流体力学第九章

1、2022-3-181第九章第九章 离心式离心式泵与风机的结构原理泵与风机的结构原理与工作特性与工作特性第一节第一节 泵与风机概述泵与风机概述第二节第二节 离心离心泵与风机的基本构造泵与风机的基本构造第三节第三节 离心泵与风机的工作原理与主要性能参数离心泵与风机的工作原理与主要性能参数第四节第四节 离心式泵与风机的理论性能离心式泵与风机的理论性能第五节第五节 离心式泵与风机的实际性能曲线离心式泵与风机的实际性能曲线第六节第六节 离心式泵与风机性能的相似转换与比转数离心式泵与风机性能的相似转换与比转数2022-3-182一、泵与风机在工程中的应用一、泵与风机在工程中的应用泵与风机泵与风机利用外加能

2、量输送流体的机械。利用外加能量输送流体的机械。 泵泵输送液体输送液体 风机风机输送气体输送气体工程上的应用：工程上的应用： 广泛应用在石油、化工、水利、造船、电力等各领域。广泛应用在石油、化工、水利、造船、电力等各领域。9-1 泵与风机概述泵与风机概述在专业中的作用：在专业中的作用： 是供热、通风、空调工程中不可缺少的动力设备。是供热、通风、空调工程中不可缺少的动力设备。 图片图片2022-3-183二、泵与风机的分类二、泵与风机的分类 按工作原理不同主要分为：按工作原理不同主要分为：叶片式、容积式叶片式、容积式工作原理工作原理泵泵风机风机叶片式叶片式离心式离心式离心泵离心泵旋涡泵旋涡泵离心风

3、机离心风机轴流式轴流式轴流泵轴流泵轴流风机轴流风机混流式混流式混流泵混流泵容积式容积式往复式往复式活塞泵活塞泵、隔膜泵、隔膜泵、计量泵计量泵回转式回转式齿轮泵齿轮泵、罗茨泵罗茨泵、螺杆泵螺杆泵罗茨风机罗茨风机混流风机混流风机2022-3-184一、离心泵的结构型式与主要部件一、离心泵的结构型式与主要部件 泵体泵体电动机电动机 9-2 离心泵与风机的基本构造离心泵与风机的基本构造机座机座联轴器联轴器入口入口出口出口2022-3-185密封环密封环吸吸入入室室叶轮叶轮轴封装置轴封装置泵轴泵轴压出室压出室轴承轴承密封圈密封圈2022-3-1861、离心泵的基本组成、离心泵的基本组成叶轮叶轮对液体做功

4、的部件对液体做功的部件（核心部件）（核心部件）泵轴泵轴传递扭矩的部件传递扭矩的部件吸入室吸入室引导流体进入叶轮引导流体进入叶轮压出室压出室收集来自叶轮的液体收集来自叶轮的液体轴封轴封防止液体通过泵轴与泵体间的间隙泄漏防止液体通过泵轴与泵体间的间隙泄漏密封圈密封圈起静密封作用起静密封作用轴向力平衡装置轴向力平衡装置使叶轮轴向受力平衡使叶轮轴向受力平衡 平衡孔、平衡管、双吸式叶轮、平衡盘平衡孔、平衡管、双吸式叶轮、平衡盘和和平衡鼓平衡鼓。2022-3-1872、离心泵的分类、离心泵的分类u按轴方向（轴地面的相对关系）分：按轴方向（轴地面的相对关系）分： 卧式、立式卧式、立式u按吸入方式（几个吸入口

5、）分：按吸入方式（几个吸入口）分： 单吸泵、双吸泵单吸泵、双吸泵u按叶轮级数（叶轮个数）分：按叶轮级数（叶轮个数）分： 单级泵、多级泵单级泵、多级泵2022-3-188二、离心风机的结构型式与主要部件二、离心风机的结构型式与主要部件 电机电机机机壳壳机座机座吸入口吸入口出口出口叶叶轮轮2022-3-1891、离心风机的主要组成、离心风机的主要组成进风口（集流器）进风口（集流器）使气流以较小阻力进入叶轮。使气流以较小阻力进入叶轮。有有圆筒式、锥形、曲线式圆筒式、锥形、曲线式等形式。等形式。叶轮叶轮将电机功传给气体将电机功传给气体（核心部件）。（核心部件）。机壳机壳收集来自叶轮的气体，并将部分动压

6、转化为静压。收集来自叶轮的气体，并将部分动压转化为静压。 出风口出风口使气流顺利排出。使气流顺利排出。有有机翼形、平板形、弧形机翼形、平板形、弧形三种结构形式。三种结构形式。轴轴传递扭矩、带动叶轮旋转。传递扭矩、带动叶轮旋转。2022-3-18 10 按增压大小可分为：按增压大小可分为： 低压风机：低压风机：增压值小于增压值小于1000Pa 中压风机：中压风机：增压值在增压值在10003000Pa之间之间 高压风机：高压风机：增压值大于增压值大于3000Pa2、离心风机的分类、离心风机的分类 低压低压和和中压风机中压风机主要用于通风换气，在本专业主要用于通风换气，在本专业中应用较多。中应用较多

7、。2022-3-18 11一、离心泵与风机的工作原理一、离心泵与风机的工作原理 泵轴旋转，充满在叶片之间的水，在离心力的作用下，泵轴旋转，充满在叶片之间的水，在离心力的作用下，从叶轮中心甩向叶轮周围，经泵壳流入压水管。叶轮进口处从叶轮中心甩向叶轮周围，经泵壳流入压水管。叶轮进口处产生真空，水在大气压下，经吸入管流向水泵。产生真空，水在大气压下，经吸入管流向水泵。动画动画9-3 离心泵与风机工作原理与主要性能参数离心泵与风机工作原理与主要性能参数2022-3-18 12gvvppzzH221221212 1、泵的扬程与风机的风压、泵的扬程与风机的风压u 泵的扬程（泵的扬程（H） 单位重量的流体通

8、过泵所获得的有效能量。（单位重量的流体通过泵所获得的有效能量。（m）u 风机的全压（风机的全压（p）与静压（）与静压（ pj ） 全压全压(p): 单位体积气体通过风机所获得的有效能量。单位体积气体通过风机所获得的有效能量。(Pa)静压（静压（pj）：风机的全压减去风机出口的动压）：风机的全压减去风机出口的动压。 （Pa）22112v)pp(Pi 21zz Hp 二、泵与风机的主要性能参数二、泵与风机的主要性能参数下标下标“1”代表入口参数代表入口参数下标下标“2”代表出口参代表出口参 数数2022-3-18 132、流量（、流量（qv） 单位时间内泵或风机所输送的流体量。（单位时间内泵或风机

9、所输送的流体量。（m3/s）3、功率与效率、功率与效率u 有效功率（有效功率（Pe）：）： 单位时间内通过泵或风机的流体所获得的总能量。单位时间内通过泵或风机的流体所获得的总能量。u 轴功率（轴功率（P）：原动机传给泵或风机轴的功率。（）：原动机传给泵或风机轴的功率。（W）%100PPe u 全效率（全效率（）：）：4、转速（、转速（n） 泵或风机叶轮每分钟的转数。（泵或风机叶轮每分钟的转数。（r/min）pqHqPevv （W）2022-3-18 14理想叶轮：理想叶轮：假设流体通过叶轮的流动假设流体通过叶轮的流动是恒定是恒定的，且在垂直于转轴的的，且在垂直于转轴的流面之间不流面之间不互相干

10、扰；互相干扰；假设叶轮具有无限多叶片，叶片假设叶轮具有无限多叶片，叶片无限薄，每条流线都具有与叶片相无限薄，每条流线都具有与叶片相同的形状同的形状液体无环流；液体无环流；假设流经叶轮的流体是理想不可压流体假设流经叶轮的流体是理想不可压流体无能量损失。无能量损失。一、流体在叶轮内的运动分析一、流体在叶轮内的运动分析 流体在理想叶轮流道内的流动可看成流体在理想叶轮流道内的流动可看成一元理想流体恒定流动。一元理想流体恒定流动。垂直于转轴的流面垂直于转轴的流面相邻两叶片相邻两叶片9.4 离心式泵与风机的理论性能离心式泵与风机的理论性能2022-3-18 15l随叶轮旋转运动随叶轮旋转运动（牵连运动）（

11、牵连运动）l沿叶片径向运动沿叶片径向运动（相对运动）（相对运动）流体在叶轮内做流体在叶轮内做复合运动：复合运动：流体的运动可用流体的运动可用速度三角形速度三角形表示：表示：u-圆周速度圆周速度; v-绝对速度绝对速度; w-相对速度相对速度Wvuvuvr：叶片与圆周速度反方叶片与圆周速度反方向夹角向夹角（叶片安装角）（叶片安装角） ：绝对速度与圆周速度绝对速度与圆周速度的夹角的夹角（叶片工作角）（叶片工作角）uvw2022-3-18 16下标下标“1”-进口参进口参数数 下标下标“2”-出口参出口参数数 D1-进口直径进口直径 D2-出口直径出口直径 b2-叶片出口宽度叶片出口宽度二、离心式泵

12、与风机的理论压头二、离心式泵与风机的理论压头推导原理：推导原理：动量矩定理动量矩定理作用于流体的外力矩（外力施加作用于流体的外力矩（外力施加于叶轮转轴上的力矩）等于流体动量矩的变化率：于叶轮转轴上的力矩）等于流体动量矩的变化率：根据根据 : 轴功率轴功率流体获得的功率流体获得的功率vv下标下标“T ”- 理想叶轮理想叶轮内无任何损失下的理论内无任何损失下的理论值值)vuvu(gHTuTTuTT 11221)vrvr(qMT1u1T2u2Tv TvTHqMP 2022-3-18 17结论：结论：1、 仅与流体在进、出口处的运动速度有关；仅与流体在进、出口处的运动速度有关； TH理想叶轮：理想叶轮

13、：)vuvu(gHTuTTuTT 112212、 与被输送的流体种类无关，只要进、出口速度与被输送的流体种类无关，只要进、出口速度三角形相同，就得到相同的三角形相同，就得到相同的。 TH TH2022-3-18 18实际叶轮叶片数有限对理论扬程的影响：实际叶轮叶片数有限对理论扬程的影响：带来的影响：带来的影响： 使相对速度朝旋转反方向使相对速度朝旋转反方向偏离，绝对速度值减小。偏离，绝对速度值减小。 叶片数有限，流体在流叶片数有限，流体在流道内产生道内产生相对涡流运动。相对涡流运动。v 2T W2T v2T vu2T u2T W2Tv2T2022-3-18 19k：涡流修正系数，涡流修正系数，

14、85. 078. 0 k)vuvu(gHTuTTuTT11221 实际叶轮：实际叶轮：)vuvu(gkkHHTuTTuTTT 1122)vuvu(gHuuT11221 简写简写：或：或：2022-3-18 20 理论扬程之组成理论扬程之组成：动压水头增量动压水头增量 ( HTd ) 。 动压水头大，流动的损失会较大，影响机器的效率。因动压水头大，流动的损失会较大，影响机器的效率。因此，在总扬程相同情况下，动压水头增量不宜过大。此，在总扬程相同情况下，动压水头增量不宜过大。guu22122 由于离心力作功使流体产生的由于离心力作功使流体产生的静压水头增量。静压水头增量。由于流道展宽，相对速度降低

15、产生的由于流道展宽，相对速度降低产生的静压水头增量。静压水头增量。gWW22221 ( HTj )gvvgWWguu222212222212122 )vuvu(gHuuT11221 gvv22122 2022-3-18 21三、叶型及其对机器性能的影响三、叶型及其对机器性能的影响设计时设计时: ,901 使（使（1）进口截面积等于出口截面积；（）进口截面积等于出口截面积；（2）wvuvrvuvg)ctgvu(gvgvvHruTd2222222222122 211rrvvv 因此：因此： 902：前向叶型前向叶型 902：径向叶型径向叶型 902：后向叶型后向叶型叶型有三种：叶型有三种：)vuv

16、u(gHuuT11221 )ctgvuu(g)vu(gHruT222222211 01 uv2022-3-18 22 离心泵一般为后向叶型，大型离心风机也采用后向叶型；离心泵一般为后向叶型，大型离心风机也采用后向叶型；中小型风机有的采用前向叶型。中小型风机有的采用前向叶型。前向叶型前向叶型，HT最大最大 ， HTd最大最大，效率最低。，效率最低。径向叶型径向叶型，HT居中居中 ， HTd居中，效率居中。居中，效率居中。后向叶型后向叶型，HT最小最小 ， HTd最小，效率最高。最小，效率最高。结论：结论：2022-3-18 23四、离心泵与风机的理论性能曲线四、离心泵与风机的理论性能曲线叶片的排

17、挤系数叶片的排挤系数叶轮外缘面积：叶轮外缘面积：流体流通面积：流体流通面积：22bD 22bD )ctgVuu(g1H22r222T 2r22TVbDQ )QbDctguu(g1HT2222222T vr2 u2vr2qvTqvT对一定的叶轮、在一定的转速下：对一定的叶轮、在一定的转速下：T2TQBctgAH )ctgBQA(QNN2TTeT qvT)ctgBqA(qPeP2vTvTT 2022-3-18 24HTqvTgu222 2 902 2 =902 2 902 2 =902 2 90qvT2022-3-18 25一、离心式泵与风机内的损失一、离心式泵与风机内的损失3、水力损失水力损失

18、包括进口损失、撞击损失、动压转换和出口损失等。包括进口损失、撞击损失、动压转换和出口损失等。水力效率：水力效率：TThHHH PPPm 1、机械损失机械损失u圆盘摩擦损失（主要）：圆盘摩擦损失（主要）：u轴封和轴承的摩擦损失轴封和轴承的摩擦损失: P1=1%3%N3522nDP 机械效率：机械效率：2、容积损失：容积损失：部分流体漏回到入口处。部分流体漏回到入口处。 容积效率：容积效率：TvTvVqqq q9.5 离心式泵与风机的实际性能曲线离心式泵与风机的实际性能曲线2022-3-18 26机器的机器的全效率：全效率：mhv 由于流体在泵或风机内的流动很复杂，流体在机器内产由于流体在泵或风机

19、内的流动很复杂，流体在机器内产生的各种损失现还无法从理论上确定，因此实际性能曲线还生的各种损失现还无法从理论上确定，因此实际性能曲线还不能通过理论推导得出。不能通过理论推导得出。2022-3-18 27二、泵与风机的（实际）性能曲线二、泵与风机的（实际）性能曲线包括：包括：Hqv，Pqv， qv等曲线等曲线,由由厂家通过试验测定得出。厂家通过试验测定得出。试验条件试验条件:水泵：水泵：20，1个大气压，清水；个大气压，清水；通风机：通风机：20，1个大气压，相个大气压，相对湿度对湿度50%，空，空气气 Hqv曲线最为重要，其变化趋势有三种：曲线最为重要，其变化趋势有三种：平坦型、陡降平坦型、陡

20、降型型和和驼峰型，驼峰型，应优先选用应优先选用平坦型平坦型。m,H 图片图片vq vqHvqPPqv , m3/h2022-3-18 28关于性能曲线的说明：关于性能曲线的说明： 压头（风压）压头（风压） 流量（流量（Hqv、 pqv）曲线：是判断离心泵）曲线：是判断离心泵或风机是否满足管路使用要求的重要依据。或风机是否满足管路使用要求的重要依据。 轴功率曲线（轴功率曲线（Pqv）： 轴功率一般随流量的增大而增大，当流量为零时，功轴功率一般随流量的增大而增大，当流量为零时，功率最小，因此率最小，因此离心泵与风机应在出口阀关闭下启动离心泵与风机应在出口阀关闭下启动，以防，以防止电机过载。止电机过

21、载。 效率曲线（效率曲线（ qv）： 效率曲线有一效率曲线有一最高点，称为设计点最高点，称为设计点。因为离心泵与风。因为离心泵与风机在最高效率点工作时最经济，所以其所对应的流量、压机在最高效率点工作时最经济，所以其所对应的流量、压头（风压）、轴功率为头（风压）、轴功率为最佳工况参数最佳工况参数。2022-3-18 29 9-6 离心泵与风机性能的相似转换与比转数离心泵与风机性能的相似转换与比转数一、泵与风机的相似条件一、泵与风机的相似条件（一）几何相似（一）几何相似 两机的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角度相等。两机的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角度相等。（其一为（其一为模型机模型机，另

22、一为，另一为实型机实型机）（二）运动相似（二）运动相似 模型机和实型机各对应点的速度方向相等，大小成比例，模型机和实型机各对应点的速度方向相等，大小成比例，比值相等，即流体在各对应点的速度三角形相似。比值相等，即流体在各对应点的速度三角形相似。（三）动力相似（三）动力相似 模型和原型相对应点的各种力的方向相等，大小成比例，模型和原型相对应点的各种力的方向相等，大小成比例，比值相等。比值相等。（自然满足）（自然满足）同一系列大小不等的泵或风机都是相似的。同一系列大小不等的泵或风机都是相似的。2022-3-18 30二、泵与风机的相似定律二、泵与风机的相似定律相似工况点：相似工况点： 实型机性能曲

23、线上某点与模型机性能曲线上某点所对应实型机性能曲线上某点与模型机性能曲线上某点所对应的流体运动相似，该两点为相似工况点。的流体运动相似，该两点为相似工况点。相似工况点的参数间满足如下关系：相似工况点的参数间满足如下关系：mn3m2n2mvnvnnDDqq ,nnqqHH2mn2m2vn2vmn 3mn5m2vn2vmnmnnnqqPP 2mn2m2n2mnmnnnDDpp nm 注注 : 下标下标“m”模型机参数；模型机参数； 下标下标“n”实型机参数；实型机参数；转速变化，机器的性能曲线会发生变化。转速变化，机器的性能曲线会发生变化。2022-3-18 31例例1：某风机铭牌上参数为：某风机

24、铭牌上参数为：n0=1250r/min，p0 =79mmH2O，qv0 =8300m3/h，P=2kW， 0=91.4%。如。如风机改在风机改在n=1450r/min下运行，试求相应的流量、全压下运行，试求相应的流量、全压及轴功率。及轴功率。2mn2m2n2mnmnnnDDpp mn3m2n2mvnvnnDDqq 3mn5m2n2mnmnnnDDPP 解：由相似定律得解：由相似定律得: h/m9628125014508300nnqq300vv OmmH3 .106)12501450(79nnpp22200 kW12. 3)12501450(2)nn(PP3300 2022-3-18 32例例2

25、：某锅炉引风机铭牌上的参数为：某锅炉引风机铭牌上的参数为：p0 =162mmH2O、qv0 =20000m3/h 、 =60%。配用电机功率为配用电机功率为22kw，三角皮带传动，三角皮带传动，传动效率为传动效率为 t=98% ，今用此风机输送温度为，今用此风机输送温度为20C的清洁空气，的清洁空气，转速不变，求在这种情况下风机的性能参数，并校核配用电机转速不变，求在这种情况下风机的性能参数，并校核配用电机的功率能否满足要求。（实验条件：的功率能否满足要求。（实验条件：1个大气压，个大气压，200 C的空的空气）气）解：由相似定律得解：由相似定律得: qv=q v0 =20000m3/h 2m

26、n2m2n2mnmnnnDDPP mn3m2n2mvnvnnDDqq OmmH26116231. 777.11pp200 校核配用电机的功率：校核配用电机的功率：kW22kW27.2498. 06 . 0360026120000pqPtv 配用电机不能满足需要。配用电机不能满足需要。2022-3-18 33例例3：已知某模型机在直径：已知某模型机在直径D2m=160mm，转速，转速nm=2900r/min下的下的qvH曲线，曲线，试按相似律换算出同一系列相似泵当轮径试按相似律换算出同一系列相似泵当轮径D2=120mm，n=2600r/min情况情况下的下的qv-H曲线。曲线。解：解：1、在模型

27、机性能曲线上取工况点、在模型机性能曲线上取工况点A1 ，查出其参数：，查出其参数：34H,1205q1AAIv 2、根据相似定律：计算出实型机与、根据相似定律：计算出实型机与之对应的相似工况点的参数：之对应的相似工况点的参数：475nnDDqqm3m221Av2Av 48.15nnDDHH2m2m221A2A 3、在图上画出与、在图上画出与A1 点对应的相似工况点点对应的相似工况点A2 。 4、用同样的方法画出与模型机性能曲线上、用同样的方法画出与模型机性能曲线上B1、C1 、D1 .点对应的点对应的B2、C2、D2. 点。点。 5、将、将A2 、B2、C2、D2 点用光滑曲线连接。点用光滑曲

28、线连接。qv2022-3-18 34三、风机的无因次性能曲线三、风机的无因次性能曲线vq32vm3m2mvn3n2nvnDqnDqnDq p2222m2m2mm2n2n2nnnDpnDpnDp P3523m5m2mm3n5n2nnnDPnDPnDP mn3m2n2mvnvnnDDqq 2mn2m2n2mnmnnnDDpp 3mn5m2n2mnmnnnDDPP Ppqv 、对于不同的工况点对于不同的工况点 值不同。值不同。曲线曲线无因次性能曲线无因次性能曲线: vqp vqP 曲线曲线vq 曲线曲线 同一系列的机器无因次性能曲线相同。同一系列的机器无因次性能曲线相同。2022-3-18 35其中

29、：其中：pvqp曲线曲线vqP曲线曲线vq 曲线曲线 工程上用的无因次性能曲线工程上用的无因次性能曲线: vq32vnDq p222nDp P352nDP ( 所有物理量的单位均为国际单位所有物理量的单位均为国际单位 )或或流流量量系系数数；为为无无因因次次流流量量,4Duqq222vv nD04112.0qq32vv 或或压压力力系系数数；为为无无因因次次压压力力,upp22 2223nD1074. 2pp 或或功功率率系系数数。为为无无因因次次功功率率,u4DPP3222 3527nD10127. 1PP vqP2022-3-18 36四、泵与风机的比转数四、泵与风机的比转数 比转数比转数

30、包括流量、压头及转速等参数在内的综合性相包括流量、压头及转速等参数在内的综合性相似特征数。似特征数。1、泵的比转数、泵的比转数4/3vsHqn65. 3n （单位：（单位：n：rpm , qv：m3/s , H：m） 在同一系列泵中，确定一台为标准模型泵，该泵在最高在同一系列泵中，确定一台为标准模型泵，该泵在最高效率下，当扬程效率下，当扬程Hm=1m，流量，流量qv m=0.075m3/s时，该泵的转时，该泵的转速叫做该系列中其它泵的比转数。速叫做该系列中其它泵的比转数。（rpm）2022-3-18 372、风机的比转数、风机的比转数4/3vspqnn （单位：（单位：n：rpm , qv：m

31、3/s , p：mmH2O） 在同一系列风机中，确定一台为标准模型机，该机在最在同一系列风机中，确定一台为标准模型机，该机在最高效率下，压头高效率下，压头pm=1mmH2O，流量，流量qv m=1m3/s时，该风机时，该风机的转速叫做该系列中其它风机的比转数。的转速叫做该系列中其它风机的比转数。（rpm）2022-3-18 38家用中央空调系统家用中央空调系统2022-3-18 39空调系统原理图空调系统原理图2022-3-18 402022-3-18 41室内通风系统室内通风系统2022-3-18 42热水循环系统热水循环系统2022-3-18 43室内热水系统室内热水系统2022-3-18 442022-3-18 452022-3-18 46轴流泵轴流泵2022-3-18 47混流泵混流泵工作原理工作原理 当原动机带动叶轮旋转后，对液体的作用既有离心力又有轴向推力，是离心泵和轴流泵的综合。因此它是介于离心泵和轴流泵之间的一种泵。混流泵的比转速高于离心泵，低于轴流泵，一般在300-500之间。它的扬程比轴流泵高，但流量比轴流泵小，比离心泵大。 2022-3-18 48贯流泵贯流泵贯流泵是卧式轴流泵的一种。由电动机、减速装置和水泵组成一整体，装设在水下堤坝内部的机坑内，其进出水流道位于一条直线上，近似直圆筒形，水力损失少，提水效率高，且结构紧凑，安装、检修方便。