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第二章流体输送机械 2 1概述2 2速度式流体输送机械2 3容积式流体输送机械2 4真空泵2 5流体输送机械的特点 2 1概述 流体输送机械的分类 2 2速度式流体输送机械 2 2 1离心式流体输送机械的基本方程2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类2 2 3离心泵与离心通风机的性能2 2 4离心泵与通风机的特性曲线2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节2 2 6离心泵与通风机的安装和选用2 2 7离心鼓风机与离心压缩机2 2 8轴流泵和轴流通风机2 2 9旋涡泵 2 2 1离心式流体输送机械的基本方程 离心式流体输送机械的基本方程的推导基于三个假设 叶片的数目无限多 叶片无限薄 流动的每条流线都具有与叶片相同的形状 2 流动是轴对称的相对定常流动 即在同一半径的圆柱面上 各运动参数均相同 而且不随时间变化 3 流经叶轮的是理想流体 粘度为零 因此无流动阻力损失产生 2 2 1离心式流体输送机械的基本方程 离心泵和离心式风机的基本方程式 其中单位重量流体通过无限多叶片的旋转叶轮所获得的能量 称为理论压头H w是流体具有的与叶片相切的相对速度 u是随叶轮一起转动的圆周速度 两者的合成速度为绝对速度c 一般离心泵 为提高H 使 1 90 即cos 1 0 此时 离心泵的流量可表示为 式中 r2为叶轮出口半径 b2表示叶轮出口处叶轮的宽度 其它参数见图2 1所示 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 1 离心泵的结构 工作原理与分类 1 离心泵结构离心泵部件可分为旋转部件和静止部件 旋转部件包括叶轮和转轴等 静止部件包括吸入室 蜗壳等 如图所示 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 2 离心泵工作原理 原动机 轴 叶轮 旋转 离心力 叶片间液体 中心 外围 液体被做功 动能 高速离开叶轮 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 泵壳 液体的汇集与能量的转换 动 静 吸上原理与气缚现象 叶轮中心低压的形成 p 泵内有气 则 泵入口压力 液体不能吸上 气缚 故离心泵在启动前必须灌泵 液体高速离开 轴封的作用 平衡孔的作用 消除轴向推力 导轮的作用 减少能量损失 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 3 离心泵分类 按液体吸入方式分为单吸式泵 液体从叶轮的一面进入 和双吸式泵 液体从叶轮的两面进入 按叶轮级数分为单级泵 泵轴上只装有一个叶轮 和多级泵 泵轴上装有串联的两个以上的叶轮 按其用途来分类 常用的类型有 水泵 耐腐蚀泵 油泵和杂质泵等 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 1 离心通风机的结构 工作原理与分类 1 基本结构 离心式通风机的主要部件包括叶轮和机壳两部分 为适应大风量 通常叶片数较多且叶轮直径较大 根据叶轮上叶片尺寸和形状的不同 可分为多翼式和涡轮式风机 与离心泵相似 机壳内逐渐扩大的通道及出口截面有矩形和圆形两种 低中压风机多用矩形 2 2 2离心泵与通风机的结构 工作原理与分类 2 工作原理与离心泵相似 3 分类通常根据离心通风机终压 表压 的大小分为低压 1kPa以下 中压1kPa 3kPa 和高压 3kPa 15kPa 三种通风机 另外根据用途可分为一般通风机 排尘通风机 高温通风机 防腐通风机和防爆通风机等 2 2 3离心泵与离心通风机的性能 1 流量 流量是单位时间内输送出去的流体量 通常用Q来表示体积流量 单位m3 s 通风机流量也常称为风量 并以进口处为准 通风机铭牌上的风量是在 标准条件 下 即压力1 013 105Pa 温度20 C下的气体体积 2 2 3离心泵与离心通风机的性能 2 压头 或称扬程 H和风压pt 离心泵的压头H和风机的风压pt都是指流体通过离心泵或通风机后所获得的有效能量 根据伯努利方程 单位体积气体通过通风机所获得的压头为 式中 分别为通风机进口和出口速度 m s 2 2 3离心泵与离心通风机的性能 压头计算式中 称为通风机的静压头 称为通风机的动压头 称为全压头 单位为m 通风机铭牌上的风压是用空气测定的 其 标准条件 为压力pa 101 3kPa 温度20 C 此时空气密度 0 1 2kg m3 如果操作条件与 标准条件 不同 则操作条件下的风压pt可用下式换算 选择风机时应以为准 2 2 3离心泵与离心通风机的性能 3 效率 效率反映了泵与风机中能量的损失程度 容积效率 v 考虑流量泄漏所造成的能量损失水力效率 H 考虑流动阻力所造成的能量损失机械效率 m 考虑轴承 密封填料和轮盘的摩擦损失 离心泵与通风机的总效率为 一般来讲 在设计流量下泵与风机的效率最高 2 2 3离心泵与离心通风机的性能 4 功率 功率分为有效功率和轴功率 有效功率Ne 轴功率N 流体经过泵或风机后获得的实际功率 对于离心泵 对于风机 原动机传到泵轴上的功率 离心泵的轴功率 通风机的轴功率 有效功率和轴功率的关系 2 2 4离心泵与通风机的特性曲线 离心泵特性曲线及通风机特性曲线缺 2 2 4离心泵与通风机的特性曲线 1 曲线讨论 1 压头 风压 流量 H Q pt Q 曲线它是判断离心泵或风机是否满足管路使用要求的重要依据 通风机流量Q自零开始增加 风压pt先上升 后下降 风压最大值不在Q 0时 2 轴功率曲线 N Q 轴功率一般随流量的增大而增大 当流量为零时 功率最小 因此离心泵与风机应在出口阀关闭下启动 以防止电机过载 3 效率曲线 Q 效率曲线有一最高点 称为设计点 因为离心泵与风机在最高效率点工作时最经济 所以其所对应的流量 压头 风压 轴功率为最佳工况参数 一般选用离心泵或风机时 其工作区应处于最高效率点的92 左右 2 2 4离心泵与通风机的特性曲线 1 流体物性对特性曲线的影响 1 流体密度的影响离心泵的压头和流量与被输送流体的密度无关 泵的效率一般也和流体的密度无关 但是泵的轴功率随流体密度变化而变化 可按下式校正 对于通风机 风压和轴功率都和密度有关 因为 所以 2 2 4离心泵与通风机的特性曲线 2 流体物性对特性曲线的影响 当被输送液体的运动粘度小于20 10 6m2 s时 泵的特性曲线变化很小 可不作修正 当输送液体的运动粘度大于20 10 6m2 s时 泵的特性曲线变化较大 必须修正 常用的方法是在原来泵的特性曲线下 对每一点利用换算系数进行换算 2 2 4离心泵与通风机的特性曲线 3 叶轮尺寸与转速对离心泵特性曲线的影响 1 叶轮外径的影响 式 2 23 称为泵的切削定律 2 转速的影响 在转速变化小于20 时 也可近似认为叶轮出口的速度三角形 泵的效率等基本不变 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 1 管路特性曲线 管路特性曲线表示流体通过某一特定管路所需要的压头与流量的关系 流体流过管路所需要的压头 式中 令 则 管路特性曲线 方程 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 管路特性曲线的特点 表示的是管路流动所需要的最小外加压头 阻力平方区 与Q无关 此时管路特性系数B为常数 管路特性曲线为一过 0 h0 点的二次曲线 高阻管路曲线陡 B大 低阻管路曲线平缓 B小 表示管路流量Q与所需外加压头he间的曲线关系 B值与Q的单位有关 物理意义 对于曲线在纵轴上截距h0 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 2 离心泵与通风机的工作点 泵的特性曲线 H Q 与管路特性曲线的交点 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 说明 工作点 泵的特性与管路的特性 工作点确定 联解两特性方程 作图 得两曲线交点 泵装于管路时 工作点 H Q Q 泵供流量 管路流量 Q 泵供压头 流体得压头 工作点 Q H N 泵的实际工作状态 若该点在泵的高效区 则该工作点是适宜的 风机的工作点求法与泵类似 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 3 离心泵与通风机的流量调节 离心泵或通风机的工况调节有三种途径 1 改变离心泵或通风机的特性曲线 改变转速 切削叶轮直径以及采用泵的串联或并联 2 改变管路的特性曲线 管路特性曲线的改变一般通过调节管路阀门的开度实现 3 同时改变离心泵 或通风机 和管路的特性曲线 2 2 5离心泵与通风机的工作点和流量调节 例2 1用一离心泵输送酒精 当转速n 2900r min时泵的特性曲线方程为 已知出口阀全开时管路特性曲线方程为 两式中Q的单位为m3 h H he的单位是m 问 1 此时的输送量为多少 2 若生产需要的酒精量为上述的80 拟采用变速调节 转速如何变化 图P109 2 2 6离心泵与通风机的安装和选用 1 离心泵的汽蚀余量 z 见图 液面0 0与泵吸入口截面1 1之间的垂直距离Z为离心泵的安装高度 Z 则p1 叶轮中心液体汽化 汽泡 当p1 pv 被抛向外围 压力升高 pv 局部真空 汽泡破裂 蒸汽凝结 汽蚀现象 周围液体高速冲向汽泡中心 撞击叶片 水锤 叶片冲击与腐蚀 2 2 6离心泵与通风机的安装和选用 伴随现象 泵体振动并发出噪音 H Q 严重时不送液 水锤冲击和化学腐蚀 损坏叶片 安装高度 汽蚀 问题 如何确定Z的上限 泵的允许安装高度 当泵刚发生汽蚀时 pK等于所输送液体的饱和蒸汽压pv 相应地p1也将达到某一最小值p1min 此时 2 2 6离心泵与通风机的安装和选用 上式表明 在泵刚发生汽蚀条件下 泵进口处液体的总压头比液体的饱和蒸汽压对应的静压头高出某一定值 常将这一差值称为泵的最小汽蚀余量 为确保泵正常工作不发生汽蚀 根据有关规定 将作为允许值 称为允许汽蚀余量 此值列入泵的样本 由离心泵厂向用户提供 又称为净正吸上压头 用 NetPositiveSuctionHead 表示 2 2 6离心泵与通风机的安装和选用 1 安装高度 最大安装高度Zmax 为防止汽蚀 相应地将最大安装高度减去0 3m作为安全量 称为允许安装高度 Z 泵的实际安装高度Z Z 2 2 6离心泵与通风机的安装和选用 5 允许汽蚀余量的校正 h 20 清水 条件不同时要校正 校正曲线 说明书 讨论 1 汽蚀现象产生的原因 安装高度太高 被输送流体的温度太高 液体蒸汽压过高 吸入管路阻力或压头损失太高 2 计算出的Zmax 0时 需低于贮槽液面安装 3 Zmax Q关系 Q 则Zmax 安全系数 一般用工作条件的最大Q计算Zmax 4 安装泵时为保险 取Z比Zmax小0 5至1米 2 2 7离心鼓风机与离心压缩机 结构特点 外形 离心泵 蜗壳形通道常为圆形 外壳直径与厚度之比较大 叶片数目较多 叶轮外周都装有导轮 转速较高 单级出口表压多在30kPa以内 多级可达0 3MPa 1 离心式鼓风机 离心压缩机的结构与离心鼓风机类似 但可以达到的压力更高 且级数更多 10级以上 转速更高 5000rpm以上 由于压缩比高 气体温度升高显著 故压缩机都分成几段 每段包括若干级 段与段之间设有冷却器 2 离心压缩机 2 2 8轴流泵和轴流通风机 轴流泵的构造如图所示 轴流泵提供给液体的压头较小 但输送量却很大 特别适用于大流量和低压头的液体输送状况 轴流通风机和轴流泵的结构相似 它产生的风压很低 一般只作通风换气用 常用于化工生产中空冷器和凉水塔的通风 图P115 2 2 9旋涡泵 旋涡泵是一种特殊类型的离心泵 其主要部件为圆盘形叶轮和开有环行凹槽的泵壳 旋涡泵的效率比较低 一般为20 50 但与多级离心泵或往复泵相比 旋涡泵的体积较小 结构简单 加工方便 产生的压头较相同叶轮直径和转速的离心泵高2 4倍 旋涡泵适合小流量 高压头下粘性不高 不含固体颗粒的液体输送 2 3容积式流体输送机械 2 3 1往复式流体输送机械工作原理2 3 2往复泵2 3 3往复压缩机2 3 4回转式流体输送机械 2 3 1往复式流体输送机械工作原理 往复式流体输送机械理想循环具有以下特征 1 流体在进 出工作腔时通过阀门没有阻力 2 工作腔内无余隙容积 腔内的流体被全部排出 3 工作腔作为一个孤立体与外界无热交换 4 气体压缩指数为定值 5 气体无泄漏 2 3 1往复式流体输送机械工作原理 如右图为往复压缩机工作过程示意图 压缩机的吸入过程功 相应的排出过程功为 压缩过程功为 总的指示功为三者的代数和 即 理想气体压缩过程 式中 号表示机械需要外功来帮助它实现缸内的循环 所以需由原动机来进行驱动 2 3 2往复泵 1 往复泵的结构 下图是往复泵的示意图 主要部件 泵缸 活塞 活塞杆 吸入阀 排出阀 其中的吸入阀和排出阀均为单向阀 2 3 2往复泵 2 往复泵的特点和分类 往复泵具有以下特点 1 往复泵的流量仅与往复泵活塞的直径 行程 转速及液缸数有关 与管路的情况 所输送流体的温度 粘度无关 2 往复泵的压头取决于往复泵在其中工作的管路特性 3 往复泵装置中必须安装有安全阀或其它安全装置 4 往复泵有很好的自吸能力 5 往复泵的效率较高 6 往复泵的流量较小 且流量不均匀 结构比较复杂 适用于高压头 小流量的场合 但不宜输送腐蚀性液体及含有固体颗粒的悬浮液 2 3 2往复泵 往复泵的分类 1 按与输送介质接触的工作机构分有活塞泵 柱塞泵和隔膜泵 2 按往复泵的作用特点分有单作用泵 双作用泵和差动泵 3 根据动力分有机动泵 包括电动机驱动的泵和内燃机驱动的泵 直接作用泵 包括蒸汽 气 液压直接驱动的泵 和手动泵等 2 3 2往复泵 4 往复泵工况调节往复泵的流量调节通常采用改变往复泵的转速 改变活塞行程或旁路调节等方法来实现 3 往复泵性能参数往复泵的主要性能参数有流量 压头 压力 功率 效率 活塞每分钟的往复次数及汽蚀余量等 它们的定义与离心泵相同 2 3 3往复压缩机 特性曲线 特点与应用 与往复泵相似 与往复泵相似 是通过气缸内活塞的往复运动 使气体完成吸入 压缩和排出工作循环 结构复杂 体积重量大 流量小 供气不均匀 运转平稳 易损坏部件多 适用于高压力 中小流量的生产场合 不宜在大流量 含有悬浮颗粒的场合下使用 常使用多级压缩 结构与工作原理 2 3 4回转式流体输送机械 1 螺杆泵 工作原理 旋转泵的一种 螺纹在旋转时有推进作用 2 3 4回转式流体输送机械 1 螺杆泵 特点 螺杆泵有单螺杆泵 双螺杆泵和三螺杆泵 螺杆泵的特点是转速高 流量和压力均匀 机组结构紧凑 传动平稳经久耐用 工作安全可靠 无噪音 效率高 常用于输送各种油类及高分子聚合物 还可作为计量泵 但加工工艺复杂 成本高 不能输送含有固体颗粒的液体 2 3 4回转式流体输送机械 2 滑片泵 图P124 泵的转子为圆柱形 转子上有若干槽 槽内有滑片 滑片可在转子的槽中作径向滑动 滑片靠离心力 弹簧力或液压力压向机体 使滑片端部与机体紧贴而保证密封 2 3 4回转式流体输送机械 3 齿轮泵 图P124 属旋转泵的一种 工作部件是一对旋转的啮合齿轮 齿轮旋转时 封闭在齿穴和泵壳间的液体被强行压出 齿轮脱离啮合时产生真空吸入液体 齿轮泵的特点 流量均匀 尺寸小而轻便 结构简单紧凑 坚固耐用 维修保养方便 流量小 压力高 适合输送粘性较大的液体 但不宜输送含有固体颗粒的液体 2 3 4回转式流体输送机械 4 罗茨鼓风机 罗茨鼓风机的主要零部件有 转子 同步齿轮 气缸 端板及轴承密封件等 如图所示 气缸内一对转子将气缸内的空间分为互不相连的吸入和排出室 当电机带动主动转子旋转时 从动转子被牵制着作相反方向旋转 通过吸入室空间体积的由小变大吸入的气体 被转子和气缸所形成的空间带到排出室 再由排出室空间体积的由大变小强行排出 图P125 2 4真空泵 2 4 1真空泵的典型结构和分类2 4 2真空泵性能及选用 2 4 1真空泵的典型结构和分类 1 水环式真空泵 水环式真空泵简称水环泵 如图所示 它由圆柱形泵壳 偏心安装的叶轮和有吸 排气口的端盖等组成 水环泵的效率比较低 一般30 左右 所产生的最大真空度为83kPa 由于水环泵没有阀门和摩擦面 适用于抽除含尘气体等 图P126 2 4 1真空泵的典型结构和分类 1 喷射泵 喷射真空泵简称喷射