泵与风机部分思考题及习题答案何川郭立君第四版.pdf

泵与风机 思考题答案 绪论 3 泵与风机有哪些主要的性能参数 铭牌上标出的是指哪个工况下的参 数 答 泵与风机的主要性能参数有 流量 扬程 全压 功率 转速 效率和汽蚀余量 在铭牌上标出的是 额定工况下的各参数 5 离心式泵与风机有哪些主要部件 各有何作用 答 离心泵 叶轮 将原动机的机械能传递给流体 使流体获得压力能和动能 吸入室 以最小的阻力损失引导液体平稳的进入叶轮 并使叶轮进口处的液 体流速分布均匀 压出室 收集从叶轮流出的高速流体 然后以最小的阻力损失引入压水管或 次级叶轮进口 同时还将液体的部分动能转变为压力能 导叶 汇集前一级叶轮流出的液体 并在损失最小的条件下引入次级叶轮的 进口或压出室 同时在导叶内把部分动能转化为压力能 密封装置 密封环 防止高压流体通过叶轮进口与泵壳之间的间隙泄露至吸 入口 轴端密封 防止高压流体从泵内通过转动部件与静止部件之间的 间隙泄漏到泵外 离心风机 叶轮 将原动机的机械能传递给流体 使流体获得压力能和动能 蜗壳 汇集从叶轮流出的气体并引向风机的出口 同时将气体的部分动能转 化为压力能 集流器 以最小的阻力损失引导气流均匀的充满叶轮入口 进气箱 改善气流的进气条件 减少气流分布不均而引起的阻力损失 9 试简述活塞泵 齿轮泵及真空泵 喷射泵的作用原理 答 活塞泵 利用工作容积周期性的改变来输送液体 并提高其压力 齿轮泵 利用一对或几个特殊形状的回转体如齿轮 螺杆或其他形 状的转子 在壳体内作旋转运动来输送流体并提高其压力 喷射泵 利用高速射流的抽吸作用来输送流体 真空泵 利用叶轮旋转产生的真空来输送流体 第一章 1 试简述离心式与轴流式泵与风机的工作原理 答 离心式 叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量 即流体通 过叶轮后 压能和动能都得到提高 从而能够被输送到高处或远 处 流体沿轴向流入叶轮并沿径向流出 轴流式 利用旋转叶轮 叶片对流体作用的升力来输送流体 并提高 其压力 流体沿轴向流入叶轮并沿轴向流出 2 流体在旋转的叶轮内是如何运动的 各用什么速度表示 其速度 矢量可组成怎样的图形 答 当叶轮旋转时 叶轮中某一流体质点将随叶轮一起做旋转运动 同 时该质点在离心力的作用下 又沿叶轮流道向外缘流出 因此 流 体在叶轮中的运动是一种复合运动 叶轮带动流体的旋转运动 称牵连运动 其速度用圆周速度u表示 流体相对于叶轮的运动称相对运动 其速度用相对速度w表示 流体相对于静止机壳的运动称绝对运动 其速度用绝对速度v表示 以上三个速度矢量组成的矢量图 称为速度三角形 3 当流量大于或小于设计流量时 叶轮进 出口速度三角形怎样 变化 答 进口速度三角形的变化 当流量小于设计流量时 轴面速度 90 如图a 当流量大于设计流量时 轴面速度 90 如图b 出口速度三角形 小于设计流量 大于设计流量 5 为了提高流体从叶轮获得的能量 一般有哪几种方法 最常采用哪种 方法 为什么 答 1 径向进入 即 2 提高转速 3 加大叶轮外径 4 增大叶片 出口安装角 提高转速最有利 因为加大叶轮外径将使损失增加 降低泵的效 率 提高转速则受汽蚀 的限制 对风机则受噪声的限制 增大叶片出口安装角将使动能头显著 增加 降低泵与风机的效率 比较之下 用提高转速来提高理论能头 仍是当前普遍采用的主要方法 6 泵与风机的能量方程式有哪几种形式 并分析影响理论扬程 全压 的因素有哪些 答 泵 风机 因素 转速 叶轮外径 密度 影响全压 叶片出口安装角 进口 绝对速度角 7 离心式泵与风机有哪几种叶片形式 各对性能有何影响 为什么离心 泵均采用后弯式叶片 答 后弯式 径向式 前弯式 后弯式 90 时 cot为正值 越小 cot越大 则越小 即随不 断减小 亦不断下降 当减小到等于最小角时 径向式 90 时 cot 0 前弯式 90 时 cot为负值 越大 cot越小 则越大即随不断增 大 亦不断增大 当增加到等于最大角时 以上分析表明 随叶片出口安装角的增加 流体从叶轮获得的能量 越大 因此 前弯式叶片所产生的扬程最大 径向式叶片次之 后弯式 叶片最小 当三种不同的叶片在进 出口流道面积相等 叶片进口几何角相等 时 后弯式叶片流道较长 弯曲度较小 且流体在叶轮出口绝对速度 小 因此 当流体流经叶轮及转能装置 导叶或蜗壳 时 能量损失小 效率高 噪声低 但后弯式叶片产生的总扬程较低 所以在产生相同的 扬程 风压 时 需要较大的叶轮外径或较高的转速 为了高效率的要 求 离心泵均采用后弯式叶片 通常为20 30 第二章 思考题 1 在泵与风机内有哪几种机械能损失 试分析损失的原因以及如何 减小这些损失 答 1 机械损失 主要包括轴端密封与轴承的摩擦损失及叶轮前后 盖板外表面与流体之间的圆盘摩擦损失两部分 轴端密封和轴承的摩擦损失与轴端密封和轴承的结构形式以及输送 流体的密度有关 这项损失的功率约为轴功率的1 5 大中型泵多 采用机械密封 浮动密封等结构 轴端密封的摩擦损失就更小 圆盘摩擦损失是因为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 此时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2 10 是机械 损失的主要部分 提高转速 叶轮外径可以相应减小 则圆盘摩擦损失增加较小 甚至不增加 从而可提 高叶轮机械效率 2 容积损失 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 因而时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露 这种损失称容积损失或泄露 损失 容积损失主要发生在叶轮人口与外壳密封环之间及平衡装置与外壳 之间 如何减小 为了减少进口的容积损失 一般在进口都装有密封环 承磨环或口环 在间 隙两侧压差相同的情况下 如间隙宽度减小 间隙长度增加 或弯曲 次数较多 则密封效果较好 容积损失也较小 3 流动损失 流动损失发生在吸入室 叶轮流道 导叶与壳体 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 产生二次流而引起扩散损失 由于工况改变 流量偏离设计流量时 入口流动角与叶片安装角不一致 会引起冲击 损失 如何减小 减小流量可减小摩擦及扩散损失 当流体相对速度沿叶 片切线流入 则没有冲击损失 总之 流动损失最小的点在设计流量的 左边 2 为什么圆盘摩擦损失属于机械损失 答 因为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 此时流体和旋转的叶轮发生摩擦而产生能量损 失 由于这种损失直接损失了泵与风机的轴功率 因此归属于机械损 失 3 功率分为哪几种 它们之间有什么关系 答 常用功率分为原动机功率 轴功率和有效功率 6 离心式和轴流式泵与风机在启动方式上有何不同 答 离心式泵与风机 在空载时 所需轴功率 空载功率 最小 一般 为设计轴功率的30 左右 在这种状态下启动 可避免启动电流过大 原动机过载 所以离心式泵与风机要在阀门全关的状态下启动 轴流式泵与风机 功率P在空转状态 0 时最大 随流量增加而减 小 为避免原动机过载 对轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动 第三章 1 两台几何相似的泵与风机 在相似条件下 其性能参数如何按比 例关系变化 答 流量相似定律指出 几何相似的泵与风机 在相似工况下运行时 其流量之比与几何尺寸之比的三次方成正比 与转速比的一次方成正 比 与容积效率比的一次方成正比 扬程相似定律指出 几何相似的泵与风机 在相似工况下运行时 其扬程之比与几何尺寸比的平方成正比 与转速比的平方成正比 与流 动效率比的一次方成正比 功率相似定律指出 几何相似的泵与风机 在相似工况下运行时 其功率之比与几何尺寸比的五次方成正比 与转速比的三次方成正比 与密度比的一次方成正比 与机械效率比的一次方成正比 2 当一台泵的转速发生改变时 其扬程 流量 功率将如何变 化 答 根据比例定律可知 流量 扬程 功率 3 当某台风机所输送空气的温度变化时其全压 流量 功率将如 何变化 答 温度变化导致密度变化 流量与密度无关 因而流量不变 全压 功率 4 为什么说比转数是一个相似特征数 无因次比转数较有因次有 何优点 答 比转数是由相似定律推导而得 因而它是一个相似准则数 优点 有因次比转数需要进行单位换算 5 为什么可以用比转数对泵与风机进行分类 答 比转数反映了泵与风机性能上及结构上的特点 如当转数不变 对 于扬程 全压 高 流量小的泵与风机 其比转数小 反之 在流量增 加 扬程 全压 减小时 比转数随之增加 此时 叶轮的外缘直径及叶 轮进出口直径的比值随之减小 而叶轮出口宽度则随之增加 当叶轮外 径和减小到某一数值时 为了避免引起二次回流 致使能量损失增加 为此 叶轮出口边需作成倾斜的 此时 流动形态从离心式过渡到混流 式 当减小到极限 1时 则从混流式过渡到轴流式 由此可见 叶轮形 式引起性能参数改变 从而导致比转数的改变 所以 可用比转数对泵 与风机进行分类 第四章 1 何谓汽蚀现象 它对泵的工作有何危害 答 汽泡的形成 发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程 称为汽蚀 现象 危害 1 材料破坏 2 噪声和振动 3 性能下降 2 为什么泵要求有一定的几何安装高度 在什么情况下出现倒灌 高度 答 提高吸水性能 使泵在设计工况下工作时不发生汽蚀 当吸水池液面压力等于该温度下液体所对应的饱和压力Pv时 出现 倒灌高度 4 何谓有效汽蚀余量和必需汽蚀余量 二者有何关系 答 有效汽蚀余量 指泵在吸入口处 单位重量液体所具有的超过汽化 压力 饱和蒸汽压力 的富余能量 必需汽蚀余量 指液体在泵吸入口的能头对压力最低点处静压能头 的富余能头 二者关系 当 时 泵内发生汽蚀 当 时 泵内不会发生汽蚀 当 时 处于临界状态 7 提高转速后 对泵的汽蚀性能有何影响 答 对同一台泵来说 当转速变化时 汽蚀余量随转速的平方成正比关 系变化 即当泵的转速提高后 必需汽蚀余量成平方增加 泵的抗汽蚀 性能大为恶化 9 提高泵的抗汽蚀性能可采用那些措施 基于什么原理 答 一 提高泵本身的抗汽蚀性能 1 降低叶轮入口部分流速 一般采用两种方法 适当增大叶轮入 口直径 增大叶片入口边宽度 也有同时采用既增大又增大的方法 这些结构参数的改变 均应有一定的限度 否则将影响泵效率 2 采用双吸式叶轮 双吸式叶轮的必需汽蚀余量是单吸式叶轮的 63 因而提高了泵的抗汽蚀性能 3 增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径 这样可以减小局部阻力损 失 4 叶片进口边适当加长 即向吸人方向延伸 并作成扭曲形 5 首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料 如采用含镍铬的不锈钢 铝 青铜 磷青铜等 二 提高吸入系统装置的有效汽蚀余量 可以采取如下措施 1 减小吸入管路的流动损失 即可适当加大吸入管直径 尽量减少 管路附件 如弯头 阀门等 并使吸人管长最短 2 合理确定两个高度 即几何安装高度及倒灌高度 3 采用诱导轮 主叶轮前装诱导轮 使液体通过诱导轮升压后流入 主叶轮 多级泵为首级叶轮 因而提高了主叶轮的有效汽蚀余量 改善 了泵的汽蚀性能 4 采用双重翼叶轮 双重翼叶轮由前置叶轮和后置离心叶轮组成 与诱导轮相比 其主要优点是轴向尺寸小 结构简单 且不存在诱导轮 与主叶轮配合不好 而导致效率下降的问题 所以 双重翼离心泵不会 降低泵的性能 却使泵的抗汽蚀性能大为改善 5 采用超汽蚀泵 在主叶轮之前装一个类似轴流式的超汽蚀叶轮 其叶片采用了薄而尖的超汽蚀翼型 使其诱发一种固定型的汽泡 覆盖 整个翼型叶片背面 并扩展到后部 与原来叶片的翼型和空穴组成了新 的翼型 其优点是汽泡保护了叶片 避免汽蚀并在叶片后部溃灭 因而 不损坏叶片 6 设置前置泵 采用在给水泵前装置低速前置泵 使给水经前置泵 升压后再进入给水泵 从而提高了泵的有效汽蚀余量 改善了给水泵的 汽蚀性能 同时除氧器的安装高度也大为降低 这是防止给水泵产生汽 蚀 简单而又可靠的一种方法 第五章 1 如何绘制管路特性曲线 答 由泵的管路特性曲线方程可知 当流量发生变化时 装置扬程也随 之发生变化 对于风机 因气体密度很小 形成的气柱压力可以忽略不计 即为零 又因引风机是将烟气排入大气 故该风机的管路特性曲线方程可近似认 为 因此可以看出 管路特性曲线是一条二次抛物线 此抛物线起点应 在纵坐标静扬程处 风机为一条过原点的二次抛物线 如图所示 2 什么是泵与风机的运行工况点 泵 风机 的扬程 全压 与泵 风 机 装置扬程 装置风压 区别是什么 两者又有什么联系 答 将泵本身的性能曲线与管路特性曲线按同一比例绘在同一张图上 则这两条曲线相交于一点 这点即泵在管路中的工作点 区别 泵 风机 的扬程 是提供能量的 随流量的增加扬程降低 曲线下 降 装置扬程 管路系统所消耗的能量 随流量的增加 扬程增加 曲线上升 关系 当二者相等时 泵 风机 稳定工作 3 试述泵与风机的串联工作和并联工作的特点 答 并联特点 扬程彼此相等 总流量为每台泵 风机 输出流量之 和 串联特点 流量彼此相等 总扬程为每台泵 风机 扬程之和 4 泵与风机并联工作的目的是什么 并联后流量和扬程 或全压 如何 变化 并联后为什么扬程会有所增加 答 1 泵与风机并联工作的目的是保证扬程相同时增加流量 2 两台泵并联后的流量等于各泵流量之和 与各泵单独工作时相 比 两台泵并联后的总流量小于各泵单独工作时流量的二倍 而大于一 台泵单独工作时的流量 并联后每台泵工作流量较单独工作时的较小 3 因为输送的管道仍是原有的 直径也没增大 而管道摩擦损失 随流量的增加而增大了 从而导致总阻力增大 这就需要每台泵都提高 它的扬程来克服增加的阻力 故并联后扬程大于并联前扬程 5 泵与风机串联工作的目的是什么 串联后流量和扬程 或全压 如何 变化 串联后为什么流量会有所增加 答 1 泵与风机串联工作的目的是提高扬程 2 两台泵串联工作时所产生的总扬程小于泵单独工作时扬程的二 倍 而大于串联前单独运行的扬程 3 因为扬程的增加大于管路阻力的增加 致使富裕的扬程促使流 量增加 泵与风机 课后习题答案 第一章 1 1有一离心式水泵 其叶轮尺寸如下 35mm 19mm 178mm 381mm 18 20 设流体径向流入叶轮 如n 1450r min 试画出 出口速度三角形 并计算理论流量和在该流量时的无限多叶片的理论扬 程 解 由题知 流体径向流入叶轮 90 则 13 51 m s 13 5118 4 39 m s 0 1784 390 035 0 086 s 3 78 m s 28 91 m s ctg 28 91 3 78ctg20 18 52 m s 54 63 m 1 2有一离心式水泵 其叶轮外径 220mm 转速n 2980r min 叶片出口 安装角 45 出口处的轴面速度 3 6m s 设流体径向流入叶轮 试按 比例画出出口速度三角形 并计算无限多叶片叶轮的理论扬程 又若环 流系数K 0 8 流动效率 0 9时 泵的实际扬程H是多少 解 34 3 m s 3 6 m s 45 5 09 m s 画出出口速度三角形 ctg 34 31 3 6ctg45 30 71 m s 90 107 5 m 实际扬程H K K 0 80 9107 5 77 41 m 1 6有一离心式水泵 在转速n 1480r min时 流量 89L s 扬程 H 23m 水以径向流入叶轮 叶轮内的轴面速度 3 6m s 内 外径 比 0 5 叶轮出口宽度 0 12 若不计叶轮内的损失和叶片厚度的影 响 并设叶轮进口叶片的宽度 200mm 求叶轮外径 出口宽度及叶片 进 出口安装角和 解 由 得 0 039 m 39mm 由 0 5得 2 2390 78 mm 0 12 9 36mm 3 02 m s tg 1 192 得 50 6 04 m s 38 8 m s 由 23 得 37 31 m s 数据有问题 离心泵出口安装角应是锐角 即后弯式叶片 1 7 有一离心式风机 叶轮外径 600mm 叶轮出口宽度 150mm 叶片 出口安装角 30 转速n 1450r min 设空气在叶轮进口处无预旋 空气 密度 1 2kg 试求 1 当理论流量 10000 h时 叶轮出口的相对速度和绝对速度 2 叶片无限多时的理论全压 3 叶片无限多时的反作用度 4 环流系数K和有限叶片理论全压 设叶片数z 12 解 1 45 53 m s 由 得 9 83 m s 19 66 m s 30 15 m s 2 45 53m s 9 83m s ctg 45 53 9 83ctg30 28 5 m s 1 245 5328 5 1557 3 Pa 3 1 1 0 687 由风机的斯托道拉公式 1557 3 1230 3 Pa 第二章 2 3有一离心式水泵 转速为480r min 总扬程为136m时 流量 5 7 s 轴功率为 9860KW 其容积效率与机械效率均为92 求流动效率 设 输入的水温度及密度为 t 20 1000kg 解 0 77 又 0 91 91 2 4用一台水泵从吸水池液面向50m高的水池输送 0 3 s的常温清水 t 20 1000kg 设水管的内径为 300mm 管道长度 300m 管 道阻力系数 0 028 求泵所需的有效功率 解 根据伯努利方程 由题知 50 0 4 246 m s m 代入方程得 75 76 m kW 2 5设一台水泵流量 25 s 出口压力表读数为323730Pa 入口真空表读 数为39240Pa 两表位差为0 8m 压力表高 真空表低 吸水管和 排水管直径为1000mm和750mm 电动机功率表读数为12 5kW 电动机 效率 0 95 求轴功率 有效功率 泵的总功率 泵与电动机用联轴器 直接连接 解 由题知 323730Pa 39240Pa 39240Pa 0 8m 1000mm 1m 750mm 0 75m 12 5kW 0 95 0 98 m s m s 得 0 8 37 84m 9 27 12 50 980 95 11 64 100 100 79 6 第三章 相似理论 3 2有一泵转速n 2900r min 扬程H 100m 流量 0 17 s 若用和该泵相 似但叶轮外径为其2倍的泵 当转速n 1450r min时 流量为多少 解 由题知 2 由于两泵相似 根据流量相似关系 得 0 68 s 3 3有一泵转速n 2900r min 其扬程H 100m 流量 0 17 s 轴功率 183 8 现用一出口直径为该泵2倍的泵 当转速n 1450r min时 保持 运动状态相似 问其轴功率应是多少 解 由于两泵相似 且 2 根据功率相似关系 得 4 4183 8 735 2 3 8已知某锅炉给水泵 最佳工况点参数为 270 1490m 2980r min 10级 求其比转数 解 69 85 第四章 泵的汽蚀 4 3有一吸入口径为600mm的双吸单级泵 输送20 的清水时 0 3 970r min 47m 汽蚀比转数 900 试求 在吸水池液面压力为大气压力时 泵的允许吸上真空高度 为多少 该泵如用于在海拔1500m的地方抽送 40 的清水 泵的允许吸上真 空高度 又为多少 解 由题知 单级双吸泵 900 得 3 12 m 3 12 3 12 0 3 3 42 m 由 得 1 06 m s 查表4 1及4 2得 10 3 m 0 238 m 10 3 0 238 0 057 3 42 6 7 m 海拔1500m查表4 1 8 6 40 查表4 2 0 752 10 33 0 24 6 7 10 33 8 6 0 24 0 752 4 46 m 4 7有一台疏水泵 疏水器液面压力等于水的饱和蒸汽压力 已知该泵 的 0 7m 吸水管水力损失为0 2m 问该泵可安装在疏水器液面下多 少米 解 由题知 所以 0 7 0 2 0 9 m 第五章 泵与风机的运行 5 1 水泵在n 1450r min时的性能曲线绘于图5 48中 问转速为多少时水 泵供给管路中的流量为Hc 10 17500qv2 qv单位以m3 s计算 已知管 路特性曲线方程Hc 10 8000qv2 qv单位以m3 s计算 解 根据Hc 10 8000qv2取点如下表所示 绘制管路特性曲线 qv L s 01020304050 qv m3 s 00 010 020 030 040 05 Hc m 1010 813 217 222 830 管路特性曲线与泵并联前性能曲线交于M点 46L s 27m 同一水泵 且输送流体不变 则根据相似定律得 5 2 某水泵在管路上工作 管路特性曲