泵与风机的性能-2011.ppt

1,第二章 泵与风机的性能,第一节 损失与效率,2,由泵与风机损失的性质可将其分为三种： 1.机械损失 2.容积损失 3.水力损失 轴功率减去由这 三项损失所消耗的功 率等于有效功率。 从图所示的能量平衡图可以看出轴功率、损失功率与有效功率之间的能量平衡关系。,3,(一)机械损失和机械效率 轴端密封与轴承的摩擦损失的功率P约为轴功率的 15。 盘摩擦损失是叶轮在壳体内的流体中旋转，叶轮两侧的流体，由于受离心力的作用，形成回流运动，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210，是机械损失中的主要部分。,圆盘摩擦损失为：,4,总的机械损失功率Pm为 机械损失用机械效率来衡量，即 式中 机械损失功率，kW。,5,(二)容积损失和容积效率 泵与风机由于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，因而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。,6,容积损失主要发生在以下一些地方： 叶轮入口与外壳密封环之间的间隙；平衡轴向力装置与外壳间的间隙和轴封处的间隙等。 为了减少进口的容积损失，一般在进口都装有密封环。在间隙两侧压差相同的情况下，如间隙宽度b越小，间隙长度l越长，或弯曲次数越多，则密封效果越好，容积损失也就越小。,7,容积损失与比转数ns有关。 随比转数ns 的减小容积损失增加。 因为低比转数叶轮间隙两侧的压差大，因而导致泄漏量增加。,8,1发生在叶轮入口的容积损失 式中 -流量系数； H-间隙两侧的能头差; A间隙的环形面积。 2发生在平衡轴向力装置处的容积损失 总的泄漏量，一般为理论流量的410。 容积损失用容积效率来衡量，容积效率用下式表示,9,(三) 流动损失和流动效率 流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。 流体和各部分流道壁面摩擦会产生摩擦损失； 流道断面变化、转弯等会使边界层分离、产生二流次流而引起扩散损失； 由于工况改变，流量q1，偏离设计流量qvd时，入口流动角1与叶片安装1a。不一致会引起冲击损失。,10,泵与风机流道形状比较复杂，l、R、均难以确定，因此可以把全部摩擦损失归并成一个简单的公式，即 扩散损失用下式计算： 两项损失相加，得,1摩擦损失和扩散损失 摩擦损失用下式计算：,11,2冲击损失 相对速度方向与叶片进口切线方向之间的夹角称为冲角。,11a,=0， 没有冲击损失； 11a，0，漩涡发生在非工作面上； 11a，0，漩涡发生在工作面上。,=1a-1,在设计工况时，流体的入口流动角1等于叶片入口安装角1a。,12,冲击损失用下式计算： 在所有损失中，流动损失最大。,流动损失用流动效率h表示：,13,风机的总效率又称全压效率。 静压效率 静压内效率 全压内效率,(四)泵与风机的总效率 泵与风机的总效率等于有效功率与轴功率之比，即,内功率：轴功率-(轴承+密封)摩擦损失功率。 内功率反映了叶轮的输入功率，而轴功率则是整台的输入功率。,14,泵与风机的总效率等于流动效率h、容积效率V和机械效率m三者的乘积。 要提高泵与风机的效率就必须在设计、制造及运行等各方面注意减少机械损失、容积损失和流动损失。 离心泵总效率约为0.600.90 离心风机约为0.700.90 高效风机可达0.90以上 轴流泵的总效率约为0.700.89 大型轴流风机可达0.90左右,15,第二章 泵与风机的性能,第二节 泵与风机的性能曲线,16,性能曲线：反映流量qV、扬程H或全压p、功率P、效率、汽蚀余量h这些性能参数间变化关系的曲线。 性能曲线通常是指在一定转速下，以流量qV作为基本变量，其他各参数随流量改变而变化的曲线。 以流量qV为横坐标，扬程H(p)、功率P、效率、汽蚀余量h为纵坐标，绘制出qV-H(p)、qV-P、qV-、qV-h等曲线。 该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。,17,鉴于泵与风机内部流动的复杂性，至今还不能用理论计算的方法求得，而是通过试验来确定。 对性能曲线进行理论分析，对了解性能曲线的变化规律以及影响性能曲线的各种因素，具有十分重要的意义。,18,19,一、离心式泵与风机的性能曲线 (一)流量与扬程(qV-H)性能曲线 1.叶片无限多时的性能曲线,因为 得,式中 ， ， ， 均为常数。,令 则有 上式是一直线方程。因此，随呈直线关系变化。,20,3 (前弯式叶片) 时,B为负值， 为一条上升的直线。,1 (后弯式叶片) 时， ，B为正值，则 增加时， 减小， 随着 增大而直线下降。,2 （径向式叶片） 时,B0 为平行于横坐标的直线。,21,2.性能曲线的变化分析 以上的直线为理论的 性能曲线，由于考虑到有限叶片数和粘性流体的影响，需对上述曲线进行修正，现以 90的后弯式叶片为例，分析性能曲线的变化。,22,(1) 叶片数无限多、列限薄，理想流体的性能曲线（a),23,(2)有限数叶片数的影响 对于有限数叶片的叶轮，由于轴向涡流的影响，从而其所产生的扬程降低，可用滑移系数进行修正。,滑移系数K恒小于1，且基本与流量无关。 因此，有限数的曲曲线，是一条向下倾斜的直线（b）。,24,(3)摩擦及扩散损失的影响 考虑实际流体粘性的影响，要在曲线上减去因摩擦、扩散损失的扬程。 摩擦及扩散损失随流量的平方增加，减去各流量下因摩擦及扩散而损失的扬程(c)。,25,(4)冲击损失的影响 冲击损失在设计工况下为零，在偏离设计工况时则按抛物线增加，在对应流量下再从c曲线上减去因冲击而损失的扬程(d)。,26,(5)容积损失的影响 在d线上的各点减去相应的泄漏量q，即得到流量与实际扬程的性能曲线(e)。 对风机的曲线与泵的曲线分析相同。,27,1.叶片无限多、理想流体a 2.有限叶片数时的性能曲线b 3.考虑摩擦及扩散损失的性能曲线c,4.考虑冲击损失的性能曲线d （qVT-H） 5.考虑容积损失的性能曲线e （qV-H）,28,(二)流量与功率性能曲线 流量与功率性能曲线，是指在一定转速下泵与风机的流量与轴功率之间的关系曲线。 轴功率P等于有效功率Pe与机械损失功率Pm、容积损失功率、流动损失功率之和。,而机械损失与流量无关，因而可先求得流量与有效功率的关系曲线，然后，在相应点加上机械损失功率即得到流量与轴功率的关系曲线。,29,有效功率Pe为 令 得,30,12a90，B为正 当qVT= 0时， Pe=0 当 时，Pe=0 通过坐标原点与横轴相交于 点的抛物线,22a = 90，B=0, 当qVT0时，Pe0 通过坐标原点上升的直线,32a 90，B为负 当qVT0时，Pe0 通过坐标原点的上升曲线,31,4.输入功率与流量性能曲线 后弯式叶轮，在流量与有效功率（qVT-Pe）曲线上加一等值的机械损失功率Pm，即得到qVT-Pe性能曲线。,泄漏量的影响，在性能曲线上由所对应的流量减去相应的泄漏量q。 将流量为零的这一工况称为空载工况，功率等于泵与风机在空转时的机械损失功率、容积损失功率、流动损失功率之和。,32,(三)流量与效率性能曲线 泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即,通过坐标原点并与横坐标轴相交的曲线。实际上性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而效率曲线也不可能与横坐标轴相交。 曲线上最高效率点，即为泵与风机的设计工况点。 对风机而言，因为有全压p和静压pst,所以对应的效率也有全压效率及静压效率曲线。,33,34,35,(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 在给定的流量qV下，均有一个与之对应的扬程H或全压p，称为工况点。工况点有对应的功率P及效率值。,最高效率所对应的工况点，称为最佳工况点。 在最佳工况点左右的区域(一般不低于最高效率的0.850.9)称为经济工作区或高效工作区。,36,2.离心式泵空载运行时的汽蚀 当出口阀门全关时，该工况为空转状态。这时，空载功率主要消耗在机械损失上，如旋转的叶轮与流体的摩擦，使水温迅速升高，会导致泵壳变形、轴弯曲以致汽化，特别是锅炉给水泵及凝结水泵，由于输送的是饱和液体，因此为防止汽化，一般不允许在空转状态下运行(除特殊注明允许的外)。如在运行中负荷降低到所规定的最小流量时，则应开启泵的旁路管。,37,3.空载起动 离心式泵与风机，在空转状态时，轴功率(空载功率)最小。为避免启动电流过大，原动机过载，所以离心式的泵与风机要在阀门全关的状态下启动，待运转正常后，再开大出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常的运行。,38,4.后弯式叶轮性能曲线的三种基本形状 陡降的曲线，当流量变动很小时，扬程变化很大，适用于扬程变化大而流量变化小的情况，如电厂的取水水位变化较大的循环水泵； 平坦的曲线，当流量变化很大时，扬程变化很小，适用于流量变化大而要求扬程变化小的情况。如电厂的汽包锅炉给水泵；,39,有驼峰的曲线，扬程随流量的变化是先增加后减小，曲线上k点对应扬程的最大值Hk和qVk，在k点左边为不稳定工作段，在该区域工作，会影响泵与风机的稳定工作。 不希望使用具有驼峰形曲线的泵与风机。即使使用也只允许在qVqVk时工作。,驼峰形曲线，一般与叶片出口角、叶片数z、叶片形状等有关。,40,5.前弯式叶轮 由性能曲线可见，后弯式叶轮和前弯式叶轮有着明显的差别。 后弯式叶轮的性能曲线，随流量的增加功率变化缓慢；而前弯式叶轮随流量的增加，功率急剧上升，因此原动机容易超载。 因前弯式叶轮的理论性能曲线为一上升直线，在其上扣除轴向涡流及损失扬程后，所得到的实际性能曲线是一具有较宽不稳定工作段的驼峰形曲线。如果风机在不稳定工作段工作，将导致喘振。因此，不允许在此区段工作。 前弯式叶轮效率远低于后弯式。为了提高风机效率，节约能耗，大中型风机均采用效率较高的后弯式叶片。,41,二、轴流式泵与风机的性能曲线 叶片安装角固定的轴流式泵与风机，试验所测得的典型性能曲线和离心式泵与风机相比有显著的区别。,随流量减小，扬程(全压)先是上升，当减小到qVc时，扬程(全压)开始下降，流量再减小到qVb时，扬程(全压)又开始上升直到流量为零时的最大值。 轴流式泵与风机性能曲线出现拐点的原因是：,42,qVqVd,流动角减小，冲角增大，翼型升力系数增加，扬程上升； qVc时冲角已增加到使翼型上产生附面层分离，出现失速现象，升力系数降低，扬程下降。,设计工况d，叶片各截面的流线分布均匀，扬程(全压)相等，效率最高；,qVb时，扬程(全压)最低，沿叶片各截面扬程等出现二次回流，扬程又开始升高，二次回流伴有较大的能量损失，效率也随之下降。,43,(2)轴功率在空转状态时最大，大流量减小，为避免原动机过载，要在阀门全开状态下启动。可调叶片的轴流式泵与风机在小安装角时启动。,轴流式泵与风机性能曲线有以下特点： (1) 性能曲线在小流量区域内出现驼峰形状，在c点的左边为不稳定工作区段，一般不允许泵与风机在此区域工作。,(3)轴流式泵与风机高效区窄。采用可调叶片，则可使在很大的流量变化范围内保持高效率。,44,45,第二章 泵与风机的性能,第三节 性能曲线的测试方法,46,一、泵性能试验 性能试验：确定泵的扬程、轴功率、效率与流量之间的关系。 GB3216-2005回转动力泵 水力性能验收试验 1级和2级 ISO9906：1999回转动力泵 水力性能验收试验 1级和2级 GB/T18149-2000离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级 ISO5198:1987离心泵、混流泵和轴流泵 水力性能试验规范 精密级 SL 140-2006水泵模型及装置试验验收规程,47,1试验装置 保证通过测量截面的液流： 轴对称速度分布； 等静压分布； 无装置引起的旋涡。,1.工况模拟系统 水源(储水装置) 管道系统 阀门 其他,2.测控系统 流量测量 扬程测量 功率测量 其他,试验系统:,按管路布置 方式分为: 开式 闭式,48,49,50,中水北方勘测设计研究院,51,52,水泵1自水箱2中吸水，水经过吸水管路3进入水泵，由水泵得到能量后，进入压水管路4，经压水管路4又回到水箱2中去。当水泵1进行试验时，水就在这一系统中作循环流动。在水泵1吸入室进口的地方装一水银真空计5，用来测量水泵l进口处的真空度(如水泵进口的压力大于大气压力，则装压力表)。 在水泵1出口装一压力表6，用来测量水泵出口处的压力。在压水管路4上装有调节阀门7，用来调节流量，调节阀门7前装有一个带有水银差压计8的节流孔板9，用来测量流量。调节阀门7必须装在流量测定仪表的后面避免调节时干扰水流，以提高测量的准确度。在所有测压计的引水管上都有一个小阀K，以便试验前排除空气。在水箱2上也装有一个阀门K以接通大气。水泵用电动机10驱动。当进行汽蚀试验时，在水泵进口装一节流阀门13，并在水箱水面之上接一根通到真空泵12的管路11。而在作水泵性能试验时，进口节流阀门13全开，真空泵不工作。,53,试验步骤：性能曲线是在转速不变时所测得的一组曲线。 离心泵从小流量、轴流泵从大流量开始。 用出水管上的阀门7来调节流量，形成待测工况,记录此工况下的待测参数（各仪表读数），为第1个测点。 以后逐渐开启（关闭）阀门，增加流量，待稳定后开始记录该工况下的各种数据，形成第2，3，n个测点。 由每点测得的数据，计算出该流量下所对应的扬程H、功率P、效率，绘出规定转速下的qV-H、qV-P、qV- 性能曲线。,54,2性能参数的测量及计算 (1)流量的测量及计算 流量测量设备： 节流式流量计 涡轮流量计 电磁流量计 超声波流量计,55,常有的有标准孔板、标准喷嘴。 这两种节流流量计的有关标准数据，已在“流量测量节流装置”国家标准(GB/T 2624)中有详细的规定。,节流式流量计,56,将孔板装在需要测量流量的管路上，当流体通过孔板时，由于节流作用，在孔板前后造成压力差，该压差可以用液柱差压计来衡量。压差随流量变化。流量的计算公式为 式中 流量系数； A0-孔板的内孔截面积，m2； -被输送流体的密度，kg/m3； p喉部前后的压力差，Pa。,57,如输送冷水，并用水银差压计测量压差时，则可简化为 m3/h L/h 式中 d-孔板的内径，mm； h-水银差压计的读数，mmHg。 如输送高温水，并用水银差压计测量压差时，则 式中 h水银差压计的读数，mmHg； 被输送热水的密度，kg/m3。,m3/h,58,在工作管道的两则有一对磁极，另一对电极安装在与磁力线和管道垂直的平面。 当导电流体以平均速度流过直径为D的测量管段时切割磁力线，于是在电极上产生感应电势E。,电磁流量计,电磁流量计的原理是法拉弟电磁感应定律。,59,如磁场的磁感应强度为B，则电动势 C1常数。,流过仪表的体积流量 由前两式，得 或 式中 K电磁流量计的仪表常数， 当仪表口径D和磁感应强度B一定时，K为定值，感应电势与流体体积流量存在线性关系。,60,为避免磁力线被管道壁短路并降低涡流损耗，测量导管由非导磁的高阻材料制成，一般为不锈钢、玻璃钢或某些具有高电阻率的铝合金。 在用不锈钢等导电材料做导管时，测量导管内壁及内壁与电极之间必须有绝缘衬里，以防止感应电势被短路。,61,电磁流量计无可动部件和插入管道的阻流件，压力损失极小。 流速测量范围很宽(0.5l0m/s)，口径从lmm到2m以上。 反应迅速，可用于测量脉动流、双相流以及如灰浆等含固体颗粒的液体流量。 如果截面上流速分布是轴对称的，则层流、紊流等流动状态不影响测量的准确性。 如果截面上的流速分布不是轴对称，而在电极附近及两电极之间的流量分配得多，则仪表指示的流量将大于实际流量；相反，如果在与电极成90方向的区域里流量分配得多，则指示值将偏小。,62,一般要求在电磁流量计之前有长度为510倍管道直径的直管段。 仪表准确度可达1 以上。 被测流体必须是导电的，电导率一般要求在(2050)10-8 s/m以上，不能用于测量气体、蒸汽、石油制品等。 仪表使用温度、压力不能过高，目前使用温度不应超过200。 安装地点要远离强磁场和振动源。 使用中还应注意，测量的准确度会受测量导管内壁，特别是电极附近积垢的影响。由于电磁流量计价格昂贵，这影响了它的推广使用。,63,原理：在流体中超声波向上游和向下游的传播速度由于叠加了流体流速而不相同，可以根据超声波向上、下游传播速度之差测得流体流速。,超声波流量计,测定传播速度之差的方法主要有时间差、相位差或频率差等方法。,64,如发送器发出的是连续正弦波，则上、下游接收到的波的相位差 超声波的角频率,设静止流体中的声速为c，流体流速为v，发送器与接收器之间距离为L，则传播时间差为 当c v时,频率法的优点可消除声速c的影响，因为上、下游接收到的超声波的频率之差 在频率法中，频率差与声速c无关。,65,超声波流量计的最大特点是: 仪表可装设在管外 不用破坏管道 其价格不随管道口径增大而增大 因此特别适合于大口径管道的液体流量测量,66,大流量测量-超声波流量计,67,(2)扬程的测量及计算 泵扬程是指单位重量流体通过泵后所增加的能量。在水泵进出口处取截面，两截面的伯诺利方程：,当入口压力大于大气压力时：,