《重庆大学流体输配管网第5章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《重庆大学流体输配管网第5章.ppt(84页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、 第5章 泵与风机的理论基础 5.1离心式泵与风机的基本结构 5.2离心式泵与风机的工作原理及性能参 数 5.3离心式泵与风机的基本方程欧拉方 程 5.4泵与风机的损失与效率 5.5性能曲线及叶型对性能的影响 5.6相似律与比转数 5.7其它常用泵和风机 5.1离心式泵与风机的基本结构 5.1.1离心式风机的基本结构 *离心式风机的主要部件有叶轮和机壳(如图 ) 一、叶轮 由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。 前盘的形式有多种,如图示。 叶片是主要部件。 按叶片的出口安装角分类:有前向叶片、 后向叶片、径向叶片三种(如图)。 叶片的形状有:平板型、圆弧型和中空机 翼型(如图)。 返回 返回 返回 返
2、回 二、机壳 由蜗壳、进风口和风舌等零部件组成。 1)蜗壳 蜗壳是由蜗板和左右两块侧板焊接或咬口而成。 作用: l 是收集从叶轮出来的气体; l 引至蜗壳的出风口,把风输送到管道中或排 到大气; l有的风机将风的一部分动压通过蜗壳转变为 静压。 2)进风口 l进风口又称集风器,它保证气流能均匀地充 满叶轮进口,使气流流动损失最小。 l离心式泵与风机的进口有圆筒形,圆锥形、 弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形等多种。如图示。 返回继续 返回 三进气箱 一般只在大型或双吸的离心式风机上使用。 四前导器 n 在大型离心式风机或要求性能调节的 风机的进风口或进风口的流道内装置前导器 。 n 前导器有轴向式和
3、径向式两种。 五、扩散器 n 扩散器装于风机机壳出口处,其作用 是降低出口流体速度,使部分动压转变为静 压, n 有圆形截面和方形截面两种。 5.1.2离心式泵的基本结构(如图) 一叶轮 n 叶轮分为单吸叶轮和双吸叶轮两种; n目前多采用铸铁、铸钢和青铜制成; n叶轮按其盖板情况又可分为封闭式叶 轮、敞开式叶轮和半开式叶轮三种形式,如 图所示。 二泵壳 三、泵座 四、轴封装置 返回 返回 5.2离心式泵与风机的工作原理和性能参数 *5.2.1离心式泵与风机的工作原理 叶轮随原动机的轴转时,叶片间的流体也随叶轮高 速旋转,受到离心力的作用,被甩出叶轮的出口。 被甩出的流体挤入机(泵)壳后,机(泵
4、)壳内流 体压强增高,最后被导向泵或风机的出口排出。 同时,叶轮中心由于流体被甩 出而形成真空,外界的流体在 大气压的作用下,沿泵或风机 的进口吸入叶轮,如此源源不 断地输送流体。 5.2.2离心式泵与风机的性能参数 一、流量 单位时间内泵与风机所输送的流体的量称 为流量。常用体积流量并以字母Q表示,单位 是 m3s或 m3h。 二泵的扬程与风机的全压 流经泵的出口断面与进口断面单位重量流 体所具有总能量之差称为泵的扬程。用字母H 表示,其单位为m。 流经风机出口断面与进口断面单位体积的气 体具有的总能量之差称为风机的全压或(压头 )。用字母 P表示,单位为 Pa。 三 功率 (1)有效功率
5、有效功率表示在单位时间内流体从离心式泵与风 机中所获得的总能量。用字母Ne表示,它等于重量流 量和扬程的乘积:NeQHQP (w或kw) (2)轴功率 原动机传递到泵与风机轴上的输入功率为轴功率 ,用字母N表示。 四泵与风机总效率 泵与风机的有效功率与轴功率之比为总效率,常 用字母表示。 NeN 五转速 转速指泵与风机的叶轮每分钟的转数即rmin, 常用字母n表示。 返回继续 5.3离心式泵与风机的基本方程欧拉方程 5. 3. 1绝对速度与相对速度 绝对速度是指运动物体相对于静止参照系的运 动速度; 相对速度则是指运动物体相对于运动参照系的 速度; 牵连速度是指运动参照系相对于静止参照系的 速
6、度。 5.3.2 流体在叶轮中的运动与速度三角形 u当叶轮旋转时,在叶片进口“1”或出口 “2”处,流体一方面随叶轮旋转作圆周牵连运 动,其圆周速度为u;见图。 u另一方面又沿叶片方向作相对流动,其相对 速度为w; u流体在进、出口处的绝对速度v应为w与u两者 之矢量和。 为了便于分析,将绝对速度v分解为与流 量有关的径向分速度vr和与压力有关的 切向分速vu。 径向分速度的方向与半径方向相同,切 向分速与叶轮的圆周运动方向相同。 将上述流体质点诸速度共同绘制在一张 速度图上(如图),就是流体质点的速 度三角形图。 速度v和u之间的夹角叫做叶片的工作角 ,为安装角。 返回 返回 5.3.3离心
7、式泵与风机的基本方程欧拉方程 假定把它当做一元流动来讨论,也就是用流束理 论进行分析。这些基本假定是: (1)流动为恒定流 (2)流体为不可压缩流体 (3)叶轮的叶片数目为无限多,叶片厚度为无限薄 (4)流体在整个叶轮中的流动过程为一理想过程, 即泵与风机工作时没有任何能量损失 对于那些与实际情况不符的地方,对计算结果再 逐步加以修正。 欧拉方程的导出: 动量矩定理:质点系对某一转轴的动量矩对 时间的变化率,等于作用于该质点系的所有外 力对该轴的合力矩M。 角标“T”表示流动过程理想,“”表示叶 片为无限多,“1”表示叶轮进口参数,“2” 表示叶轮出口参数。 则QT 表示流体在一个理想流动过程
8、中流经 叶片为无限多的叶轮时的体积流量 在每单位时间内流经叶轮进出口流体动量矩的 变化则为:QT (r2vu2 T - r1vu1 T ) 合力矩为: M=QT (r2vu2 T - r1vu1 T ) u=r, r=u/ M= QT ( u2Tvu2 T - u1T vu1 T )/ 有效功率等于流体的合外力矩M与角速度之积: N二MQT ( u2Tvu2 T - u1T vu1 T ) = QT HT 经移项,得理想化条件下单位重量流体的能量增 量与流体在叶轮中的运动的关系,即欧拉方程: H HT T = = ( u u2T 2T v v u2 T u2 T - u - u1T 1T v
9、v u1 T u1 T ) )/g/g 欧拉方程的特点: 1推导基本能量方程时,未分析流体在叶 轮流道中途的运动过程,得出流体所获 得的理论扬程HT ,仅与流体在叶片进 、出口处的速度三角形有关,而与流动 过程无关。 2流体所获得的理论扬程HT 与被输送 流体的种类无关。 5.3.4 欧拉方程的修正基本 假定(1)流动为恒定流( 2)流体为不可压缩流体在 实际中可以达到; 假定(3)叶轮的叶片数目 为无限多,叶片厚度为无限 薄是不可能的; 这将在叶道内产生轴向涡 流,速度也不均匀。(涡流 实验如图),涡流对欧拉方 程的影响如图示。 在叶道的出口处,涡流使Vu2T减小Vu2T, 在叶道的进口处,
10、涡流使Vu1T增加为Vu1T (如图), 对有限多叶片的泵与风机的理论扬程为: HH T T = = ( u u2T 2T v v u2 Tu2 T - u - u1T 1T v v u1u1 T T )/g/g 设K= HT/ HT 1,为环流系数,一般取 0.750.85,它说明了涡流的影响。 当1=900时,v vu1T=0 u1T=0, 则 HH T T = u = u2T 2T v v u2u2 T T /g /g 返回 5.3.5 欧拉方程的物理意义 在速度三角形中,由余弦定理得: w2=u2+v2-2uvcos= u2+v2-2uvu , 于是u2vu2=( u22+v22 w2
11、2)/2 u1vu1=( u12+v12 w12)/2 代入欧拉方程得: 第一项表示流体在叶轮内旋转时产生的离心力所做的功; 第二项表示由于叶道展宽,相对速度降低而获得的压能; 第三项表示动压水头增量 5.4 泵与风机的损失与效率 5. 4. 1流动损失与流动效率 1、流动损失 根本原因:流体具有粘性 A、进口损失 流体进入叶道之前发生了预旋转,叶片做功减 小,使气流角发生了旋转,理论扬程下降。 B、撞击损失 当实际运行流量与额定流量不同时,相对速度 的方向不再与叶片进口安装角的方向一致,从 而发生撞击损失。它与流量差的平方成正比。 C、叶轮中的水力损失 包括摩擦损失和流速大小、方向改变及离开
12、叶 片时的局部损失。 D、动压转换和流体离开机壳时的损失 E、流动总损失 2、流动效率 实际扬程或全压与其理论扬程或全压之比叫做 流动效率。 5. 4. 2泄露损失与泄露效 率 1、泄露损失 (1)形成原因 A、外泄露。可忽略。 B、内泄露 包括从平衡孔和叶轮与进 气孔间隙泄露的流量。 (2)间隙:取(1/1001/200)D2 (3)泄露量: 全压定义为: 2、泄露效率 5. 4. 3轮阻损失与轮阻效率 1、轮阻损失 定义:当叶轮旋转时引起流体于叶轮前、后盘外 侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失 2、轮阻效率 其中Ni为内功率 轮阻损失总功率 5. 4. 4泵与风机的功率和效率 1、功率 (1)
13、有效功率Ne 输送体积流量为Q的流体,在单位时间内从泵与风 机中所获得的总能量,称为有效功率,即: Ne=PQ/1000(KW) (2)内功率Ni 包括流动损失、轮阻损失和内泄漏损失等实际消耗 于流体的功率为内功率,即 Ni =(P十Ph)(Qq)Nr(kw) (3)轴功率Ns 泵与风机的输入功率称为轴功率,它等于内功率Ni 与机械传动损失Nm之和,即Ns= Ni+Nm(kw) 2、效率 (1)内效率i i = Ne/ Ni= h e r (2)机械传动效率m m = Ni/ Ns= (NS-Nm)/ Ns (3)全压效率 = Ne/ Ns= i m = h e r m (4)静压效率st 静
14、压总效率: st = PstQ/ Ns= (Pst/ P) 静压内效率: sti = PstQ/ Ni= (Pst/ P) i 3、泵与风机所需功率 NM= PQK/1000 = PQK/1000 h e r m 其中:K为电动机容量储备系数。见下表。 5.5性能曲线及叶型对性能的影响 5. 5. 1泵与风机的理论特性曲线 *1、三种性能曲线 A、H=f1(Q); B、N=f2(Q); C、=f3(Q)。 *2、 H=f1(Q)曲线 3、N=f2(Q)曲线 *5. 5. 2叶型对性能的影响 1、三种叶型 A、前向叶片:290 B、后向叶片:290 C、径向叶片:290 2、 2 对压力的影响
15、根据叶片出口速度三角形得出: A、前向叶片:290,vu2 u2 ; B、后向叶片:290, vu2 u2 ; C、径向叶片:290, vu2 = u2 。 根据: 得: 返回 在u2相等的条件下,可以比较vu2的大小 结论: 泵与风机的扬程或全压:前向叶片叶轮给 出的能量最高,后向叶片叶轮给出的能量最低 ,径向叶片叶轮给出的能量居中。 3、 2 对效率的影响 在离心式泵或风机的设计中,除使流体径 向进入流道外,常令叶片进口截面积等于出口 截面积。根据连续性原理可得出: 由图5-5-4得: u 在相同叶轮直径和叶轮转速的条件下,具有290 的后向叶型叶轮的出口切向分速度较小,因而全部理论 扬程
16、中的动压水头成分较少; u具有290的前向叶型叶轮的出口切向分速度较大 ,所以动压水头成分多,流体在扩压器中的流速大, 从而动静压转换损失必然较大,效率较低。 由5-5-3得: 返回 离心式泵和大型风机中,为了增加效率和 降低噪声水平,几乎都采用后向叶型。 中小型风机效率不是主要考虑因素,有采 用前向叶型的,因为叶轮是前向叶型,在 相同的压头下,轮径和外形可以做的较小 。 4、几种叶片形式的比较: (1)从扬程看: 前向叶片最大,径向叶片稍次, 后向叶片最小。 (2)从效率看: 后向叶片最高,径向叶片居中, 前向叶片最低。 (3)从结构尺寸看: 前向叶轮直径最小,而径向 叶轮直径稍次,后向叶轮
17、直径最大。 (4) 从工艺看:直叶片制造最简单。 结论: (1)大功率的泵与风机一般用后向叶片较多。 (2)如果对泵与风机的压力要求较高,而转速 或圆周速度又受到一定限制时,则往往选用前 向叶片。 (3)从摩擦和积垢角度看,选用径向直叶片较 为有利。 5.5.3泵与风机的实际性能曲线 泵与风机的QH曲线 从上图看出: HT QT 曲线中如果考虑叶片为有限多,该曲 线变为: HT QT 曲线,如果考虑流动损失和泄 露损失得到: H Q曲线。 泵与风机的QN曲线 轴功率是理论功率与全部功率损失之和 N=NT+NmQTHT+ Nm 曲线即为QN曲线 泵与风机的Q曲线 按有效功率与轴功率之比,可得 Q
18、 曲线 QH曲线最为重要 *通常按照QH曲线的大致倾向可将其分 为下列三种:平坦型、陡降型、驼峰型。如 图示。 具有平坦型曲线的泵与风机,当流量变动很 大时能保持基本恒定的扬程。 陡降型曲线的泵与风机流量变化时,扬程的 变化较大。 驼峰型曲线的泵与风机,当流量自零逐渐增 加时,相应的扬程最初上升,达到最高值后 开始下降 5.5.4 泵与风机性能实验标准 实验目的 l 测绘离心式风机性能曲线 l 学习离心式风机运行操作 实验设备及仪表 实验步骤 检查仪表是否正常,正常启动风机 开始记录最大流量下的净压、入口处净压,电 机功率和效率 改变流量,继续测量上述值 测试完毕 数据整理 风量 全压 功率
19、效率 转速 实验结果 l计算表格和性能曲线图 5.6相似律和比转数 5. 6. 1泵与风机相似律 5. 6. 1.1相似条件 A、几何相似 B、运动相似 C、动力相似。 雷诺数相等(惯性力与粘性力之比): 欧拉数相等(压差与惯性力之比) : 5.6.1.2 入口速度三角形相似 在几何相似的泵与风机中,只要能保持叶片 入 口速度三角形相似,且对应点的惯性力与粘 性力的比值相等,则其流动过程必然相似。 相似三角形中 由于 可得: 令: 流量系数相等 流量系数相等,即表示入口速度三角形相似。 可以把两离心式泵与风机流动过程相似的 条件归结为: 1几何相似; 2流量系数 Q相等; 3雷诺数Re、欧拉数
20、Eu相等。 根据欧拉数相等的条件,可得 又由于 所以有 因为 对应点的动压也成比例 所以 令 可以写成: 全压系数相等 同理全压系数 功率 令 得功率系数 在相似工况下,流量系数、压力系数和效 率都彼此相等,所以功率系数N也相等。 当几何相似的两泵与风机的工况,满足流 量系数相等和雷诺数相等的条件时,全压 系数、功率系数与效率必彼此相等。 当流量系数、雷诺数变化时,全压系 数、功率系数与效率将跟着发生变化 。 可用下列函数式表示它们之间的关系 : 返回 5.6.2泵与风机的相似律及其应用 1、全压或扬程换算公式 2、流量换算公式 3、功率换算公式 5.6.3比转数 1、公式的推导 由 得 整理
21、得: 假设 为比转数(简化形式) 由5-6-14式可知 是无因次量 为便于进行分析比较,一般把泵与风机全压效率最高 点的比转数作为该泵与风机的比转数值。 特别要指出的是,在相似条件下,两个泵与风机的比 转数是相等的。 反过来,比转数相等的两泵与风机就不一定相似。 比转数也可以用无困次参数P、Q来表示 2、 比转数的应用 (1)用比转数划分泵与风机的类型 比转数大,反映泵与风机的流量大、压力低; 反之,比转数小,则流量小、压力高。 可用比转数的大小划分泵与风机的类型。例如: ns=2.712 前弯型泵与风机 ns=3.616.6 后弯型泵与风机 ns=16.617.6 单级双进气或并联离心式泵
22、与风机 在设计参数给定时,可先计算比转 数,再根据比转数的大小决定采用哪种 类型的泵与风机。 (2)比转数的大小可以反映叶轮的几何 形状 同一类型泵与风机,比转数越大, 流量系数越大,叶轮的出口宽度与其直 径之比就越大;反之,结果相反 (3)比转数可用于泵与风机的相似设计 对于编制系列和安排型谱有重要意义 根据比转数的大小,大体可了解风机的 性能和结构 根据流量、压头和转速计算比转数,再 通过比转数,确定泵与风机的型号 5.6.4 泵与风机的无因次性能曲线 在值Re不变的条件下,可绘制出如图所示 各种无因次性能曲线,这组曲线适用于转速不 等,尺寸不同的同一类型的泵与风机,所以又 叫类型特性曲线
23、。 前面所述的实际特性曲线,只适用于一定 转速、一定尺寸的泵与风机,所以又叫单体特 性曲线。 当Re和几何尺寸相差过大时,动力相似和 几何相似遭到破坏,用同一组无因次性能曲线 表示它们的特性,就会带来较大的误差。 返回 5.7 其它常用泵与风机 5.7.1轴流式风机 定义:风压在4.9kPa以下,气体沿轴向流动的风机 特点:形式和构造多种多样 布置方式:立式、卧式和倾斜式 用途:大型电站、隧道和矿井通风 建筑物通风与空气调节 冷却塔通风、锅炉引风等 性能曲线特点: Q-H曲线大都属于 陡降型曲线 Q-N曲线在流量为 零时N最大 Q-曲线在最高效 率点附近迅速下降 5.7.2贯流式风机 返回 工
24、作原理 特点 全压系数较大 H-Q曲线是驼峰型,效率低,30-50% 结构简单,出口细长扁平 用途 低压通风换气、空调、车辆和家 用电器等 5.7.3混(斜)流式风机 工作原理 特点 风压比轴流风机大,风量比离心 风机高,全压效率可达88-89%, 噪音相对较低 用途 在送排风系统中可替代低压离心 风机或替代高压轴流风机而不需 采用大量消声措施。 5.7.4真空泵与空压机 工作原理 用途 保持一定真空度 5.7.5往复式泵 工作原理 特点 扬程几乎与流量无关,可 维持流量基本恒定, 用途 适应于小流量,高扬程和粘 性大的流体输送,如用饱和 蒸汽为动力的锅炉补给水泵 5.7.6深井泵与潜水泵 工作原理 返回 5.7.7旋涡泵 工作原理 特点 小流量、高扬程、具有自吸的有点 但效率低 用途 小型锅炉给水泵 输送无腐蚀性、无固体杂质的流体