第二章 流体输送机械

1、第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 离心泵离心泵 第三节第三节 往复泵往复泵 第四节第四节 其他化工用泵其他化工用泵 第五节第五节 气力输送机械气力输送机械 流体在流动过程中将损失部分机械能，只能由高能位流体在流动过程中将损失部分机械能，只能由高能位 向低能位处流动。但在多数情况下需将流体由低能位向高向低能位处流动。但在多数情况下需将流体由低能位向高 能位处输送，因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流能位处输送，因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流 体补加足够的机械能。体补加足够的机械能。 用以输送液体的机械通称为用以输送液体的机械通称为泵泵 输送气

2、体的机械按不同的情况称为输送气体的机械按不同的情况称为通风机通风机， 鼓风机鼓风机，压缩机压缩机，真空泵真空泵等。等。 本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性，以便本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性，以便 选择与使用。选择与使用。 第一节第一节 概述概述 一、离心泵作用一、离心泵作用 向流体提供能量：用于提高流体势能（低能位向高能位向流体提供能量：用于提高流体势能（低能位向高能位 输送流体）和克服管路的阻力损失。输送流体）和克服管路的阻力损失。 允许汽蚀余量允许汽蚀余量 轴功率和效率轴功率和效率 压头压头 流量流量 转速转速 铭牌: 二、输送流体所需能量二、输送流体所需能量 1、管路特

3、性曲线方程、管路特性曲线方程 22 1122 12f 22 pupu ZHZH gggg 2 22 fVV 24 24 8() 2 8() l lu d HqKq dgd g l d K d g 2 f 2 u HH gg P H：单位重量流体需补加的能量：单位重量流体需补加的能量 z 1 1 2 2 1 p K由管路特性决定由管路特性决定 管路特性方程管路特性方程 该式表明了管路中流体的该式表明了管路中流体的 流量与需补加能量的关系流量与需补加能量的关系 一般情况下，动能差一项可忽略一般情况下，动能差一项可忽略 22 2 fV 22 uu HHKq gggg PP 2 V HKq g P 管

4、路特性曲线管路特性曲线 低阻管路低阻管路 高阻管路高阻管路 H qv 1 2 g P 24 8() l d K d g 2、压头（、压头（扬程扬程）与流量是输送机械的主要技术指标）与流量是输送机械的主要技术指标 压头He：指输送机械向单位重量流体提供的有效能量，J/N 输送机械向流体提供的能量He 应与管路所需补加能量H相等 流体输送机械在不同流量下压头也不同，压头与流量的 关系由输送机械本身特性决定，是流体输送机械的主要 技术指标，讨论HeqV关系，即确立泵的特性方程是本 章的主要内容。 He = H 三、流体输送机械分类三、流体输送机械分类 按流体性质按流体性质 输送液体泵：离心泵、往复泵

5、 输送气体机：通风机、鼓风机、压缩机 按工作原理按工作原理 容积式（正位移式）： 压缩机、旋转泵 动力式（叶轮式）：离心泵、轴流泵 1、泵结构、泵结构 第二节第二节 离心泵离心泵 叶轮叶轮(1、2、3、4） 向流体做功向流体做功 泵壳泵壳 使动能使动能势能，是能量转化装置势能，是能量转化装置 一、离心泵工作原理一、离心泵工作原理 2、旋转流体的考察方法、旋转流体的考察方法 第一章中只是介绍了流体在第一章中只是介绍了流体在重力场重力场中的能量守恒及转换中的能量守恒及转换 流体质点的考察方法：流体质点的考察方法：拉格朗日法及欧拉法拉格朗日法及欧拉法 旋转流体的考察方法：旋转流体的考察方法： 静止坐

6、标参照系静止坐标参照系 旋转坐标参照系旋转坐标参照系 2 2 pu Z gg 本节离心泵中是旋转液体，因而存在着离心力， 在中，其重力场离心力则应为 位能（ ） 压强能（） 离心力场势能（ 场总势能 ） 3、离心力场中的机械能守恒、离心力场中的机械能守恒 （1）液体在叶片间的运动）液体在叶片间的运动 u切向速度（流体随叶轮旋转具有的速度） 切向速度（流体随叶轮旋转具有的速度） w相对速度（流体沿叶轮间通道流动，相对于叶轮的速度）相对速度（流体沿叶轮间通道流动，相对于叶轮的速度） C 绝对速度（绝对速度（ 与与 的向量和）的向量和）uw c2 w2 u2 r2 2 c1 w1 u1 1 2 2

7、2 1 1 1 （2）离心泵流量：）离心泵流量： 注：注： 出口截面积出口截面积 22 2br 2222 sinsincw径向管口流速径向管口流速 22222222 sin2sin2wbrcbrqV 11111111 sin2sin2wbrcbrqV 111 2 1 2 1 2 1 cos2uCuCw 222 2 2 2 2 2 2 cos2uCuCw 三者关系：三者关系： （余弦定理）（余弦定理） c2 w2 u2 r2 2 c1 w1 u1 1 2 2 2 1 1 1 r2 b2 u2 c2 w2 旋转坐标系：叶轮水平放置，叶轮进出口截面列柏氏方程：旋转坐标系：叶轮水平放置，叶轮进出口截面

8、列柏氏方程： ) 2 ( 2 1 1 1 g u Z g p 为总势能，包括常规势能和离心力场势能为总势能，包括常规势能和离心力场势能 g w 2 2 1 以相对速度计的动能以相对速度计的动能 （3）机械能守恒）机械能守恒 假定：理想流体无阻力损失、定态流动假定：理想流体无阻力损失、定态流动 g w g u Z g p g w g u Z g p 2222 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 2222 212112 22 uuww ggg PP 1 2 12 uu 说明说明： 叶轮通道内，切向速度叶轮通道内，切向速度u与半径有关与半径有关 ru 21 ww 相对速度相对速度 w 与

9、叶片间流道有关，与叶片间流道有关， 外缘流道宽，相对速度外缘流道宽，相对速度 w 小。小。 1 2 2222 212112 22 uuww ggg PP 静止坐标系：静止坐标系： 离心泵理论压头离心泵理论压头 2222 11222121 1T2 1 222 T pCpCCC ZHZH gggggg ；（） PP 222222 211221 T 2 222 uuwwCC H ggg ；（ ） 2222 212112 22 uuww ggg PP （1）、（2）式表明：离心泵以势能和动能两种形式向流体 提供能量。对于常用的后弯叶片叶轮， ，而且 w1w2，说明提供能量中势能所占比例更大。 2222

10、 2121 22 CCuu gg 离心泵设计:为使HT大，cos1=0，因此使流体从径向进入 叶轮，此时1=90 消去其中w1、w2，得： g CuCu HT 111222 coscos 故：故： 222 T cosu C H g 离心泵理论压头离心泵理论压头 c2 w2 u2 r2 2 c1 w1 u1 1 2 2 2 1 1 1 （1）流量对压头的影响）流量对压头的影响 由图可知：由图可知： 3、离心泵理论压头的影响因素、离心泵理论压头的影响因素 2222222 sinsin2wAwbrqV 2 222 2 2222T 22222 cos 2sinsin coscos VV qq w u

11、C r bAH g Cuw 代入 c2 w2 u2 r2 2 c1 w1 u1 1 2 2 2 1 1 1 二式代入上式二式代入上式 中：所以中：所以 T H 2 22 TV2 2 uu Hq ctg ggA 90 2 90 2 90 2 T H V q gu / 2 2 离心泵理论离心泵理论HT - qV图图 c2 w2 u2 r2 2 c1 w1 u1 1 2 2 2 1 1 1 （2）叶轮形状对理论压头的影响）叶轮形状对理论压头的影响 22 90 0 TV ctgHq 径向叶轮， 与无关 22 90 0 VT ctgqH 后弯叶轮， 22 90 0 VT ctgqH 前弯叶轮， 2 22

12、 TV2 2 uu Hq ctg ggA 2 2 w 2 c 2 u 2 (a) 2 2 w 2 c 2 u 2 (b) 2 c 2 2 w 2 u 2 (c) 为什么采用后弯叶片？为什么采用后弯叶片？ 后弯可获得较高能量利用率 理论压头 = 势能 + 动能 前弯C2大，动能 虽大， 但流体动能经蜗壳部分转化为 势能过程中，阻力损失也大。 为获得较高的能量利用率， 采用后弯叶片。 g c 2 2 2 2 2 w 2 c 2 u 2 (a) 22 2121 2 T CC H gg PP （3）液体密度对压头的影响）液体密度对压头的影响 但是在同一压头下，泵进出口的压差与但是在同一压头下，泵进出口

13、的压差与成正比成正比 对对11及及22截面间用柏努利方程截面间用柏努利方程 12 1212e , pp ZZ uuH gg 所以 21 21e pp HppgHe g 根据：根据： 2 22 TV2 2 uu Hq ctg ggA 同一台泵提供的理论压头相同，HT与 无关， p 1 2 气缚：由于没有灌泵，或泵体密封不严，使得泵内存气， 启动泵后发生吸不上液体的现象。这一现象称气缚 ，气缚 现象发生后，泵无液体排出，无噪音、振动。为避免气缚 应灌泵或检查泵体的密封性。 离心泵启动时为什么要先灌泵？离心泵启动时为什么要先灌泵？ e pgH Hp T 根据： 尽管压头为定值，若泵体内有空气，导致

14、很小，则 也很小，将不能使液体吸入泵内。因此启动前灌泵，目的使 泵内充满液体，赶走空气。如不灌泵则易发生气缚现象。 1、泵的有效功率和效率、泵的有效功率和效率 机械损失：机械损失：轴承机械摩擦 M eeV Pgq H e a P P He T H 有效压头，低于 qv 实际流量 Pe 有效功率 Pa 轴功率，由电机输入 泵总效率 k 水力损失水力损失：流体冲击形成旋涡，管道沿程阻力 容积损失容积损失：出口液体因缝隙泄漏返回入口 V VkM 二、离心泵特性曲线二、离心泵特性曲线 小型水泵：小型水泵： 一般为一般为50 70%，大型泵：大型泵： 可达可达90%以上以上 2 22 TV2 2 uu

15、Hq ctg ggA 90 2 90 2 90 2 T H V q gu / 2 2 离心泵理论离心泵理论HT - qV图图 a 理论压头理论压头 b 环流损失环流损失 d 冲击损失冲击损失 c 阻力损失阻力损失 HT qV 离心泵有效离心泵有效He - qV图图 有效压头有效压头 泵的理论压头与有效压头的关系泵的理论压头与有效压头的关系 2、离心泵的特性曲线、离心泵的特性曲线 前面讨论的前面讨论的管路特性曲线，表明的是管路中流体流量管路特性曲线，表明的是管路中流体流量 与所需补加能量的关系与所需补加能量的关系 管路特性方程管路特性方程 2 V HKq g P g P 高势能高势能低势能流动低

16、势能流动 V 1 低阻力管路系低阻力管路系 2高阻力管路系统高阻力管路系统 0 有效压头与流量的关系有效压头与流量的关系 HeqV 效率与流量的关系效率与流量的关系 qV 轴功率与流量的关系轴功率与流量的关系 Pa qV 通过实验测定通过实验测定 具体测定方法具体测定方法 见见p74.74.例例2-1 离心泵特性曲线：离心泵特性曲线： 离心泵离心泵n 2900r/min 30 26 22 18 14 10 0 20406080 100 120 140 12 8 4 0 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 0 He /m Pa kW qV /(m3/h) a P e H 离心

17、泵的特性曲线离心泵的特性曲线 流 量 计 真 空 表 压 力 表 h0 b c 离心泵的 He、Pa 都与离心泵的 qV有关，它们之间的关 系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系 曲线：He qV 、 qV、Pa qV 离心泵的特性曲线 注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身 独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点 离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高 效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率 点所对应的qV、He、Pa值称为最佳工况参数。离心泵的铭 牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。 离心泵离心泵n 2900r/min 3

18、0 26 22 18 14 10 0 20406080 100 120 140 12 8 4 0 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 0 He /m Pa kW qV /(m3/h) a P e H 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 思考： 1、离心泵启动和关闭时出口阀门应关闭还是打开，why？ 离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护 电机。停泵前关闭泵的出口阀门是为了防止高压液体倒流， 对泵造成损害。 2、离心泵启动时，出口 阀门应关闭，此时qV0 时，Pa=0？ 离心泵的轴功率随流量的 增加而上升，流量为零时 轴功率最小。 离心泵离心泵n 2900r/min

19、 30 26 22 18 14 10 0 20406080 100 120 140 12 8 4 0 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 0 He /m Pa kW qV /(m3/h) a P e H 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 3、离心泵特性曲线的影响因素、离心泵特性曲线的影响因素 1）液体性质的影响）液体性质的影响 密度密度 2222 sin2cbrqV离心泵的流量 与液体密度无关。 离心泵的压头 gcuHT/cos 222 与液体的密度无关 HeqV曲线不因输送液体的密度而发生变化，泵的效率 不随输送液体的密度而变。 离心泵的轴功率与输送液体密度有关离心泵的轴

20、功率与输送液体密度有关 。 aaeVa PP/HgqP， 粘度粘度 当输送液体粘度大于常温（20）清水的粘度时， 阻力损失，HeqV下降急剧。最高效率点处： qV 、 He 、均，Pa。 此时泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线 进行修正。实验表明，当输送液体粘度P1min ，保证PK PV 不发生汽蚀， 因此引入实际汽蚀余量NPSH和必需汽蚀余量NPSHr 22 1,min V1k f (1) 22 k C ppuu HNPSH gggg 临界汽蚀余量 NPSHr与流量有关，流量越大， NPSHr也越大。按使 用过程中可能的最大流量计算。 2 k f (1) ( 2 rCkC u N

21、PSHNPSHHNPSH g 安全量） NPSH NPSH r +0.5米米 2 V11 2 r ppu NPSHNPSH ggg ， 3、最大安装高度、最大安装高度Hg,max与最大允许安装高度与最大允许安装高度Hg 当泵的安装位置达到某一极限高度时，刚好发生汽蚀 现象，这一极限高度称为泵的最大安装高度。 最大安装高度 ， max g H 最大允许安装高度 g H max 0.3 g H ， 通常将减去（米）作为安全高度 的上限称最大允许安 一定量 装高度。 00及KK截面间列机械能衡算式 已知 求算 泵厂提供 (0) 2 0 2 0 max(0 1)(1) 0 max(0 1) 0 (0

22、1) 2 2 0.5 fk kk Vk gffk V gf C V gf r ppu HH ggg ppu HHH gg pp HHNPSH g pp HHNPSH g ， ， max gg HH ， 和的求算 0 gf (0 1) V pp HHNPSH g Hg p0 K 1 0 讨论：讨论： 影响影响Hg的因素的因素 Hg越大越有利于使用越大越有利于使用 0V gf (0 1) C 2 k f (1 k) 0.5 0.5 2 pp HHNPSH g NPSHNPSH u H g 压差要大p0 ， pV；流体降温则PV Hg 阻力损失要小Hf 0-1，一般d吸d出，以减 小进口管直租hf，

23、泵进口管路尽量少用管件阀 门以减小进口管路局阻hf 。 Hg p0 K 1 0 例题例题2. 教材教材p96. 习题第习题第2-10题题. (习题习题2-9附图改为习题附图改为习题2-10附图）附图） g 3.5m5.07mH 故不能正常，应将泵下移 1.6 m或塔上升 1.6 m 0 maxf (0 1) C V g pp HHNPSH gg 0Vg 0.874.25.07ppH ；则 0 gf (0 1) r 0.5 V pp HHNPSH gg 作业：作业：P96页：页：10 五、离心泵的类型与选用五、离心泵的类型与选用 离心泵的类型离心泵的类型 清水泵 IS（单级单吸） D（多级） S

24、h（双吸） 耐腐蚀泵 F 油泵 Y YS（双吸） 液下泵 FY（工作原理） 屏蔽泵 电机叶轮联为整体，无泄漏泵，也叫无密封泵 离心泵的选用（选效率最高的） (1)根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型 (2)根据具体管路对泵提出的流量和压头要求确定泵的型号 第三节往复泵第三节往复泵 一、往复泵的一、往复泵的基本结构基本结构与与作用原理作用原理 通过活塞的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量。 泵缸，活塞，活门。 曲柄连杆机构带动 0 23 V q 图图a 单缸单动往复泵单缸单动往复泵的流量曲线的流量曲线 0 23 V q 图图b 单缸双动往复泵单缸双动往复泵的流量曲线的流量曲线 0 2

25、 V q 三缸单动往复泵三缸单动往复泵的流量曲线的流量曲线 流量不均匀性 多缸多缸 压缩空气室 二、往复泵的流量调节二、往复泵的流量调节 单动泵单动泵1，2： VS VT 6060 ZqnZFSn q 双动泵双动泵1，2： VS VT (2) 6060 ZqnZFf Sn q Z 泵缸数目 n活塞往复频率1/min S行程m F活塞截面积 f活塞杆截面积 活塞往复一次压出体积 VS q 参考参考P83P83图图2-262-26 往复泵的流量计算： 流量调节流量调节 往复泵理论流量仅由活塞扫过的体积决定， 与管路情况无关，而提供的压头只取决于 管路情况 正位移特性 注：往复泵压头与流量无注：往复

26、泵压头与流量无 关，离心泵压头与流量有关，离心泵压头与流量有 关，二者存在不同之处。关，二者存在不同之处。 特性方程 =常数，与管路无关。 VT q VS VT 6060 ZqnZFSn q H V q 0 往复泵的工作点往复泵的工作点 离心泵流量调节可通过出口阀门开度大小调节，实质是调节 管路特性。而往复泵流量与管路特性无关，不可安装调节阀， 否则可能造成危险（压强升高）：机件破损或电机烧毁 调节：（1）旁路调节，1：总流量不变，主管与旁路之间流 量分配改变，不经济。 （2）改变曲柄转速和活塞行程改变曲柄转速和活塞行程 （改变泵的特性曲线），常用且经济（改变泵的特性曲线），常用且经济 V1V

27、S 11 V2VS22 /60 /60 qZq nn qZq nn 第四节第四节 其它化工用泵其它化工用泵 一、非正位移泵一、非正位移泵 1、轴流泵轴流泵：适于压头较小，输液量大 。 一般不设出口阀，通过改 变泵特性曲线调节流量。 2、漩涡泵漩涡泵：适于高压头，小流量，效率低 二、正位移泵二、正位移泵 1、隔膜泵，隔膜泵，1 输送腐蚀性液体或悬浮液 ，工作状态 2、计量泵、计量泵 精确输送流量恒定的液体或比例输送几种液体 3、齿轮泵齿轮泵 高压头，流量小，用以输送粘稠液体 4、螺杆泵螺杆泵，1 高粘度液体，效率高于齿轮泵 隔膜泵计量泵 齿轮泵螺杆泵 第五节第五节 气体输送机械气体输送机械 通风

28、机通风机 鼓风机鼓风机 压缩机压缩机 真空泵真空泵 （1）体积流量大）体积流量大 （2）流速大、阻力损失大）流速大、阻力损失大 一、气体输送的特点：一、气体输送的特点： mgVg mlVl 11000 (1000 qq qq 水空气 若，因为：） 2 gg Vggg2 2 V gg lll l ll l 4 10101000 4 d u qdu qdu d u d u d u 经济流速：；因为（） 输送管路阻力损失输送管路阻力损失:气体气体 是液体是液体10100倍倍 2 2 g l fgfl gl :10:1 22 u ull hh dd 则相差则相差100倍倍 2 f 2 u h 局 对气

29、体输送机械的要求：对气体输送机械的要求： （1）高压头）高压头（阻力损失大造成 ） 离心式或轴流式：流量大，但是压头不够 （2）大流量）大流量（气体密度小体积大，体积流量大） 气体输送机械结构与原理：与流体输送机械基本相同 正位移式：高压头，但流量通常小，需大设备 二、气体输送机械分类：二、气体输送机械分类： 一般以出口压强大小进行分类，或压缩比（进出口压强比） （1）通风机：出口压强15Kpa（表压），压缩比11.15 （2）鼓风机：出口压强15Kpa0.3Mpa（表压），压缩比 0.3Mpa（表压），压缩比 4 （4）真空泵：用于减压，出口压力0.1Mpa（表压） 压缩比由真空度决定 。

30、1、通风机、通风机 （1）分类 轴流式：排送量大，风压甚小，用以通风换 气，不用于输送气体（风扇） 离心式：工作原理同离心泵，结构也相同。 （2）离心通风机离心通风机 主要参数：流量qV（风量），全压PT（风压），功率和效率 说明：离心泵压头以单位重量流体为基准，因次为L ,m 通风机压头以单位体积气体为基准，因次为ML-1T-2 ,Pa（压强单位因次） 因出口气速大，动风压（动能差）不能忽略， 不同于离心泵进出口动能差很小，可忽略 静风压 + 动风压 则 2 2 21SK () 2 T u pppPP 22 21 2121 () ()() 2 uu gHg ZZpp 风机进出口列机守方程得： 22 21 2121 () ()() 2 TT uu g ZZppgHPP 则全压：； 看出： 2121 1 1 () 2 0 g ZZZZ u （）可以忽略，因为 同时 很小 （ ）空气由大气进入通风机时， 换算：换算： 1.