴封处的泄漏量q3比前两项泄漏小得多，这部分泄漏伴随的机械能损失又称为轴封损失，记为。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：多级泵级间间隙中的泄漏（属于圆盘摩擦损失）多级离心泵都设有导叶隔板，液体经过导叶后，部分动能转换成压力能，使得压力升高，造成极间隔板前后出现压力差，驱使部分液体通过极间隔板与轴套间的间隙流回到前级叶轮的侧隙，形成极间泄漏。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：泵与风机总的容积损失为前三项损失之和容积效率表达式如下：式中：为容积损失功率，kW；q为泄漏流量，m3/s

锅炉辅助设备容积损失和容积效率：减少泄漏量的方法维持动、静部件间最佳的间隙。增大间隙总的流动阻力，可通过：增加密封的轴向长度；在间隙入口和出口采取节流措施；采用不同型式的密封环。锅炉辅助设备流动损失和流动效率：流动损失是指流体在泵与风机主流道流动时，由于流动阻力而产生的机械能损失。流动损失主要分为三种：1.流体和各部分流道壁面摩擦所产生的摩擦阻力损失；2.流道断面变化、转弯等会使边界层分离、产生漩涡二次流和尾迹等而引起的损失；3.由于工况改变，流量偏离设计点，叶轮入口流动角与叶片安装角度不一致所引起的冲击损失。锅炉辅助设备流动损失：摩擦阻力损失：扩散损失：冲击损失：流动效率：锅炉辅助设备泵与风机的总效率：总效率是衡量泵与风机经济性的重要技术指标，泵与风机的总效率等于有效功率与轴功率之比。离心泵与风机总效率视其容量、型式和结构而异，目前离心式泵总效率约在0.6~0.9的范围，离心风机约在0.7~0.9的范围内，高效风机可达到0.9以上，轴流泵的总效率约为0.7~0.89，大型轴流风机可达到0.9以上。锅炉辅助设备前言：

泵与风机的性能主要是指在一定转速下，扬程（风机为全压）、轴功率、效率等与流量之间的关系。

这些参数之间有着一定的互相联系，反映这些性能参数之间变化关系的曲线，称为性能曲线。扬程（全压）与流量的关系曲线——H-qv(p-qv)轴功率与流量的关系曲线——Psh-qv效率与流量的关系曲线——η-qv对于泵，允许其汽蚀余量与流量的关系曲线——NPSH-qv对于风机，静压与流量的关系曲线——pst-qv；静压效率与流量的关系曲线ηst-qv泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备基本概念：工况：在一定转速下，每一个流量均对应着一定的扬程（全压）、轴功率及效率，这一组参数反映了泵与风机的某种工作状态，简称工况。设计工况：泵与风机是按照需要的一组参数进行设计的，由这一组参数组成的工况称为设计工况。最佳工况点：对应于最佳效率点的工况。说明：一般设计工况应位于最佳工况点上，但由于叶轮内流体流动的复杂性，使得设计工况点并不一定和最佳工况点重合，因此，在选择泵与风机时，常常把它的运动工况点（工作点）控制在性能曲线的高效区内，以获得较好的经济性。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(一)无限多叶片时的理论扬程与理论流量性能曲线（HT∞-qVT）由无限多叶片时的理论扬程为：当流体以径向流入叶轮时，扬程方程式为：泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(一)无限多叶片时的理论扬程与理论流量性能曲线（HT∞-qVT）设叶片数无限多且无限薄，流体为理想流体时，由叶轮出口速度三角形可知：泵与风机的性能曲线式中：D2为叶轮出口直径；b2为叶轮出口宽度将上式带入（2）中，得：锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(一)无限多叶片时的理论扬程与理论流量性能曲线（HT∞-qVT）若泵与风机的几何尺寸及转速已确定，式（5）中均为常数：式（6）为直线方程，随qVT呈直线关系变化，直线的斜率由来确定。下面对三种叶轮型式（选取范围）进行讨论。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(一)无限多叶片时的理论扬程与理论流量性能曲线（HT∞-qVT）图1.HT∞-qVT性能曲线泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(一)无限多叶片时的理论扬程与理论流量性能曲线（HT∞-qVT）后向式叶片：，随着流量的增加，扬程逐渐减小，

与qVT为一条自左至右下降的直线，见图1中曲线a。径向式叶片：，扬程与流量变化无关，是一条水平于横坐标的直线，如图曲线b。前向式叶片：，随着流量的增加，扬程逐渐增大，与qVT为一条自左至右上升的直线，见图1中曲线c。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(二)实际扬程与流量的性能曲线（H-qV）实际应用中，叶轮叶片数是有限的，且流体是有粘性的，同时流体流经叶轮时要产生各种损失。实际扬程与流量的性能曲线，必须要考虑上述因素的影响。有限叶片数的影响：HT=KHT∞，环流系数K<1各种损失的影响：流动损失+容积损失*下面以后向式叶片为例，说明泵与风机性能曲线的分析方法*泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(二)实际扬程与流量的性能曲线（H-qV）图2.泵和风机实际扬程-流量的关系曲线泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备一、扬程与流量性能曲线（H-qv）(二)实际扬程与流量的性能曲线（H-qV）环流系数K恒小于1,且与流量无关，故有限叶轮HT-qVT曲线，也是一条向下倾斜的直线，且位于无限多叶片所对应直线的下方，如图中b曲线；考虑实际流体粘性的影响，流动损失中的摩擦损失和局部损失与流量的平方成正比，在各流量下，从HT-qVT中减去相应的这部分损失，可到图中c曲线；（h∝qVT2）流动损失中的冲击损失在设计工况时为零，在偏离设计时按二次抛物线增加，在各流量下，再从c线上减去相应的这部分损失，即得图中d线H-qVT；由于容积损失（泄漏量q）随扬程的增大而增大，因此，在d线中各点减去相应的泄漏量即得到实际扬程与流量的的性能曲线，图中e线H-qV。(q∝△H1/2)泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备二、轴功率与流量性能曲线（Psh-qv）（一）流动功率与理论流量的性能曲线（Ph-qVT）定义：在一定转速下泵与风机的流量与轴功率之间的关系曲线。思路：如果将轴功率Psh表示为流动功率Ph与机械损失功率△Pm之和，即：Psh=Ph+△Pm-------（7）由于机械损失与流量无关，可先求得流动功率与流量的关系曲线，后在相应点上加上机械损失功率即得到流量与轴功率的关系。又故泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备二、轴功率与流量性能曲线（Psh-qv）（一）流动功率与理论流量的性能曲线（Ph-qVT）由（9）式可见，流动功率随流量的变化为一抛物线关系，其曲线的形状与β2a角有关。现针对β2a<90°，β2a=90°，β2a>90°三种情况进行分析。

图3.不同角的流量与功率的性能曲线泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备二、轴功率与流量性能曲线（Psh-qv）（一）流动功率与理论流量的性能曲线（Ph-qVT）后向式叶片：当qVT=0和时，Ph=0,故此曲线为一条通过坐标原点与横坐标轴相交于点的抛物线，如图3曲线a所示。径向式叶片：，当qVT=0时Ph=0，此曲线是一条通过坐标原点上升的直线，如图3曲线b所示。前向式叶片：，当qVT=0时Ph=0，当qVT增加时，Ph急剧增加，此曲线是一条通过坐标原点的上升曲线，如图3曲线c所示。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备二、轴功率与流量性能曲线（Psh-qv）（二）轴功率与流量的性能曲线（Psh-qV）轴功率与流量的性能曲线，可以通过对Ph-qVT曲线进行修正获得，这个修正主要表现在机械损失和容积损失两个方面，现以后向式叶片为例进行分析。图4.功率与流量性能曲线泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备二、轴功率与流量性能曲线（Psh-qv）（二）轴功率与流量的性能曲线（Psh-qV）说明：大流量区域由于容积损失使得轴功率不仅没有增加，反而减少了。但这并不能说明由于容积损失的存在而使得泵与风机的性能变好了。这是由于容积损失使得实际流量下降，有效功率下降得多，其结果虽然是轴功率有所降低，但是降低的程度小于有效功率的降低程度，从而使得泵与风机的效率下降，性能变坏。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备三、效率与流量性能曲线（η-qv）泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即：泵与风机的性能曲线由图可见，η-qv曲线是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于qv=qvmax点的曲线。实际应用中qv-H性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而η-qv曲线也不可能与横坐标轴相交。如右图所示，实际的η-qv性能曲线位于理论曲线的下方，曲线上最高效率ηmax点，即为泵与风机的设计工况点。锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（1）最佳工况点与经济工作区前面已介绍，最高效率所对应的工况点，称最佳工况点，它是泵与风机运行最经济的一个工况点。在最佳工况点附近的区域（一般不低于最高效率的0.85~0.9），称为经济工作区或高效工作区，泵与风机在此区域内工作最经济。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（2）空载工况及其注意事项当阀门全关时，qv=0,H=H0,P=P0,该工况称为空载工况。空载功率P0主要消耗在机械损失上，如旋转的叶轮与流体的摩擦等。在空载状态下，泵内水温会迅速升高，导致发生水的汽化。对于锅炉给水泵及凝结水泵，由于输送的是饱和液体，为防止汽化，一般不允许在空载状态下运行。如在运行中负荷降低到所规定的最小流量时，应开启泵的旁路管。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（3）空载条件下启动离心式泵与风机，在空载时，所需轴功率（空载功率）最小，一般为设计轴功率的30%左右。在这种状态下启动，可避免启动电流过大而造成原动机过载。离心式泵与风机要在阀门全关的状态下启动，待运转正常后，再开打出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常运行。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（4）后向式叶片qV-H性能曲线的三种基本形式后向式叶片的qV-H性能曲线总体趋势是随着流量的增加而下降，但由于结构型式和出口安装角β2a的不同，曲线相应有不同形状。泵与风机的性能曲线陡降的曲线，如图中a曲线，适用于扬程变化大而流量变化小的场合，如电厂的取水水位变化较大的循环水泵；平坦的曲线，如图中b曲线，适用于流量变化大而扬程变化小的情况，如电厂的汽包锅炉给水泵；有驼峰的曲线，如图中c曲线，在k点左边为不稳定工况区，在该区域工作的泵与风机，其运行稳定性不好。不希望使用驼峰形曲线的泵与风机。锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（4）后向式叶片qV-H性能曲线的三种基本形式驼峰形曲线，一般与β2a角、叶片数z、叶片形状等有关。对离心泵用下图中的曲线来选择叶片出口安装角和叶片数z，可以避免性能曲线出现驼峰形。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析（5）前向式叶片的某些特点由离心式泵与风机的qV-Psh性能曲线可见，前向式叶片随流量的增加，功率急剧上升，原动机容易超载。故对前向式叶片的风机在选用原动机时，容量富裕系数应取得大些。前向式叶片风机的效率远低于后向式的，为了提高风机效率，节约能耗，目前大中型风机均采用效率较高的后向式叶片。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备四、离心式泵与风机性能曲线的分析下图是某离心泵通过实验所绘制的性能曲线。从图中可以看出：泵与风机的性能曲线离心泵的扬程是随流量的增大而下降的；轴功率是随流量的增大而增大的，当qV=0时，轴功率Psh并不等于零，此时轴功率消耗在克服机械摩擦损失上；效率随流量的增加而增加，到某一流量时效率达到最大值，此后随着流量的增大而下降。对应于最高效率下的工况称为最佳工况点锅炉辅助设备五、轴流式泵与风机的性能曲线在一定转速下，对叶片安装角固定不变的轴流式泵与风机，试验所得的典型性能曲线如图9所示，它和离心式泵与风机性能曲线相比有明显的区别。泵与风机的性能曲线qV-H(p)曲线：qVd→qVc→qVb→0d点为最佳工况点，效率最高qVd→qVc，来流速度的流动角减小，冲角增大，翼型升力系数也增大，因而扬程上升；qVc→qVb，冲角已增大到使翼型上产生附面层分离，出现失速现象，升力系数降低，扬程也随之下降；qVb→0，出现二次回流，叶轮流出的一部分流体重新返回叶轮，再次获得能量，扬程升高，到流量为零时，扬程达到最大值。锅炉辅助设备五、轴流式泵与风机的性能曲线轴流式泵与风机性能曲线特点：qV-H(p)性能曲线在小流量区域内出现驼峰形状，在c点左边为不稳定工作区，一般不允许泵与风机在此区域工作。轴功率Psh在空转状态（qV=0）时最大，随流量的增加而减小，为避免原动机过载，轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动。轴流式泵与风机高效区窄。泵与风机的性能曲线锅炉辅助设备鉴于泵与风机内部流动的复杂性，用理论计算的方法所确定的性能曲线与其实际性能曲线，存在一定的差异。为了提供真实可靠的技术性能，迄今仍采用试验的方法来确定。试验方法一般有常规测试、热力学法测试效率及自动化测试。性能曲线的测试方法一、常规测试方法（一）泵性能测试：图10所示的泵开式试验台是流体机械开式试验台(进出口均是敞开的，与大气相联通)的例子，它由吸入调节阀、管路、弯头、模型泵、流量计、出水管调节阀、水池等组成。锅炉辅助设备性能曲线的测试方法一、常规测试方法（一）泵性能测试：

泵型式试验主要测定的参数有：流量、扬程、轴功率、转速和临界汽蚀余量等。

泵型式试验时需测定的基本参数和可用的测量方法为：流量qV:可用涡轮流量计、电磁流量计、孔板流量计、文丘里管流量计、喷嘴流量计测得；扬程H：可用连接水泵进出口的差压计测得，也可独立测定进出口处的压力，再由其差值计算。轴功率Psh：可用扭矩仪、电动机天平等测定轴上的力矩，也可测定电动机的功率。转速n：采用数字转速表、离心