离心泵与风机的基本理论

第二章：离心泵与风机的基本理论第一节：离心泵与风机的工作原理1.离心泵结构简介：

高速旋转的叶轮和固定的泵壳，叶轮上装有若干叶片，叶轮将输入的轴功提供给液体。1－叶轮2－泵壳3－泵轴4－吸入管路5－底阀6－压出管路离心式水泵叶轮轴6~12片叶片机壳等。蜗牛形通道；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动能转化为静压能。叶轮机壳底阀(防止“气缚”)滤网(阻拦固体杂质)离心泵结构简介2.离心泵工作原理

液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外缘运动，速度增加、机械能提高。液体离开叶轮进入蜗壳，叶轮内形成真空，蜗壳流道逐渐扩大、流体速度减慢，液体动能转换为静压能，压强不断升高，最后沿切向流出蜗壳通过排出导管输入管路系统。原动机：轴＋叶轮旋转中心动能高速离开叶轮外围静压能叶片间液体:—液体被做功蜗壳离心力

如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。3.气缚现象课堂讨论：如何克服离心泵启动前的气缚现象？答案：泵内灌满液体水的密度是空气密度的700多倍4.进出口理论离心压力差在叶轮流道内任意半径r处，取一宽为b，厚为dr的流体微团。见教材P9图2－3叶轮以旋转时产生的离心力为离心力dF作用在面积dA上叶轮出口与进口处的压力差？第二节：流体在叶轮中的运动——速度三角形绝对运动＝牵连运动＋相对运动数学表达式：牵连运动——叶轮带着流体一起旋转运动。相对运动——流体沿叶轮流道的运动。绝对运动——叶轮中的流体相对于地面的运动。下角标“1”表示叶轮叶片进口处。下角标“2”表示叶轮叶片出口处。绝对速度在圆周方向上的分量，称为圆周分速；绝对速度在轴面上的投影，称为轴面速度。绝对速度与圆周速度的夹角用表示；相对速度与圆周速度反方向的夹角用表示。叶轮叶片进出口处的圆周分速：叶轮叶片进出口处的轴面速度：速度三角形（教材P11）1.圆周速度叶轮内任意点的圆周速度方向与所在点的圆周相切，其值由下式计算：——叶轮轴的转速，r/min——所求点的直径，m2.轴面速度P11根据连续性方程，轴面速度为：——流体经过叶轮的流量，它等于泵或风机实际输送的流量加上流体在泵或风机中的泄漏量，m3/s；——与轴面速度垂直的过流断面面积，m2。过流断面：是一个回转曲面，与所有在此曲面上的流体轴面速度相垂直。过流断面按照下式计算：——任意点处的直径（进出口直径）——叶片的宽度考虑叶片厚度时，则过流断面为：——叶片数——叶片在圆周方向上的厚度称为排挤系数：叶片厚度对过流断面的排挤程度。3.绘制进出口速度三角形（1）叶轮进口速度三角形圆周分速与叶轮前吸入室的形状、大小有关。对于直锥形管吸入室有即绝对速度垂直于圆周速度，流体径向进入叶轮，根据绝对速度和相对速度的方向、圆周速度的大小、方向，便可作出叶轮进口速度三角形叶片进口安装角的方向（2）叶轮出口速度三角形叶片出口处的相对速度的方向，由于受到叶片的约束而与叶片相切，亦即叶片出口处的相对速度的方向为叶片出口安装角的方向。根据圆周速度、轴面速度的大小和方向及相对速度的方向，便可作出叶轮出口速度三角形。（3）变工况时的速度三角形的变化变流量（叶片出口速度三角形）泵与风机工作时，工况如发生变化，可以用速度三角形来表达叶轮中流体速度变化的情况相对速度方向不变花点时间做做教材P12【例题2－1】1）弄清进出口宽度的变化2）理解进出口直径的大小3）理解进出口安装角大小4）理解叶轮中的流量5）熟练画进出口处的速度三角形第三节：离心泵与风机的基本方程式流体在泵或风机中到底得到多少能量？——离心泵与风机的基本方程（欧拉方程）假设：（1）泵与风机内流动的流体为无粘性流体。（可不计粘性能量损失）（2）叶轮上叶片厚度无限薄，叶片数无穷多，所以流道的宽度无限小，那么流体完全沿着叶片的弯曲形状流动。注意：凡下角标有者，均表示叶片数为无穷多叶轮的参数动量矩方程：在定常流动中，单位时间内流体动量矩的变化，等于作用在流体上的外力矩。（类似于动量定律）以叶轮进口及叶轮出口为控制面，则在单位时间内叶轮叶片进口处流入的流体动量矩为：单位时间内叶轮叶片出口处流出的流体动量矩为：则作用在流体上的外力矩M为：mv=Ft推导基本方程式图－见教材P14倘若叶轮的旋转角速度为则有：表示叶轮旋转时传递给流体的功率对于无粘性流体运动时，叶轮传递给流体的功率，应该等于流体在叶轮中所获得的功率，即：表示为单位重量无粘性的流体，通过叶片数为无穷多的工作轮时所获得的能量，称为无粘性流体、叶片数无穷多时泵的扬程。于是：同理可得离心风机的全压：对上述式子进行分析：（1）泵的扬程单位为m。的大小与流体密度无关，只是与转速n，叶轮直径D1、D2，叶片进出口安装角，流量等因素有关。而风机的全压的单位为Pa，它与流体密度有关。（2）流体通过叶轮后，动能与压力能均有提高。由进出口速度三角形得：请见教材P14三角形的余弦定律第一项即为扬程中的动能增量，称为动扬程第二、三项之和为压力能的增量，称为势扬程。风机：（3）若流体径向进入叶轮，则有于是课后练习：离心泵叶轮进口宽度b1=58mm，出口宽度b2=42.5mm，叶轮叶片进口直径D1=153mm，出口直径D2=270mm,叶片进口安装角为26.5o，出口安装角为21.5o，如果液体径向流入叶轮，泵转速为1460r/min，液体在流道中的流动与叶片弯曲方向一致。绘制叶轮进、出口速度三角形，并求叶轮中通过的流量（不计叶片厚度）和理论扬程。请抄下来，课后自己练习！！！解：（1）绘制叶轮进、出口速度三角形。首先确定各速度三角形的三个独立条件：

进口处：出口处：因叶轮径向流入叶轮，则根据进口圆周速度及叶片进口安装角，作叶片进口速度三角形。则流经叶轮的流量：出口速度三角形中的轴面速度为：根据圆周速度、轴面速度的大小和方向及相对速度的方向，便可作出叶轮出口速度三角形。泵的理论扬程:预旋流体在进入叶轮之前的吸入管中存在一个旋转运动，这个预先的旋转运动称为预旋（先期旋绕）正预旋：当流体进入叶轮前的绝对速度与圆周速度的夹角是锐角，则绝对速度的圆周分速与圆周速度同向，此时的预旋为正预旋。负预旋：当流体进入叶轮前的绝对速度与圆周速度的夹角是钝角，则绝对速度的圆周分速与圆周速度反向，此时的预旋为负预旋。（1）流量变化引起（设计工况流量）（2）叶轮前盖板入口处逆流（某一临界流量）（3）阻力最小路线原因预旋的存在会使泵的扬程略有下降，但适当设计的预旋，可以提高泵与风机的效率。第四节：离心泵与风机的基本方程式的修正1.叶片数有限时对基本方程式的修正P18叶片数有限时，叶片有厚度，数量也有限，工作面与非工作面上流体速度有区别，于是流道内会产生轴向漩涡，轴向漩涡的存在导致叶轮出口处流体的相对速度偏离了叶片的切线方向，使得流体流出角度小于出口处的安装角叶轮流道内复杂的公式推导请自己看书，教材P17－P19结果：绝对速度减小，圆周分速减小，相对速度产生滑移，造成流体出口的旋转不足，致使扬程下降（1）斯托道拉（Stodola）公式修正斯托道拉公式对于清水离心泵扬程的修正，误差并不大。但对输送含有悬浮物流体的泵，叶轮的叶片数一般较少，或者流道很短，该公式的误差就越大，不宜应用。离心泵的修正:(P17)教材P21（2）普夫列德尔（Pfleiderer）公式修正—修正系数—滑移系数—经验系数—请见教材P21的规定—叶片轴面投影图中线对旋转轴的静矩（3）斯基克钦（Stechkin）公式修正离心风机的修正见教材P222.粘性流体对基本方程式的修正泵：风机：—流动效率（第四章时介绍）一般流体几乎都是粘性流体，粘性流体在运转的泵与风机中流动时，有沿程阻力、局部阻力及冲击阻力损失消耗泵与风机的功率，使泵与风机的扬程或全压下降。3.风机内气体压缩性的修正不可压缩气体可压缩气体理想实际—不考虑气体压缩时风机的全压—风机进口气体的绝对全压（大气压）—等熵指数，空气为1.4教材P21压缩修正系数之间有何区别？它们之间的相对大小如何？之间有何区别？它们之间的相对大小如何？课堂思考练习题：花点时间做做教材P22【例题2－3】第五节：离心泵与风机的实际扬程、全压计算

泵的扬程计算是选择泵的重要依据，这是由管网系统的安装和操作条件决定的。计算前应首先绘制流程草图，平、立面布置图，计算出管线的长度、管径及管件型式和数量。一、流体流动时所需要的能量（1）提高单位重量液体的位能Hp=D+S（2）提高单位重量液体的压力能（3）克服流体流动时的阻力损失为沿程阻力损失；为局部阻力损失于是，液体由容器A流向容器B时，单位重量的液体所需要的能量为这些能量由泵提供，故选择泵时所需要的扬程为对于风机，因为气体的重量比液体轻得多，故可忽略其位能，于是风机全压为课堂例题：把温度50℃的水提高到30m的地方,问选择泵时，至少应保证泵的扬程H是多少?设吸水池水面的表压力为4.905×104Pa，全部流动损失水头为5m，水的密度=988.4kg/m3。解：分析题意知，泵的扬程均用表压管网局部阻力计算二、运转中泵与风机所提供的扬程、全压如何计算运转中泵与风机所提供的扬程或全压呢？（1）泵与风机的铭牌上都标有？（2）主要用在泵与风机性能鉴定！为了计算运转中泵提供的扬程，需要在泵进口及出口处装设测量仪表，如右图；泵吸入口处为真空装有真空表，泵出口处装设压力表。单位重量的液体在泵进口（真空表所在）截面处的能量E1为单位重量的液体在泵出口（压力表所在）截面处的能量E2为则泵在运转时，供给液体的能量H为若压力表的读数为PB，真空表的读数为Pm，则式应表达为：课堂例题：设一水泵流量=1.025m3/s，排水管表压=3.2MPa，吸水管真空表压力=39.2kPa，排水管表压比吸水管真空表压力位置高0.5m，吸水管和排水管直径分别为l00cm和60cm，求泵的扬程？解：（1）泵的扬程，分析题意知：第六节：离心泵与风机的叶片型式

叶片式泵与风机的能量传递，主要依靠旋转叶轮对流体做功，而叶轮对流体做功的效果，还要看叶轮中叶片的型式。离心式泵与风机的叶片形状、弯曲形式对泵与风机的扬程、全压、流量和效率有很大影响。一是叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反，特点：叶片出口的几何角小于90°，称为后弯式叶片；二是叶片弯曲方向沿叶轮的径向展开，特点：叶片出口的几何角等于90°，称为径向式叶片；三是叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同，特点：叶片出口的几何角大于90°，称为前弯式叶片；哪种类型的好？（1）从扬程的角度进行比较为简化问题，假设进口为直锥形进口三种叶片的出口速度三角形1.后弯式随着后弯式叶片的不断减少，亦不断下降。若减少到使时，，相应的此时的为最小值。2.径向式径向式叶片产生的扬程要比后弯式的大！3.前弯式前弯式叶片产生的扬程要比径向式的大！泵与风机所输出的扬程（全压），随着叶片出口安装角的增加而增大。后弯式叶片产生的扬程最小，径向式较大，而前弯式最大。能否就此作结论？（2）从反作用度的角度进行比较第一项即为扬程中的动能增量，称为动扬程第二、三项之和为压力能的增量，称为势扬程。风机：反作用度的定义（P31）势扬程在总扬程中所占的比例称为反作用度，记为见教材P29式2－82当后弯式同理，径向式前弯式综上所述，随着叶片出口几何角的增大，扬程亦随之增加。与此同时，反作用度逐渐降低。扬程中的势扬程不断下降而动扬程却不断增加。总体来说，对于离心泵，至今都采用后弯式叶片，原因如下：1.后弯式叶片流动效率高流动损失与动能成正比2.后弯式叶片流道效率高径向和前弯流道较短，弯曲度较大，能量损失也大3.后弯式叶片性能稳定平坦型－最佳扬程12％（后弯）陡降型－最佳扬程40％（径向）驼峰型－最佳扬程最大值（前弯）见教材P30风机要视具体情况而定！第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理4）漏泄的影响内漏：排气阀（回漏）；外漏：吸气阀、活塞环、气缸垫。漏泄损失用气密系数λl来衡量（0.90-0.98）。保证措施：气阀的严密闭合，气缸与活塞、气缸与缸盖等部件的严密配合。5）气体流动惯性的影响当吸气管中的气流惯性方向与活塞吸气行程相反时，造成气缸压力较低，气体比容增大，吸气量下降。保证措施：合理的设计进气管长度，不得随意增减进气管的长度，保证滤器的清洁。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理上述五条原因使实际与理论循环不同。4）漏泄的影响5）气体流动惯性的影响1）余隙容积Vc的影响2）进排气阀及流道阻力的影响3）吸气预热的影响2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3.排气量和输气系数理论排气量Vt----单位时间内活塞所扫过的气缸容积。实际排气量Q：