泵与风机的分类和特点

泵与风机的分类和特点(一)按流体排出压力的高低风机可分为1.通风机：<15kPa。2.鼓风机：15～340kPa

。3.压缩机：>340kPa

。泵可分为：1.低压泵：<2MPa。2.中压泵：2～6MPa

。3.高压泵：>6MPa

。1（二）按作用原理分2风机1.叶片式（动力式）3离心式(小流量，高扬程)

轴流式

(大流量，低扬程)混流式(中流量，中扬程)风机4入口静叶动叶出口静叶入口静叶调节机构轴流式静叶可调引风机2、容积式5

柱塞泵

（往复泵）工作原理（活塞式）：活塞向左移动→泵缸容积↑→泵体压力↓，排出阀门关阀，吸入杆打开，液体吸入；活塞向右移动→泵缸容积↓→泵体压力↑→排出阀门打开，吸入杆关闭，液体排出。特点：单动泵由于吸入阀和排出阀均在活塞一侧，吸液时不能排液，排液时不能吸液，所以泵排液不连续，不均匀。优点是流量小，压力高。齿轮泵（回转式）工作原理与往复泵相似。

在泵吸入口，由于两齿轮分开，空间增大形成低压区而将液体吸入。

被吸入液体在齿轮和泵体之间被分成两路由齿轮推着前进。

在压出口，由于两齿轮互相合拢，空间缩小形成而将液体压出泵。6特点：输送粘性较大的液体工作原理：与齿轮泵相似。结构：由机壳和腰形转子组成。两转子之间、转子与机壳之间间隙很小，无过多泄漏。改变两转子的旋转方向，则吸入与排出口互换。特点：风量与转速成正比而与出口压强无关，故出口阀不可完全关闭，流量用旁路调节。应安装稳压气罐和安全阀。罗茨鼓风机的出口压强一般不超过80kPa（表压）。出口压强过高，泄漏量增加，效率降低。7罗茨式泵与风机螺杆式泵与风机8结构原理：由缸套，主,动螺杆组成，泵内形成多个彼此分隔的容腔。转动时，下部容腔V增大，吸入液体，然后封闭。封闭容腔沿轴向上升，新的吸入容腔又在吸入端形成。一个接一个的封闭容腔上移，液体就不断被挤出。特点：流量和压力均匀，故工作平稳，噪声和振动较少。吸入性能好（单螺杆泵吸上真空高度可达8.5m水柱）流量范围大9正位移特性（容积泵、正位移泵）

a）流量与管路特性无关

b）压头与流量无关，取决于管路需要理论上，往复泵压头可按系统需要无限增大。实际上，受泵体强度及泵原动机限制。式中：有自吸能力，不需灌泵；旁路调节，不能封闭启动qVHqVqVT

往复泵特性曲线3、其他形式靠高压工作流体经喷嘴后产生的高速射流来引射被吸流体，与之进行动量交换，以使被引射流体的能量增加，从而实现吸排作用。常用的工作流体有水、水蒸气、空气。被引射流体则可以是气体、液体或有流动性的固、液混合物。10(1)效率低。(2)结构简单，体积小，价格低。(3)无运动部件，工作可靠，使用寿命长。只有当喷嘴因口径长期使用后，过分磨损导致性能降低，才需更换。(4)吸入性能好，而且抽送液体时的允许吸上真空度也很高。(5)可输送含固体杂质的污浊液体，即使被水浸没也能工作。

CP型系列喷射泵喷射泵水环式真空泵叶轮偏心安装，旋转时，液体受到离心力作用，在泵体内壁形成一个旋转的液环，叶轮端面与分配器之间被液体密闭，叶轮在前半转（此时经过吸气孔）旋转过程中密封的空腔容积逐渐扩大，气体由吸气孔吸入；后半转（此时经过排气孔）程中密封容积逐渐缩小，气体从排气孔排出，完成一个抽气过程。为了保持恒定的水环，在运行过程中必须连续向泵内供水。综上所述，水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。1112利用离心力的作用增加水体压力并使之流动的一种泵。动力机带动转轴，转轴带动叶轮在泵壳内高速旋转，泵内水体被迫随叶轮转动而产生离心力。离心力迫使液体自叶轮周边抛出，汇成高速高压水流经泵壳排出泵外，叶轮中心处形成低压，从而吸入新的水流，构成不断的水流输送作用。另外，泵壳内的液体部分动能还转变成静压能。第二章叶片式泵与风机的基本理论12（一）基本工作过程13离心泵工作过程13开泵前，泵内灌满要输送的液体。开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，高速流入泵壳。在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压从出口流入排出管。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强与泵内压力的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。灌泵、甩出、真空、吸入14气缚现象离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。离心泵无自吸能力，为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀,同时在泵体水平最高点还应设置放气口。离心泵与喷射泵组合，依靠喷射装置,在喷嘴处造成真空实现抽吸。容积式泵都具有自吸能力。14流体在封闭的叶轮中所获得的能（静压能）：15效率η:流体得到的能量与输入功率的比例转速n:转速高，流量大，扬程高，级数和轴长可以减小功率P：原动机传递给泵与风机轴上的功率扬程H/全压p：单位重量的液体/单位体积的气体获得的能量流量qv（qm）：单位时间内输送的流体量汽蚀余量Δhr:单位重量液体从泵吸入口至叶轮进口压力最低处的压力降体积流量一定要在一定热力条件下定义才有意义。基本性能参数16功率和效率

原动机传动装置泵与风机原动机配套功率：Pgr=KPg，K为容量安全系数（额定条件下）。效率：

传动效率：

tm有效功率：（kW）

轴功率：传到泵与风机轴上的功率

（kW）

原动机输出功率：（kW）（二）泵与风机的基本方程：Euler方程17Mω表示叶轮旋转时传递给流体的功率，应该等于流体获得的功率ρgqVTHT∞。P=

qVT(u2

2u

-u1

1u

)则单位重力流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头HT

为：（m）按照动量矩定理，动量矩的变化率应等于所有外力对转轴的力矩M18能量方程分析(1)单位重量和单位体积的理想流体流过无限多叶片叶轮时所获得的能量仅与流体在叶片进口及出口处的运动速度有关，而与在流道中的流动过程和流体性质无关。如果泵与风机的叶轮尺寸相同,转速相同,流量相等时，则流体所获得的理论能头相等，即泵所产生的液柱与风机产生的气柱高度相等。而全风压与流体密度有关。因此，不同密度的流体所产生的压力是不同的。(2)当α1＝90°时，则v1u＝0，流体径向流入叶轮时，获得最大的理论扬程。 HT∞=u2v2u/g

(3)增加转速n，叶轮外径D2和绝对速度在圆周的分量V2u，均可提高理论能头HT∞，但加大D2会使损失增加，降低泵的效率。提高转速则受材料强度及汽蚀的限制。比较之下，用提高转速来提高理论能头，仍是当前普遍采用的主要方法。18（三）理论扬程的组成19Hp（静压头）Hc(动压头)离心力的作用下叶轮旋转所增加的静压头叶片间通道面积逐渐加大使液体的相对速度减少所增加的静压头液体流经叶轮后所增加的动压头（在蜗壳中其中一部分将转变为静压能）Hp用于克服装置中的流阻、液位差和反压。要求Hp大于这三者之和。Hc表现为液流绝对速度增加。要求Hc不宜过大，因Hc大流阻大。由叶轮叶片进、出口速度三角形可知：20（四）损失与效率20容积损失：由于泵的泄漏、液体的倒流等所造成，使得部分获得能量的高压液体返回去被重新作功而使排出量减少浪费的能量。容积损失用容积效率ηv表示。机械损失：由于泵轴与轴承间、泵轴与填料间、叶轮盖板外表面与液体间的摩擦等机械原因引起的能量损失。机械损失用机械效率ηm表示。流动损失:由于液体具有粘性，在泵壳内流动时与叶轮、泵壳产生碰撞、导致旋涡等引起的摩擦阻力、局部阻力和冲击能量损失。水力损失用水力效率ηh表示。

Pm机械损失功率

PV容积损失功率

Ph流动损失功率PhqVTHTP

qVHTPeqVHPsh泵或风机内部的能量平衡图211.机械损失和机械效率圆盘摩擦损失

Pm2∝n3D25，是因为叶轮在壳体内的流体中旋转，叶轮两侧的流体，由于受离心力的作用，形成回流运动，此时流体和21机械损失主要包括轴端密封与轴承的摩擦损失及叶轮前后盖板外表面与流体之间的圆盘摩擦损失两部分。轴端密封与轴承的摩擦损失

Pm1∝nD2，与轴承、轴封的结构形式、填料种类、轴颈的加工工艺以及流体的密度有关，约占轴功率Psh的1%～3%，大中型泵多采用机械密封、浮动密封等结构，轴端密封的摩擦损失就更小。旋转的叶轮发生摩擦而产生能量损失，约占轴功率的2%~10%，是机械损失的主要部分。2222（1）合理地压紧填料压盖，对于泵采用机械密封。减小机械损失的一些措施

（2）对给定的能头，增加转速，相应减小叶轮直径。

（4）适当选取叶轮和壳体的间隙，可以降低圆盘摩擦损失，一般取B/D2=2%～5%。

（3）试验表明，将铸铁壳腔内表面涂漆后，效率可以提高2%～3%，叶轮盖板和壳腔粗糙面用砂轮磨光后，效率可提高2%～4%。一般来说，风机的盖板和壳腔较泵光滑，风机的效率要比水泵高。232.容积损失和容积效率泵与风机由于转动部件与静止部件之间存在间隙，当叶轮转动时，在间隙两侧产生压力差，因而使部分由叶轮获得能量的流体从高压侧通过间隙向低压侧泄漏，称为容积损失或泄漏损失。容积损失主要发生在：叶轮入口与外壳密封环之间的间隙；平衡轴向力装置与外壳间的间隙和轴封处的间隙；多级泵的级间间隙处；232424减小泵容积损失的措施

为了减小叶轮入口处的容积损失q1，一般在入口处都装有密封环（承磨环或口环），如图下所示。检修中应将密封间隙严格控制在规定的范围内，密封间隙过大→q1↑；密封间隙过小→机械损失Pm1↑；平面式密封环中间带一小室的密封环曲径式密封环直角式密封环曲径式密封环锐角式密封环曲径式密封环253.流动损失和流动效率流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。流体和各部分流道壁面摩擦会产生摩擦损失；流道断面变化、转弯等会使边界层分离、产生二次流而引起扩散损失；由于工况改变，偏离设计流量时，入口流动角与叶片安装角不一致，会引起冲击损失。251）摩擦损失和局部损失由流体力学知道，当流动处于阻力平方区时（流体在泵与风机内的流动一般是这样），摩擦损失和局部损失与流量的平方成正比，可定性地用下式表示：26262）冲击损失qV<qV,d时，β1<β1a，α=β1a-β1>0为正冲角，旋涡发生在吸力面。qV>qV,d时，β1>β1a，α=β1a-β1<0为负冲角，旋涡发生在压力面。正冲角及速度三角形负冲角及速度三角形当流量偏离设计流量时，流体速度的大小和方向要发生变化，在叶片入口和从叶轮出来进入压出室时，流动角不等于叶片的安装角。冲击损失可用下式估算，即2727实践证明，在正冲角i>0的情况下，由于涡流发生在叶片背面，能量损失比负冲角i<0时为小。因此，设计时,一般取正冲角

=3°~5°。若全部流动损失用hw表示，则：hw=hf+hj+hs同时，正冲角的存在，可以增大入口过流面积，对改善泵的汽蚀性能也有好处。

流动损失曲线流动损失的大小用流动效率

h来衡量。流动效率等于考虑流动损失后的功率（即有效功率）与未考虑流动损失前的功率之比，即28泵与风机的总效率：

由上述分析可知，泵与风机的总效率等于流动效率、容积效率和机械效率三者的乘积。因此，要提高泵与风机的效率就必须在设计、制造及运行等各方面注意减少机械损失、容积损失和流动损失。离心式泵与风机的总效率视其容量、型式和结构而异，目前离心泵总效率约在0.60～0.90的范围，离心风机的总效率约在0.70～0.90，高效风机可达0.90以上。轴流泵的总效率约为0.70～0.89，大型轴流风机可达0.90左右。2829（五）泵与风机的性能曲线HT∞<u22/g29当流体以α1∞=90°进入叶轮时，其理论扬程为HT∞=u22/gHT∞>u22/gβ2a<90°β2a=90°β2a>90°叶片安装角直接影响理论扬程华工卢志民博士zhmlu@1371040034030*扬程和势扬程由式HT∞=u2v2u∞

/g可知，v2u(β2a)愈大，扬程愈高。在叶轮直径相同、转速相同、流量相等时，前向叶轮扬程最高，径向次之，而后向最低。势扬程在总扬程中所占的比例为反作用度Ω。∴随着叶片出口角β2a增大，扬程增加，

Ω逐渐下降。即扬程中的势扬程不断下降而动扬程不断增加（径向式叶片，Ω=0.5）。动扬程大引致损失增大，真正能维持流体运动的是势扬程。30各种

2y

时的速度三角形及Hd

、Hst

的曲线图

2y

min

2y

max90

u2=c

2y

max

2

w

2

=1u2=cHT

Hd

=1/2

2y

min

2

w

2

w2

2

31在固定转速下，不论叶型如何，泵或风机理论上的流量和扬程关系是线性的。QT＝0时，HT＝u22/g三种叶型，ctgβ2所代表的曲线斜率不同，具有各自的曲线倾向。31对前向式和径向式叶轮，其p-qV

性能曲线为一具有驼峰的或∽型的曲线。当风机在最最高点左侧的不稳定工作区工作时，可能发生喘振或飞动等现象，工程上尽量避免采用该种形式曲线的风机。泵与风机理论性能曲线32后弯式叶片的优点后弯式叶片流动效率高：后弯式叶片流体出口绝对速度最小，因此流动损失最小，流动效率高。后弯式叶片流道效率高：前弯和径向式叶轮叶道短、断面变化大，其叶道内的流动损失也大于后弯叶轮。32后弯式叶片性能稳定，轴功率随着流量的增加而增大到最大值之后，几乎不再增加。而前弯式叶片的功率变化与此正好相反，容易产生原动机的超载。3333讨论

1°从结构角度：当HT

=const.，前向式叶轮结构小，重量轻，投资少；

2°从能量转化和效率角度：若流速↑流道扩散度↑→前向式叶轮易发生边界层分离，致使局部损失增加，效率较低；希望

Hst↑→克服管路阻力，但前向式叶轮由于Hd较大，在压出室再由Hd向Hst转化时，所产生的压损较大，故后向式叶轮克服管路阻力的能力相对较好；

3°从防磨损和积垢角度：径向式叶轮较好，前向式叶轮较差，而后向式居中；

4°从功率特性角度：当流量↑时，前向式叶轮轴功率，易发生过载问题。3434一些叶片形式和出口安装角的大致范围叶片形式出口安装角范围叶片形式出口安装角范围强后向叶片（水泵型）后向圆弧叶片后向直叶片后向翼型叶片20

~30

30~60

40~60

40~60

径向出口叶片径向直叶片前向叶片强前向叶片（多翼叶）90

90118~150

150~175

（1）为了提高泵与风机的效率和降低噪声，工程上对离心式泵均采用后向式叶轮；

（2）为了提高压头、流量、缩小尺寸，减轻重量，工程上对小型通风机也可采用前向式叶轮；

（3）由于径向式叶轮防磨、防积垢性能好，所以，可用做引风机、排尘风机和耐磨高温风机等。

叶片出口安装角的选用原则

35各种叶轮风机的应用1、后弯叶片风机效率高、噪声小、流量增大时动力机不易超载，因而在各种大、中型风机中得到广泛应用。它的缺点是在相同的风量、风压时，需要较大的叶轮直径或转速，另外叶片容易积尘，不适于作排尘风机。2、前弯叶片风机流道短、弯曲度大，出口绝对速度大，效率低、噪声大，但在相同风压、风量时，风机尺寸小，转速低。因而它用于高压通风机（P=7850－9810Pa）以及要求风机尺寸小的场合。在移动式农业机械中由于要求风机的尺寸较小，因此常采用前向叶片的中、高压风机。

3、多叶式离心通风机都用前向叶片，它的特点是轮径比（D1/D2）大、叶片数多，叶片相对宽度较大，因而用较小的尺寸可得较大的压力和流量，且噪声较低，但效率也低。农业机械中的一些小型风机如小型植保机械上，常采用多叶式风机。

4、径向直叶片，流道较短且通畅，叶轮内流动损失较小。但叶轮出口绝对速度比后弯式大。故在转能装置中的能量损失比后弯式大，总的效率低于后弯式，噪声也比后弯式高。其优点是同样尺寸和转速下，扬程（风压）比后弯式高，且形状简单、制作方便，不易积尘。可应用于输送的气体含有大量固体颗粒的场合。一般而言，径向式风机运转性能亦较稳定。3536泵与风机的实际性能曲线从理想HT∞-qVT性能曲线出发，进行修正：滑移（轴向涡流）修正，乘上小于1的系数K，得到HT-qVT直线；扣除摩擦损失和冲击损失，得到H-qVT曲线；画出容积损失H-qvT曲线,对泄漏的流量进行修正,得H-qv曲线。36理想情况HT∞β2y>90°β2y<90°β2y=90°qVT实际修正:扬程－流量曲线理论压头HT∞-qVTqV涡流修正摩擦修正HT-qVT冲击修正H-qVTH-qVq-H泄漏修正qVa0H华工卢志民博士zhmlu@1371040034037流量-功率曲线首先，轴功率为:P=PT+ΔPm机械损失功率ΔPm与流量无关，PT-qvT曲线加上ΔPm，即得P-qvT曲线。知道容积损失HT-qv曲线，最后可得P-qv性能曲线。37qV0ηHTPΔPmPT-qVTP-qVTP-qVHT∞-qVT华工卢志民博士zhmlu械损失38性能曲线形状分析381. 最佳工况点与经济工作区

最高效率所对应的工况点，称最佳工况点，它是泵与风机运行最经济的一个工况点。在最佳工况点左右的区域(一般不低于最高效率的0.85～0.9称为经济工作区或高效工作区。2. 离心泵在空载情况下防止汽化 当阀门全关时，qv＝0，H＝H0、P＝P0，该工况为空转状态。空转时，存在大范围的旋涡，输入的机械能全部转变为内能，主要消耗在机械损失上，如旋转的叶轮与流体的摩擦，使水温迅速升高，会导致泵壳变形、轴弯曲以致汽化，特别是锅炉给水泵及凝结水泵，由于输送的是饱和液体，因此，为防止汽化，绝不允许在空转状态下运行。如在运行中负荷降低到所规定的最小流量时，则应开启泵的旁路管。3. 离心式空载启动 离心式泵与风机在空载时所需轴功率最小，一般为设计轴功率的30％左右。在这种状态下启动，可避免启动电流过大，原动机过载。所以阀门全关启动，运转正常再开大调节阀门。华工卢志民博士zhmlu与风机性能曲线的比较3939

（1）陡降型曲线

当斜度Kp=25%~30%

时，则称为陡降型曲线，如右图a

线所示。其特点是：当流量变化很小时能头变化很大，因而适宜于流量变化不大而能头变化较大的场合。例如火力发电厂自江河、水库取水的循环水泵，就希望有这样的工作性能。这是因为：随着季节变化，江河、水库的水位涨落差非常大，同时水的清洁度也发生变化，均会影响到循环水泵的工作性能（扬程），而我们要求循环水泵应具有当扬程变化较大时而流量变化较小的特性。

abc4040

（2）平坦型曲线当Kp=8%～12%时，称为平坦型曲线，如右图b

线所示。其特点是：当流量变化较大时，能头变化很小。适用于流量变化大而要求能头变化小的场合。如火力发电厂的给水泵、凝结水泵就希望有这样的性能。这是因为：汽轮发电机在运行时负荷变化是不可避免的，特别是对调峰机组，负荷变化更大。但由于主机安全经济性的要求，汽包的压强（或凝汽器内的压强）变化不能太大，这就要求给水泵、凝结水泵应具有流量变化很大时，扬程变化不大的性能。abc4141

（3）有驼峰的性能曲线其特点是：能头随流量的变化先增大，而后减小。因而，在峰值点k

左侧出现不稳定工作区，只能在qV>qVk的区域工作。所以，在设计时应尽量避免这种情况，或尽量减小不稳定区。经验证明，对离心式泵采用右图中的曲线来选择叶片安装角

2y和叶片数，可以避免性能曲线中的驼峰。

abc4242

由右图可以看出，前向式、径向式叶轮的轴功率随流量的增加迅速上升，流量越大，功率就越大。因此，当泵与风机工作在大于额定流量时，原动机易过载。而后向式叶轮的轴功率随流量的增加变化缓慢，且在大流量区变化不大。因而当泵与风机工作在大于额定流量时，原动机不易过载。

2、Psh-qV性能曲线的比较4343

如右图所示，前向式叶轮的效率较低，但在额定流量附近，效率下降较慢；后向式叶轮的效率较高，但高效区较窄；而径向式叶轮的效率居中。

3、

-qV性能曲线的比较

因此，为了提高效率，泵几乎不采用前向式叶轮，而采用后向式叶轮。即使对于风机，也趋向于采用效率较高的后向式叶轮。（六）轴流式泵与风机的叶轮理论流体沿轴向进入叶轮并沿轴向流出，故命名。轴流式泵与风机的比转数高，流量大，扬程（风压）低。其它结构上的特点（与离心式比）包括：结构简单、紧凑，外形尺寸小，重量较轻。动叶可调轴流式泵与风机，由于动叶安装角可随外界负荷变化而改变，变工况调节性能好，可保持较宽的高效工作区。动叶可调轴流式泵与风机因轮毂中装有叶片调节机构，从而转子结构较复杂，制造安装精度要求高。噪声大于离心式。火电厂中普遍用作送、引风机、一次风机和循环水泵。4445流