工程流体力学 第7章泵与风机

1、第第7 7章章 泵与风机泵与风机第第7章章 泵与风机泵与风机泵与风机都是输送流体的机械。泵与风机都是输送流体的机械。泵泵用于输送液体液体；风机风机用于输送气体气体。从能量观点来看，泵与风机都是传递和转换能量的机从能量观点来看，泵与风机都是传递和转换能量的机械。械。从外部输入的机械能机械能，在泵或风机中传递给流体，转化为流体的压力能压力能，以克服流体在流道中的阻力。有些流体如压气机中的气体及高压泵中的液体，有更高的压力能储备做功，有些液体被举到更高的位置（如水塔）而转化为位能位能。有些情况，流体在经过泵或风机后，速度也有变化，因而部分地转化为流体的动能动能。泵与风机分类泵与风机分类依据：依据：能

2、量传递及转化的方式不同。 类型类型：叶轮动力式与容积式（或静力式）。 第第7章章 泵与风机泵与风机l在叶轮动力式叶轮动力式机械中，某些机械部件与流体间发生动力作用，其能量转换关系是由动能转化为压力能或由压力能转化为动能。如离心式或轴流式的泵或风机、液力联轴器、水轮机等，常称为涡轮机械。l容积式或静力式容积式或静力式机械的特点是容积的变化或流体的位移。由位移作用所提高的静压强大于由速度或动能的变化而提高的静压强。如往复式泵、齿轮泵、回转式泵等。风机的类型风机的类型通风机通风机：气体通过风机后，压力能增加不大，气体的密度变化很小。在压气机中，应考虑气体的压缩性。主要内容：主要内容：离心式泵与风机的

3、工作原理、性能等。离心式泵与风机的工作原理、性能等。7.1 离心式泵离心式泵 主要部件主要部件：固定在机座上的机壳机壳及与转轴连在一起并随轴转动的叶轮叶轮。 工作原理：工作原理：当泵工作时，外部动力驱动转轴旋转，叶轮1随着旋转，叶片2间原来充满着的液体在惯性离心力的作用下，从叶轮外缘抛出，在机壳4中汇集，从出口5排走。当叶片间的液体被抛出时，叶轮内缘入口3处压强降低，外部的液体便被吸入填充。图7.1 离心式泵的构造略图1-叶轮；2-叶片；3-吸入口；4-机壳；5-出口7.1.1 离心式泵的构造与工作原理离心式泵的构造与工作原理7.1.1 离心式泵的构造与工作原理离心式泵的构造与工作原理 叶轮转

4、动不停，外部液体源源不断地经过叶轮从机壳出口排出或被送往需要的地方。 液体经过叶轮时，装在叶轮上的许多叶片将能量传递给液体，使液体的压强与速度增加。液体在离开叶轮进入蜗形机壳后，一部分动能转化为压力能。 若将几个叶轮按一定的距离装在同一根转轴上，来提高液体的能量，这样的泵称为多级泵多级泵。 为了把液体送到较远或较高的地方，常采用多级离心离心泵泵。7.1.2 泵的扬程泵的扬程 一般离心式泵的装置如图7.2所示。 1-1断面为泵的进口，装有真空表3；2-2断面为泵出口，装有压力表4。 单位重量液体在泵出口处的能量 e2 与在泵入口处的能量 e1 之差，即单位重量液体在泵中实际获得的能量，就是泵的扬

5、程或总扬程扬程或总扬程，也是泵的总水头总水头或称总输水高度总输水高度，以 H 表示。即 H = e2 e1 如图所示：以吸液池1的液面OO为基准，单位重量液体在1-1断面和2-2断面处的能量分别为： 图图7.2 离心式泵装置简图离心式泵装置简图 1-吸液池；2-排液池；3-真空表；4-压力表；5-闸阀gvphes221117.1.2 泵的扬程泵的扬程于是 式中 液体的重度。v设大气的压强为Pa，真空表的读数为Pv，压力表的读数为PM，则 上式中，(z2+zm)zv=z表示压力表与真空表位置的高度差。 gvpzhes222222vvazppp1MMazppp2即（7.1） gvvppzzzHvM

6、vm2)(2122212eeHgvvzpphzppzhvvasmMas2212227.1.2 泵的扬程泵的扬程v当z很小时可忽略不计，且若泵的进口断面积与出口断面积相等或相差很小时，即v1v2，则总扬程 v即从泵进口处的真空表读数与出口处的压力表读数之和，就可以表示泵的扬程大小。所以在运转时，常根据真空表与压力表的读数，看泵的扬程变化。 例题例题7.1 某工厂的水泵站，有一台水泵的吸入管直径 d1=250 mm，压出管直径 d2= 200mm，水泵出口的压力表与入口处真空表的位置高差为0.3m。水泵正常运转时，真空表的读数Pv= 3.92 N/cm2，压力表的读数PM= 83.3N/cm2，测

7、得其流量Q = 60 l/s。求水泵的扬程H。（7.2） 液柱mvMppH7.1.2 泵的扬程泵的扬程解解 在泵的入口处，水的平均流速为在泵的出口处，水的平均流速为根据式(9.1)，求得泵的扬程为m/s222.1425.0142.306.042211dQvm/s91. 142 . 0142. 306. 042222dQvgvvppzHvM22122m41.898 . 92222. 191. 19800833000392003 . 0227.1.2 泵的扬程泵的扬程因为吸液池液面与排液池液面面积较大，vd 0，v0 0，故再按图9.2，以O-O面为基准，列吸液池液面与1-1断面的能量方程：（7.

8、3） lsshgvphgvp22211200故12eeHlslddddshgvphgvphh222002则lsshgvpgvphe222002111列2-2断面与排液池液面d-d的能量方程：（7.4） lddddsshgvphhgvpzh2222222lddddshgvphhe222则7.1.2 泵的扬程泵的扬程v式中：(hs+hd)为排液池液面与吸液池液面的垂直距离，称为几何几何扬程扬程，以 HG 表示；(hls+hld)是吸入管路与压出管路的阻力损失，称为损失扬程或损失水头损失扬程或损失水头，以 Hl 表示；PdP0为排液池液面的压强Pd 与吸液池液面的压强P0 之差。所以泵的总扬程总扬程

9、是用于将单位重量液体举上几何高度hs+hd 、供给吸入管路与压出管路克服阻力所消耗的能量hls+hld及克服排液池液面与吸液池液面的压强差(PdP0 )/。 v如果吸液池与排液池都与大气相通，则Pd = Pa = P0 ，故泵的扬程这是一般离心式泵装置的情况。由此可知，泵的扬程不仅包括将单位重量液体升高的几何高度，而且也还包括吸入管路和压出管路中的阻力损失。 （7.6） lGldlsdsHHhhhhH（7.5） 0pphhhhHdldlsds7.1.2 泵的扬程泵的扬程 例题例题7.27.2 由离心式泵经管路向水塔供水，其装置情况如下： （1）吸入管路。管直径 d1= 250mm，管长 l1=

10、 20m；每米长度的沿程损失 i1 为0.02 mH2O；装有一个带底阀的滤水网(v=4.45 )，90弯头(b=0.291)两个。 （2）压出管路。管直径 d2= 200mm，管长 l2 = 200m ；每米长度的沿程损失 i2 为0.03 mH2O；装有全开的闸阀(g=0.05)一个，90弯头(b=0.291)三个。管路出口的局部阻力系数ex=1 。 （3）泵的吸入几何高度 hs= 4m，压出几何高度 hd = 30m ；输水量 Q = 60l/s；吸水池与水塔的液面均为大气。v试确定此水泵应具备的扬程 H。7.1.2 泵的扬程泵的扬程 解解 水在吸入管中的流速为m/s222. 1425.

11、 0142. 306. 042211dQv水在压出管中的流速为在吸入管中的阻力损失为m/s91. 142 . 0142. 306. 042222dQvgvgvlihbvls222212111OmH783. 08 . 92222. 1291. 028 . 92222. 145. 42002. 0222在压出管中的阻力损失为gvgvgvlihexbgld2232222222227.1.2 泵的扬程泵的扬程按式（7.6）求得水泵应具有的扬程为 OmH357. 68 . 9291. 118 . 9291. 1291. 038 . 9291. 105. 0200023. 02222ldhm14.4135

12、7. 6783. 0304ldlsdshhhhH7.1.3 叶叶 轮轮 叶轮动力式机械的主要部件主要部件就是叶轮叶轮。离心式泵的扬程的高低，也主要取决于叶轮的情况。分析流体在叶轮中的运动情况，对于了解与掌握这类机械设备的工作原理与性能是很重要的。 叶轮分类叶轮分类 依据：构造不同。 （1）闭式叶轮闭式叶轮。如图7.3，由轮毂1、叶片2、底盘3、盖板4所组成。常用于清水泵中，效率较高，多为铸造而成。 （2）半开式叶轮半开式叶轮。有轮毂、底盘、叶片，而无盖板。多用于抽送粘性较大的液体。 （3）开式叶轮开式叶轮。如图7.4，既无底盘，也无盖板；叶片2固定在轮毂1上。效率较低，用于输送污水或含有固体颗

13、粒的矿浆或泥浆。7.1.3 叶叶 轮轮图7.3 闭式叶轮 图7.4 开式叶轮 图7.5 双面吸液叶轮 v除上述的单面吸液的叶轮外，还有双面吸液的叶轮，如图7.5。这种叶轮由于两个入口同时吸液，以增大流量。装置这种叶轮的泵，称为双吸式泵双吸式泵。v为了分析方便，假设叶轮是理想理想的，即理想叶轮上的叶片数为无限多，叶片的厚度为无限薄，流体进入叶轮便紧沿着叶片运动，至叶轮出口处流出，可视为流体沿流束的运动。因而在同一断面上，便可认为有相同的压强分布与速度分布。并假设在叶轮中运动的流体为假想的无粘性流体，即不考虑任何能量损失。v这样的叶轮传递给单位重量流体的能量，称为理想叶轮的欧拉扬理想叶轮的欧拉扬程

14、程，以HE 表示。v当考虑叶轮的叶片数目时，应对理想叶轮的欧拉扬程 HE 进行修正，可得实际叶轮但不计能量损失的理论扬程 Ht，有 Ht = k HE7.1.3 叶叶 轮轮7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失 实际流体通过实际的泵，不可避免地会发生能量损失。这些损失必然由泵的输入功率中的相当部分来补偿。 泵中的能量损失能量损失分为水力损失、容积损失和机械损失三类。 1 1水力损失水力损失 影响泵内水力损失的因素很多，很难精确地判定出这些因素的综合影响。大体说来，引起水力损失的原因是：（1）壁面摩擦；（2）流动速度的大小或方向的改变而产生的旋涡及脱流，这里包括撞击损失与流道扩散损失。 （1）

15、摩擦损失与扩散损失摩擦损失与扩散损失。摩擦损失发生于叶轮的流道及机壳之中，可用达西公式表示其关系21QKhf（7.7）式中：K1 考虑某台泵全部长度、流道横断面积及阻力系数的常数。v由于流道断面的扩大，流经其中的流体速度随之变化，引起的扩散损失可用下式表示： （2）撞击与脱流损失撞击与脱流损失。这种损失主要发生在叶轮的入口处。流体沿轴向经过入口流进叶轮时，流体是没有转动的。但随即逐渐改变流动方向，按径向流进两叶片间的流道。若设计流量为 Qs，则流体质点在叶片入口边缘处将有随叶轮绕轴旋转的牵连运动与按入口叶片角 1方向对叶片的相对运动。 22=QKhdiv（7.8） 式中 K2 随结构而定的系数

16、。对于给定的泵， K2 为常数。因式（7.7）和（7.8）所表示的这两种损失，都和流量的平方成比例，因而可以合并为一个式子，即23QKhhhdivffdiv（7.9）7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失v如果流量小于或大于设计流量 Qs ，则流体质点对于叶片的相对速度 1 将偏离入口叶片角 1 ，而与叶片撞击或脱离，形成旋涡，造成撞击损失。经实验研究，这种损失的增加与流量变化(Q Qs )的平方成正比，即式中：hstr撞击与脱流损失； Q 当时的体积流量； Qs设计流量； K4比例系数。将式（7.9）与（7.10）按同一流量迭加，得 hstr+ hfdiv 曲线，即为此流量时泵的水力损失，

17、用 hh表示。此项损失的能量，由叶轮产生的水头供给。所以叶轮产生的实际水头或扬程，应为理论扬程 Ht 减去水力损失 hh 后的能量，即24)(sstrQQKh（7.10） hthHH （7.11） 7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失实际扬程与理论扬程之比称为水力效率，以h表示：2 2容积损失容积损失v漏失流体而造成的能量损失与转动部分和不动部分之间的间隙有关。根据泵的类型，流体的漏失可能发生于下列的一处、数处间隙或管路中： （1）叶轮入口处的机壳和叶轮之间； （2）多级泵内两个相邻级之间；1hthhHHHH（7.12）（7.13）EhthkHHH所以流体从机壳的入口进去，又自机壳的出口流

18、出，除了在叶轮中的水力损失外，由于速度的方向或大小改变，与机壳的摩擦等，也都有水力损失。若包括全部水力损失，则就是泵的水力效率。7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失 （3）填料箱密封或转轴与机壳间的缝隙； （4）开式叶轮片的轴向间隙； （5）经过向轴承体和填料箱供冷却液的管路。v单位时间内从泵输出的流体体积为Q，漏失的流体体积为Qt，则不考虑漏失的理论流量 Qt 为实际流量 Q 有理论流量 Qt 之比，称为泵的容积效率，以v表示，即ltQQQ+=1ltVQQQQQ（7.14）7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失 3机械损失机械损失v由于流体作用在叶轮轮盘上的摩擦，轴承内和填料箱密封内的

19、摩擦等所造成的能量损失，为机械损失。v若加给泵叶轮轴上功率为N，消耗于机械摩擦的功率为NM，则泵的机械效率为v当考虑水力损失与容积损失时，将式（7.12）与（7.14）中的h与v代入式（7.16）中，得v若无水力损失与容积损失，则单位时间内经过泵的流体所获得的能量 QtHt 应等于NNM ，即1NNNMM （7.15）NHQttM或MttHQN （7.16）7.1.4 泵中的能量损失泵中的能量损失 （7.17） WQHQHNhVM式中 = M vh ，为泵的总效率。泵的总效率就是有效功率对其轴功率之比。现有的小型泵的总效率 最大平均值在0.600.70之间，大型泵的 值可达0.92。7.1.5

20、 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象7.1.5 泵的吸上扬程与气蚀现象泵的吸上扬程与气蚀现象)( : 10.34 2 2 2 1-1 - 1211211211安装高度吸水高度或断面伯方两及列析）水泵吸水管路参数分（slsaslssavlssahmhgvpphhgvhppphgvphpoo泵的吸上扬程与汽蚀现象泵的吸上扬程与汽蚀现象7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象31)-(9 28)-(9 2 2 2 , : 32112112111lssataslsassatsatsathhpphhgvpphgvphppgvphpp将上式代入前式即过汽化压强的富余能量单位重量液

21、体所具有超在泵入口处汽蚀余量条件离心泵防止汽蚀的必要汽蚀余量）（7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象。其值实际上由实验得到，应的下降至汽化压强时所对增加而使因最大吸上真空度且可见得由称为吸上真空度，令由允许吸上真空度）（ , : , 31)-(9 2 28)-(9 28)-(9 2 41max11211211ssssatssslsssaslsasHphHppphhHgvhhHppHhgvpph7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象 32)-(9 2 31)-(9 2 0.3 52121gvhHhgvhhHHHHlssslsssmaxsss允许安装高度代入式

22、泵样本提供国标规定允许最大吸上真空度）（7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象泵使用地点的大气压强：修正公式不同液体温度时不同大气压力用于不同地点液体应用条件为由泵样本提供的的修正实际使用时对）（ 10 , C 20 , 760 , 6ssApAHHt mmHgpHHsatass7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象减少吸水管阻力。减少降低泵转速降低安装位置防止汽蚀的措施）（ 4*; 3*; 2* ; 1* 7Q7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象 mgvhHhsmQvhmhmmdCmHmHhmQrpmnlsssslss 17. 78 .

23、 9255. 25 . 08 2 32)-(9 55. 2360005. 014. 3184 d4 , 5 . 0 ,5020 8 4 .74 , 18, 1400 :650D8 3-9 22122113由公式吸入管流速解。求此泵的允许安装高度阻力损失吸入管的总以下，吸入管直径输送的水的温度在，若，允许吸上真空度扬程流量转速出型离心式泵的说明书给例7.1.5 泵的泵的吸上扬程与气蚀现象吸上扬程与气蚀现象 , 的关系曲线一定时QN,QH,Qn7.1.6 离心式离心式泵的泵的性能曲线性能曲线 : (3) , : (2) : (1)工作范围最佳工况有峰值有最小值零流量时与阻力有关QNNQQNQH7.

24、1.6 离心式离心式泵的泵的性能曲线性能曲线管路特性曲线作图管路特性方程故有其为定值管路一定管道阻力系数阻力之和位置水头的提高需的能量将单位重量流体排出所 ,2 2222RQHHRRQgAQDLhhHhHHGAllGlGA1. 管路特性曲线管路特性曲线 流体在管路中运动时，流体在管路中运动时， 流量与阻力的关系曲线流量与阻力的关系曲线 7.1.7 泵泵在管路中的工况点在管路中的工况点7.1.7 泵泵在管路中的工况点在管路中的工况点2. 泵的工况点泵的工况点 水泵特性曲线与管路特性曲线的交点水泵特性曲线与管路特性曲线的交点 能量平衡点能量平衡点3. 工况点的调节工况点的调节 改变管路特性 改变泵

25、扬程特性曲线7.1.7 泵泵在管路中的工况点在管路中的工况点原则 （1）满足工艺参数原则 流量 ,扬程 ,温度 ,压力 ,装置汽蚀余量 （2）满足被输送液体性能原则 腐蚀性液体 ,不允许泄露性的液体 ,含有长纤维类液体 ,高温、高压类液体 , 黏性液体 （3）满足泵现场使用环境条件的原则 安装位置 ,环境条件 ,电网条件 ,危险区的划分 7.1.7 离心式泵的选择离心式泵的选择1 、 根据生产上对流量Q及几何扬程HG 的要求，在泵安装点和需水点配置管路，选择管总的流速v与管径d，然后计算管路的阻力没确定泵所需要的扬程H和流量Q。 几十公里长输水管路v=0.5-0.7m/s，工厂内输水管路v=1-3m/s2、根据Q和H，在泵的产品样本或说明书中 ，选择满足要求的泵。选择时，扬程加大5%。 3、生产要求的流量过大，没有合适的泵，可以选择泵的并联。按不同的情况可以选择一般流量或更小的数值，但扬程要满足要求