第二章 泵与风机性能

泵与风机的性能高明山东大学第二章泵与风机的性能功率、损失、效率泵与风机性能曲线一、功率、损失、效率功率：单位时间内所做的功。有效功率：单位时间内流体通过泵或风机实际获得的能量。泵：风机：全压功率,kw1000vegqHP,1000veqpPkw,,1000vstestqpPkw静压功率轴功率(输入功率)：原动机传递到泵或风机轴上的功率,1000evPgqHPkw,1000vqpPkw原动机功率：原动机的输出功率tmvtmgHgqPP1000tmvgpqP1000ηtm传动效率：电动机直联1.0，联轴器直联0.98，皮带传动0.95。配套电机功率：tmMPKP安全系数K一般电厂中取1.15损失、效率机械损失—与功率有关的损失容积损失（泄露损失）—与流量有关的损失流动损失—与扬程有关的损失经验方法，即用经验公式计算流动损失△Ph机械损失△Pm容积损失△PvP-△PmPP-△Pm-△PvPe为尽量减少损失提高效率η功率损失效率需研究产生损失的原因程度需讨论及相互间关系。1、机械损失轴封、轴承的机械摩擦损失△P；叶轮前、后盖板与流体摩擦产生的圆盘摩擦损失△Pdf。机械摩擦损失△P（动静部分之间）：与轴封、轴承的结构形式、润滑状况、流体密度等有关。一般为轴功率的1~3%。圆盘摩擦△Pdf（叶轮与壳体之间流体内耗）：圆盘与流体相对运动，以及叶轮两侧流体的涡流。一般为轴功率的2~10%。图2-2圆盘摩擦损失大小（经验公式）：即与叶轮外径的五次方成正比，与叶轮转速的三次方成正比，与流体密度成正比。圆盘摩擦系数K=f(Re、B/D2、粗糙度）（其中B为间隙），一般可取K=0.85。6223210－DuKPdfΔPdf∝n3D25采用合理的叶轮，对高压泵与风机，采用多级叶轮，而非增大叶轮直径来提高能头。必要时提高转速，减小叶轮直径。提高比转数，P57保持接触面光滑，减少摩擦。主要预防措施：总损失：dfmPPP机械效率：PHgqPPPTvTmm与比转数的关系：67100107.01smn随着比转数减少（叶轮直径增加），机械损失增加，机械效率减小。2、容积损失（泄漏损失）流体从高压区侧通过运动部件与静止部件之间的间隙泄漏到低压区，从而使流量有一定的损失，使qqT，q叫容积损失。它只与流量有关，也叫流量损失。主要泄漏位置：叶轮入口与外壳密封环之间的间隙（A线）△PV1；平衡轴向力装置泄漏△PV2；轴封泄露△PV3（相对较小）;多级泵前后级之间隔板、轴套间隙；图中B线，此部分泄露又回到回路中，不影响流量。△PV=△PV1+△PV2+△PV3主要预防措施维持动静部件间的最佳间隙，随着运行时间延长，间隙增大，效率会降低。增大间隙中的流阻增加密封的轴向长度，可增大间隙内沿程阻力在间隙入口和出口采取节流措施，增大间隙内流动的局部阻力采取不同形式的密封环（课本P60）泄漏量：2qAgH容积效率：mvvTvvmvTTvTPPPgqHqPPgqHq3268.011svn与比转数的关系：随着比转数减少（叶轮直径增加），叶轮间隙两侧压差增加，容积损失增加，容积效率减小。P57图2-33、流动损失是指流体在流道中流动时，由于流动阻力而产生的机械能损失。流体与各部分流道壁面摩擦所产生的摩擦阻力损失边界层分离、二次涡流所产生的漩涡损失流量改变，流动角不等于安装角时，产生的冲击损失摩擦损失21224vfqKgvRlh22vjqKh涡流损失24)(vdvsqqKh冲击损失与流体输送量有关不仅与流体输送量有关，还与该流量与设计流量的偏差有关流量、冲角与冲击损失的关系冲角：相对速度方向与叶片进口切线方向间的夹角称为冲角。流量、冲角与冲击损失的关系：当qvqvd时，11a，=1a-10为正冲角，损失较小。当qv=qvd时，1=1a，=1a-1=0为零冲角，损失为零。当qvqvd时，11a，=1a-10为负冲角，损失较大。nqDDveeh3210)5.4~4()172.0(lg42.01，其中3lg0835.01nqvh流动效率：其中qv——设计流量，n—转速mvhevhmvmvvTTPPPPPgqHHPPPPPPgqHH概念：泵与风机的总效率等于有效功率与轴功率之比。eemvmhvmmvmPPPPPPPPPPPPPP结论：泵与风机的总效率等于机械效率m、容积效率v、流动效率h三者的乘积。目前泵与风机效率范围：离心泵约为60%~90%。离心风机约为70%~90%，高效离心风机可达90%以上。轴流泵约为70%~89%，大型轴流风机可达90%左右。思考题：1、提高泵与风机的总效率应从哪几方面考虑？2、为什么通常大的（高ns）泵与风机的总效率比小的高？例题1、有一离心通风机，全压p=2000Pa，流量q.v.=47100m3/h，现用联轴器直联传动，试计算风机的有效功率、轴功率及应选配多大的电动机。风机总效率=70%，取电动机容量富裕系数K=1.15，传动效率tm=98%。解：kWpqPve16.26100036004710020001000kWPPe42.3476.016.26kWPKPtmg39.4013.3515.198.042.3415.12、有一离心泵，当转速为1450r/min时，q.v.=1.24m3/s，H=70m，此时轴功率P=1100kw，v=93%，m=94%，水的密度=1000kg/m3，求h？解：885.094.093.0774.0774.0110010007024.181.910001000mvhvePHgqPP二、泵与风机的性能曲线泵与风机的基本性能参数之间都相互存在着一定的内在联系，若用曲线形式表示其性能参数间的相互关系，称这类曲线为泵与风机的性能曲线。泵与风机性能曲线理论性能曲线实验性能曲线●泵与风机内部流动非常复杂，目前理论尚无法定量计算。●从理论上定性分析泵与风机性能参数的变化规律及其影响因素的曲线，称理论性能曲线。有助于深入了解实验性能曲线。●通过实验获得的性能曲线。●在实验数据基础上，通过某种换算得到的性能曲线。基本性能曲线：相对性能曲线：了解泵与风机性能与构造之间的关系使用。通用性能曲线：泵与风机变速、变角（可动叶）工况调节使用。无因次性能曲线：风机选型设计、系列之间进行比较使用。全面性能曲线：了解水泵“正常”与“反常”性能的曲线。泵综合性能曲线：选择水泵时使用。风机性能选择曲线：选择风机时使用。●泵与风机产品样本上所载的性能曲线；直观反映总体性能。●以qv为横坐标、H(p).P.η.[HS]或[△h]为纵坐标的一组曲线。●对泵与风机选型、经济合理运行（工况调节）有重要作用。泵与风机性能曲线H(p)—qv，P—qv，η—qv的关系曲线。用于合理选择泵与风机，使其工作在最高效率范围内。离心式泵与风机性能曲线轴流式泵与风机性能曲线1、流量与扬程（H—qv）曲线vTaamuTqbDguguvuguvugH222222222222cot)cot(1vTTBqAH其中A、B为与叶轮结构/安装角有关的常数。无限多叶片，理想流体时HT∞—qvT曲线0290aguHT22＝径向式叶轮2cot0aH不随流量改变qvTA/BAabcHT∞β2a∞=9000290a2cot0a后弯式叶轮B0222222cotaTvTuuHqggDbvTTBqAHH随流量增加而线性减少；随安装角增加，B减小，H减少趋势减缓。qvTAabcHT∞β2a∞=900A/B0290a2cot0a前弯式叶轮B0H随流量增加而线性增大；随安装角增加，直线斜率增大，H增加趋势加快。qvTAabcHT∞β2a∞=900A/B222222cotaTvTuuHqggDbvTTBqAH实际H—qv曲线叶片有限时，环流系数K1，是结构参数的函数，与叶片数、r1/r2有关，与流量无关。使曲线下移由于摩擦损失、冲击损失，使HHT，曲线继续下移；由于泄漏损失，曲线向左移动。qvTAabcHT∞β2a∞=900A/B随安装角增加，扬程由陡直下降变为平滑下降，甚至平稳增加，直至急剧增加HT∞—qvTHT—qvT摩擦、涡流损失冲击损失泄漏损失后弯式为例HqvH—qvTH—qv后弯式为例三种扬程H—流量qv的性能曲线●总趋势：H随q.v.的增大而减小。形状与结构及叶片安装角有关。●陡降的曲线：25%-30%的斜度，q.v.变化小，H变化大,适应H变化大，qv变化小的场合。●平缓的曲线：8%-12%的斜度，qv变化很大，H变化很小,适应q.v.变大，H变化小的场合。●有驼峰曲线：qv增加，H由小增加到最大值HK后减小，K点左边为不稳定工作区,只允许q.v.qvk区域工作。2、流量与功率（P—qv）曲线mvTTPPgqHhvTTPgqHmhPPPvTvTaTTqBAqbDguKguKKHH''cot222222由于：定义流动功率：根据前面分析：则：所以：因：△Pm与qvT无关，因此可先求流动功率Ph与qvT的关系2(''())''vTTvTvhTvTTvgqHgPgAqqqBqAB0290a＝2cot0a径向式叶轮这是一条过原点的直线，随流量增加，流动功率直线增加理想工况下22hvTPKuq0290a2cot0a''BAqvT＝后弯式叶轮Ph曲线为一条过原点的抛物线，与qvT有两个交点，一个是qvT＝0，另一个是B'0vTvTaTTqBAqbDguKguKKHH''cot2222222(''())''vTTvTvhTvTTvgqHgPgAqqqBqAB0290a2cot0a前弯式叶轮Ph曲线为一条过原点的上升曲线，随qvT增加而急剧增大B'0vTvTaTTqBAqbDguKguKKHH''cot2222222(''())''vTTvTvhTvTTvgqHgPgAqqqBqAB实际状况下（以后弯式为例）在qvT~Ph性能曲线上加一等值的△Pm即得qvT~P曲线；从qvT~P曲线上对应qvT减泄漏损失q即得qv~P曲线。在空载状态（qvT＝0）下，轴功率由两部分组成：vmPPh导致温度升高3、流量与效率（η—qv）曲线PHgqPPve1000当qv＝0和H＝0时，η＝0，因此，理论上，效率曲线是一条过原点的抛物线。实际上，效率曲线不可能出现第二个零点。但存在一个最高效率点。希望效率高；高效范围宽离心式叶轮性能曲线分析一定流量下，对应一个扬程，功率和效率，称为一个工况点；最高效率对应最佳工况点；最高效率左右（85～90％区域）称为高效工作区；要求泵与风机在高效工作区工作。qvT＝0时（阀门全关），为空转状态，消耗功率，这部分功率转化为水的内能，使水温升高，可能产生汽化，因此，泵运行有一个最小流量要求；如系统要求流量小于最小流量，则应开启旁路。启动：从功率曲线看，离心式叶轮空转时，轴功率最小（设计轴功率的30%左右），应在空载状态启动；而轴流式叶轮空转时，轴功率最大，应打开阀门启动。后弯式叶片：一般泵叶轮，采用后弯式叶片，其扬程曲线总体上随流量增加而下降；但其形状与安装角有关，随安装角增加，曲线由陡直下降趋于平坦，最后可能出现“驼峰”形式（图2-17）。平坦的曲线适用于锅炉给水泵，在流量大范围波动时，扬程保持稳定；陡直的曲线适用于循环水