流体机械—总

矿山机械,总学时：32主讲：田贵山,第一章绪论,1.1矿山机械用途与分类通用机械（流体机械）：水泵、通风机、空气压缩机采掘机械：穿孔凿岩机械、挖掘机械、装岩机械。煤矿（在和采煤机、液压支架等）。运输提升机械：皮带输送机械、罐笼、钢丝绳等。,1.2通用机械用途与分类1.2.1流体机械（设备）的分类（1）按工作介质分类（流体机械、叶轮机械）（2）按工作原理分类：容积式、透平（涡轮）式（3）按介质的流动方向：离心式、轴流式、混流式（4）按压力大小分：低压、中亚、高压（5）按用途分：主扇、局扇（6）按可否移动分：固定式、运动式,1.3叶轮机械概述1.3.1叶轮机械离心式水泵、离心式风机、轴流式风机（原动机能量流体能量）动力叶轮机械汽轮机（透平机械）、水轮机、燃气轮机（流体能量原动机能量）,1.3.2通风和排水机械在矿山中的作用与组成通风机械设备的作用及其组成作用：“矿井肺脏”-排出有害气体和带走飞扬的矿尘组成：主扇、进风井、大巷、工作面、回风巷排水机械设备的作用及其组成作用：及时排出涌入矿井的水，否则，有被淹没的危险组成：水泵、排水管泵房:三台（一台工作、一台备用、一台检修）四台、五台,1.3.3矿用涡轮机分类1）按介质在叶轮内部的流动方向分类离心式介质按轴向进入叶轮，径向流出。轴流式介质按轴向进入叶轮，轴向流出。混流式介质在叶轮中斜向流动。2）按叶轮的数目分类单级一台涡轮机中只有一个叶轮多级一台涡轮机中有2个以上的叶轮3）主要通风机主扇局部通风机局扇4)固定式，移动式，（L,Y型空压机）,1.4泵与风机的工作原理1.4.1离心式泵与风机的工作原理,轴向流入，径向流出,1.4.2轴流式泵与风机的工作原理,1.5矿用涡轮机工作参数1）流量Q（风量，排水量）单位时间内涡轮机输出流体的体积。，2）压头H（风压，Pa;水泵为扬程，m）单位体积（风机）或单位重量流体自涡轮机获得的能量（水泵）。3）有益功率，指涡轮机输出的功率，kW对于风机对于水泵,4）轴功率N（kW）涡轮机由原动机输入的功率。5）效率涡轮机有益功率与轴功率的比值，即6）转速，n涡轮机转子每分钟转数，单位为：作业：1-1、1-2.,2.1.1离心式风机的基本结构*离心式风机的主要部件有叶轮和机壳（如图）一、叶轮由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。前盘的形式有多种，如图示。叶片是主要部件。按叶片的出口安装角分类：有前向叶片、后向叶片、径向叶片三种（如图）。叶片的形状有：平板型、圆弧型和中空机翼型（如图）。,第二章泵和风机的基本理论2.1离心式叶轮机械的基本理论,返回,返回,返回,二、机壳由蜗壳、进风口和风舌等零部件组成。1）蜗壳蜗壳是由蜗板和左右两块侧板焊接或咬口而成。作用：是收集从叶轮出来的气体；引至蜗壳的出风口，把风输送到管道中或排到大气；有的风机将风的一部分动压通过蜗壳转变为静压。2）进风口进风口又称集风器，它保证气流能均匀地充满叶轮进口，使气流流动损失最小。离心式泵与风机的进口有圆筒形，圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形等多种。如图示。,返回,继续,返回,三进气箱一般只在大型或双吸的离心式风机上使用。四前导器在大型离心式风机或要求性能调节的风机的进风口或进风口的流道内装置前导器。前导器有轴向式和径向式两种。五、扩散器扩散器装于风机机壳出口处，其作用是降低出口流体速度，使部分动压转变为静压，有圆形截面和方形截面两种。,2.1.2离心式水泵的基本结构（如图）一叶轮叶轮分为单吸叶轮和双吸叶轮两种；目前多采用铸铁、铸钢和青铜制成；叶轮按其盖板情况又可分为封闭式叶轮、敞开式叶轮和半开式叶轮三种形式，如图所示。二泵壳三、泵座四、轴封装置,返回,返回,2.1.3离心式泵与风机的工作原理,叶轮随原动机的轴转时，叶片间的流体也随叶轮高速旋转，受到离心力的作用，被甩出叶轮的出口。被甩出的流体挤入机（泵）壳后，机（泵）壳内流体压强增高，最后被导向泵或风机的出口排出。,同时，叶轮中心由于流体被甩出而形成真空，外界的流体在大气压的作用下，沿泵或风机的进口吸入叶轮，如此源源不断地输送流体。,2.2离心式叶轮的基本方程欧拉方程2.2.1绝对速度与相对速度绝对速度是指运动物体相对于静止参照系的运动速度；相对速度则是指运动物体相对于运动参照系的速度；牵连速度是指运动参照系相对于静止参照系的速度。,2.2.2流体在叶轮中的运动与速度三角形当叶轮旋转时，在叶片进口“1”或出口“2”处，流体一方面随叶轮旋转作圆周牵连运动，其圆周速度为u；见图。另一方面又沿叶片方向作相对流动，其相对速度为w；流体在进、出口处的绝对速度v应为w与u两者之矢量和。,为了便于分析，将绝对速度v分解为与流量有关的径向分速度vr和与压力有关的切向分速vu。径向分速度的方向与半径方向相同，切向分速与叶轮的圆周运动方向相同。将上述流体质点诸速度共同绘制在一张速度图上（如图），就是流体质点的速度三角形图。速度v和u之间的夹角叫做叶片的工作角，为安装角。,返回,返回,2.2.3离心式泵与风机的基本方程欧拉方程假定把它当做一元流动来讨论，也就是用流束理论进行分析。这些基本假定是：（1）流动为恒定流（定常流动）（2）流体为不可压缩流体（3）叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄（4）流体在整个叶轮中的流动过程为一理想过程，即泵与风机工作时没有任何能量损失对于那些与实际情况不符的地方，对计算结果再逐步加以修正。,2.2.4流体在叶轮中的运动与速度三角形当叶轮旋转时，在叶片进口“1”或出口“2”处，流体一方面随叶轮旋转作圆周牵连运动，其圆周速度为u；见图。另一方面又沿叶片方向作相对流动，其相对速度为w；流体在进、出口处的绝对速度v应为w与u两者之矢量和。,为了便于分析，将绝对速度v分解为与流量有关的径向分速度vr和与压力有关的切向分速vu。径向分速度的方向与半径方向相同，切向分速与叶轮的圆周运动方向相同。将上述流体质点诸速度共同绘制在一张速度图上（如图），就是流体质点的速度三角形图。速度v和u之间的夹角叫做叶片的工作角，为安装角。,返回,返回,2.2.5离心式泵与风机的基本方程欧拉方程假定把它当做一元流动来讨论，也就是用流束理论进行分析。这些基本假定是：（1）流动为恒定流（2）流体为不可压缩流体（3）叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄（4）流体在整个叶轮中的流动过程为一理想过程，即泵与风机工作时没有任何能量损失对于那些与实际情况不符的地方，对计算结果再逐步加以修正。,欧拉方程的导出：动量矩定理：质点系对某一转轴的动量矩对时间的变化率，等于作用于该质点系的所有外力对该轴的合力矩M。角标“T”表示流动过程理想，“”表示叶片为无限多，“1”表示叶轮进口参数，“2”表示叶轮出口参数。则QT表示流体在一个理想流动过程中流经叶片为无限多的叶轮时的体积流量在每单位时间内流经叶轮进出口流体动量矩的变化则为：QT（r2vu2T-r1vu1T）,合力矩为：M=QT（r2vu2T-r1vu1T）u=r,r=u/M=QT（u2Tvu2T-u1Tvu1T）/有效功率等于流体的合外力矩M与角速度之积：N=MQT（u2Tvu2T-u1Tvu1T）=QTHT经移项，得理想化条件下单位重量流体的能量增量与流体在叶轮中的运动的关系，即欧拉方程：HT=（u2Tvu2T-u1Tvu1T）/g,欧拉方程的特点：,1推导基本能量方程时，未分析流体在叶轮流道中途的运动过程，得出流体所获得的理论扬程HT，仅与流体在叶片进、出口处的速度三角形有关，而与流动过程无关。2流体所获得的理论扬程HT与被输送流体的种类无关。,2.2.6欧拉方程的修正基本假定（1）流动为恒定流（2）流体为不可压缩流体在实际中可以达到；假定（3）叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄是不可能的；这将在叶道内产生轴向涡流，速度也不均匀。（涡流实验如图），涡流对欧拉方程的影响如图示。,在叶道的出口处，涡流使Vu2T减小Vu2T，在叶道的进口处，涡流使Vu1T增加为Vu1T（如图），对有限多叶片的泵与风机的理论扬程为：HT=（u2Tvu2T-u1Tvu1T）/g设K=HT/HT1，为环流系数，一般取0.750.85，它说明了涡流的影响。当1=900时，vu1T=0,则HT=u2Tvu2T/g,返回,2.2.7欧拉方程的物理意义在速度三角形中，由余弦定理得：w2=u2+v2-2uvcos=u2+v2-2uvu，于是u2vu2=（u22+v22w22）/2u1vu1=（u12+v12w12）/2代入欧拉方程得：,第一项表示流体在叶轮内旋转时产生的离心力所做的功,压力能；第二项表示由于叶道展宽，相对速度降低而获得的压能；,第三项表示动压水头增量,2.3泵与风机的损失与效率3.3.1流动损失与流动效率1、流动损失根本原因：流体具有粘性A、进口损失流体进入叶道之前发生了预旋转，叶片做功减小，使气流角发生了旋转，理论扬程下降。B、撞击损失当实际运行流量与额定流量不同时，相对速度的方向不再与叶片进口安装角的方向一致，从而发生撞击损失。它与流量差的平方成正比。,C、叶轮中的水力损失包括摩擦损失和流速大小、方向改变及离开叶片时的局部损失。D、动压转换和流体离开机壳时的损失E、流动总损失,2、流动效率实际扬程或全压与其理论扬程或全压之比叫做流动效率。,2.3.2泄露损失与泄露效率1、泄露损失（1）形成原因A、外泄露。可忽略。B、内泄露包括从平衡孔和叶轮与进气孔间隙泄露的流量。,（2）间隙：取（1/1001/200）D2（3）泄露量：全压定义为：,2、泄露效率,3.3.3轮阻损失与轮阻效率1、轮阻损失定义：当叶轮旋转时引起流体于叶轮前、后盘外侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失,2、轮阻效率,其中Ni为内功率,轮阻损失总功率,2.3.4泵与风机的功率和效率1、功率（1）有效功率Ne输送体积流量为Q的流体，在单位时间内从泵与风机中所获得的总能量，称为有效功率，即：Ne=PQ/1000（KW）（2）内功率Ni包括流动损失、轮阻损失和内泄漏损失等实际消耗于流体的功率为内功率，即Ni=（P十Ph）（Qq）Nr（kw）（3）轴功率Ns泵与风机的输入功率称为轴功率，它等于内功率Ni与机械传动损失Nm之和，即Ns=Ni+Nm（kw）,2.4性能曲线及叶型对性能的影响2.4.1泵与风机的理论特性曲线*1、三种性能曲线A、H=f1（Q）；B、N=f2（Q）；C、=f3（Q）。*2、H=f1（Q）曲线,3、N=f2（Q）曲线,2.4.2叶型对性能的影响1、三种叶型A、前向叶片：290B、后向叶片：290C、径向叶片：2902、2对压力的影响根据叶片出口速度三角形得出：A、前向叶片：290，vu2u2；B、后向叶片：290，vu2u2；C、径向叶片：290，vu2=u2。根据：得：,返回,在u2相等的条件下，可以比较vu2的大小,结论：泵与风机的扬程或全压：前向叶片叶轮给出的能量最高，后向叶片叶轮给出的能量最低，径向叶片叶轮给出的能量居中。3、2对效率的影响在离心式泵或风机的设计中，除使流体径向进入流道外，常令叶片进口截面积等于出口截面积。根据连续性原理可得出：,由图3-5-4得：在相同叶轮直径和叶轮转速的条件下，具有290的后向叶型叶轮的出口切向分速度较小,因而全部理论扬程中的动压水头成分较少；具有290的前向叶型叶轮的出口切向分速度较大，所以动压水头成分多，流体在扩压器中的流速大，从而动静压转换损失必然较大，效率较低。,由3-5-3得：,返回,离心式泵和大型风机中，为了增加效率和降低噪声水平，几乎都采用后向叶型。中小型风机效率不是主要考虑因素，有采用前向叶型的，因为叶轮是前向叶型，在相同的压头下，轮径和外形可以做的较小。,4、几种叶片形式的比较（优缺点）：（1）从扬程看:前向叶片最大，径向叶片稍次，后向叶片最小。（2）从效率看:后向叶片最高，径向叶片居中，前向叶片最低。（3）从结构尺寸看:前向叶轮直径最小，而径向叶轮直径稍次，后向叶轮直径最大。(4)从工艺看：直叶片制造最简单。,结论：（1）大功率的泵与风机一般用后向叶片较多。（2）如果对泵与风机的压力要求较高，而转速或圆周速度又受到一定限制时，则往往选用前向叶片。（3）从摩擦和积垢角度看，选用径向直叶片较为有利。,2.4.3泵与风机的实际性能曲线,泵与风机的QH曲线,从上图看出：HTQT曲线中如果考虑叶片为有限多，该曲线变为：HTQT曲线，如果考虑流动损失和泄露损失得到：HQ曲线。,泵与风机的QN曲线轴功率是理论功率与全部功率损失之和N=NT+NmQTHT+Nm曲线即为QN曲线,泵与风机的Q曲线按有效功率与轴功率之比，可得Q曲线,QH曲线最为重要,*通常按照QH曲线的大致倾向可将其分为下列三种：平坦型、陡降型、驼峰型。如图示。具有平坦型曲线的泵与风机，当流量变动很大时能保持基本恒定的扬程。陡降型曲线的泵与风机流量变化时，扬程的变化较大。驼峰型曲线的泵与风机，当流量自零逐渐增加时，相应的扬程最初上升，达到最高值后开始下降,2.5轴流式风机的工作理论,轴流式风机的结构气流从集流罩1进入，通过叶轮2增压，流经导叶3，将周向旋绕速度分量调整成轴向，部分动压转化为静压，通过扩散筒4输出到达网路。,2.5.1流体绕流的升力理论（儒可夫斯基定理）,叶栅参数,2.5.2轴流风机的理论与实际压头特性,2.6相似律和比转数2.6.1泵与风机相似律2.6.1.1相似条件A、几何相似B、运动相似,C、动力相似。雷诺数相等（惯性力与粘性力之比）：,欧拉数相等（压差与惯性力之比）：,2.6.1.2入口速度三角形相似在几何相似的泵与风机中，只要能保持叶片入口速度三角形相似，且对应点的惯性力与粘性力的比值相等，则其流动过程必然相似。相似三角形中,由于,可得：,令：,流量系数相等,流量系数相等，即表示入口速度三角形相似。可以把两离心式泵与风机流动过程相似的条件归结为：1几何相似；2流量系数Q相等；3雷诺数Re、欧拉数Eu相等。,根据欧拉数相等的条件，可得,又由于,所以有,因为,对应点的动压也成比例,所以,令,可以写成：,全压系数相等,同理全压系数,功率,令,得功率系数,在相似工况下，流量系数、压力系数和效率都彼此相等，所以功率系数N也相等。当几何相似的两泵与风机的工况，满足流量系数相等和雷诺数相等的条件时，全压系数、功率系数与效率必彼此相等。,当流量系数、雷诺数变化时，全压系数、功率系数与效率将跟着发生变化。可用下列函数式表示它们之间的关系：,返回,2.6.2泵与风机的相似律及其应用1、全压或扬程换算公式,2、流量换算公式,3、功率换算公式,2.6.3比转数1、公式的推导由,得,整理得：,假设,为比转数(简化形式）,由3-6-14式可知,是无因次量,我国水泵：,为便于进行分析比较，一般把泵与风机全压效率最高点的比转数作为该泵与风机的比转数值。特别要指出的是，在相似条件下，两个泵与风机的比转数是相等的。反过来，比转数相等的两泵与风机就不一定相似。比转数也可以用无困次参数P、Q来表示,2、比转数的应用（1）用比转数划分泵与风机的类型比转数大，反映泵与风机的流量大、压力低；反之，比转数小，则流量小、压力高。可用比转数的大小划分泵与风机的类型。例如：ns=2.712前弯型泵与风机ns=3.616.6后弯型泵与风机ns=16.617.6单级双进气或并联离心式泵与风机,在设计参数给定时，可先计算比转数，再根据比转数的大小决定采用哪种类型的泵与风机。（2）比转数的大小可以反映叶轮的几何形状同一类型泵与风机，比转数越大，流量系数越大，叶轮的出口宽度与其直径之比就越大；反之，结果相反,（3）比转数可用于泵与风机的相似设计,对于编制系列和安排型谱有重要意义根据比转数的大小，大体可了解风机的性能和结构根据流量、压头和转速计算比转数，再通过比转数，确定泵与风机的型号,2.6.4泵与风机的无因次性能曲线在值Re不变的条件下，可绘制出如图所示各种无因次性能曲线，这组曲线适用于转速不等，尺寸不同的同一类型的泵与风机，所以又叫类型特性曲线。前面所述的实际特性曲线，只适用于一定转速、一定尺寸的泵与风机，所以又叫单体特性曲线。当Re和几何尺寸相差过大时，动力相似和几何相似遭到破坏，用同一组无因次性能曲线表示它们的特性，就会带来较大的误差。,返回,3.1矿用离心式水泵的分类,3.1.1主排水泵D型泵卧式、单吸、多级、分段式离心泵DS型泵卧式、双吸、多级、分段式离心泵D280-435，额定流量280m3/h，单级扬程43m，5级,第三章泵和风机的构造,3.2矿用离心式水泵构造,3.2.1叶轮,3.2.2吸水室（进水段）,3.2.3导水和返水圈,3.2.4螺壳（压出室）,3.2.5密封装置大口环小口环,3.2.5密封装置填料函,3.3轴向推力及其平衡3.3.1轴向推力的分布,3.3.2轴向推力的平衡方法与装置1、平衡孔法2、径向肋,3、平衡鼓法4、平衡盘法,5、对称布置叶轮,5、对称布置叶轮,3.4矿用水泵的构造3.4.1单级、单吸水泵,3.4.2卧式、单吸、多级、分段式水泵,3.5其它类型水泵1、真空泵,工作原理,用途保持一定真空度,2、往复式泵,工作原理,特点扬程几乎与流量无关，可维持流量基本恒定，,用途适应于小流量，高扬程和粘性大的流体输送，如用饱和蒸汽为动力的锅炉补给水泵,3、深井泵与潜水泵,工作原理,返回,4、旋涡泵,工作原理,特点小流量、高扬程、具有自吸的有点但效率低,用途小型锅炉给水泵输送无腐蚀性、无固体杂质的流体,（一）清水泵（IS型、D型、DS型、DG型）（二）耐腐蚀泵（F型）（三）油泵（Y型）（四）杂质泵（P型）,2.泵的型号泵的型号由英文字母和数字组合而成，代表离心泵的类型和规格等，如下例：（1）IS10080160（2）8B29A（3）40FM26（4）100Y1202,3.6离心风机的结构,3.6.1主要部件叶轮、集流器、蜗壳、进气箱、导流器,3.6离心风机的结构,4-72-11、4-73-11型风机,G4-73-11风机,K4-73-01风机,K4-73风机,3.7轴流式风机的结构,一、转子部件，叶轮与轮毂二、固定部件：集流器与流线体导叶与扩散器（导叶与叶片数互为质数，避免共振）,局部通风机,DK40、DK45金属矿山用对旋主扇通风(轮毂比0.4、0.45)机,该系列风机可作为主扇、辅扇，既可安装在地表，也可安装在井下，适宜于多风机联合运转，是多风机串并联多级机站通风系统中各级机站理想的机站风机。风机主要特点：1、采用扭曲机翼型叶片，气动效率高，节能效果极为显著。2、性能多样，规格齐全，能够与各种阻力和风量类型的通风网路很好匹配，可保持长期高效运转。3、设有稳流环装置，特性曲线无驼峰，没有喘振危险，在任何阻力状态下均可安全稳定运转，并适于多风机联合运转。4、可反转反风，反风率大于60%，不需修筑反风道。5、叶片安装角度可调，可根据矿井生产的变化，随时调节风机状况。,3.7.2轴流风机的逆转反风,6.4.3.1正常生产情况下，主扇应连续运转。当井下无污染作业时，主扇可适当减少风量运转；当井下完全无人作业时，允许暂时停止机械通风。当主扇发生故障或需要停机检查时，应立即向调度室和主管矿长报告，并通知所有井下作业人员。6.4.3.2每台主扇应具有相同型号和规格的备用电动机，并有能迅速调换电动机的设施。6.4.3.3主扇应有使矿井风流在lOmin内反向的措施。当利用轴流式风机反转反风时，其反风量应达到正常运转时风量的60以上。每年至少进行一次反风试验，并测定主要风路反风后的风量。采用多级机站通风系统的矿山，主通风系统的每一台通风机都应满足反风要求，以保证整个系统可以反风。主扇或通风系统反风，应按照事故应急预案执行。6.4.3.4主扇风机房，应设有测量风压、风量、电流、电压和轴承温度等的仪表。每班都应对扇风机运转情况进行检查，并填写运转记录。有自动监控及测试的主扇，每两周应进行一次自控系统的检查。,GB164232006金属非金属矿山安全规程,第四章给排水系统4.1矿井排水矿水绝对涌水量q：单位时间涌入矿井内的体积，m3/h排水设备和过程对排水设备的要求，金属非金属矿山安全规程GB16423200620小时排出24h的涌入水。,4.2离心式泵的性能曲线离心泵在某一固定转速n下，一定的流量Q值，有相应的扬程H值、功率N值、效率值（通过泵的流体实际获得的能量与其轴功率之比）。性能曲线：表示离心泵在某固定转速下的性能的曲线（Q为横坐标，H-Q、N-Q、-Q）。,H-Q曲线：凸形曲线。在曲线高峰右边运行时，要得到较大的Q，必须降低H；如管路阻力加大或几何扬程增高，流量Q必然减少。,N-Q曲线：递增曲线，Q大，N大。当Q0时，N最小，故离心泵在Q0时起动（闸阀全闭时启动）。-Q曲线：凸形曲线。有最高点最高效率点。最高效率点对应的流量Q、扬程H、功率N离心泵的最佳工况或额定工况。,4.3离心式水泵的启动、运转和停泵,4.3.1管路及其附件有底阀排水无底阀排水，喷射泵启动,4.3.2水击现象,闸门突然关闭（瞬态流动，考虑压缩性），压力巨大、增压和减压频率高，使得管路震动、叶轮叶片遭受强大冲击力，损坏水泵。措施：尽量避免快速关闭闸阀；在排水管路设置安全阀。,4.3.3水泵的启动、运转、停止,4.4排水管路特性,4.4.1排水管路特性方程式根据伯努利方程得到下式：,管路效率：旧管道：,4.4.2排水管路特性曲线,4.4.3水泵在管路中的工况点及工业利用区管路特性曲线：流体在管路中流动时，表示其流量与管路阻力的关系的曲线。输送单位重量流体所需能量：HHC+RTQ2管路特性曲线与性能曲线H-Q的交点M泵在此管路中的工况点。,若输送液体为水（pa/10.332），