绪论泵与风机性能参数

课程名称：锅炉辅助设备

课程性质：专业选修课

开课专业：热能与动力工程

开课学期：第六学期

总学时数：24

主讲教师：杨洪磊课程内容说明：

*锅炉辅助设备主要包括：给水系统及设备、过热器、再热器、阀门、温度调节器、燃烧设备、捞渣机、给水泵、空气预热器、引风机、送风机、一次风机与排粉机、磨煤机、给煤机与给粉机。

*本门课程主要讲述泵与风机的相关知识。

教学方法及手段：

以教师讲授，课堂教学为主；课后留作业及思考题，讨论题。

主要参考教材：

何川，郭立君.《泵与风机》（四）；自制讲义锅炉辅助设备节次主要教学内容学时1热力发电厂常用泵的类型及主要参数22叶轮内流动过程分析及能量转换过程23叶轮一元流动理论及有限叶片数的影响24有用功、轴功等定义，能量损失类型25泵与风机性能曲线26泵、风机与管网系统联合工作特性及工况调节27泵、风机与管网系统联合工作特性及工况调节28叶轮机械的相似准则及相似条件29比转速定义及其对性能曲线的影响210汽蚀产生机理、汽蚀余量定义211往复泵的结构原理及工作特点212回转容积泵的结构原理2锅炉辅助设备

---绪论泵与风机的研究对象泵与风机是将原动机（如电动机、汽轮机等）提供的机械能转换成流体的机械能，以达到输送流体或造成流体循环流动等目的的机械。提高液体机械能的机械称为泵，提高气体机械能的机械称为风机。泵与风机在国民经济中的应用泵与风机是国民经济各个部门都广泛应用的工作介质和通用机械。广泛应用在石油、化工、造船、水利、轻工、电力等国民经济的各个领域中。农业的灌溉与排涝城市的给排水工程采暖通风工程石油化学工业在火力发电厂中的应用......泵与风机在热力发电厂的应用热力发电厂电能的生产是依靠汽（气）、水、油等流体介质在泵与风机同其他热力设备用管道连接组成的系统（如热力系统和一些辅助生产系统）中流动，进而安全经济地实现热功的转换，为发电机提供足够的机械能，实现机械能与电能间的转换。其中，各种类型的泵分别维持着系统中给水、凝结水、冷却水、疏水、润滑油等液体的流动，各种类型的风机则分别维持着空气、烟气、含煤粉空气等气体的流动。灰渣泵冲灰水泵排粉风机升压泵凝结水泵给水泵循环水泵射水泵疏水泵送风机引风机泵与风机在热力发电厂的地位泵与风机运行状况以及流体在系统内的流动正常与否都直接影响着发电厂生产的安全性和经济性。向锅炉供水的给水泵突然发生故障或给水管道破裂发生严重泄漏，就会使锅炉缺水，甚至发生烧干锅炉而被迫停止发电的重大事故。当流体在泵与风机内流动的阻力损失增大，或是泵与风机运行工况的调节不当时，又会使泵与风机的效率降低，耗电量增加。在热力发电厂里，厂用电量约占电厂发电量的10%左右，泵和风机耗电量又占厂用电量的70%~80%。由此可见，泵和风机对电厂的安全、经济运行起着十分重要的作用。泵与风机在航空航天、电力、石化、水利工程等领域内得到了广泛的应用和高速发展。国外轴流式送引风机的电动机功率已达11000kw(707MW机组用），而锅炉给水泵的驱动功率已高达55MW、转速亦升为7500r/min(1800MW机组用）。国外已有轮毂直径为2240mm的超大型伐列克斯型轴流风机。此外，为了提高大容量泵与风机运行的经济性，变速传动已被广泛采用。在300MW以上发电机组中，通常配用汽轮机驱动的锅炉给水泵和采用电动机加液力耦合器的启动备用给水泵。锅炉送引风机除采用汽轮机驱动或液力耦合器作变速传动外，还广泛采用双速电动机、可控硅串级调速的绕线式电动机或变频器进行变速传动。当今世界最大的长江三峡水电站总装机容量达18200MW,单机容量为700MW。南水北调等工程泵的发展历史我国提水机具的发展可以推溯到五六千年以前的仰韶文化，当时人们将器具系绳从井、河中提水。隋唐时代，以水为动力的提水机械-筒车用来灌溉农田。技术史上第一台叶片泵是公元五世纪葡萄牙人在圣多明戈铜矿中所用的排水离心泵，采用双曲率叶片。离心泵的创造者，法国物理学家德尼斯于1705年制造了第一台适用于提升液体的泵，该泵采用了多叶片的叶轮，并采用了蜗形体的泵壳。1785年，J.司盖宣布了一台新泵的专利，是轴流泵的雏形。泵与风机的发展趋势随着现代科学技术的不断发展，泵与风机在设计方法上也有了很大进步，这就从根本上改善了泵与风机的动力特性、气蚀性能和振动特性，新型流体机械正向着大容量、高参数化、高速化、高效率、高可靠性、低噪声和自动化等方面快速发展。泵与风机的分类及工作原理分类按压力按工作原理按压力分类泵按产生的压力分为：低压泵：压力在2MPa以下；中压泵：压力在2一6MPa；高压泵：压力在6MPa以上。风机按产生的风压分为：通风机：风压小于15kPa;鼓风机：风压在15一340kPa以内；压气机：风压在340kPa以上。按工作原理分类风机叶片式风机容积式风机轴流风机离心风机往复风机回转风机离心式泵与风机的工作原理离心式泵与风机的工作原理：叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压力和动能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。当叶轮旋转时，流体轴向流入，然后转90度进入叶轮流道并径向流出。叶轮连续旋转，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。轴流式泵与风机工作原理

轴流式泵与风机的工作原理是：旋转叶片的挤压推进力使轴向流入流体获得能量，升高其压能和动能后，沿轴向流出。与离心式相比，其流量大、压力小，一般适用于大流量低扬程的场合。混流式泵与风机流体是沿介于轴向与径向之间的圆锥面方向流出叶轮，部分利用叶型升力，部分利用离心力。流量较大、压头较高，是一种介于轴流式与离心式之间的叶片式泵与风机。往复式这种机械借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体此泵适用于小流量、高压力，电厂中常用作加药泵。

活塞泵柱塞泵齿轮泵工作原理齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮在输油系统中可用作传输、增压泵；

在燃油系统中可用作输送、加压、喷射的燃油泵；在一切工业领域中，均可作润滑油泵用。螺杆泵工作原理螺杆泵乃是一种利用螺杆相互啮合来吸入和排出液体的回转式泵。螺杆泵的转子由主动螺杆和从动螺杆组成。主动螺杆与从动螺杆做相反方向转动，螺纹相互啮合，流体从吸入口进入，被螺旋轴向前推进增压至排出口。喷射泵将高压的工作流体7，由压力管送入工作喷嘴6，经喷嘴后压能变成高速动能，将喷嘴外围的液体(或气体)带走。此时因喷嘴出口形成高速使扩散室2的喉部吸人室5造成真空，从而使被抽吸流体8不断进入与工作流体7混合，然后通过扩散室将压力稍升高输送出去。工作流体可以为高压蒸汽，也可为高压水，前者称为蒸汽喷射泵，后者称为射水抽气器。在电厂中都可用作抽出凝汽器中的空气。水环式真空泵叶轮偏心地安装在泵体内。叶轮旋转时，液体受到离心力的作用，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）的旋转过程中密封的空腔容积逐渐扩大，气体由吸气孔吸入；在后半转（此时经过排气）的旋转过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。泵与风机的结构泵的主要部件

离心泵的主要部件轴流泵的主要部件

风机主要部件

离心式风机的构造轴流式风机的构造电厂常用泵与风机的典型结构

离心泵的主要部件叶轮轴吸入室导叶压水室密封装置轴向推力平衡装置叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体，提高液体能量的核心部件。轴轴是传递扭矩的主要部件。轴径按强度、刚度及临界转速确定。中小型泵多采用水平轴，叶轮间距离用轴套定位。近代大型泵则采用阶梯轴，不等孔径的叶轮用热套法装在轴上，并利用渐开线花键代替过去的短键。此种方法，叶轮与轴之间没有间隙，不致使轴间窜水和冲刷，但拆装困难。吸入室离心泵吸入管法兰至叶轮进口前的空间过流部分称为吸入室。其作用是在最小水力损失情况下，引导液体平稳地进入叶轮，并使叶轮进口处的流速尽可能均匀地分布。导叶导叶又称导流器、导轮，分径向式导叶和流道式导叶两种，应用于节段式多级泵上作导水机构。径向式导叶如图所示，它由螺旋线、扩散管、过渡区(环状空间)和反导叶(向心的环列叶栅)组成。压水室压水室是指叶轮出口到泵出口法兰(对节段式多级泵是到后级叶轮进口前)的过流部分。其作用是收集从叶轮流出的高速液体，并将液体的大部分动能转换为压力能，然后引入压水管。压水室按结构分为螺旋形压水室、环形压水室和导叶式压水室。密封装置离心泵密封装置有密封环(又称口环、卡圈)和轴端密封两部分。(1)密封环

其作用是减小叶轮与泵体之间的泄漏损失；另一方面可保护叶轮，避免与泵体摩擦。(2)轴端密封(简称轴封)在泵的转轴与泵壳之间有间隙，为防止泵内液体流出，或防止空气漏入泵内(当入口为真空时)，需要进行密封。目前电厂各种泵采用的轴端密封装置有：

填料密封、机械密封、迷宫式密封和浮动环密封。密封环由于离心泵叶轮出口液体是高压，入口是低压，高压液体经叶轮与泵体之间的间隙泄漏而流回吸入口处，所以需要装密封环。填料密封带水封环的填料密封结构。它由填料箱4、水封环5、填料3、压盖2和压紧螺栓等组成，是目前普通离心泵最常用的一种轴封结构。端部填料箱实物图机械密封机械密封是无填料的密封装置。它由动环、静环、弹簧和密封圈等组成动环随轴一起旋转，并能作轴向移动；静环装在泵体上静止不动。这种密封装置是动环靠密封腔中液体的压力和弹簧的压力，使其端面贴合在静环的端面上(又称端面密封)，形成微小的轴向间隙而达到密封的。为了保证动静环的正常工作，轴向间隙的端面上需保持一层水膜，起冷却和润滑作用。迷宫式密封迷宫式密封在现代高速锅炉给水泵上也广泛应用，常用的有炭精迷宫密封及金属迷宫密封。其密封原理是：由轴套密封片与炭精环组成微小间隙，流体通过间隙时压力降低，速度升高，但在密封片间的空间速度能转为压力能，从而减少间隙两侧压差，达到密封的目的。如图为炭精迷宫密封。浮动环密封浮动环密封是靠轴(或轴套)与浮动环之间的狭窄间隙产生很大的水力阻力而实现密封的。采用机械密封与迷宫式密封原理结合起来的一种新型密封，称浮动环密封。轴流泵的主要部件

轴流泵的特点是流量大，扬程低。其主要部件有：1、吸入喇叭管；2、进口导叶；3、叶轮；4、轮毂；5、轴承；6、出口导叶；7、出水弯管；8、轴；9、推力轴承10、联轴器叶轮叶轮是轴流泵提高液体能量的唯一部件。它装在叶轮外壳内，由动叶头、轮毂4、叶片3等组成，大型轴流泵的叶轮通常还设有专门的动叶调节机构。动叶头呈流线形锥体状，用于减小液体流入叶轮前的阻力损失。轮觳4用来安装叶片及其调节机构，通常有圆柱形、圆锥形和球形三种。叶片装在转动的轮觳上，又称动叶片，其作用是对液体作功，提高其能量。叶片的形式有固定式、半调式和全调式三种。离心式风机的主要部件离心式风机主要由叶轮、机壳、导流器、集流器、进气箱以及扩散器等组成叶轮一般由前盘（盖板）、后（中）盘（盖板）、叶片和轮毂（轴盘）等组成。其结构有焊接和铆接两种形式。叶轮前盘的形式有：平前盘、锥前盘和弧形前盘等几种叶片前向叶轮一般都采用圆弧型叶片，后向叶轮中，大型风机多采用翼型叶片，对于除尘效率较低的燃煤锅炉引风机可采用圆弧型或平板型叶片。集流器进风口又称集流器。其作用是使气流能均匀的充满叶轮的进口，在流动损失最小的情况下进人叶轮。离心通风机的进风口有圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、锥弧形、弧筒形等多种。大型风机多采用弧形或锥弧形进风口，以提高风机的效率。轴流式风机的主要部件轴流式风机的主要部件有：叶轮、集风器、整流罩、导叶和扩散筒等，如图所示。近年来，大型轴流式风机还装有调节装置和性能稳定装置。1、进气室；2、外壳；3、动叶片；4、导叶；5、扩散筒；6、扩压器；7、导流体；8、轴；9、轴承；10、联轴器叶轮叶轮由轮毂和叶片组成，其作用和离心式叶轮一样，是实现能量转换的主要部件。轮毂的作用是用以安装叶片和叶片调节机构的，其形状有圆锥形、圆柱形和球形三种。叶片多为机翼形扭曲叶片。叶片做成扭曲形，其目的是使风机在设计工况下，沿叶片半径方向获得相等的全压。为了在变工况运行时获得较高的效率，大型轴流风机的叶片一般做成可调的，即在运行时根据外界负荷的变化来改变叶片的安装角。导叶①叶轮前仅设置前导叶；②叶轮后仅设置后导叶；③叶轮前后均设置有导叶。前导叶的作用是使进入风机前的气流发生偏转，把气流由轴向引为旋向进入，且大多数是负旋向(即与叶轮转向相反)，这样可使叶轮出口气流的方向为轴向流出。后导叶在轴流式风机中应用最广。气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度有一定旋向，经后导叶扩压并引导后，气体以轴向流出。导叶和叶轮锅炉辅助设备泵的基本性能参数：流量qv、扬程H、轴功率Psh、效率η、比转速ns、允许汽蚀余量NPSHs（允许吸上真空度Hsa）。锅炉辅助设备泵的基本性能参数：流量qv：是指泵在单位时间内所输送的液体量，可用体积流量qv表示，单位m3/s或L/s；流量qm:对于非常温水或其他液体也可用质量流量qm表示，单位kg/s或t/hqm=ρqv锅炉辅助设备泵的基本性能参数：扬程：又称能头，是指单位重力液体从泵进口截面经叶轮到泵出口截面所获得的机械能（或势能和动能），用H表示，单位为m。E表示进出口截面处单位重力液体的机械能，单位为m锅炉辅助设备泵的基本性能参数：轴功率：指泵的输入功率，也就是原动机传到泵轴上的功率，用Psh表示，单位为kW。有效功率：通过泵的液体在单位时间内从泵中获得的能量称为泵的有效功率。由于这部分能量被流出泵的液体所携带，故又称为输出功率，用Pe表示。式中：qv为体积流量；H为扬程；g为重力加速度。锅炉辅助设备泵的基本性能参数：原动机输入功率：电网输送给电动机的电能或油料燃烧输送给内燃机的化学能等称为原动机输入功率，用Pg表示，单位为kW。原动机传动装置泵与风机原动机配套功率PM=kPg原动机功率Pg=P/ηtm轴功率Psh=P/η有效功率Pe=ρgqvH/1000=ρqv/1000传动效率ηtm泵与风机效率η锅炉辅助设备泵的基本性能参数：泵效率：轴功率和有效功率之差为泵内产生的损失功率，其大小用泵的效率来衡量。有效功率和轴功率之比称为泵的效率，用η表示。机组效率:原动机输入功率和泵有效功率之差为泵内及原动机内损失功率的总和，其大小用机组效率来衡量。有效功率与输入功率之比称为机组效率，用ηt表示。锅炉辅助设备泵的基本性能参数：配套功率：在选择原动机时，考虑到过载，通常在原动机轴功率的基础上考虑安全系数，以计算出原动机的配套功率Pgr。式中，K为电动机容量安全系数。电动机功率（kW）<0.5>0.5~1>1~2>2~5>5>50容量安全系数K1.51.41.31.21.151.08锅炉辅助设备风机的基本性能参数：风机的基本性能参数包括流量qv、全压p、静压pst、功率Psh、全压效率η、静压效率ηst、转速n、比转速。锅炉辅助设备风机的基本性能参数：流量qv：风机流量是指单位时间内通过风机进口的气体的体积，单位为m3/s。若无特殊说明，qv是指在标准进口状态下（p=1.013X105Pa，t=20℃，相对湿度为50%，ρ=1.2kg/m3）气体的体积。锅炉辅助设备风机的基本性能参数：全压：风机全压是指单位体积气体从风机进口截面经叶轮到风机出口截面所获得的机械能，用p表示，单位Pa。若忽略位能的变化，风机全压可表示为：

（Pa）式中：p表示风机进出口截面处气体的压强；v表示风机进出口界面处气体的平均速度。锅炉辅助设备风机的基本性能参数：静压：风机的全压减去风机出口截面处的动压pd2称为风机的静压，用pst表示，即锅炉辅助设备风机的基本性能参数：功率：风机的功率通常是指输入功率，亦称轴功率，用Psh表示，单位为kW.内功率:,为除轴承外风机内损失的各种功率全压有效功率（kW）静压有效功率（kW）锅炉辅助设备风机的基本性能参数：全压效率：风机的全压有效功率和轴功率之比，用η表示。全压内效率等于全压有效功率与内功率之比，用ηi表示。静压效率：风机的静压有效功率和轴功率之比，用ηst表示。静压内效率：风机的静压有效功率与内功率之比，用ηist表示。某台IR型热水离心泵的流量为240m³/h，扬程为120m，泵效率为77％，热水温度为80℃，密度为970kg/m³，试计算该泵有效功率和轴功率的大小。解：（m3/s）该泵有效功率为：kW该泵轴功率为：kW电厂常用泵与风机的典型结构锅炉给水泵凝结水泵循环水泵泵风机灰渣泵炉水循环泵送风机引风机锅炉给水泵

锅炉给水泵作用是将经过加热除氧的高温水升压到某一额定压力后送往锅炉。分段式多级离心泵圆筒型多级离心泵凝结水泵凝结水泵又称冷凝泵。其作用是将汽轮机排汽在凝汽器中凝结的水排出，并经低压加热器送至除氧器。凝结水泵工作状态特殊，它从真空状态的凝汽器中抽吸凝结水，因此要求凝结水泵的抗汽蚀性能和入口侧轴封装置要好。凝结水泵的型式有卧式和立式两种。通常小容量机组采用卧式凝结水泵大容量机组则采用立式凝结水泵循环水泵循环水泵的作用是向凝汽器输送大量的冷却水，以保证冷却汽轮机排出的乏汽，使之凝结成水。循环水泵的工作特点是流量大、扬程低。近代大容量的循环泵，不仅要求流量大，而且也希望扬程也有所提高，所以目前国内外已发展使用性能界于离心式和轴流式之间的混流式水泵.电厂循环水泵采用这种大流量、中扬程的混流泵最为适宜。蜗壳式混流水泵灰渣泵热力发电厂锅炉燃烧后的灰渣需要排除而设置有灰渣泵，该泵输送的介质是含有灰渣颗粒的液体，通常大块灰渣经碎渣机破碎至25mm以下与水混合而被输送至厂外。送风机锅炉炉膛燃烧需要足够的空气而设有送风机。该风机风压一般不超过15kPs。目前国内普遍采用G4型高效机翼型后弯叶片离心式风机。该风机叶轮是由叶片焊接于弧锥形前盘与平板形后盘中间而构成的。叶轮用铆钉固定在轮毂上，轮毂用平键与轴连接。为了调节风量，在风机进口装有轴向或简易导流器。现代大容量锅炉送风机更多地采用轴流式，它具有结构紧凑、占地少、调节效率高等优点。引风机目前，国产锅炉引风机型式为Y4—13.2(73)型，其结构和G4—13.2(73)的完全相同(但容量不同)，只是引风机的蜗壳适当加厚以延长使用寿命，轴承箱内装有水冷却装置以便冷却润滑油，且调节门采用二硫化钼高温(200℃)润滑脂。运行经验表明，这种风机抗磨损性能差，又是翼型空心叶片，一旦磨穿，叶片内将积灰而产生振动。对燃煤机组，为了避免或减轻因磨损、积灰而引起的振动，故电厂引风机也采用板式后弯叶片、板式后倾叶片、板式径向叶片或板式前向叶片。锅炉辅助设备损失与效率：

泵与风机在运行过程中，存在多种机械能损失，如机械损失、容积损失和流动损失。与叶轮转动相关而与输送流体量无直接关系的为机械损失，记为。经过叶轮而与流体泄漏量相关的为容积损失，记为经过叶轮与输送流体量直接相关的为流动损失，记为锅炉辅助设备损失与效率：轴功率Psh减去这三部分损失所对应的功率记为有效功率Pe锅炉辅助设备机械损失和机械效率：机械损失是指在机械运动过程中克服摩擦所造成的能量损失，包括轴与轴承及轴与轴端密封的摩擦损失，以及叶轮前后盖板外表面与在泵或风机壳体内局部区域作循环流动的流体之间的摩擦损失

（常称为叶轮圆盘摩擦损失）锅炉辅助设备机械损失和机械效率：摩擦损失与轴承的结构型式、轴端密封的结构型式有关。其数量约为轴功率的1%~3%。叶轮圆盘摩擦损失是因为在也轮的两侧与泵壳间充有泄漏的流体，叶轮在壳体内旋转时，叶轮两侧的流体受离心力的作用，形成回流循环运动，使流体和旋转的叶轮发生摩擦而产生能量损失。这项损失的功率约为轴功率的2%~10%，是机械损失的主要部分。锅炉辅助设备机械损失和机械效率：圆盘摩擦损失式中：K为圆盘摩擦系数，有实验求得；D2为叶轮出口直径；u2为叶轮出口圆周速度；B侧壁间隙。与圆周速度的三次方、叶轮外径的平方成正比；与转速的三次方、叶轮外径的五次方成正比。锅炉辅助设备减小机械损失常用做法：采用合理结构对于高压的泵与风机，可以采用多级叶轮而不是增大叶轮直径来提高能头；如提高单级扬程，可加大叶轮外径，或提高转速（更佳）。保持叶轮及泵体内侧表面的光洁以减少摩擦锅炉辅助设备机械损失功率为两种损失之和：机械损失的大小用机械效率ηm来衡量：锅炉辅助设备容积损失和容积效率：泵与风机的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，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，这种损失称为容积损失或泄漏损失。（容积损失主要是有泄漏引起的）常见泄漏方式：叶轮入口与外壳密封环之间间隙中的泄漏；平衡轴向力装置的间隙中泄漏；轴端密封间隙中的泄漏；多级泵级间间隙中的泄漏。锅炉辅助设备容积损失和容积效率：叶轮入口与外壳密封环之间间隙中的泄漏（为容积损失主要部分）泵与风机运行时，流体从叶轮获得能量，出口处的压力高于入口处的压力，这个压差驱使部分流体沿着叶轮入口与外壳密封环之间的间隙由出口回流到入