材料工程基础1.7常用流体输送设备

第一章、流体力学及流体输送设备§1.1、概述§1.2、流体静力学§1.3、流体动力学基础§1.4、流动流动的阻力和能量损失§1.5、管路计算基础§1.6、相似理论§1.7、流体输送设备（风机与泵）16:14:31121.7.1泵与风机的分类（了解）1.7.2泵与风机的工作原理与基本结构（理解）1.7.3离心式风机与泵的主要性能参数（掌握）1.7.4离心式泵与风机的基本方程（了解）1.7.5离心式泵与风机性能曲线（理解）1.7.6

泵与风机的相似分析（性能参数的换算）

1.7.7离心式泵与风机的工作点（掌握）1.7.8离心式风机的工况调节（掌握）1.7.9离心式风机与泵的选型（了解）1.7.常用流体输送设备（P87~112）3

按工作原理分类容积式（1）往复式：活塞泵、空气压缩机（2）回转式：齿轮泵、罗茨风机叶片式（1）离心式：离心泵、离心风机（2）混流式：泥浆泵（3）贯流式：双螺杆泵，转子泵其它类型1.7.1泵与风机的分类(了解)4

风机按出口压力分类低压通风机：全风压小于1.0KPa中压通风机：全风压在1.0～3.0KPa之间高压通风机：全风压大于3.0~15KPa鼓风机：全风压一般在15~290KPa压缩机：全风压在290～340KPa以上。

1.7.1泵与风机的分类低压离心风机9-19D高压离心通风机51、工作原理1.7.2离心风机与泵的工作原理及结构（理解）（1）离心泵6（2）离心式风机的工作原理俗称“软风”——风机的风量随着流体阻力的变化而变化7（3）罗茨风机的工作原理特点：（1）风压不受风机转速限制，无论转速如何变化其风压保持不变，俗称“硬风”。（2）罗茨风机出气压力比较高2、泵与风机的基本构造P88（了解）离心式泵与风机的基本部件是由叶轮和固定的机壳组成。叶轮由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。1-吸入口；2-叶轮前盘；3-叶片；4-后盘；5-机壳；6-出口；7-截流板(风舌)；8-支架返回91.7.3离心式泵与风机的主要性能参数(掌握)主要性能参数包括：（1）体积流量Q：单位时间通过泵或者风机的流体体积。（2）扬程H（针对泵）或者全压（针对风机而言）扬程：单位重量流体流体通过泵所获得的机械能全压：单位体积气体通过风机获得的机械能（3）有效功率N与轴功率（4）效率η：指有效功率与轴功率之比。η=Ne/N与风机类型、尺寸、加工精度、流量和性质等因素有关。（5）转速n：风机的叶轮每分钟的转数，r/min

风机的铭牌参数：指风机在设计转速下运行效率最高时的参数。10泵的扬程：返回风机的全压=静压+动压习惯上常用风压P表示气体能量的增值，P=H。（Pa）11功率返回有效功率Ne：单位时间内流体所获得的有效机械能121、流体运动的绝对速度与相对速度（了解）1.7.4离心式泵与风机的基本方程—欧拉方程相对速度w；圆周速度u；绝对速度v：wuv132、叶片的工作角α和安装角β（掌握）工作角α：v与u之间的夹角，表示流体流动的方向安装角β：叶片出口处的切向与圆周速度u反方向之间的夹角，称为出口安装角。表示叶片弯曲的方向1.7.4离心式泵与风机的基本方程—欧拉方程143、速度三角形：1.7.4离心式泵与风机的基本方程—欧拉方程速度三角形的确定：一般选择u、vr、

作为确定速度三角形的独立变量，而u=Dn/60

vr=Q/Db

所以速度三角形=f(D，b，

，n，Q)对于确定的一台泵与风机（D、b、

、n不变），则速度三角形=f(Q)速度三角形是研究流体在叶轮内能量转换及性能的基础。15（1）理想叶轮的假定（了解）假定流体通过叶轮流动是恒定的假定叶轮具有无限多的叶片,且叶片厚度无限薄假定流体为理想不可压流体4、离心式泵与风机的基本方程—欧拉方程的建立16动量矩守恒定理：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外力对该轴的力矩。叶轮内流体质点的动量矩变化率为（2）欧拉方程的建立（了解）理论轴功率欧拉方程（1-200c）作用在流体上的外力矩也就是流体作用在转轴上的阻力矩，则原动机加在转轴上的动力矩为17（3）欧拉方程（1754年）（了解）下标标示1---叶片进口处的参数2---叶片出口处的参数T---假设为理想情形(理想流体、无泄漏)时的参数---假设叶轮具有无限多叶片时的参数（1-201）18（4）欧拉方程的分析（理解）1）扬程与输送流体的种类无关2）扬程仅与流体进出口速度三角形有关与中间流动过程无关3）一般1设计为90º，则欧拉方程为：所以用出口安装角度定义叶片型式即此时扬程只与出口速度三角形有关19（5）叶片的形式（掌握）<90º称为后向式叶片：扬程较小，多用于大功率的风机=90º称为径向式叶片；压力能等于机械能增量。制造简单>90º称为前向式叶片：扬程较大，多用于小型风机或要求压力高的风机返回201.7.5、离心式泵与风机的性能曲线（掌握）对实际叶轮，与理想叶轮的假定存在较大的差异，因此，其性能也存在较大的差异1、离心式泵与风机的机械能损失分析（掌握）机械损失、容积损失、水力损失和泵与风机的全效率2、离心式泵与风机的性能曲线（掌握）离心泵与风机的压头p、轴功率N及效率均随流量而变，它们之间的关系可用离心风机工作性能曲线表示。因此通常性能曲线有以下三种：H--Q

、N--Q、--Q21机械损失与机械效率机械损失：机械摩擦引起。包括：（1）轴封轴承摩擦损失功率=（1%---5%）N（2）圆盘损失：叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发生的所谓圆盘摩擦损失圆盘损失功率=Kn3D25机械效率m=(N-Nm)/NN—轴功率；K—实验系数Nm——机械损失的全部功率轴封后盘前盘返回22容积损失与容积效率容积损失：流体从高压区通过缝隙泄露到低压区损失的能量。与密封状况，扬程有关。效率v=Q/(Q+q)=Q/QTq—泄漏量（回流量）Q—实际流量轴封轴封高压区低压区返回23水力损失与水力效率水力损失=摩擦损失+局部损失+撞击损失撞击损失：当泵与风机实际运行流量与设计额定流量不同时，相对速度的方向不再与叶片安装角的切线已知，从而产生撞击损失。

hl=k1Q2+k2Q2+k3(Q-Qd)2效率h=H/HT一般水力损失是影响泵与风机的主要因素，是所有损失中最大的一项水力损失存在最低点，效率存在最高点24（4）泵与风机的全效率泵与风机的效率=Ne/N=mvhNe——有效功率N——轴功率正常运转下泵效率:0.6—0.9风机效率:0.5—0.9效率高低与设计、制造、选型安装、运行操作等有关，所以，在所有这些环节中均应根据各种损失的特性，尽量减少各种损失以提高泵与风机的实际效率。返回252、泵与风机的实际性能曲线（1）画法（了解）：阻力损失：ΔＨ＝SHQ2撞击损失

ΔＨ＝f(Q-Qd)2容积损失：Q=QT-q功率：Ｎ＝γＱＨ效率26QH陡降型驼峰型平坦型（2）实际性能曲线形状特征（了解）Q－H曲线最为重要大致分为下列三种：平坦型：流量变化大时，能保持基本恒定的扬程陡降型：流量变化时，扬程变化也大驼峰型：随着流量的增加，扬程增加增加到最大值后，开始下降。27（3）离心风机的性能曲线（掌握）风机的性能曲线除P-Q、N-Q、η-Q三条曲线外，Q-Pst和

Q-η

st

离心风机性能曲线的特点有哪些？（1）流量越大，全压（静压）越小；（2）启动风机时应关闭出口阀门；（3）风机有一最高效率点，故风机在最高效率点对应的流量及压头下运行是最经济的。返回281.7.6泵与风机的相似分析1相似分析的必要性与意义（了解）2.相似性质---相似律（P96~98）（掌握）3.

由相似准数引出的几个风机特征数（了解）4.离心式风机性能参数的换算（掌握）5.比转数（掌握）29由于生产厂家所提供的性能曲线是在一定条件下（通风机：1atm，20℃，相对湿度为50%）试验测定的，当气体性质（温度、压强）、风机的结构尺寸、风机的转速等任何参数发生变化时，其性能参数和性能曲线都会发生变化。此时需要对风机的性能参数或性能曲线进行换算。根据原有条件下的性能曲线进行换算，则是必须解决的问题。1相似分析的必要性与意义（了解）返回302.相似性质---相似律（P96~97）

（1）流量关系（2）压头关系（3）功率关系（1-209）（1-210）（1-211）（1-212）

相似率的准数形式：将上四式中同一泵或风机的参数合并在一起，可得相似率的准数形式——风机特征数返回31流量相似关系证明（了解）泵或风机的流量为Q=ηvQT=ηvεπD2b2vr2，式中ηv—容积效率，%ε—排挤系数:指实际的有效过流断面面积与无叶片厚度的过流断面面积之比；b—叶片宽原型机与模型机在相似工况的流量比为如两机尺寸相差不太悬殊，认为其容积效率及排挤系数近似相等，即vp≈vm，p≈m。由于两机几何相似，有——（1）32流量相似关系证明（了解）在相似工况下，有——（3）——（2）33压头相似关系证明（了解）由欧拉方程和水力效率的关系得：H=hHT=h

Ku2vu2/g式中H为水力效率，K为涡流系数近似认为ηHn≈η

Hm，涡流系数Kn≈Km。则原型机与模型机在相似工况下的压头比为风压p=H，为流体的重度，将上式改换为风压，则34功率相似关系证明（了解）泵与风机的轴功率为N=Ne/=HQ/。如近似认为两机效率相等，即n≈m，则两机在相似工况下的轴功率之比为（1）流量系数流量系数转换为结论：工况相似的风机其流量系数相等流量系数大的工况通过风机的流量亦大—为流量系数3.由相似律引出的几个风机特征数（理解）（2）压力系数压力系数转换为结论：（1）工况相似的风机其压力系数相等（2）在叶轮圆周速度相同时，压力系数大的风机，流体所获得的机械能量大（3）压力系数是编制风机型号的重要参数—压力系数无因次扬程（3）功率系数功率系数转换为功率系数性质：（1）工况相似的风机其功率系数相等（2）在叶轮圆周速度相同时，功率系数大的风机，其流体所获得的机械功率大

—为功率系数394.离心式风机性能参数的换算（掌握）（1）转速改变时性能参数的换算离心泵与风机比例定律适用条件：离心风机的转速变化不大于±20％。叶轮直径一定条件下，当气体的粘度不大，效率变化不明显时具有以下关系：40n(r/min)2004001000Q(m3/s)6例题：某风机在不同转数下产生的风量如表：结论：转数与流量之间是线性关系，且风量增加一倍时，转数也增加一倍。1230例题：当转数从100增加到1005001000总压（mmH2O）5总压应乘以12510012550041(2)叶轮直径改变时，泵与风机性能参数的变化同一系列的泵或风机，当转速和流体的密度不变，仅叶轮直径不同时，性能参数随之变化。离心泵与风机切割定律适用条件：固定转速下，叶轮直径的车削不大于20％D2。叶轮直径分别为D2'和D2时风机的性能转换关系42(3)流体密度改变，泵与风机性能参数的变化同一台风机，当输送流体的密度改变时：

规定：离心风机的标准工作条件：Pa0=101.3kPa，空气t0=20℃对于锅炉引风机，标准条件为Pa0=101.3kPa，t0=200℃。返回ρ0：标准条件下流体的密度。ρ：被输送流体的密度

Pa：当地大气压，KPa

t0：标准条件下流体的温度t：被输送流体的温度435、比转数（掌握）为方便分析，取效率最高点的无因次转速为泵与风机的比转数风机：

5.54是换算系数p：输送20℃空气时的风压（1）概念：根据无因次流量和杨程泵：44对同一类（几何相似）泵或风机，其比转数是唯一的比转数反映了泵与风机的几何形状特征，见P101表比转数越大，叶轮厚而小。比转数小者，流量小，压头大，叶轮扁而大比转数可反映泵与风机的性能特征比转数大者，流量大，压头小；比转数小者，流量小，压头大；可用比转数的数值对风机进行分类（编制型号用）、决定泵与风机的类型（选型时用）、进行泵与风机的相似设计（设计时用）

返回（2）比转数实用意义（掌握）451.7.7

离心式泵与风机的工作点1.管路特性曲线2.单机工作时工况点的确定3.

风机串并联联合工作工况点的确定4.离心式风机组合方式的选择461.管路特性曲线扬程H或者全压P与管路流量Q的关系称为管路特性曲线。

H=(p2-p1)/+Hz+hl=Hst+SQ2或：p=(p2-p1)+Hz+pl

返回管路特性方程式p—管路需要提供的总压头；Δp——管路两端的压差HQ2单机工作时泵与风机工作点的确定工作点确定方法将管路曲线与泵或风机的性能曲线同绘在一个坐标系下，两条曲线的交点即为泵或风机的工作点HQHQQmHm管路性能曲线m返回47483.风机串并联联合工作点的确定及工况分析当单台风机不能满足输送任务要求时，可采用离心风机的并联或串联操作。多机联合工作点的确定多机联合性能曲线确定依据：并联Q=Q1+Q2H=H2=H1目的:增加流量串联Q=Q1=Q2H=H1+H2

目的:增加压头联合性能曲线与管路性能曲线的交点-联合工作点各机实际工作点的确定49（1）同型号的两台风机并联工况点的确定结论：流量:QA>QB,QA>QC;QA=2QB;但是

QA≠2QC;

压头：HA>HCA:联合工作点B:并联后单台风机的工作点C:并联前单台风机的工作点目的：增加流量50（2）不同型号的风机并联工作点如何确定？HB=HC=HAQA=QB+QCD、E——并联前每台风机各自的工况点B、C——并联后两台风机各自的工作点A——联合工作点结论：

流量：QA＜QD+QE压头：HA＞HD；HA＞HE51目的:增加压头C是串联之前每台风机的工作点A是串联后的工作点B是串联之后每台风机的工作点

QA=QBHA=2HB。

QA>QC，HA>HC>HBHA≠2HC

（3）型号相同的风机串联的工作点确定性能相同的风机串联52HQQAHAAh2h1F1F2（4）两台型号不同的风机串联的工作点确定特征：流量:QA=q1=q2;QA>Q1,QA>Q2;压头:HA=h1+h2；HA>H1，HA>H2；HA<H1+H2H1H253HQQAHAAq2q1Q1Q2H1H2并联：对于管路性能曲线较平坦，采用并联组合方式可以获得比串联组合要高的流量和压头。一般在下列情形采用：（1）用户需要流量太大，对大流量泵与风机制造困难；（2）避免一台泵或风机的事故影响主机主炉停运；（3）用户所需流量变化范围太大，为满足每台泵或风机在高效率下运行，采用多台风机并联，通过增减台数的运行调节流量。21返回（5）串并联风机的适用情况：54串联：适用于管路性能曲线较陡的情形。一般在下列情形采用（1）用户要求的扬程或压力太高，设计制造高压泵或风机较困难（2）在改扩建时管道阻力加大，要求提高扬程以输出较多的流量返回HQQAHAAh2h1H1H2551.7.8离心式泵与风机的工况调节1、工况调节原因

随着外界的需求的变化，管路的工作流量随时需要进行相应的变化，这就需要对泵与风机的运行工况进行调节。2、工况调节方法（1）改变管路性能曲线的方法——节流法：（2）改变风机性能曲线的方法变速调节、入口导流器调节、切割和加长叶片调节56（1）改变管路性能曲线有两种：出口调节阀门HQQ1H1Q2H=H0+S1Q2H=H0+S2Q2h1h2入口调节阀门优点：简单、操作方便，流量可连续变化，应用广泛。

缺点：会引起附加的出口节流损失h1或入口节流损失h2，且(h1>h2)，效率降低，不经济。注意：泵采用出口调节阀门风机采用入口调节阀门

阀门开度的变化引起管路阻抗变化，泵与风机的性能曲线不变。使管路性能曲线发生变化，风机的性能曲线也产生相应的变化泵采用入口节流易产生汽蚀现象57变速调节工况：原理：根据比例定律，改变风机的转速，其性能曲线发生变化，但管路性能曲线不变，其交点即工作点；达到了调节流量(同时改变压头)的目的。优点：经济性好；不产生附加的节流损失；在一定范围内能保持风机在高效区工作，能量利用较合适。缺点：改变风机的转速需配置变速装置。变速方法：电机无级变频调速，价格贵。58入口导流器调节调节原理：在泵与风机的入口处装导流器，使流体在进入叶轮之前产生预旋，改变泵与风机的性能曲线，离心式通风机常采用进口导流器进行调节。由欧拉方程式得知p=(u2vu2-u1vu1)。当气流产生预旋，使分速vu1加大，

从而风压降低。调节特点：装置简单、操作方便，但会引起撞击损失的增加，经济性不如变速调节好，但比节流调节好。使用状况：离心式风机所普遍采用的一种调节方法HQQ1H1Q259

切削和加长叶轮调节工况调节原理:根据切割定律，改变泵与风机的叶轮直径，使泵与风机的性能曲线产生改变

调节特点：在不增加调节损失的条件下可一次性调节泵与风机的容量，以便提高运行条件下经济性。

使用状况：当所用泵与风机的容量与实际所需容量相差较大时，宜采用此方法HQQ1H1Q260

3.泵与风机的启动、运行维护方法及事故分析泵与风机的启动

离心风机应关阀启动

轴流式泵与风机应开阀启动风机运行维护：监视电流表;随时检查风机轴承的润滑油;冷却水是否通畅，轴瓦温度;轴承振动是否正常以及有无擦碰的声音。轴流式风机的性能曲线61风机常见性能故障及原因：（1）压力过高，流量偏少：原因：气体温度过低使气体重度增大；管道堵塞；叶轮入口间隙过大等。（2）压力偏低，排出流量偏大：原因：气体温度过高；出气管道破裂（3）调节失灵：原因：风压表失灵；风门失灵；返回621.离心风机型号编制方法命名：用途名称、型号、设计序号、机号、传动方式、旋转方向、出风口位置7部分构成，7部分之间用空格分隔（或不分隔）（1）用途名称：T或无—通用通风机；G-锅炉送风机；Y-锅炉引风机；C-排尘通风机；W-