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1、第二章 流体输送设备（Fluid-moving Machinery）第一节 概述如果要将流体从一个地方输送到另一个地方或者将流体从低位能向高位能处输送，就必须采用为流体提供能量的输送设备。泵用于液体输送输送设备风机用于气体输送本章主要介绍常用输送设备的工作原理和特性，以便恰当地选择和使用这些流体输送设备。第二节 液体输送设备泵（Pumps）泵离心泵生产中应用最为广泛，着重介绍。往复泵旋转泵漩涡泵 2.1.1 离心泵 （Centrifugal Pumps）一 离心泵的工作原理及主要部件1工作原理如左图所示，离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，
2、泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达1525m/s。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高。液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，
3、在此压差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。气缚现象：不灌液，则泵体内存有空气，由于 空气所需Q阀门关小，管路阻力增大，管路特性曲线上移，工作点由MM点，流量减小。 改变泵的转速或叶轮直径 实际改变泵的HQ曲线nn，MM点，Qn，MM点，QDD，MM点，Q比较，两种流量调节措施可知：）用阀门调节流量快速方便，且流量可以连续变化，化工生产中应用最广。其缺点是阀门关小时，流动阻力增加，要额外多消耗一部分功率，且使泵在低效率点
4、工作，经济上不合理。）方法不额外增加流动阻力，变化前后泵效率几乎不变，能量利用经济。但调节不方便，且变速装置或变速电动机价格贵，一般只有在调节幅度大，时间又长的季节性调节中才使用。八 离心泵的组合操作实际工作中，有时遇到这种情况，即仓库现有的离心泵不满足输送任务的要求，比如：要求的扬程与流量分别为H=110m，Q=80m3/h。而库存的泵性能为：1H=100m，Q=50 m3/h，若干台。2H=60m，Q=80 m3/h，若干台。显然，单台泵工作时无法达到要求的流量和扬程。为弥补单泵工作时这种不足，引出了泵的组合操作，即泵的串，并联。现以两台特性相同的泵为例来介绍：1 泵的并联1） 两泵并联的
5、合成特性曲线设有两台型号相同的离心泵并联工作，并且各自的吸入管路相同，则两泵的流量和扬程必相同。因此，在同样的扬程下，并联泵的流量为单泵的两倍。在HQ坐标上将单泵特性曲线的横坐标加倍而纵坐标不变，得到的这条曲线叫做两泵并联的合成特性曲线。2） 两泵并联系统的工作点对于两泵并联系统而言，管路特性曲线保持不变。两泵并联的合成特性曲线与管路特性曲线的交点M即为工作点，对应的坐标值Q，H即为两泵并联工作时的Q并，H并。由图可知：Q并Q单，但Q并2Q单，这是因为Q并增大导致管路阻力损失增加（H=KCQ2，QH）的缘故。Q并=2Q单，两泵并联时单泵在b点状态下工作。3） 并联泵的总效率与每台泵在b点工作所
6、对应的单泵效率相同。2 泵的串联1） 两泵串联的合成特性曲线设有两台型号相同的离心泵串联工作，每台泵的流量和扬程也必然相同。因此在同样的流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。在HQ标绘出两泵串联的合成特性曲线，将单泵的特性曲线纵坐标加倍，而横坐标不变。2） 两泵串联系统的工作点同理，管路特性曲线也是不变的。两线交点为工作点，两坐标值为H串和H单。由此可见，H串H单，Q串Q单 ，但H串2H单。 3） 串联泵的总效率与每台泵在b点工作所对应的单泵效率相同3 组合方式的选择1） 如果管路中（单泵提供的最大扬程）则，必须采用串联操作，增加压头。2） 实际情况多数属于单泵可以输液，只是流量达不到指定要求。
7、因此，若以增大流量为目的，则泵的串，并联的选择取决于管路特性曲线。由图可知：）对管路特性曲线而言，Q1并=Q1串，并、串联相同。）对管路特性曲线而言，Q2并Q2串，采用并联。（低阻管路）对管路特性曲线而言，Q3并Q3串，采用串联。（高阻管路）例2-7上面介绍的是两台型号相同的离心泵的串、并联操作。现在提出两个问题：三台或三台以上离心泵的串或并联操作时的流量、扬程如何确定？如果两台型号不同的离心泵能否串或并联操作？和两台型号相同的串、并联操作问题是否有区别？解答接下来提出三个问题供同学课后讨论。在流量Q=0QA段，并联系的合成曲线怎样作？泵有无液体流出？在流量Q=0QA段，如泵无液体流出，那么，
8、泵输出的液体是否会反作用于泵的泵体，冲击叶轮使泵反转？如果上述使泵反转有可能，不同型号泵并联使用时，安装与操作上应采取什么措施？九 离心泵的类型和选择1 离心泵的类型各种类型的离心泵按照其结构特点各自成为一个系列，并以一个或几个字母作为系列代号。各类型系列泵可从泵标本或机械产品目录手册查到。现对常用的离心泵的类型作简单介绍。1） 水泵（IS型，D型，S型）IS型单级单吸离心泵，结构如图所示。该系列泵是我国第一个按国际标准（ISO）设计，研制的新产品。全系列共有29个品种。化工生产中广泛应用。泵输液温度80，吸入压力0.3Mpa，口径为40200mm。性能范围：Q 6.3400m3/hH 512
9、5mIS型系列可从泵样本或机械产品目录手册中查到。D型多级离心泵，在同一根轴上串联多个叶轮。性能范围：Q 6.3580m3/hH 501800mS型双吸泵，在同一泵壳内有背靠背的两个叶轮，从两侧同时吸液。由同一管道流出。双吸泵可自动消除轴向推力。见图。性能范围：Q 5014000m3/hH 8.7250m2） 耐腐蚀泵（F型）输送酸、碱及浓氨水等腐蚀性液体时，需用耐腐蚀泵。长期以来F型泵是典型的耐腐蚀泵，现在又新开发了IH型泵。IH泵是节能产品，比F型泵平均效率提高5%。IH泵的扬程为5125m，流量为6.3400m3/h。我国耐腐蚀泵所用材料、代号及使用液体种类简述于下：灰口铸铁“H”，用于
10、浓硫酸。高硅铸铁“G”，用于硫酸。铬镍合金钢“B”，用于常温、低浓度硝酸、氧化性酸、碱液等。铬镍钼钛合金钢“M”，用于常温、高浓度硝酸。聚三氟氯乙烯塑料“S”，用于90以下的硫酸、硝酸、盐酸及碱液。3） 油泵（Y型）用以输送不含固体颗粒、无腐蚀性的油类及石油产品。该类型泵要求密封好，可防止易燃液体外漏。典型的油泵为Y型泵，扬程为51740m，流量为5.51270m3/h，输送介质温度为-20400。4） 杂质泵（P型）用于输送悬浮液，一般采用敞式或半蔽式叶轮。杂质泵中M型煤水泵用于混浊煤水的输送，PW型污水泵用于80以下带纤维的悬浮液输送，WGF型污水泵是用于输送含有酸、碱的腐蚀型污水或化学浆
11、液。IFV型卧式无堵塞泵是1986年从日本引进的，可输送污水、泥水等，液体中所含最大颗粒不得大于出口口径，输送介质温度为080。IFZ型螺旋涡流无堵塞泵亦是1986年从日本引进的用于输送污水、污物、纸浆及含纤维液体，最大颗粒粒径为28150mm。2 离心泵的选型1） 确定输液系统的流量与扬程。Q一般为输送任务，如Q变化，则取Qmax考虑。根据输液管路的安排，用Bs eg确定He。2） 选择泵的类型与型号。 类型确定：依据被输液体的性质及操作条件而定。 型号确定：依据Q，He从泵样本中的性能特性曲线或性能表来确定合适的型号。3） 核算泵的轴功率例2-82.1.2 其它类型泵一 往复泵1 工作原理
12、（与离心泵的不同）如图所示，往复泵不需灌液，具有自吸能力。2 流量Q：Q=Q（活塞面积，冲程活塞左右移动距离，往复频率）单动泵：理论流量QT=Asn/60 m3/s （n l/min）实际流量会小于QT（吸入阀和排出阀启闭不及时，液体漏损等）3 He与Q无关（这又与离心泵不同），He受管路的承压能力限制。4 流量调节采用旁路调节，不能用出口阀来调节。（这也与离心泵不同）5 汲上真空高度也随大气压（pa），密度（）和液温变化而变化，所以往复泵的汲上真空高度也有一定限制。例2-9正位移性泵的排液能力只与泵的几何尺寸，而与管路情况无关，又压头与流量无关，受管路的承压能力所限制，这种特性称为正位移性。
13、这种泵称为正位移泵。往复泵是正位移泵之一。二 漩涡泵旋涡泵是一种特殊的离心泵。这种泵的叶轮有一金属圆盘与四周铣出凹槽而成。余下未铣去的部分形成辐射状的浆叶。泵壳内壁亦是圆形。在叶轮与泵壳内壁之间有一引水道。其汲入口与压出口靠近，二者间以“挡壁”相隔。压出管并非沿泵壳切向引出。挡壁与叶轮间的缝隙很小以期阻止压出口压强高的液体漏回汲入口压强低的部位。在操作时，叶轮高速旋转，叶轮各叶片间的液体在高速旋转中受到离心惯性力，于是，叶片外缘的液体修正压强高于叶片内缘液体的修正压强。这时，存在着三种流动，即短促的叶片促使叶片间液体产生强烈的与叶轮转向相反的回旋流动，转动的叶轮带动引水道液体顺叶轮转向的流动以
14、及引水道的液体与叶片间液体的交流。后一种流动藉液体旋涡把叶轮内压强高的液体送入引水道同时把引水道液体卷进叶片内缘。每经过一次这样的交换，引水道的液体压强得到一次提高。液体从进口沿引水道至出口，经叶轮“拍打”次数愈多，压强愈高。在流量小时，因液体经“拍打”的次数多，扬程高，轴功率大，故这种泵启动时应开大阀门，使启动功率低些。旋涡泵适用于流量小、压头高且粘度不大的液体的输送。旋涡泵启动前同样需要灌泵。这种泵虽属离心式，但亦需用旁路阀调流量，因引水道窄，泵的压头较高，若关闭出口阀运转，高压液体强行越过挡壁漏回低压端时摩阻大，泵体震动，叶片易受损。第三节 离心式风机 （通风机，鼓风机，压缩机） 离心式
15、风机，鼓风机与压缩机的工作原理和离心泵相似，依靠叶轮的旋转运动，使气体获得能量，从而提高了气体的压强和速度。 通风机都是单级，起输送气体之用，所产生的表压强14.7103Pa。 鼓风机，压缩机都是多级的，前者产生的表压强294103Pa，压缩机的表压强294103Pa，两者对气体都有较显著的压缩作用。一离心通风机按产生的风压可分为低压通风机 出口风压0.9807103Pa（表压）中压通风机 出口风压（0.98072.942）103Pa（表压）高压通风机 出口风压（2.94214.7）103Pa（表压）1结构结构与离心泵相似。机壳也是蜗壳形，壳断面有两种方形：低，中压圆形：高压叶片的数目较多且长
16、度较短，低压的叶片是平直的，与轴心成辐射状安装，中、高压的叶片是弯曲的。2离心通风机的性能参数与特性曲线1）性能参数：风量Q m3/s，风压HT，轴功率Na和效率。 风量Q：单位时间内从风机出口排出的气体体积，以风机进口状态计，m3/s。 风压HT：单位体积的气体流经风机时所获得的能量，J/m3=Pa，习惯上以mmH2O表示。 HT=HT（结构，叶轮尺寸，n及进气密度），由实验测定。一般通过测量风机进出口处气体的流速和压强的数据，按Bs eg计算HT。 对于1m3气体在进出口处列Bs eg。 一般u2较大，故HK也较大。（这与离心泵不同）轴功率Na效率 2）特性曲线（标定工质20，760mmH
17、g的空气，air=1.2kg/m3）若实际操作条件与标定条件不同时，则HT 与HT需换算，即将工况的HT换算为标况的HT。换算关系为： 3离心通风机的选择与离心泵的选择相类似，选择步骤为： 根据Bs eg，计算输送系统所需的实际风压HT，根据所输送气体的性质（洁净与否，易燃与否）与风压HT范围，确定风机类型与型号。如输送的是清洁空气或类空气的气体，则可选用4-72型，中低压离心通风机8-18，9-19，9-26型，高压离心通风机根据Q，HT，从风机样本中的性能曲线或性能表选择合适的机号，选择原则与泵相同。例2-10二离心鼓风机与压缩机1）离心鼓风机（又称透平鼓风机）工作原理与离心通风机相同，结
18、构类似于多级离心泵。特点：送气量大，出口风压一般294103Pa，不需冷却装置。2）离心压缩机 主要结构，工作原理与离心鼓风机相似，只是离心压缩机的叶轮级数比鼓风机多。特点：转速较高，能产生更高的压强流量大，供气均匀离心压缩机常分成几段，每段包括若干级，段段间设置中间冷却器，以免气体温度过高。 例2-1 已知某离心泵叶轮外径为192mm，叶轮出口宽度为12.5mm，叶片出口流动角为35，若泵的转速为1750r/min，试求该泵的基本方程式（即理论压头和理论流量的关系）。解：由下式知：因为将、及代入上二式得：即由上式可见，离心泵的理论压头与理论流量呈现性关系，且随流量的增加，该泵的压头随之降低。
19、例2-2 采用本题附图所示的实验装置来测定离心泵的性能。泵的吸入管内径为100mm，排出管内径为80mm，两侧压口间垂直距离为0.5m。泵的转速为2900r/min，以20清水为介质测得以下数据：流量，l/s15泵出口处表压，Pa2.55105泵入口处真空度，Pa2.67104功率表测得电动机所消耗的功率，kW6.2泵由电动机直接带动，电动机的效率为93%。试求该泵在输送条件下的压头，轴功率和效率。解：（1）泵的压头 真空计和压强表所在处的截面分别以1-1和2-2表示，在两截面间列以单位重量液体为衡算基准的柏努利方程式，即：其中，（表压），（表压），两侧压头间的管路很短，其间流动阻力可忽略不计
20、，即。故泵的压头为：（2）泵的轴功率 功率表测得的功率为电动机的输入功率，由于泵为电动机直接带动，传动效率可视为100%，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。因电动机本身消耗部分功率，其功率为93%，于是电动机输出功率为：泵的轴功率为：（3）泵的效率 由式知：例2-3 某离心泵输送水的特性曲线如本题附图所示，最高效率下相应的流量为2.84m3/min、压头为30.5m。若用此泵输送密度为900kg/m3、粘度为220cSt的油品，试作出该泵输送油品时的特性曲线。解：用下式计算该泵输送油品时的性能，即：， 式中各换算系数可由图查取。在图中，压头换算系数有四条曲线，分别表示输送清水时的额定流量QS
21、的0.6、0.8、1.0及1.2倍时的压头换算系数。由题意知QS为2.84 m3/min，则可从本题附图的特性曲线中分别查出0.6QS、0.8QS、1.0QS及1.2QS下所对应的H及值，并列于本题附表1中，以备下一步查CH值之用。例2-3 附表1项目0.6QS0.8QS1.0QS1.2QSQ，m3/min1.702.272.843.40H，m34.333.030.526.2，%72.5808279.5以为例，由图查出各性能的换算系数，其查图方法如图中虚线所示。在横坐标上自的点向上作垂线与压头的斜线相交，由交点引水平线与粘度为220cSt的粘度线相交，从此交点再垂直向上作直线分别与、及所对应的
22、曲线相交，各交点的纵坐标为相应的粘度换算系数值，即：；。于是可计算出输送油品时的性能为：输送油品时的轴功率可按下式计算，即：依照上述方法可查出不同流量下相对应的各种性能换算系数，然后再由，和计算输送油品的性能，并将计算结果列于本题附表2中。例2-3 附表2项目0.6QS0.8QS1.0QS1.2QS0.950.950.950.950.960.940.920.890.6350.6350.6350.635Q，m3/min1.622.162.73.23H，m32.931.028.123.3，%46.050.852.150.5N，kW17.019.421.421.9将本题附表2中相应的Q、H、 及N值
23、标绘于本题附图中，所得虚线即为输送油品时离心泵的特性曲线。例2-4 用3B33型水泵从一敞口水槽中将水送到它处，槽内液面恒定。输水量为4555m3/h，在最大流量下吸入管路的压头损失为1m，液体在吸入管路的动压头可忽略。试计算：（1）输送20水时泵的安装高度。（2）输送65水时泵的安装高度。泵安装地区的大气压为9.81104Pa。解：由附录二十五查得3B33型水泵的部分性能列于下表： 例2-4 附表流量，Q压头，H转速，n允许吸上真空高度，HSm3/hmr/minm3035.6 7.04532.629005.05528.8 3.0（1）输送20水时泵的安装高度 根据下式计算泵的允许安装高度，即
24、：由题意知，。从该泵的性能表可看出，Hs随流量增加而下降，因此，在确定泵的安装高度时，应以最大输送量所对应的Hs值为依据，以便保证离心泵能正常运转，而不发生汽蚀现象，故取。故为安全起见，泵的实际安装高度应小于2m。（2）输送65水时泵的安装高度 此时不能直接采用泵性能表中的Hs值计算泵的允许安装高度，需按式对Hs进行计算，即：其中，由附录六查出65水的饱和蒸汽压及密度，则：将式中的Hs换以Hs，以计算泵的允许安装高度，得：Hg为负值，表示泵应安装在水面以下，至少比贮槽水面低0.35m。例2-5 用离心油泵从贮罐向反应器输送液态异丁烷。贮罐内异丁烷液面恒定。其上方绝对压强为6.65kgf/cm2
25、。在泵的性能表上查得，输送流量下泵的允许气蚀余量为3.5m。试1确定该泵能否正常操作。解：根据已知条件考虑泵能否正常操作，就应该核算泵的安装高度是否合适，即能否避免气蚀现象。可先用式计算允许安装高度，以便和实际安装高度进行比较。式中，故已知泵的实际安装高度为-1.5m，大于上面的计算结果，说明泵的安装位置太高，在输送过程中会发生气蚀现象，使泵不能正常操作。由以上两例可看出，当液体的输送温度较高或沸点较低时，由于液体的饱和蒸气压较高，就要特别注意泵的安装高度。若泵的允许安装高度较低，可采用下列措施：（1）尽量减小吸入管路的压头损失，可采用较大的吸入管径，缩短吸入管的长度，减少拐弯，并省去不必要的
26、管件和阀门等。（2）把泵安装在贮罐液面以下，使液体利用位差自冬灌入泵体内。例2-6 采用例2-1中的离心泵，将20清水从贮水池输送到指定位置，已知输送管出口端与贮水池液面垂直距离为8.75m，输水管内径为114mm的光滑管，管长为60m（包括局部阻力的当量长度），贮水池与输水管出口端均与大气相通，贮水池液面保持恒定。该离心泵的特性如下：Q，m3/s0.000.010.020.030.040.05H，m20.6319.9917.8014.4610.335.71，%0.0036.156.061.054.037.0试求该泵在运转时的流量、压头、轴功率、总效率和水力效率。水的物性：，解：求泵在运转时的流量、压头、轴功率和效率，实质上是要找出该泵在管路上的工作点。泵的工作点由泵的特性曲线和管路特性曲线所决定。根据该泵的特性，在本题附图上绘出泵的H-Q和-Q曲线。管路特性曲线应根据管路条件，先求出管路特性方程，再在本题附图上标绘出管路特性曲线。（1）管路特性方程 在贮水池液面和输水管出口内侧列柏努利式，得：其中，即而，对光滑管所以（2）标绘管路特性曲线 根据管路特性方程式，可算出管路系统在不同流量下所需压头的数值，现将计算结果列于本题附表中。由下表数据，即可在本题附图上绘出管路特性曲线HcQc。例2-6 附表Qc，m3/s0.000.010.020.030.040.05Hc，m8.75