泵与风机基础知识.ppt

离心叶轮的内流理论基础,主编及制作：吕玉坤,预备知识,一、泵与风机概述,1,、能量角度：是能量转换设备，机械能：原动机,流体。,轮毂,叶片,轴,前盘,后盘,空心叶片,板式叶片,平面投影图,轴面投影图,叶片出口宽度,压力边,吸力边,2,、泵与风机现状及其发展趋势,设备陈旧；,现 状：一般：余量过大；环保：余量过小；,调节方式相对落后。,大容量；,发展趋势：高效率；,自动化。,例如：由上海,KSB,水泵有限公司引进德国,KSB,公司专利技术生产的,CHTC/CHTD,型第二代筒式高压锅炉给水泵，其转速为,7000r/min,时，流量,3600m,3,/h,，总扬程,4200m,。,一、泵与风机概述,3,、泵与风机的基本性能参数,泵,与风机的基本性能参数主要有：,流量,q,V,、,能头,（,扬程,H,或,全压,p,）、,轴功率,P,sh,、,有效功率,P,e,、,效率,和,转速,n,等。,一、泵与风机概述,流量,：,泵与风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流,量,q,V,表示，单位为,m,3,/s,，,m,3,/h,。,测量时,泵以出口流量计算，而风机则以进口流量计算。,对于非常温水或其它液体也可以用质量流量,q,m,表示，单位,为,kg/s,，,kg/h,。,q,m,和,q,V,的换算关系为：,q,m,=,q,V,3,、泵与风机的基本性能参数,一、泵与风机概述,能头,：,单位重力（体积）流体通过泵（风机）所获得的机械能。,对于泵：通常用扬程,H,表示，单位为,m,；,说明,：下标“,1,、,2”,表示泵与风机进口和出口截面；和泵比较略去了,g,Z,。,对于风机：通常用全压,p,表示，单位为,Pa,。,功率和效率,：,原动机,传动装置,泵与风机,原动机配套功率：,P,gr,=KP,g,，,K,为容量安全系数（额定条件下）。,效率：,传动效率：,tm,转速,:,泵与风机轴每分钟的转数，通常用,n,表示，单位为,r/min,。,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,）,3,、泵与风机的基本性能参数,一、泵与风机概述,4,、泵与风机分类（按工作原理）,一、泵与风机概述,叶片式,容积式,离心式,轴流式,混流式,往复式,回转式,其 它,真空泵,射流泵,水击泵,泵,叶氏风机,罗茨风机,罗杆风机,离心式,轴流式,混流式,风机,叶片式,容积式,往复式,回转式,二、离心式泵与风机的基本理论,（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形,叶轮内流体的运动,叶轮内流动的数值模拟结果,二、离心式泵与风机的基本理论,（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形,速度三角形的计算,绝对速度角,流动角,下标说明流体在叶片进口和出口处的情况，分别用下标“,1,、,2”,表示；,下标“,”,表示叶片无限多无限薄时的参数,；,下标“,r,、,u,”,表示径向和周向参数。,y,叶片安装角,二、离心式泵与风机的基本理论,（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形,速度三角形的计算,（,1,）圆周速度,u,为：,u,=,（,2,）绝对速度的径向分,速,r,为：,（,3,）,2,及,1,角：,当叶片无限多时，,2,=,2y,；而,2y,在设计时可根据经验选取。同样,1,也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。,u,=,cos,，周向分速,r,=,sin,，径向分速,理论流量,二、离心式泵与风机的基本理论,（三）离心式泵与风机的能量方程式,1,、前提条件,2,、控制体和坐标系（相对）,叶片为“,”,=0,=const.,=const.,，轴对称。,相对坐标系,控,制体,2,速度矩,M,=,q,V,T,(,2,r,2,cos,2,-,1,r,1,cos,1,),3,、推导结果,二、离心式泵与风机的基本理论,（三）离心式泵与风机的能量方程式,M,=,q,V,T,(,2,r,2,cos,2,-,1,r,1,cos,1,),3,、推导结果,（,Pa,）,p,T,=,g,H,T,=,(,u,2,2u,-,u,1,1u,),而单位体积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,p,T,为：,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,H,T,为：,（,m,）,二、离心式泵与风机的基本理论,（三）,离心式泵与风机的能量方程式,避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题，只涉及叶轮进、出口处流体的流动情况。,4,、分析方法上的特点,:,5,、理论能头与被输送流体密度的关系,:,p,T,=,(,u,2,2u,-,u,1,1u,),二、离心式泵与风机的基本理论,（三）,离心式泵与风机的能量方程式,（,1,）,1u,反映了泵与风机的吸入条件。设计时一般尽量使,1,90,（,1u,0,），流体在进口近似为,径向流入,。,6,、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：,（,2,）,增大叶轮外径和提高叶轮转速,。因,u,2,=2,D,2,n,/60,，故,D,2,和,n,H,T,。,目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达,7500r/min,。,二、离心式泵与风机的基本理论,（三）,离心式泵与风机的能量方程式,7,、能量方程式的第二形式：,表示流体流经叶轮时,动压头的增加值,。,表示流体流经叶轮时,静压头的增加值,。,动能头,静能头,动能头,H,d,要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转化为静能头,H,st,，并存在一定的能头损失。,二、离心式泵与风机的基本理论,（四）,叶片出口安装角对理论能头的影响,1,、离心式叶轮的三种型式,后向式（,2y,90,）,径向式（,2y,90,）,前向式（,2y,90,）,叶片出口安装角：,2y,=,（叶片出口切向，,-,u,2,）,二、离心式泵与风机的基本理论,（四）,叶片出口安装角对理论能头的影响,1,、,2y,对,H,T,的影响,.,2y,H,T,；,.,2y,min,H,T,min,=0,违反了泵与风机的定义；,结论：,.,2y,max,H,st,min,=0,违反了泵与风机的定义。（,）,为提高,H,T,，使,1,90,，在,n=C,、,q,V,=C,及叶轮一定下，有：,二、离心式泵与风机的基本理论,（四）,叶片出口安装角对理论能头的影响,2,、,2y,对,H,st,及,H,d,的影响,定义反作用度：,1u,=0,，,1r,2r,显然,应在,（,0,，,1,）,之间。,二、离心式泵与风机的基本理论,（四）,叶片出口安装角对理论能头的影响,2,、,2y,对,H,st,及,H,d,的影响,(1,1/2),后向式叶轮,，,2y,(,2y,min,90,),1/2,径向式叶轮,，,2y,=90,(1/2,0),前向式叶轮,，,2y,(,90,2y,max,),小，后向式叶轮,大，前向式叶轮,H,T,结论,：,二、离心式泵与风机的基本理论,（四）,叶片出口安装角对理论能头的影响,1,从结构角度,：当,H,T,=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,：前向式叶轮流道扩散度大且,压出室能头转化损失也大；而,后向式,则反之，,故其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,q,V,时，前向式叶轮,P,sh,，易发生过载问题。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）有限叶片数对理论能头的影响,0,、轴向涡流的概念,A,A,轴向涡流试验,流体（理想）相对于旋转的容器，由于其惯性产生一个与旋转容器反向的旋转运动。,流体在叶轮流道中的流动,无限叶片数,有限叶,片数,A,A,p,轴向涡,流,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）有限叶片数对理论能头的影响,1,、,流线和,速度,三角形发生变化，,分布不均,；,p,形成,阻力矩,；,2,、,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）有限叶片数对理论能头的影响,3,、,使理论能头降低：,不是效率，不是由损失造成的；,流体惯性,有限叶片,轴向滑移；,K,=,f,（结构），见表,1-2,。,b,K,为滑移系数,a.H,T,(,p,T,),H,T,(,p,T,),，,即：,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,P,m,机械损失功率,P,V,容积损失功率,P,h,流动损失功率,P,h,q,V,T,H,T,P,q,V,H,T,P,e,q,V,H,P,sh,1,、机械损失和机械效率,机械损失包括：,轴与轴封轴与轴承,（,P,m1,nD,2,）,及,叶轮圆盘摩擦,（,P,m2,n,3,D,2,5,）,所损失的功率。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,2,、容积损失和容积效率,T,当叶轮旋转时，在,动、静部件间隙两侧压强差,的作用下，部分流体从高压侧通过间隙流向低压侧所造成的能量损失称为容积（泄漏）损失，用功率,P,V,表示。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,2,、容积损失和容积效率,P,m,机械损失功率,P,V,容积损失功率,P,h,流动损失功率,P,h,q,V,T,H,T,P,q,V,H,T,P,e,q,V,H,P,sh,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,2,、容积损失和容积效率,比转速,V,流量,3,、流动损失和流动效率,流动损失是指：泵与风机工作时，由于流体和流道壁面发生,摩擦,、流道几何形状改变使流速变化而产生,旋涡,、以及偏离设计工况时产生的,冲击,等所造成的损失。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,3,、流动损失和流动效率,1,）摩擦损失和局部损失 当流动处于阻力平方区时，这部分损失与流量的平方成正比，可定性地用下式表示：,2,）冲击损失 当流量偏离设计流量时，在叶片入口和出口处，流速变化使流动角不等于叶片的安装角，从而产生冲击损失。,冲击损失可用下式估算，即,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,3,、流动损失和流动效率,正冲角及速度三角形,负冲角及速度三角形,工作面背面,称,吸,力边,工作面,称,压,力边,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,3,、流动损失和流动效率,P,m,机械损失功率,P,V,容积损失功率,P,h,流动损失功率,P,h,q,V,T,H,T,P,q,V,H,T,P,e,q,V,H,P,sh,存在,流动损失最小工况。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,3,、流动损失和流动效率,表,1-5,某分段式多级给水泵通流部分水力损失的分布（某一级）,叶轮和导叶中的流动损失几乎是相等的，约各占,50%,。,在设计离心泵时，只有将改善叶轮和压出室的流动性能统一考虑才能取得较好的效果,。,二、离心式泵与风机的基本理论,（五）离心式泵与风机的损失和效率,4,、泵与风机的总效率,泵与风机的总效率等于有效功率和轴功率之比。即：,（六）离心式泵与风机的性能曲线,1,、什么是性能曲线,n=,const.,主要的,H,-,q,V,或,p,-,q,V,P,sh,-,q,V,-,q,V,NPSH,-,q,V,n=,const.,其次,H,s,-,q,V,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,3,、性能曲线的绘制方法（,试验方法及借助比例定律,）,2,、性能曲线的作用,能直观地反映,泵与风机,的总体性能，对其所在系统的安全和经济运行意义重大；,作为设计及修改新、老产品的依据；相似设计的基础；,工作状态,工况（运行、设计、最佳）,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,4,、性能曲线的定性分析（,能头,）,q,V,H,H,T,-,q,V,T,H,T,-,q,V,T,h,f,+,h,j,h,s,H,-,q,V,T,H,-,q,V,q,q,V,d,后向式,径向式,前向式,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,4,、性能曲线的定性分析（,功率,）,q,V,P,sh,O,P,h,-,q,V,T,后向式,径向式,前向式,q,理论的,P,sh,-,q,V,曲线,P,sh,-,q,V,T,P,m,P,V,实际的,P,sh,-,q,V,曲线,-,q,V,曲线,由下式计算,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,5,、性能曲线的比较（,能头,）,q,V,H,O,a,b,c,后向式叶轮性能曲线的差异：,常见的有,陡降型,、,平坦型,和,驼峰型,三种基本类型。其性能曲线的形状是用,斜度,来划分的，即：,关死点的能头,最高效率点所对应的能头,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,有驼峰的性能曲线,在峰值点,k,左侧出现不稳定工作区,，故设计时应尽量避免这种情况，或尽量减小不稳定区。,q,V,H,O,a,b,c,q,Vk,k,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。,5,、性能曲线的比较（,能头,）,二、离心式泵与风机的基本理论,（六）离心式泵与风机的性能曲线,5,、性能曲线的比较（,功率和效率,）,为提高效率，,泵几乎不采用前向式叶轮,。,风机也趋向于采用效率较高的后向式叶轮,。,二、离心式泵与风机的基本理论,（七）泵与风机的运行工况点,流量计,调阀,阀门,真空计,p,p,H,Z,压强表,泵,管路系统能头与通过管路中流体流量的关系曲线。,H,st,称为管路系统的静能头；,即：管路系统的静能头为零。,1,、管路系统性能曲线,对于风机：,对于泵：,二、离心式泵与风机的基本理论,（七）泵与风机的运行工况点,2,、运行工况点,2,）实质：反映了两者的能量供与求的平衡关系。,1,）同比例,的性能曲线的交点；,K,O,q,V,H,M,H,c,-q,V,H,-,q,V,3,、稳定性条件,1,）稳定工况点条件是：,2,）有驼峰,不稳定工作区,喘振。,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,1,、相似条件,几何相似：,通流部分,对应成比例,前提条件,；,运动相似：,速度三角形,对应成比例,相似结果,；,动力相似：,同名力,对应成比例,根本原因,。,（,但,Re,10,5,，已自模化）,2,、,相似三定律,1,）流量相似定律,（由 推得）,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,2,、,相似三定律,2,）能头相似定律,(,由,及,p,=,g,H,推得）,或,3,）功率相似定律,（由推得）,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,2,、,相似三定律,4,）等效的相似定律,当实型和模型的几何尺度,比,5,，相对转速比,20%,时,，实型和模型所对应的效率近似相等，可得等效的相似三定律：,或,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,2,、,相似三定律,5,）尺寸效应和转速效应,尺寸效应：,（小模型）,沿程损失系数,h,泄漏流量,q,相对,V,相对粗糙度,相对间隙,转速效应：,（降转速）,(,设,D,2,不变,),二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,3,、,相似三定律的应用（变转速时性能参数的换算）,注意：上述等式为联等式,；故,n,q,V,H,P,sh,。,1,）比例定律,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,当,n,改变时，,相似工况的一系列点必在顶点过坐标原点的二次抛物线上,，称其为,相似抛物线,，,又称,理论等效曲线,。,2,）相似工况点应遵循的规律,M,或,当管路系统静能头为零时，管路系统性能曲线与,相似抛物线重合,。,3,、,相似三定律的应用（变转速时性能参数的换算）,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,3,、,相似三定律的应用（变转速时性能参数的换算）,【例,1-6,】如右图所示，某台可变速运行的离心泵，在转速,n,0,下的运行工况点为,M,(,q,V,M,，,H,M,),，当降转速后，流量减小到,q,V,A,，试确定这时的转速。,【解】,确定变速后的运行工况点,A,(,q,V,A,，,H,A,),；,将,q,V,A,、,H,A,代入下式以确定相似抛物线的,k,值；,H,A,q,V,M,q,V,A,q,V,H,O,H-q,V,H,C,-q,V,M,A,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,3,、,相似三定律的应用（变转速时性能参数的换算）,q,V,B,H,B,H,A,q,V,M,q,V,A,q,V,H,O,H-q,V,H,C,-q,V,M,A,B,过,A,点作相似抛物线，求,A,点对应的相似工况点,B,；,利用比例定律对,A,、,B,两点的参数进行换算，以确定满足要求的转速：,二、离心式泵与风机的基本理论,（八）泵与风机的相似理论,M,q,V,M,q,V,A,q,V,p,O,p-q,V,p,C,-q,V,某台可变速运行的离心式通风机在转速,n,0,下的运行工况点为,M,(,),，如下图所示。当降转速后，流量减小到,，试定性确定这时的转速。,q,V,M,，,p,M,q,V,A,3,、,相似三定律的应用（变转速时性能参数的换算）,二、离心式泵与风机的基本理论,（九）泵与风机的比转数,相似设计,如何选型,眼花缭乱；,q,V,(,H,p,),n,结构型式,结构尺寸,寻求：,综合的特征参数,=,(,性能,结构,),流量相似定律,能头相似定律,构造之；,目的：,用于泵与风机的理论研究、选择和设计中。,1,、,问题的提出,2,、泵的比转速,二、离心式泵与风机的基本理论,（九）泵与风机的比转数,3,、风机的比转速,4,、关于比转速的几点说明,1,取值具有唯一性（最佳工况）。,2,是比较泵或风机型式的相似准则数，与转速无关。,3,不是相似条件，而是相似的必然结果。,参数单位：,q,V,(m,3,/s),、,H,(m),、,p,(Pa),、,n,(r/min),二、离心式泵与风机的基本理论,（九）泵与风机的比转数,5,、比转速的应用,3,）用比转速可以大致决定泵与风机的型式,4,）用比转速可以进行泵与风机的相似设计,1,）比转速可以反映泵与风机的结构特点,2,）比转速可以大致反映性能曲线的变化趋势,参见表,1-9,