第二章 流体输送机械教材

第二章流体输送机械1本章学习的目的

本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。2本章应掌握的主要内容

本章应重点掌握离心泵的工作原理、操作特性及其选型。3本章学习中应注意的问题加深对流体力学原理的理解，并从工程应用的角度出发，达到经济、高效、安全地实现流体输送。第一节概述

为流体提供能量的机械称为流体输送机械。

化工生产中，输送的流体种类很多。为了适应不同情况下的流体输送要求，因而需要不同结构和特性的流体输送机械。气体输送机械与液体输送机械不尽相同。用于输送液体的机械称为泵，用于输送气体的机械称为风机及压缩机。能使封闭空间产生负压或真空的机械称为“真空泵”，有时称作“抽气机”。根据作用原理不同：速度式容积式速度式：通过高速旋转的叶轮或高速喷射的工作流体传递能量，又分为离心式、轴流式和喷射式。容积式：依靠改变容积来压送与吸取流体，可分为往复活塞式、回转活塞式。工作原理液体输送机械气体输送机械速度式离心式离心泵、旋涡泵离心风机、离心压缩机轴流式轴流泵轴流式通风机喷射式喷射泵容积式往复式往复泵、隔膜泵、计量泵往复式压缩机回转式齿轮泵、螺杆泵罗茨风机、液环压缩机第二节液体输送机械

一.离心泵主要部件、工作原理及分类二.离心泵的基本方程式三.离心泵的主要性能参数与特性曲线四.离心泵性能参数的改变及换算五.离心泵的工作点与流量调节六.离心泵的气蚀现象与允许吸上的高度七.离心泵的选型与操作八.其它类型的泵一.离心泵主要部件、工作原理及分类1.结构旋转部件：叶轮、转轴静止部件：吸入室、蜗壳吸入室：位于叶轮进口前，把液体从吸入管引入叶轮，作用在于使液体进入泵体的流动阻力损失最小。叶轮：是离心泵的核心部件，将机械能传给液体，使液体获得压力能和动能。开式半开式闭式叶轮按形式分三种蜗壳（压出室）：叶轮在泵壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转。由于通道逐渐扩大，以高速度从叶轮四周抛出的液体可逐渐降低流速。减少能量损失，从而使部分动能有效地转化为静压能。作用：收集液体

能量转换，动能静压能轴封装置：机械密封或填料密封2.工作原理

离心泵主要由旋转的叶轮和固定的泵壳组成，叶轮上有6-12片后弯的叶片，泵壳成蜗壳形。液体随叶轮旋转，在惯性离心力的作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳，因蜗壳内流道逐渐扩大而使流体速度减慢，液体的部分动能转换成静压能。于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。单吸式泵双吸式泵3.分类按吸入方式分两种单级泵多级泵按叶轮级数按用途水泵耐腐蚀泵油泵杂质泵二.离心泵的基本方程式

离心泵是利用原动力（电机、蒸汽机等）提供的动力，使流体获得能量并得以输送。流体能量增量和流体运动之间的关系，是1754年首先由L.欧拉提出的，成为欧拉方程。方程成立的3个假设：（1）叶片数目无限多，叶片无限薄，流动的流线与叶片有相同形状；（2）流动是轴对称的相对定常流动；（3）流经叶轮的是理想流体，黏度为零，无流动阻力损失。1.液体质点在叶轮内的运动

（1）圆周速度u

和半径及转速有关方向:在该点圆周切线方向（2）相对速度w

方向:在该点叶片的切线方向大小:与流量及叶片形状有关，愈到外缘，流道扩大则动能下降转变为静压强。（3）绝对速度cw与u的和速度（4）速度三角形

α—c与u的夹角

β—w与u的反向延长线夹角2.基本方程的推导

理论压头：符合上述三点假设时，单位重量流体通过无限多叶片的旋转叶轮所获得的能量，用表示。根据柏努利方程，单位重量流体从1点到2点时所获能量为：——流体经叶轮后增加的静压能——流体经叶轮后增加的动能当叶轮的几何尺寸(D2、b2、

2)和转速(n)一定时，理论压头与理论流量呈线性关系。

a.

2

90

，QT

，H

b.

2=90

，QT

，H

c.2<90

，QT

，H

H

QT三.离心泵的主要性能参数与特性曲线1.主要性能参数1）.流量Q

泵的流量（又称送液能力）是指单位时间内泵所输送的液体体积。用符号Q表示，单位为Ｌ/ｓ或m3/ｈ。2）.扬程（压头）H

泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量，用符号Ｈ表示，单位为米液柱。泵的压头可用实验方法测定。在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努利方程式。3）.效率

效率反映离心泵能量的损失程度，用

表示，包括：容积损失：由于泵的泄漏所造成的损失。水力损失：进入离心泵的黏性液体产生的摩擦阻力以及在泵的局部处因流速与方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力。机械损失：由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生的机械摩擦引起的能量损失。4）.功率包括有效功率、轴功率。有效功率：液体流经泵所获得的功率，用Ne表示；轴功率：指原动机传到泵轴上的功率，用N表示。2.离心泵的特性曲线

特性曲线是反应扬程、轴功率、效率和流量之间函数关系的曲线，一般用20

C的清水在特定转速下由实验测定。不同型号的离心泵，其特性曲线的形状各有不同，有的平坦，有的陡降，有的驼峰型，但总的形状基本相似，有以下几方面的共同特点：

故在离心泵启动时，应先关闭出口阀，使泵在最小N下启动，以防止电机超负荷，保护电机。

离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为设计点，该点对应的流量、压头和轴功率为额定流量、额定压头和额定轴功率，标注在泵的铭牌上。一般将最高效率值的92%的范围称为泵的高效区，应尽量在该范围内操作。四.离心泵性能参数的改变及换算

离心泵的特性曲线是在常压下（1atm）、20℃清水，在一定转速下测定的，如果使用条件与上不符，则性能参数将发生变化。g3.转速的影响由比例律得：转速变化，特性曲线变化，转速变化小于20%，叶轮出口速度三角形与效率不变4.叶轮直径D2的影响由切割定律得:切削叶轮外径，特性曲线变化，外径变化不超5%，叶轮出口速度三角形与效率不变五.离心泵的工作点与流量调节

安装在管路中的离心泵，它的输送量应该为管路中流体的流量，提供的压头也应该正好是流体流动所需要的压头。所以离心泵的实际工作情况应该由泵的特性曲线和管路本身的特性共同决定。1.管路特性曲线如图，在一个抽水管路中使用离心泵把水池中的水输送到水塔上，在输送过程中，设两个水面1-1’、2-2’维持恒定，在这两个面之间列柏努利方程，则式中令则令则

可以把这个看作是管路特性方程，对于指定的一个管路A是固定不变的，当阀门开度一定流体达到完全湍流时，B也看作常数，这就可以绘制出管路的特性曲线，即he-Q曲线。2.工作点一台离心泵安装在一定的管路系统中工作，阀门开度也一定时，就有一定的流量与压头。此流量与压头是离心泵特性曲线与管路特性曲线交点处的流量与压头。此点称为泵的工作点如图中M点所示。显然，该点所表示的流量Q与压头Ｈ，既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的。若该点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。1）改变离心泵的特性曲线①改变转速nn

，曲线上移

n

，曲线下移②改变叶轮直径D2只可切削D2，曲线下移

n提高、增加流量受叶片强度及其机械性能的限制，功率消耗太大，所以用高转速来调节流量只是小范围的。3.离心泵的流量调节改变泵的转速时流量变化2）改变管路的特性曲线通过调节管路阀门的开度实现。阀门关小：阀门开大：改变阀门开度时流量变化3）并联操作当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。一台泵的特性曲线如图中曲线Ｉ所示。两台相同的泵并联操作时，其联合特性曲线的作法是在每一个压头条件下，使一台泵操作时的特性曲线上的流量增大一倍而得出特性曲线如图中曲线Ⅱ。

但需要注意，两台泵并联后，流量增大，管路阻力亦增大。原来单个泵的工作点为Ａ，并联后移至Ｃ点。显然Ｃ点的流量（QⅡ）不是Ａ点流量（QI）的两倍，除非管路系统没有能量损失。4）串联操作当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以将泵串联使用。相同型号的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。因此，在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。将单台泵的特性曲线Ｉ的纵坐标加倍，横坐标保持不变，可求两台泵串联后的联合特性曲线Ⅱ。

由图，单个泵的工作点为Ａ，串联后移至Ｃ点。显然Ｃ点的压头（HⅡ），并不是Ａ点的压头（HI）的两倍。对于低阻力输送管路，并联优于串联，对于高阻力输送管路，串联优于并联。例2-1教材p/102六.离心泵的气蚀现象与允许吸上的高度1.气蚀现象当叶轮吸入口处的压强低于所输送液体的饱和蒸汽压时液体在该处气化，产生气泡随着液体在离心力的作用下从低压区进入高压区，因受到高压而聚凝破裂，产生局部真空，周围液体以极高速度冲向这些气泡中心形成的真空点，产生巨大的冲击速度和冲击力，如果这些气泡是发生在叶片表面，则叶片会受到高压高速流体的冲击，久而久之，则会被剥蚀—气蚀作用

因此必须使叶轮入口处最低压强大于所输送液体的饱和蒸汽压。气蚀现象1）气蚀原因a.泵的安装位置距吸液面高度差过大b.泵安装地区的大气压较低，如高海拔地区c.泵输送液体温度较高2）现象

噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。严重时，泵不能正常工作。3）防止措施把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压。2.气蚀余量

离心泵内压力最低点位于叶轮叶片进口稍后的K点附近，当Pk>该操作温度下流体的饱和蒸汽压Pv时，才不会发生气蚀。在泵入口1-1ˊ和叶轮入口k-kˊ两截面间列柏努利方程式，可得当刚发生气蚀时则或——最小气蚀余量，单位m把+0.3作为允许值，称为允许气蚀余量3.安装高度

为不发生气蚀现象，泵的安装高度z必须小于某一值，该值称为泵的最大安装高度zmax。对液面0-0’与K点列柏努利方程，得

上面已经讲过，为防止气蚀发生，最大安装高度应再减去0.3m，称为允许安装高度[z]，则

为了更加安全，泵的实际安装高度z应小于允许安装高度[z]，通常小于0.5m。例2-2教材p/1054.泵的安装

离心泵开启前要确保泵内灌满液体，若离心泵启动前未充满液体，则叶片间必充满气体。由于气体密度很小，所产生的离心力也很小。所以在叶轮中心形成的真空不足以将液体吸入泵内，这时叶轮虽然旋转，但不能输送液体，叶轮旋转时不能输送液体的现象称为“气缚”。

安装注意事项：常在泵的吸入管下端安置一个让液体只进不出的单向阀，以便于充液。泵的吸入管应短而直，其直径应大于泵入口的直径，另外排出管路上要安装止回阀，防止突然停泵时引起高位水倒流。

习题1

用油泵从储罐向反应器输送44℃的异丁烷，储罐内异丁烷液面恒定，液面上方的压强为0.655MPa，吸入管路的全部压头损失为1.8m（液柱）。异丁烷在44℃时的密度为530，饱和蒸汽压为0.637MPa。泵铭牌标注的允许气蚀余量为3.5m（水柱），试设计此台泵的安装高度，并画简图说明。七.离心泵的选型与操作

一、选择离心泵的基本原则:以能满足液体输送的工艺要求为前提。选择步骤为：１．确定输送系统的流量与压头流量一般为生产任务所规定；根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算管路所需的压头。

２．选择泵的类型与型号根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型。按已确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号。需要注意的是，如果没有适合的型号，则应选定泵的压头和流量都稍大的型号；如果同时有几个型号适合，则应列表比较选定。然后按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。３．校核泵的特性参数如果输送液体的黏度和密度与水相差很大，则应核算泵的流量与压头及轴功率。例2-3教材p/106二、离心泵的操作

1)安装时，必须使实际安装高度小于最大安装高度防止气蚀；

2)启动前先灌水，防止气缚；

3)合闸前先关出口闸，使电机在最小功率下启动，保护电机；

4)停泵时也先关出口闸，可免去下次启动时灌水，防止水倒流、叶片反转；

5)长期停泵，应将泵内的水排空。习题2八.其它类型的泵1.往复泵往复泵是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关；但往复泵的压头只与管路情况有关。这种特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。(1)往复泵的工作原理主要部件有泵缸、活塞、吸入阀和排出阀。吸入阀和排出阀均为单向阀。活塞由曲柄连杆机构带动而作往复运动。

当活塞在外力作用下向右移动时，泵体内形成低压，排出阀受压而关闭，吸入阀则被泵外液体的压力推开，将液体吸入泵内，当活塞向左移动时，由于活塞的挤压使泵内液体压力增大，吸入阀受压而关闭，而排出阀受压则开启，将液体排出泵外。

(2)往复泵的特点

1)压头与流量无关，流量决定于往复泵几何尺寸和往复次数，压头决定于管路情况，只要强度允许，可无限高；

2)往复泵流量调节不可用出口阀，而用旁路调节；

3)往复泵有自吸作用；

4）效率高；

5)流量不均匀，可制成多动泵；2.齿轮泵

齿轮泵主要是由椭圆形泵壳和两个齿轮组成。其中一个齿轮为主动齿轮，由传动机构带动，另一个为从动齿轮，与主动齿轮相啮合而随之作反方向旋转。当齿轮转动时，因两齿轮的齿相互分开，而形成低压将液体吸入，并沿壳壁推送至排出腔。在排出腔内，两齿轮的齿互相合拢而形成高压将液体排出。如此连续进行以完成液体输送任务。

齿轮泵流量较小，产生压头很高，适于输送黏度大的液体，如甘油等。3.旋涡泵

旋涡泵是一种特殊类型的离心泵。泵壳呈正圆形，吸入口和排出口均在泵壳的顶部。至于泵体内部的结构与离心泵并不相同。泵体内充满液体后，当叶轮旋转时，由于离心力作用，将叶片凹槽中的液体以一定的速度甩向流道，在截面积较宽的流道内，液体流速减慢，一部分动能变为静压能。与此同时，叶片凹槽内侧因液体被甩出而形成低压，因而流道内压力较高的液体又可重新进入叶片凹槽再度受离心力的作用继续增大压力，这样，液体由吸入口吸入，多次通过叶片凹槽和流道间的反复旋涡形运动，而到达出口时，可获得较高的压头。

旋涡泵在开动前也要灌水。旋涡泵在流量减小时压头增加，功率也增加，所以旋涡泵在开动前不要将出口阀关闭，采用旁路回流调节流量。旋涡泵的流量小、压头高、体积小、结构简单。它在化工生产中应用十分广泛，适宜于流量小、压头高及黏度不高的液体。旋涡泵的效率一般为20%-50%

。第三节气体输送设备

气体输送机械与液体输送机械大体相同，但气体具有压缩性，在输送过程中，当压力发生变化时其体积和温度也将随之发生变化。一、用途1．输送气体2．产生高压气体3．产生真空通风机终压

14.7kPa(表)鼓风机终压=14.7~294kPa(表)，压缩比

4压缩机终压

294kPa(表)，压缩比

4真空泵终压=101325Pa(大气压)，初压为负压按出口的气体的压强二、分类三、离心式通风机1.

基本结构和操作原理离心式通风机和离心泵一样，在蜗壳形泵体内装一高速旋转的叶轮。借叶轮旋转所产生的离心力，使气体压头增大而排出。离心式通风机