过程流体机械 第二版 (李云 姜培正 著) 化学工业出版社

1 / 4 化工过程流体机械 思考题参考解答 参考教材过程流体机械 容积式压缩机 思考题 复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么？ 过程 理论循环（假设条件） 实际循环（工作过程） 理论 参数 工作腔内 无 (剩 )余 (间 )隙 有余隙 （阀窝、盖端、环端 3部分） 、 V 工作过程 进气、压缩、排气 三个过程 进气、压缩、排气、膨胀 四个过程 进排气过程 无压力损失，压力稳定 有压力损失，压力脉动 p 进气过程 与外界无热交换 与外界（气缸壁）有热交换 T 工作过程 无气体泄漏损失 有气体泄漏损失 l 工作过程 压缩过程指数恒定 压缩和膨胀过程指数变化 m、 n 工作介质 理想气体 （状态方程（ 2） 实际气体 （状态方程（ 2） Z 思考题 出容积系数 V 的表达式，并解释各字母的意义。 容积系数 V（最重要系数） V 1 （ 1） 1 110 2 式中： 相对余隙容积， 隙容积） / 程 容积） ； 压）， 压）， 压）， 高压 )。 名义压力比（进排气管口可测点参数）， 一般单级 3 4； n 膨胀过程指数，一般 n m（压缩过程指数）。 思考题 较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。 飞溅润滑（曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面），结构简单，耗油量不稳定，供油量难控制，用于小型单作用压缩机； 压力润滑（注油器注油润滑气缸，油泵强制输送润滑运动部件），结构复杂（增 加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站），可控制气缸注油量和注油点以及运动部件压力润滑油压力和润滑油量，适用大中型固定式动力或工艺压缩机，注意润滑油压和润滑油量的设定和设计计算。 思考题 级压缩的好处是什么？ 多级压缩 优点： 冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程）； 级压力比小）； 气量，吸气量）（单级压力比 降低，一级容积系数 V 提高）； 级活塞面积减少，活塞表面压力降低）。缺点：需要冷却设备（否则无法省 功）、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等）。 思考题 析活塞环的密封原理。 活塞环 原理：阻塞和节流作用，密封面为活塞环外环面和侧端面（内环面受压预紧）；关键技术：材料（耐磨、强度）、环数量（密封要求）、形状（尺寸、切口）、加工质量等。 思考题 力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法，以两级压缩机为例，分析一级切断进气，对机器排气温度，压力比等的影响。 两级压缩机分析： 1 级切断进气 节流（实际 1） 停止进气排气 2级节流（实际 2） （短暂）排气温度 （逐渐） 停止进气排气（级间存气）；活塞力 （ ），阻力矩变化。 思考题 析压缩机在高海拔地区运行气量的变化规律并解释其原因。 高海拔地区当地大气压力即吸气压力 若排气压力 名义压力比 ，根据（ 2和（ 2，容积系数 V，实际吸气量 容积流量 思考题 台压缩机的设计转速为 200 r/果将转速提高到 400 r/分析气阀工作情况。 定性分析，定量分析难。如压缩机结构参数（行程 s、缸径 片尺寸等）不变，则容积流量 （理论增加一倍），使气阀流速和阻力损失 （激增），进排气频率 ，阀片启闭速度 ，阀片撞击阀座程度 （加剧），阀片寿命（缩短），故障概率 （增加）。解决问题需改变结构（缩短行程、减小缸径，增加气阀通道面积等）。 思考题 出螺杆压缩机过压缩和压缩不足的指示图，并分析其对压缩机性能的影响。 压力比：内压力比（工作腔压缩终压 /进气压力）、外压力比（排气管压 /进气压力）；（图 2外压力比不相等时指示图。 过压缩：内压力比外压力比；欠压缩（ 压缩不足 ）：内压力比外压力比 ； 过压缩和欠压缩均增加功耗 ，等压力比减少功耗。 3 离心压缩机 思考题 谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？ 级典型结构 （图 3叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管）、中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳）； 叶轮： 唯一做功元件。闭式、半开式、双吸式（双面进气）；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器： 能量转换元件（动能 压能，气流减速增压），无叶（片）型、叶片（有叶）型。 思考题 心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？ 离心压缩机特点 （与往复式压缩机对比） 压缩机 流 量 输出 压力 转 速 结 构 体积 重量 易损 件 运 转 单级 压比 级 数 热 效率 价 格 制造 要求 适用 主要 问题 离心式 大 稳定 高 紧 凑 较小 少 可 靠 低 多 较 低 高 高 大流量 中低压 不适用 小流量 往复式 中小 脉动 低 复 杂 大 多 故障 多 高 少 高 低 较低 中高压 中小流量 故障维修 压力脉动 优缺点 离心式优、往复式差 离心式差、往复式优 选用条件 思考题 谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中 2和 2在何范围之内？ 连续方程： 质量守恒（流经任意截面流量） i in 2 2 （ 3 式中： kg/s； m3/s； 为气流密度； f 为截面面积； 2 22222 2 2r 2220 （ 3 式中： ； 叶 轮出口轴向宽度； 2r 为流量系数（径向叶轮 弯叶轮 2A 30强后弯叶轮 2 为叶轮出口通流系数。 思考题 谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。 欧拉方程： （叶轮机械基本方程）理论和实用表达式 2122 2 2122 2 2221 （ 35） 式中： 受能量 /单位重流体），kJ/理意义： 3 部分能量，（离心力做功转静压能） +（动能增量） +（ 思考题 谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。 能量方程： （热焓方程） 2 2122 2122 12 2122 （ 3 式中： 定压比热， h 为焓值， R 为气体常数； 物理意义：焓值 +（动能增量）。 思考题 谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。 伯努利方程： （压能损失方程） 叶轮功（叶片功）（含流动损失） 00 2020 （ 3 总功（全部损失） 00 2020 00 2020 （ 3 物理意义：（三部分）压能、动能、损失，忽略热交换和位能。 2 / 4 思考题 说明级内有哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？ 级内流动损失 （ 1）摩阻损失 22（ 2）分离损失：边界层（ c0）分离（回流），控制通道扩张角（锥度、扩压度，图 3（ 3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析） ； 叶轮进气角 1叶片进口角 1A，冲击分离损失（相当于扩张角 ）； 流量 /设计流量 (进气冲角 ) i 1A 1 冲击面 分离区 (漩涡区 ) 损失 (相同冲角 ) 原因 （小 正冲角 i 0 工作面 （前面） 非工作面 （背面） 较大 分离区 易扩散 （设 计 零冲角 i 0 无 无 无 损失 （大 负冲角 i 0 非工作面 （背面） 工作面 （前面） 较小 分离区 较稳定 （ 4）二次流损失：垂直环流；（ 5）尾迹损失：叶尖绕流； 思考题 级压缩机为何要采用分段与中间冷却？ 分段与中间冷却： 分段（冷却、抽气）、中间冷却（耗功 等温过程）、工艺（排温，防腐蚀、分解、化合）。 思考题 分析说明级数与圆周速度和气体分子量的关系。 级数与叶轮圆周速度 的关系 单级 级数 ，但叶轮材料强度、气流马赫 数 轮相对宽度 围 制 320 300 m/s） 。 表 3质 气体分子量 J/() 气体 常数 R (同压比下所需 ) 多变压缩功 kJ/级数 圆周 速度 u2m/s 机器（特征） 3152材料 强度 重 1 186 限制 响小 轻 32 280 影响小 限制 思考题 意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。 （图 3( 2020 )/2 明： ( 2020 )/2 思考题 谓级的多变效率？比较效率的高低应注意哪几点？ 比较效率注意： (教材 )通流进出口（单级 0整机多级 (教材 )热力过程（多变、等熵、绝热）； (教材 )设计工况点（最佳效率）； 常用（多变效率） （多级）整机效率 （各级平均内效率），含分段中间冷却等作用； 判别：同效率 对比（ 优），知某 算总功 i 对比（ ） 。 思考题 已知级的多变压缩功和总耗功，尚须具备什么条件可求出级的能量损失和级内的流动损失？ 由 (33（级能量损失） ( 2020 )/2 1 1 (3（级内流动损失） ( 2020 )/2 （ 1 1 1 (1 l 1 l 式中：流动效率 1 l 另有：多变能头系数 2u（ 1 l 2u （ 3 求级能量损失和级内流 动损失须知 l 以及（准确）( 2020 )/2；多变效率 动效率 思考题 谓离心压缩机的内功率、轴功率？试写出其表达式，如何据此选取原动机的输出功率？ 多级功率 （ 3内功率 机械损失 械效率 m（ 96 98） （ 3功率 功率增量 30 （ 3动机功率 思考题 何计算确定实际气体的压缩性系数 Z？ 实际气体压 缩性系数 Z 计算：范德瓦尔对比态方程（对应态原理），（ 3，压缩性系数 Zf（对比参数 思考题 述混合气体的几种混合法则及其作用。 实际混合气体 法则：凯法则（局限性）、徐忠法则（精确度）、极性物质混合法则。 思考题 意画出离心压缩机的性能曲线，并标注出最佳工况点和稳定工况范围。 性能曲线 性能参数关系，列表、曲线和方程 3 种表示方法，有级（机）性能曲线，图 3 3点： 曲线（主要 3 条）：压比 p 变效率 率 N 形状： 形、 形、 N 形（有 最佳工况点： 极限（危险）工况：最小 振） 最大 塞） ； 稳定工作范围：极限工况之间； 来源：试验测试； 要求： 稳定工作范围 （宽） ； 多级（机）特性：（与单级对比） ( (稳定工作范围 （窄），曲线斜度 （更陡峭）。 思考题 述旋转脱离与喘振现象，说明两者之间有什么关 系？说明喘振的危害，为防喘振可采取哪些措施？ 喘振工况 现象：流量 个别叶道产生漩涡（边界层分离） “旋转脱离 ”（叶道漩涡区逆向转动） 流量 大部叶道堵塞（旋转脱离漩涡团） 出口压力 p管网气流倒流 出口压力 p管网正流供气 流量 反复倒流正流 喘振工况；危害：强烈振动、噪声、性能（ p、 ）下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞 机器严重破坏；特点：旋转脱离频率 、振幅 、影响叶片，管网影响较小；喘振频率 、振幅 、机组管网影响极大；防喘振措施：出口降压（放空、旁路回流），调节（变速、预旋 (导叶 )、气 量 、停机），监测（ p）； 思考题 简要比较各种调节方法的优缺点。 调节方法 原理 变特性 措施 优点 问题 经济性 应用 出口节流 调节 节流 管特性斜率 管 阀门 简单方便 流动损失 差 常备 不常用 进口节流 调节 节流 机 阀门 简便省功 节流损失 好 常用 可调 进口导叶 进气预旋 机 可调 导叶 经济性好 机构复杂 很好 轴流机 常用 可调扩压 器叶片 调进口角 3A 机 可调 导叶 改善喘振 机构太复杂 较好 不常 用 变速调节 平移机特性 机 变速 驱动 连续调节 经济性最好 需 变速驱动机 最佳 常用 思考题 心压缩机的流动相似应具备哪些条件？相似理论有何用处？ 相似条件：几何（尺寸）相似、运动（进口速度 ）相似、动力相似（重力、粘滞力、压力、弹性力、惯性力等相似、准数 热力相似（热力过程相似， k、 m、 离心压缩机流动相似条件：几何相似、叶轮进口速度 相似、特征马赫数 M2u 熵指数 k k；应用：新型设计、模化试验（同机性能换算）、相似换算（不同机性能 换算）、产品系列化（通用标准化）；性能换算：完全相似换算（比例参数转速 n、流量 率、效率 、系数 ， 359式）；近似相似换算（特征 M M，或 k k）。 思考题 心压缩机有哪些附属系统？它们分别起什么作用？它们由哪些部分组成？ 管网系统：输送，含管道、阀门、过滤器、消声器等；增（减）速设备：传动，齿轮变速箱；油路系统：润滑，管道和油站（油泵、油箱、过滤、冷却、仪表等） ； 水路系统：冷却，含冷却器、管道、阀门、水箱等；检测系统：调节控制，信号检测（传感器、仪表）、 传输（电缆）、处理（计算机）、记录（显示）等。 思考题 谓转子的临界转速？采用什么方法汁算它？工作转速如何校核？ 临界转速：（转子弯曲振动）固有频率转速， 1阶 2 阶 、 要考虑前 3 阶；计算方法：传递矩阵法 (初参数法，精确解 )、能量（瑞利）法 (近似计算 )、特征值法 (求固频 )、影响系数法 (求强迫振幅 )；校核条件：（ 3性转子 n 3性转子 n 思考题 子的轴向推力是如何产生的？采用什么措施平衡轴 向推力？为防止转子轴向窜动，对轴向推力及轴承有什么要求？ 轴向力：叶轮两侧压差、流体轴向动量差，方向指向叶轮入口；轴向力平衡措施：叶轮对排（对称平衡）、双吸（双面进气）叶轮、叶轮背叶片（背压 ）、平衡盘（末级叶轮后，盘前高压，盘后引入口低压，反向平衡力）；防轴向串动要求：止推轴承、保留（ 3000 8000 N）轴向力、（设置轴向）位移限制器、监测（轴向）位移。 思考题 谓滑动轴承的动态特性？何谓油膜振荡？哪几种滑动轴承具有抑振特性？ 滑动轴承特性：静态特性，轴颈中心稳定（偏心距 e 和偏位角 不变 ），（油压、油量、承载、阻力、温升）；动态特性，轴颈中心涡动（ 变化，3 / 4 径向速度和涡动角速度）；半速涡动：涡动角速度 涡 1/2（转子角速度），同方向持续，振幅较小； 尼力 推动力）； 功，轴心椭圆轨迹）； 尼力推动力）； 油膜振荡：（涡动角速度） 涡 1 阶临界转速），频率保持，振幅极大；（油膜振荡）防止方法：转子（转子刚度 、 n 工作 ， n 工作 2轴承 （抑振轴承）；抑振轴承：原理（双多油楔、自调整、动压收敛）（图 3圆轴承、多油叶（不对称三油叶 承、多油楔（四油楔）轴承、可倾瓦 支五瓦块）轴承、垫块式止推轴承等。 思考题 哪几种轴端密封？试简述它们的密封原理和特点。 机械密封：动静环，径向间隙（轴面）密封 轴向间隙（端面）密封，效果、寿命好，成本高，替代填料；液膜（浮环）密封：浮动径向间隙密封（液体润滑）双端面密封，封液（气压）强制向内外输送（回收）；干气（气膜）密封：动静环 动环开 槽 (旋转 )气体动压 端面间隙 气封（润滑），启动、装配、振动问题；离心压缩机：状态监测干气密封 工业实用保证（解决重大技术问题）。 思考题 简述选型的基本原则，为何要确定经常运行的工况点？ 技术指标：参数 、 、 N，工作点（余量）、变工况（调节）、安全（振动、装配）；经济指标：价格、生产（周期）、寿命、备件、维护（技术）等；其他：管网（系统）、原动机、仪表（监测）、控制（调节）、安装、场地等。确定经常运行工况点：节能（高效点）、安全（防喘振、堵塞）、变工况（余量 5、 6，性能换算）。 qV （ （ 3 计算 p/ （ 3 思考题 哪几种选型分类？为何按流量选型？为何按结构分类？ 选型分类：流量、压力、介质特点、结构型式；流量选型原因：不同流量 要求不同结构形式（回转、活塞、离心、轴流）、叶轮型式（普通、三元）；结构分类原因：不同结构型式（级、气缸、叶轮） 适应不同流量、压力、性能要求； 思考题 简要分 析比较轴流式与离心式压缩机的性能特点？ 轴流式与离心式压缩机性能比较： 压缩机 结构 原理 性能 应用 轴流式 轴流叶轮、 扭曲叶片 (关键部件 ) 级间导流器 (机进口导流器 出口扩压器 ) 0,22 122212122 级 c， ， 大流量、 低压 多级 串联 离心式 离心叶轮、 柱面叶片 扩压器、 弯道、 回流器 222 222121222122 级 c， ， 大中 流量 中低压 (变工 况差 ) 思考题 简述三种选型的方法。 产品 选型：商品机型。由已知条件要求直接查找产品目录选型，简单（单级）选型； 厂商选型：设计机型 (技术装备储备 )。由已知条件要求，方案计算、初选型式，与制造厂商议选型 (大企业常用 )； 软件选型：优化机型。由已知条件要求，软件优化选型与性能预测，委托厂商设计制造；选型软件（美国、中科院、西交大）。价格、成本、厂商协作等问题。 4 泵 思考题 心泵有哪些性能参数？其中扬程是如何定义的？它的单位是什么？ 性能参数 体积流量 (m3/s， m3/h) 质量流量 (kg/s， kg/h) 能量（压力） (m， J/功率 (效率 ( ) 转速 (r/汽蚀余量 (m) qV 程 H m Nm/N 有效 N ， V， m n 程 H Hg pp 2 22 （ m （ 4 说明：压能动能位能，泵内主要压能（动能和位能 0），单位 Nm/N m（单位重量液体能量增值）。 思考题 写出表达离心泵理论扬程的欧拉方程式和实际应 用的半经验公式。 基本方程 基本方程 离心泵 欧拉方程 (u2 u1 g122221 122m (412) 欧拉方程 实用半经验 (有限叶片影响 ) (滑移系数 ) （ 122m (414) 思考题 述汽蚀现象，并说明汽蚀的危害。 汽蚀 化、空蚀，（来源）空洞、空泡、气泡；水力机械特有的，在一定条件下因流体与气体相互转化引起的破坏现象。 汽蚀发生机理： 局部 体汽化 气泡逸出体积 叶轮做功 p气泡凝结溃灭体积 空穴形成，液体合围 撞击、冲击流道（高压数百 温 300 、高频 3000 剥蚀表面、扩展裂纹、电化学腐蚀；（液体汽化、凝结、冲击、破坏）。 严重后果 ：部件损坏（过流表面剥蚀、麻点、蜂窝、裂纹、穿孔）；性能下降（流量 效率 ）；噪声振动（气泡溃灭、液体撞击）；机器失效（抽空断流，气泡堵塞流道）；机器破坏（叶轮损坏、共振破坏）。 易汽蚀泵：高温泵 (锅炉给水泵 )、轻油泵 (夏季高温储运鹤管 )， 思考题 谓有效汽蚀余量？何谓泵必需的汽蚀余量？并写出它们的表达式。 有效汽蚀余量 装置） ： 液流自吸液罐（池）经吸入管路到泵入口，高出汽化压力 44； VpVp m 泵必需汽蚀余量 本身） ： 液流自泵入口到泵叶轮内压力最低 压能量头降低值）； 1 2 m （ 4 式中： 1 速及流动损失）， 2 体绕流叶片压降）。 思考题 写出泵汽蚀基本方程式。如何根据该方程式判断泵是否发生汽蚀及严重汽蚀？ 汽蚀基本方程式（发生汽蚀判别式） Sp1 2 （ 4 汽蚀条件 ： 泵开始发生， 严重汽蚀 。 思考题 高离心泵抗汽蚀性能应采取哪些措施？试举例说明之。 根据汽蚀安全条件（ 4（ 4 1 2 汽蚀措施： 三方面措施： 改进叶轮材料； 吸液罐增压 、叶轮入口诱导轮（叶轮前增压）； 降温 t（ f(t)）、吸液罐冷却（夏季轻油品输送）； 改善吸入特性，阻力损失 ；流量 转速 n、管径 d、管长 l、阀门弯头管件数量 、局部阻力损失 ，阀门开度； 泵安装位置 吸液罐位置 灌注头）； 1、 2：改进叶轮入口（图 4力损失 ，流线型，缓慢绕流），微正冲角 （ i 1A 1）； 叶轮入口 轮毂直径 叶轮入口宽度 双吸叶轮； 叶轮材料：强度 、硬度 、韧性 、化学稳定性 、表面光洁度 ，抗腐蚀、抗疲劳、抗剥落；不锈钢 2土合金铸铁、高镍铬 铁 。 思考题 意画出离心泵的特性曲线，并说明每种特性曲线各有什么用途？ 运行特性（四条） 特性 曲线 形状 用途 类型 1 扬程 H 选型操作 平缓、陡降、驼峰 2 功率 N 启动运行选驱动机 平缓、陡峭 (离 心泵关阀、轴流泵开阀 ) 3 效率 工作范围经济性 峰值 7% 4 吸入 特性 判断汽蚀工况 缓升 缓降 / 4 思考题 何判别泵运行工况的稳定性？在什么条件下泵工作不稳定？是否绝不允许泵在不稳定工况下工作？ 判别不稳定工况：（ 4，特性斜率（管特性泵特性）；条件：驼峰泵特性左段管路静扬程变化（液面、蓄能）；允许：特殊情况（石化应用较少，离心压缩机决不允许 喘振），防水击、振动和倒流，选泵非驼峰特性。 思考题 变泵的运行工况，可采取哪些调节措施？哪种调节措施比较好？ 离心泵运行调节方法： 变泵特性； 变装置（管路）特性； 同时改变泵和管特性。 调节方法 变特性 原理 主要特点 主要问题 经济性 应用 变转速 泵 平移泵特性 节能 调速驱动机 最好 常用 切割叶轮外径 切割定律 系列产品 切割范围 较差 变导叶片角度 预旋调节 节能 机构复杂 较好 不常用 变叶轮端间隙 泄漏调节 简便 流量损失 差 泵串联并联 设备联合 满足 工艺要求 设计匹配 并联较好 串联较差 设计要求 阀门节流 管 节流增阻 简便 能量损失 差 常用 液位调节 平移管特性 节能 装置复杂 较好 特殊情况 旁路分流 平缓管特性 简便 损失浪费 差 备用 思考题 动离心泵应如何操作才是正确安全的？ 离心泵正确安全操作：执行操作规范、安全制度，岗位培训等；认为盘车、关阀重要。 思考题 泵流动相似，应具备哪些条件？ 泵流动相似条件：几何相似、进口速度 相似（运动相似）；相似工况：满足相似条件，相似工况点运行，应用相似定 律。 思考题 写出泵的相似定律表达式和叶轮切割定律表达式，并说明它们的用途。 比例定律 （尺寸、液体相同，转速不同） ， 2 3 （ 42,33,相似条件） 式中： 型缩放比）。 叶轮切割定律 （相似定律简化特例） 问题：现场需要同类型泵系列流量范围（小范围），无变速条件，变尺寸（成套叶轮）成本 ；简单方法：切割叶轮外径（同叶轮不同外径 22， 222 322 （ 48,39,表 4 思考题 谓泵的比转数？比转数有何用途？ 比转数 n 4/34 相似判别数（几何相似泵 工况相似），判别叶轮出口相似工况； 用途：分类（结构、性能）、模化设计、系列型谱、选择使用； 比转数 301000 3