水泵站第二章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 叶片式流体机械能量转换,2-3,流体在叶轮中的运动分析,2-4,叶片式流体机械的基本方程,2-5,安装角对叶轮性能的影响,2-4,离心泵的特性曲线,2-5,离心泵装置,的总扬程,2-6,流体机械内的能量平衡,2-7,流体机械的效率,2-8,有限叶片数的影响,2-9,反作用度,2-1,流体在叶轮中的运动分析,一、几个概念及进出口边符号确定,二、叶轮中的介质运动,1,速度的合成与分解,2.,绝对运动和相对运动,三、几个基本概念,1,流面,2.,轴面流线,3.,过流断面,一、几个概念及进出口边符号确定,流体机械叶片表面一般是空间曲面，为了研究流体质点在叶轮中的运动规律，必须描述叶片。叶片在柱坐标下是一曲面方程，但解析式一般不可能获得。工程上借助几个面来研究：,1,平面投影：,平面投影是将叶片按工程图的做法投影到与转轴垂直的面上。,2,轴面（子午面）：,通过转轮上的一点和转轮轴线构成平面：（一个转轮有无数个轴面，但是每个轴面相同）,3,轴面投影：,它是将叶片上每一点绕轴线旋转一定角度投影到同一轴面上的投影，叫轴面投影。,如图,2,2,。,4,流线,如图,2,4,。,5,迹线,6,轴面流线,如图,2,4,。,进出边符号确定：,P-,代表高压边,S-,代表低压边,P,对风机，泵，压缩机，一般出口边对水轮机进口边,S,对风机，泵，压缩机，一般是进口边，对水轮机是出口边,对泵而言：,2-,代表高压出口边,1-,代表低压进口边,二、叶轮中的介质运动,1,速度的合成与分解,2.,绝对运动和相对运动,1,速度的合成,与分解,流体机械的叶片表面是空间曲面，而转轮又是绕定轴旋转的，故通常用圆柱坐标系来描述叶片形式及流体介质在转轮中的运动。在柱坐标中，空间速度矢量式可分解为圆周，径向，轴向三个分量。,将,Cz,Cr,合成得,Cm,Cm,位于轴面内（和圆周方向垂直的面），故又叫轴面速度。,如图,2,3,所示,.,2.,绝对运动和相对运动,在流体机械的叶轮中，叶片旋转，而流体质点又有相对转轮的运动，这样根据理论力学知识质：叶轮的旋转是牵连运动。流体质点相对于叶轮的运动叫相对运动，其速度叫相对速度，这样，流体质点的绝对速度为 这两速度的合成，即,其中 是叶轮内所研究的流体质点的牵连速度。,绝对速度和相对速度,如图,2-7,14,15,所示,.,三、几个基本概念,流面：在叶轮机械中，空间流线绕轴线旋一周形成的,回转面叫流面。对于一个叶轮又无数个流面。,径流式：流面可以近似看成一个平面。,轴流式：流面可以近似看成一个圆柱面，展开后是平面。,混流式：流面是一个曲锥面，不可展开。有时为了研究方便，近似看成一个圆锥面。圆锥可以展开。,轴面流线：流面与轴面的交线叫轴面流线。,（一个转轮有无数条轴面流线）,过流断面（过流断面面积）,在轴面上作一曲线与轴面流线正交，该曲线绕轴线旋转一周而形成的回转面称轴面流动的过流断面。该断面面积决定了轴面速度的平均值。,过流断面面积：,2-2,叶片式流体机械的基本方程,一,、,进出口速度三角形,(,一,),工作机的进出口速度三角形,(,二,),原动机的进出口速度三角形,二,、,欧拉方程式,三,、,基本方程式的其它形式,四、,基本方程式的讨论,五、,叶片式流体机械设计理论概述,(,一,),工作机的进出口速度三角形,从水头、扬程等定义看，要研究叶片与介质的能量交换，研究叶片进出口的流动非常重要。以纯径向叶轮为例来研究。已知：,n,qv,。,1.,进口速度三角形,进口速度三角形计算步骤,2.,出口速度三角形,出口速度三角形计算步骤,进口速度三角形计算步骤,进口处轴面液流过流断面面积,由于叶片存在阻塞。排挤系数：,于是真实,Cu1,和,1,的确定,若无导流器，对于直锥形，弯管形，环形吸入室，,Cu1=0,。,对于有导流器及半螺旋形吸入室，,Cu,1,的值依吸入室尺寸或导流叶片的角度定。,一般取流体进入叶片无冲击，称无冲击入口（进口）。,出口速度三角形计算步骤,圆周速度,出口轴面速度,出口流动角,一般认为，在叶片数无限多假定下介质流动的相对速度方向一定于叶片相切，但在叶片数有限情况下，如何画呢？目前难以确定，得求助于其他条件。,(,二,),原动机的进出口速度三角形,以水轮机为例说明：,反击式水轮机：,进口速度三角形及出口速度三角形,冲击式水轮机：,进口速度三角形及出口速度三角形,反击型水轮机,进口速度三角形,1,已知（依导水机构，活动导叶工作情况定）,出口速度三角形,当 ，这时的出口情况叫法向出口。这种水轮机，在一定流量下，法向出口流速小（），带走的能量小，水轮机效率高。,冲击式水轮机,特点：冲击式水轮，水流不充满叶间流道，具有一个自由表面，故轴面速度和,Cm,和流道尺寸无直接关系。进口速度三角形,为喷嘴出口面积,此时速度三角形退化为一条直线。,出口速度三角形,二、欧拉方程式,欧拉方程推导的假设：,叶片上的叶片数无穷多，叶片无限薄；,叶轮内流动是轴对称的，相对流动是定常的；,流体无粘性。,欧拉方程式推导过程。,解释：,应用动量矩定量推导，取控制体如虚线所示。,单位时间流出控制面的流体动量矩为,流入的动量矩为,由于流动定常，控制面内的动量矩不变，因此，依动量矩定理有：,若不考虑叶轮内的水力损失：即叶片后流体的功率,三,、,基本方程式的其它形式推导,势扬程,动扬程,四,、,基本方程式的讨论,1.,适用于一切叶片泵,2.,与过流介质物性无关,3.,如何提高扬程,:n,r,2,4.,垂直入流时,：,5.,基本方程式的修正,（,1,）有限叶片数的影响,滑移轴向漩涡,（,2,）流体粘性的影响水力效率,2.5,安装角对叶轮性能的影响,1.,进口安放角,结论：随着进口安放角减小：,2.,出口安放角,结论：随着进口安放角增加：,（,1,）叶轮型式的变化：,后弯,径向,前弯,（,2,）流道形状的变化：,后弯：,流道平缓，弯度小，水力损失小，效率高,前弯：,流道有两个方向的弯曲，弯度大，水力损失大，效率低,径向：,介于上述两者之间,（,3,）势、动扬程的变化,（,板析）,后弯：势扬程最大，动扬程最小,前弯：势扬程最小，动扬程最大小,径向：介于上述两者之间,2.6,离心泵的特性曲线,水泵的性能参数，,标志着水泵的性能,。水泵各个性能参数之间的关系和变化规律，可以用一组性能曲线来表达。对每,一台水泵,而言，当水泵的,转速一定,时，通过试验的方法，可以绘制出相应的一组性能曲线，即水泵的基本性能曲线。,一般以流量,Q,为横坐标，用扬程,H,、功率,N,、效率,和允许吸上真空度,Hs,为纵坐标，绘,Q,H,、,Q,N,、,Q,、,Q,Hs,曲线。,结论：,Q,H,曲线是下降的曲线，即随流量,Q,的增大，扬程,H,逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率点,10%,左右）,一、流量和扬程曲线,结论：,Q,H,曲线是下降的曲线，即随流量,Q,的增大，扬程,H,逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率点,10%,左右）,二、流量与轴功率曲线,离心泵的轴功率随流量增加而逐渐增加，曲线有上升的特点。,当流量为零时（闸阀关闭），轴功率最小。因此，为便于离心泵的启动和防止动力机超载，启动时，应将出水管路上的闸阀关闭，启动后，再将闸阀逐渐打开，即水泵的闭阀启动。,轴流泵与离心泵相反。,一、流量和扬程曲线,效率曲线为从最高点向两侧下降的变化趋势。,四、流量与允许吸上真空度曲线,离心泵流量与允许吸上真空度曲线是一条下降的曲线。,而离心泵流量与汽蚀余量,(H,SV,或,h),曲线是一条上升的曲线。,三、流量效率曲线,离心泵的试验性能曲线,:,在一定的转速下测定水泵扬程、轴功率、效率与流量之间的关系，并绘出完整的性能曲线。,水泵样本或产品目录中除了以性能曲线表示水泵的性能外，还以表格的形式给出水泵的性能。,12SH-6,型泵性能表,水泵型号,流量,Q,扬 程,H (m),转 速,n (r/min),功 率,P(KW),效 率,(%),允许吸上真空度,(m),叶轮直径,D(mm),重量,(kg),12SH-6,m3/s,L/s,轴功率,配套功率,590,164,98,1450,213,300,74,5.4,540,847,792,220,90,250,77.5,4.5,936,260,82,279,75,3.5,离心泵的试验性能曲线,离心泵的通用性能曲线,:,水泵在,不同转速下,的性能曲线用同一个比例尺，绘在,同一坐标内,而得到的性能曲线。,H=KQ,2,（相似工况抛物线或等效率线）,离心泵的通用性能曲线,离心泵的通用性能曲线图,水泵的系列型谱图,离心泵的综合性能图：,把一种或多种泵型不同规格的一系列泵的,Q,H,性能曲线工作范围段综合绘入一张对数坐标图内，即成为水泵的综合性能曲线图（水泵的系列,型谱图,）。,这不仅扩大该泵的适用范围，而且在选用水泵使需要的工作点落在该区域内，则所选定的水泵型号是经济合理的。,图为,BA,型泵的综合性能图,图中每个注有型号和转速的四边形，代表一种泵在其叶轮外径允许车削范围内的,Q,一,H,，用单线者表示叶轮外径未经车削，图中有三条线者，则表示该泵还有两种叶轮外径的规格,IS,型单级单吸,泵的综合性能图,BA,型泵的综合性能图,本课教学内容基本要求,1.,离心泵装置的总扬程：“装置”的含义，扬程公式的形式、导出、适用条件。,2.,离心泵的基本性能曲线、通用性能曲线、综合性能曲线图概念及意义。,2.7,离心泵装置的总扬程,离心泵基本方程式揭示了决定,水泵本身扬程,的一些,内在,因素。这对于水泵的设计、选型以及深入分析各个因素对泵性能的影响是很有用处的。然而，在水泵实际应用必然要与,管路系统,以及许多,外界条件,(,如江河水位、水塔高度、管网压力等,),联系在一起的。在下面的讨论中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为“,装置,”。,水泵,+,动力机、传动设备,水泵机组,+,管道及附件,水泵装置,离心泵装置总扬程图,离心泵装置总扬程的确定,以吸水面,0-0,为基准面，列出进水断面,11,及出水断面,22,的能量方程式。则扬程为,其中,:p,1,=p,a,-p,v,p,2,=p,a,+p,d,p,a,-,大气压力（,MPA,）,P,V,-,真空表读数（,MPA,）,Pd-,压力表读数（,MPA,）,因此，可以把正在运行中的水泵装置的真空表和压力表的读数相加，就可得该,水泵的工作扬程,。,列基准面,00,和断面,11,的能量方程式：,列断面,22,和断面,33,的能量方程式：,Hss,水泵的吸水高度；,Had,水泵的压水高度；,则：,H,=H,V,+H,d,=Hss+Hsd+,h,s,+,h,d=,H,sT,+,h,HsT,水泵的静扬程,例,岸边取水泵房，如图，已知下列数据，求水泵扬程,水泵流量,Q=120L/S,，吸水管路,L,1,=20m,，压吸水管路,L,2,=300m,（铸铁管），吸水管径,D,s,=350m,，压水管径,D,d,=300m,，吸水井水面标高,58.0m,，泵轴标高,60.0m,，水厂混合池水面标高,90.0m,。,吸水进口采用无底阀的滤水网，,90,弯头一个，,DN350X300,渐缩管一个。,解,水泵的静扬程：,H,ST,90-58=32m,吸水管路中沿程损失：,h,1,i,l,(i,可查给水排水设计手册,),，,h,1,0.0065X20,0.13mDN=350mm,时，管中流速,v,1,1.25m/s,DN=300mm,时，管中流速,v,2,1.70m/s,吸水管路中局部损失,(h2),：,图,混合池,混合池,混合池,思考算题,1,，如图所示的水泵装置。水泵从一个密闭水箱抽水，输入另一密闭水箱，水箱内的水面与泵轴齐平，试问：,(1),该水泵装置的静扬程,HsT,?(m),(2),水泵的吸水地形高度,Hss,?(m),(3),水泵的压水地形高度,Hsd,?(m),图,作业,P21-22,1,2,3,要求：星期五上课前必须完成，并在课堂上抽查。,2-6,流体机械内的能量平衡,（一）流体机械内的损失类型,1.,机械损失：轴承、轴封处的摩擦引起的损失（认为和水力参数无关）,a),摩擦损失；,b),圆盘损失：转轮克服盖板的摩擦阻力,2.,容积损失,:,容积损失是由于通过间隙的泄漏而引起的流量损失。,这些容积损失：在水轮机中，是水流流过水轮机，但没经过转轮，故水流对转轮没做功。,在泵、风机中：流量 在内部不断循环，不断从叶片获得能量，消耗在节流损失上；流量是从叶轮中能量汇流到外面，所获得能量也就损失掉了。,3.,流动损失（水力损失）,:,指具有粘性的介质在流过流体机械中引起的损失。流动损失包括：,a),摩擦损失；,b),分离损失（或扩散损失）；,c),冲击损失；,d),二次流损失；,e),其它损失。,（二）,流动损失分析,1.,摩擦损失 流体机械腔体内的流动规律,腔体内压力分布：,圆盘摩擦损失的计算,是轮盖地密封部分从高压区泄漏到低压区,是体积流量泄露到外部,应指出 并没有完全损失,在开式腔体的流体机械中,能回收一部分能量,.,因在开式腔中,离心力使一部分高能液体,(,靠近壁面,),的微团进入压水室,提高泵的扬程,回收了一部分能量,故泵一般设计成开式泵腔。,由于泄漏时扬程改变。,有泄漏时：,不考虑时,:,可见,由于泄漏存在,扬程降低,这也说明,泄漏液从叶轮 中得到能量并没有全部损失,其中部分能量用减小理论扬程及水力功率形式回收了。,2.,流动损失,a),磨擦损失,是,Re,和,(,管壁相对粗糙度,),的函数，当,Re,Recr,时,只是 的函数,流体机械一般流动,Re,Recr,所以减小 对提高 影响不大。,R,水力半径，设计尽量使水力半径大，即湿润周边长。,b),分离损失,主要发生在沿流动方向压力升高,(,逆向压力梯度,),的情况下。发生于泵，风机，压缩机的扩压元件中,水轮机的压水管。,减小分离损失,要控制扩散的扩散程度,.,可压缩介质,60-70,对扩散角要求,当是圆形,不可压介质,Recr,(,气流和阻力平方区分界）阻力系数不随雷诺数变化，仅是相对粗糙度的函数。叶片式流体机械一般有,Re,Recr,。故,Re,对流动损失影响不大。,对可压介质，应考虑,Ma,对流动损失的影响，,Ma,的定义是流动速度与当地音速之比，即,图,2,82,反作用度与速度三角形的关系,图,2,83,径向叶轮的情况,图,2,84,反作用度与叶轮尺寸的关系,