第八章 流体机械的性能曲线和运行调节ppt课件

第三篇流体机械的应用 第八章流体机械的性能曲线 第五节流体机械的旋转失速与喘振 第一节流体机械的性能曲线 泵或风机的主要性能参数有流量qV 扬程H 或全压PtF 功率P和效率 这些参数之间有着一定的相互联系 反映这些性能参数间变化关系的曲线 称为泵与风机的特性曲线 常用的特性曲线有以下三种 性能曲线的作用 一 流量 扬程曲线 理论特性曲线 由无限多叶片时的理论能头可得 显然 这是一个直线方程 和 呈直线关系变化 且直线的斜率由 a来确定 一 离心式泵与风机的性能曲线 对于三种叶型分别为 后弯式叶轮 当 增大时 减小 流量 扬程关系曲线是一条向下倾斜的直线 B 0 径向式叶轮 B 0 当 增大时 减小 流量 扬程关系曲线是一条水平的直线 前弯式叶轮 当 增大时 减小 流量 扬程关系曲线是一条向上倾斜的直线 实际特性曲线 以上的直线为理想状况的流量 扬程性能曲线 由于考虑到有限叶片数和流体粘性的影响 需对上述曲线进行修正 考虑滑移系数 HT KHT 考虑叶轮中流动损失 考虑叶轮中冲击损失 考虑叶轮中泄漏损失 qVT q qV qVd 常用的泵或风机实际压头曲线有三种类型 陡降型 缓降型与驼峰型 陡降型性能曲线的泵或风机宜用于流量变化较小的情况 缓降型曲线的泵或风机可用于流量变化大而要求压头变化不大的情况 具有驼峰型性能曲线的泵或风机 可能出现不稳定工况 这种不稳定工况是应避免的 二 流量 功率特性曲线 1 理论特性曲线 假设没有能量损失 理论轴功率等于有效功率 式中 可见对于不同的 2值具有不同形状的曲线 当qVT 0时 三种叶轮的理论功率都等于零 理论功率曲线都交于原点 对于径向式叶轮 对于前弯式叶轮 对于后弯式叶轮 理论功率曲线是一条直线 理论功率曲线是向上凹的二次曲线 理论功率曲线是向下凹的二次曲线 根据以上分析 可以定性地说明不同叶型的泵或风机性能曲线的变化趋势 对于研究实际性能曲线是很有意义的 同时理论性能曲线还可以解释泵或风机在运转中产生一些问题的原因 如由理论功率曲线可以看出 前弯式叶轮的轴功率随流量增加而迅速增长 因此这种风机在运行中 电机很容易超载 而后弯式叶轮几乎不会发生超载 2 实际特性曲线 由于存在机械损失 实际轴功率大于理论功率 再考虑容积损失的影响 再考虑容积损失的影响 三 流量 效率特性曲线 理论特性曲线 在理想条件下 各项损失为零 因此效率恒为100 实际特性曲线 泵或风机的效率曲线 可由扬程曲线及功率曲线计算出来 即 由上式可见 当qV 0和H 0时 都等于零 因此 H曲线是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于两点的曲线 这是理论分析的结果 实际上 H性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交 因而曲线也不可能与横坐标轴相交 实际的性能曲线位于理论曲线的下放 曲线上最高效率点即为泵或风机的设计工况点 泵或风机在此工况下工作最经济 能量损失最小 一般以 max作为高效区 只要在此范围内工作 就认为是经济的 效率曲线 四 性能曲线的分析 1 最佳工况点和经济工作区 当qV 0时 实际功率并不等于零 因为空载运转时 机械摩擦损失仍然存在 一般离心式泵或风机的实际功率随流量加大而增大 空载功率最小 所以离心式泵或风机应空载启动 以免电机超载 若现场的凝结泵和给水泵闭阀启动 则这部分功率将导致泵内水温有较大的温升 易产生泵内汽蚀 故凝结泵和给水泵不允许空载运行 2 离心泵的空载起动和防止汽蚀 3 离心式泵与风机性能曲线的比较 H qV性能曲线的比较 后向式叶轮的性能曲线存在不同程度的差异 常见的有陡降型 平坦型和驼峰型三种基本类型 1 陡降型曲线其特点是 当流量变化很小时能头变化很大 例如火力发电厂自江河 水库取水的循环水泵 就希望有这样的工作性能 因为 随着季节的变化 江河 水库的水位涨落差非常大 同时水的清洁度也发生变化 均会影响到循环水泵的工作性能 扬程 因而要求循环水泵应具有当扬程变化较大时而流量变化较小的特性 2 平坦型曲线其特点是 当流量变化较大时 能头变化很小 如火力发电厂的给水泵 凝结水泵就希望有这样的性能 因为 汽轮发电机在运行时负荷变化是不可避免的 特别是对调峰机组 负荷变化更大 但是 由于主机安全经济性的要求 汽包的压强或凝汽器内的压强变化不能太大 因而要求给水泵 凝结水泵应具有流量变化很大时 扬程变化不大的特性 3 有驼峰的性能曲线其特点是 在峰值点左侧出现不稳定工作区 故设计时应尽量避免这种情况 或尽量减小不稳定区 经验证明 对离心式泵合理的选择叶片安装角 2a和叶片数z 可以避免性能曲线中的驼峰 P qV性能曲线的比较 前向式 径向式叶轮的轴功率随流量的增加迅速上升 当泵与风机工作在大于额定流量时 原动机易过载 而后向式叶轮的轴功率随流量的增加变化缓慢 且在大流量区变化不大 因而当泵与风机工作在大于额定流量时 原动机不易过载 qV性能曲线的比较 前向式叶轮的效率较低 但在额定流量附近 效率下降较慢 后向式叶轮的效率较高 但高效区较窄 而径向式叶轮的效率居中 因此 为了提高效率 泵几乎不采用前向式叶轮 而采用后向式叶轮 即使对于风机 也趋向于采用效率较高的后向式叶轮 二 轴流式泵与风机性能曲线 1 性能曲线的趋势分析 冲角增加 曲线上升 叶顶和叶根分别出现二次回流 曲线回升 边界层分离 叶根出现回流 曲线下降 但趋势较缓 2 性能曲线的特点 存在不稳定工作区 曲线形状呈 型 空载易过载 高效区窄 3 离心式 混流式及轴流式泵与风机性能曲线的比较 H qV性能曲线的比较 离心式泵与风机的H qV曲线比较平坦 而混流式 轴流式泵与风机的H qV曲线比较陡 因此 前者适用于流量变化时要求能头变化不大的场合 而后者宜用于当能头变化大时要求流量变化不大的场合 P qV性能曲线的比较 离心式和轴流式泵与风机的P qV曲线随着流量的增加其变化趋势刚好相反 前者呈上升趋势 而后者则急剧下降 因此 为了减小原动机容量和避免启动电流过大 启动时 轴流式泵与风机阀门应处于全开状态 而离心式泵与风机阀门则原则上应处于关闭状态 qV性能曲线的比较 为了克服轴流式泵与风机轴功率变化急剧和高效区窄的缺点 提高调节效率 常常将其叶轮叶片设计成可调的 这样 当流量变化时 通过调节叶轮叶片的角度 使轴流式泵与风机仍具有比较高的效率 第二节管路特性曲线及工作点 一 管路系统性能曲线 对于泵 Hst 称为管路系统的静能头 即 管路系统的静能头为零 对于风机 泵的管网特性曲线图 风机的管网特性曲线图 二 工作点 2 实质 反映了两者的能量供与求的平衡关系 三 运行工况点的稳定性 泵运行工况点的稳定性 K M 1 稳定工况点条件是 2 不稳定工况点条件是 3 有驼峰 不稳定工作区 喘振 注意 具有驼蜂形性能曲线的泵或风机运行时会出现不稳定工况点 对于这一类泵或风机应使工况点保持在曲线的下降段 以保证运行的稳定性 第三节流体机械的联合工作 设计制造一台新的高压泵或风机比较闲难 而现有的泵或风机的容量已足够 只是扬程不够时 一 串联运行 在改建或扩建后的管道阻力加大 要求提高扬程以输出较多流量时 2 串联运行的目的 一般来说 泵串联运行的主要目的是提高扬程 但实际应用中还有安全 经济的作用 1 什么是串联运行 前一台泵向后一台泵的入口输送流体的运行方式 C Hc qV H qV 4 串联运行工况点 5 串联运行时应注意的问题 2 安全性 经常串联运行的泵 应由qVmax Hg 或Hd 防止汽蚀 对于离心泵和轴流泵 应按Pshmax Pgr 驱动电机不致过载 1 宜适场合 Hc qV较陡 H qV较平坦 4 启动程序 离心泵 启动时 首先必须把两台泵的出口阀门都关闭 启动第一台 然后开启第一台泵的出口阀门 在第二台泵出口阀门关闭的情况下再启动第二台 3 经济性 对经常串联运行的泵 应使各泵最佳工况点的流量相等或接近 在选择设备时 按C点选择泵 5 泵的结构强度 由于后一台泵需要承受前一台泵的升压 故选择泵时 应考虑到两台泵结构强度的不同 6 串联台数 串联运行要比单机运行的效果差 由于运行调节复杂 一般泵限两台串联运行 由于风机串联运行的操作可靠性差 故一般不采用串联运行方式 当扩建机组 相应需要的流量增大 而原有的泵与风机仍可以使用时 电厂中为了避免一台泵或风机的事故影响主机主炉停运时 由于外界负荷变化很大 流量变化幅度相应很大 为了发挥泵与风机的经济效果 使其能在高效率范围内工作 往往采用两台或数台并联工作 以增减运行台数来适应外界负荷变化的要求时 1 什么是并联运行 两台或两台以上的泵向同一压力管路输送流体时的运行方式 2 并联运行的目的 一般来说 并联运行的主要目的包括 增大流量 台数调节 一台设备故障时 启动备用设备 3 并联运行的特点 泵并联后的性能曲线的作法 把并联各泵的性能曲线H qV上同一扬程点的流量值相加 4 并联运行工况点 qVC C 5 并联运行时应注意的问题 1 宜适场合 Hc qV较平坦 H qV较陡 2 安全性 经常并联运行的泵 应由qVmax Hg 或Hd 防止汽蚀 对于离心泵和轴流泵 应按Pmax Pgr 驱动电机不致过载 3 经济性 对经常并联运行的泵 为保证并联泵运行时都在高效区工作 应使各泵最佳工况点的流量相等或接近 在选择设备时 按B点选择泵 4 并联台数 从并联数量来看 台数愈多并联后所能增加的流量越少 即每台泵输送的流量减少 故并联台数过多并不经济 第四节流体机械的运行工况调节 泵与风机运行时 其运行工况点需要随着主机负荷的变化而改变 这种实现泵与风机运行工况点改变的过程称为运行工况调节 非变速调节和变速调节 常用调节方式的工作原理 优缺点及适用场合 典型并联运行工况调节 引言 一 非变速调节 常用的调节方式主要有 节流调节 离心泵的汽蚀调节 分流调节 离心式和轴流式风机的前导叶调节 混流式和轴流式风机的动叶调节等 一 节流调节 1 出口端节流调节 运行效率 适用场合 离心式小容量泵与风机采用 并逐渐被代替 轴流式泵与风机不采用该方式 qV P 电动机过载 优缺点 简单 可靠 方便 调节装置初投资很低 节流损失很大 调节量 严重 单向 小于额定流量的方向 2 进口端节流调节 经济性 比出口端节流经济 适用场合 仅在风机上使用 二 汽蚀调节 什么是汽蚀调节 适用场合 三 前导叶调节 风机 2 轴流式和混流式风机的入口静叶调节 工作原理 与离心式风机轴向导流器相似 调节特性 2 MCR点选在 max点 TB点选择在 max点的大流量侧 安全流量的最大流量点 负预旋调节 100 机组额定负荷流量工况点 四 动叶调节 轴流式和混流式泵与风机 工作原理 y 速度三角形 u 2 HT pT qV 轴流式泵与风机的性能曲线 a 动叶调节机构 传动方式分为 机械传动和液压传动两类 对于大型泵与风机以采用液压传动为好 随时改变动叶的安装角的调节方式称为全可调 半可调方式 没有动叶调节机构 只能在停机时 方可调整动叶的安装角 适用于中 小型的轴流式 混流式泵或风机 大型立式混流泵油压式动叶操纵系统 轴流式风机动叶调节液压传动装置 分配阀 调节缸 活塞 位移指示杆 液压伺服机构 调节特性 二 变速调节 2 转速效应 使效率下降 在管路性能曲线不变的情况下 通过改变转速来改变泵与风机的性能曲线 从而改变其运行工况点的调节方式 什么是 当Hst 0时 理想情况下 最大可能的节能效果 qV1 qV0 2 H1 H0 4 Psh1 Psh0 8 节能原理 A0 A1 qV n H n2 Psh n3 影响节能效果的制约因素 1 Hst 0 3 变速调节设备本身的能量消耗 A0 第五节泵与风机运行中的几个问题 泵与风机的运行状况对电厂的安全 经济运行十分重要 目前泵与风机在运行中还存在不少问题 如运行效率偏低 振动 磨损等问题 效率问题 近几年来 低效产品已逐步被较高效率的新产品所取代 并随着各种新型 高效调节装置的使用 运行效率已得到了大大改善 引言 磨损问题 火力发电厂的引风机设置在除尘器之后 但由于除尘器并不能把烟气中全部固体微粒除去 剩余的固体微粒将随烟气进入引风机 冲击叶片和机壳表面 引起引风机磨损并会沉积在引风机叶片上 由于磨损和积灰是不均匀的 从而破坏了风机的动静平衡 引起风机振动 甚至迫使锅炉停止运行 与引风机比较 制粉系统中的排粉风机的工作条件更差 其磨损也更为严重 流体流动引起的振动包括 水力振动 旋转脱流引起的振动和喘振 一 流体引起的振动 一 振动问题 1 水力振动 水力振动主要是由于泵内或管路系统中流体流动不正常而引起的 它即与泵及管路系统的设计 制造优劣有关 也与运行工况有关 且主要因水力冲击和水泵汽蚀引起 水力冲击 产生机理 由于给水泵叶片的涡流脱离的尾迹要持续一段很长的距离 在动静部分产生干涉现象 当给水由叶轮叶片外端经过导叶和蜗舌时 就要产生水力冲击 形成有一定频率的周期性压强脉动 它传给泵体 管路和基础 引起振动和噪音 后果影响 若各级动叶和导叶组装位置均在同一方向 则各级叶轮叶片通过导叶头部时的水力冲击将叠加起来 引起振动 如果这个频率与泵本身或管路的固有频率相重合 将产生共振 f zn 60 Hz 4 24 防止措施 适当增加叶轮外直径与导叶或泵壳与舌之间的距离 缓和冲击 减小振幅 组装时 将各级的动叶出口边相对于导叶头部按一定节距错开 以免水力冲击叠加 减小压强脉动 2 旋转脱流引起振动 产生机理 一方面 泵与风机进入不稳定工况区运行 随着冲角的增大将导致边界层分离 致使升力减小 阻力增加 称之为 脱流 或 失速 现象 产生机理 另一方面 由于加工 安装以及来流不均等原因 叶轮叶片不可能有完全相同的形状和安装角 且随着流量的减小 脱流首先发生在冲角最先达到临界值的某一叶片进口处 产生机理 在上述两种条件下 脱流阻塞叶道造成分流 使脱流以 的旋转速度沿叶轮旋向相反传播 致使脱流最终以 的速度旋转 称之为 旋转脱流 或 旋转失速 叶片的正常工况和脱流工况 动叶中旋转脱流的形成 后果影响 风机进入不稳定工况区运行 叶轮内将产生一个到数个旋转脱流区 叶片依次经过脱流区产生交变应力的作用 其作用频率与旋转脱流的转速及脱流区的数目成正比 会使叶片产生疲劳 若这一激振力的作用频率与叶片的固有频率成整数倍 或等于 或接近于叶片的固有频率时 叶片将发生共振 进而造成叶片断裂 并可能将全部叶片打断 防止措施 应尽量避免泵与风机在不稳定工况区运行 3 喘振 喘振现象 若具有驼峰形性能曲线的泵与风机在不稳定区域内运行 而管路系统中的容量又很大时 则泵与风机的流量 压头和轴功率会在瞬间内发生很大的周期性的波动 引起剧烈的振动和噪声 这种现象称为 喘振 或 飞动 现象 当用户所需要的流量小于qVK时 风机的运行工况点将由E点滑向K点 并将周而复始地按E K C D E各点重复循环 形成运行工况的周期性波动 风机在大容量管路系统中运行的示意图 喘振现象 原因分析 防止措施 1 采用分流调节可装设再循环管或自动排出阀门 使泵与风机的排出流量恒大于临界流量 2 采用变速调节若管路性能曲线不通过坐标原点时 改变风机的转速 也可得到稳定的运行工况 3 采用动叶调节对轴流式泵与风机 可减小其动叶安装角 使性能曲线向左下方移动 5 最根本的措施尽量避免采用具有驼峰形性能曲线的泵与风机 4 切割叶轮叶片对选配容量裕量过大的泵与风机 可通过切割 减小其叶轮叶片 使性能曲线向左下方移动 旋转脱流和喘振现象的区别与联系 旋转脱流是叶片结构特性造成的一种流体动力现象 它的基本特性 如脱流区的旋转速度 脱流的起始点 消失点等 都有它自己的规律 不受泵与风机管路系统的容量和形状