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,