流体力学泵与风机11泵与风机的运行和选型与使用管理

LIUTILIXUEBENGYUFENGJI高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材1第二部分泵与风机11泵与风机的运行和选型与使用管理流体力学泵与风机2【知识点】本章着重介绍泵与风机的管路性能曲线及工作点、泵的气蚀与安装高度、泵与风机联合运行及工况调节、泵与风机的选择及其常见故障的分析与排除方法等内容。【能力目标】熟知泵与风机工作点及安装高度的计算方法。掌握工况调节的方法，理解并联运行、串联运行的工况分析；离心式泵与风机常见故障的分析与排除方法。熟练掌握泵与风机的选型，以及在选用中的注意事项。理解水泵、风机的正确使用方法，以及正确的维护管理方法。11泵与风机的运行和选型与使用管理311.1管路特性曲线与工作点111.2泵与气蚀与安装高度211.3泵与风机的联合运行311.4泵与风机的工况调节411泵与风机的运行和选型与使用管理411.5泵与风机的选用511.6常见故障的分析与排除611泵与风机的运行和选型与使用管理5※11.1管路特性曲线与工作点※泵或风机是在一定的管路系统中工作的。泵与风机的性能曲线在某一转速下，所提供的流量和扬程是对应的，并有无数组对应值。泵与风机究竟能在性能曲线上哪一点工作，并非任意，而是取决于所连接的管路性能。当泵或风机提供的压头与管路所需要的压头得到平衡时，由此也就确定了泵或风机所提供的流量。此时，如该流量不能满足设计需要时，就需另选一台泵或风机，不得已时亦可用调整管路性能来满足需要。11.1管路特性曲线与工作点6所谓管路特性曲线是指泵或风机在管路系统中工作时，其实际扬程（或压头）与实际流量之间的关系曲线。如图11.1示为一管路系统的示意图，以0-0为基准面，吸入容器的液面1-1和压出容器液面2-2列能量方程由图知则2211221222wpvpvzHzhgg2212022vvgg2121()()wstwppHzzhHh图11.1管路系统与泵的装置示意图11.1.1管路特性曲线11.1管路特性曲线与工作点7式中H——管路中对应某一流量下所需要的压头（或称扬程），mH2O；Hst——静压头（或称静扬程），表达式为——吸入管路与压出管路的水头损失。阻力损失取决于管网的阻力特性。由流体力学知：式中S——管路的阻抗，s2/m5；Q——管网的流量，m3/s。于是有：（式11.1）2221()()stppHzzwh2whSQ2stHHSQ11.1管路特性曲线与工作点8式（11.1）反映了液体管路系统所需能量与流量的关系，称为液体管路特性方程。当静扬程Hst与管路阻抗S一定时，在以流量Q与扬程H组成的直角坐标图上，可以得到如图11.2所示的二次曲线，称之为管路特性曲线。由式（11-1）可知，管路特性阻力系数不同，则管路特性曲线的形状也不同，也就是说，管路阻力愈大，即S愈大，则二次曲线愈陡。如图11-2所示（S1S2S3）。图11.2离心泵管路特性曲线11.1管路特性曲线与工作点9对于风机装置，因气体密度（ρ）很小，当风机吸入口与风管出口高程差不是很大时，气柱重量形成的压强可忽略，其静扬程可认为等于零。所以，风机管路特性曲线的函数关系式为：（式11.2）这是一条通过坐标原点的二次曲线，管路阻力增大时，管路特性阻力系数S增大，特性曲线变陡，反之则平稳些。如图11.3所示（S1S2S3）。2pSQ图11.3离心式风机管路特性曲线11.1管路特性曲线与工作点10泵或风机与管路系统的合理匹配是保证管网正常运行的前提。当泵或风机接入管路系统，并作为动力源工作时,泵或风机所提供的扬程或风压总是与管路系统所需的扬程或风压相一致,这时泵或风机的流量就是管路的流量。11.1.2泵与风机的工作点图11.4泵或风机的工作点曲线1——泵或风机的性能曲线曲线2——管路特性曲线11.1管路特性曲线与工作点11也就是说，将泵或风机的Q-H性能曲线1和其管道Q-H特性曲线2按相同的比例尺绘制在同一直角坐标系中，则两曲线的交点就是该泵或风机的工作点。如图11.4所示，点A即是泵或风机的工作点。在管路系统的特性曲线上，A点所对应的QA和HA表明管路系统中通过的流量为QA时所需要的能量为HA；而在泵或风机的性能曲线上，A点所对应的QA和HA表明选定的泵或风机可以在流量为QA的条件下，向管路系统提供的能量为HA。如果A点的参数既能满足工程上提出的要求，又处在泵或风机的高效率区域范围内，此时泵或风机与管路系统是匹配的，泵或风机的选择是合理的，经济的。11.1管路特性曲线与工作点12若泵或风机在比A点流量大的C点运行，此时泵或风机所提供的扬程就小于管路系统所需要的扬程。这时，流体因能量不足而减速，流量减小，工作点沿泵或风机特性曲线向A点移动。反之，如在比A点流量小的B点运行，则泵或风机所提供的扬程就大于管路所需，造成流体能量过盈而加速，于是流量增加，工作点沿泵或风机特性曲线向A点移动。可见A点是稳定工作点。11.1管路特性曲线与工作点13泵或风机能够在A点稳定运转是因为A点表示的泵或风机的输出流量刚好等于管道系统所需要的流量。同时，泵或风机所提供的扬程或风压恰好满足管道在该流量下所需要的扬程或风压。11.1.3运行工况的稳定性图11.5三种不同的Q—H曲线1--平坦形2--陡降形3--驼峰形图11.6性能曲线驼峰型的运行工况11.1管路特性曲线与工作点14一般泵或风机的Q-H性能曲线大致可分为三种类型：（1）平坦形；（2）陡降形；（3）驼峰形；如图11.5所示，前两种类型的性能曲线与管路性能曲线一般只有一个交点A（工作点），如图11.4所示，因而泵或风机能够在该点稳定运转。一旦该点受机械振动或电压波动所引起流速干扰而发生偏离时，那么，当干扰过后，会立即恢复到原工作点A运行，所以，称该点A为稳定的工作点。有些低比转数泵或风机的性能曲线呈驼峰形，这样的性能曲线与管路性能曲线有可能出现两个交点D和K，如图11.6所示，这种情况下，只有D点是稳定工作点，在K点工作将是不稳定的。11.1管路特性曲线与工作点15当泵或风机的工况受机器振动和电压波动而引起转速变化的干扰时，就会离开K点。此时，K点如向流量增大方向偏离，则机器所提供的扬程就大于管路所需的消耗水头，于是管路中流速加大，流量增加，则工况点沿机器性能曲线继续向流量增大的方向移动，直至D点为止。当K点向流量小的方向偏离时，K点就会继续向流量减小的方向移动，直至流量等于零为止。此刻，如吸水管上未装底阀或止回阀时，流体将发生倒流。由此可见，工况点在K处是暂时平衡，一旦离开K点，便难于再返回到原点K了，故称K点为不稳定工作点。11.1管路特性曲线与工作点16驼峰形Q-H性能曲线与管路性能曲线还有可能出现相切的情况，如图11.7所示。此时如果因为机械振动等因素干扰使泵或风机的工作点偏离切点M时，无论工作点向那个方向偏离，都会因为泵或风机提供的扬程满足不了管路系统需要，流体因能量不足而减速，使工作点沿Q-H曲线迅速向流量为零的方向移动，出现水泵不出水现象。可见，M点是极不稳定工作点。此外，当水泵向高位水箱送水、或风机向压力容器或容量甚大的管道送风时，由于位能差Hz变化而引起管路性能曲线上移，如图11.7中虚线所示，以致与泵或风机的Q-H曲线脱离，于是泵的流量将立即自QM突变为零。因此，在使用驼峰形Q-H性能曲线时，切忌将工作点选在切点M以及K点上。11.1管路特性曲线与工作点17大多数的离心泵或风机都具有平缓下降的性能曲线，当少数曲线有驼峰时，工作点应选在曲线的下降段，通常运转工况是稳定的。所以，离心泵或风机具有驼峰性性能曲线是产生不稳定运行的主要因素。图11.7管路特性曲线与Q—H曲线相切11.1管路特性曲线与工作点18※11.2泵的气蚀与安装高度※气蚀是泵和其它水力机械特有的现象,而且是一种十分有害的现象,是泵在设计、制造和安装、使用中需要解决的一个重要问题。11.2.1.1气蚀概述气蚀现象是客观存在的，但到1893年英国一艘驱逐舰进坞修理时，发现螺旋桨浆面有蜂窝状缺陷并有裂纹，不能使用，才首次认定。水泵在某种条件下工作时，也可能发生气蚀。一旦发生气蚀水泵将不能正常工作，长期气蚀作用时叶轮也会因气蚀而损坏。11.2.1气蚀及其危害11.2泵的气蚀与安装高度19水泵运转过程中，如果过流部分的局部区域（通常是叶轮入口的叶背处）的绝对压强小于输送液体相应温度下的饱和蒸汽压力时，即降低了汽化温度时，液体大量汽化，同时液体中的溶解气体也会大量逸出。气泡在移动过程中是被液体包围的，必然生成大量气泡。气泡随液体进入叶轮的高压区时，由于压力的升高，气泡产生凝结和受到压缩，急剧缩小以致破裂，形成“空穴”。液流由于惯性以高速冲向空穴中心，在气泡闭合区产生强烈的局部水击，瞬间压力可达几十兆帕，同时能听到气泡被压裂的炸裂噪声。实验证实，这种水击多发生在叶片进口壁面，甚至在窝壳表面，其频率可达20000～30000Hz。高频的冲击压力作用于金属叶面，时间一长就会使金属叶面产生疲劳损伤，表面出现蜂窝状缺陷。蜂窝的出现又导致应力集中，形成应力腐蚀，再加上水和蜂窝表面间歇接触的电化学腐蚀，最终使叶轮出现裂缝，甚至断裂。水泵叶轮进口端产生的这种现象，成为水泵气蚀。11.2泵的气蚀与安装高度20水泵气蚀分两个阶段：①气蚀第一阶段：表现在水泵外部有轻微噪音和振动，水泵扬程和功率开始有些下降。②气蚀第二阶段：空穴区会突然扩大，这时，水泵的H、N、η将到达临界值而急剧下降，最后终于停止出水。11.2泵的气蚀与安装高度2111.2.1.2气蚀对水泵的危害11.2泵的气蚀与安装高度22正确决定泵吸入口的压强（或真空度），是控制泵运行时不发生气蚀从而保证其正常工作的关键，它的数值与泵的吸水管路系统及吸液池液面压强等因素密切相关。图11.8为水泵吸水装置示意。现列吸水池液面0-0和泵入口断面1-1之间的伯努利方程，并取吸水池液面为基准面，考虑液面速度较小，可忽略不计，于是：（式11.3）11.2.2泵的安装高度吸lghgvgpHgp22110吸lghgvHgpp22110图11.8离心泵吸水装置示意图11.2泵的气蚀与安装高度2311.2泵的气蚀与安装高度2411.2泵的气蚀与安装高度2511.2泵的气蚀与安装高度2611.2泵的气蚀与安装高度27目前，对泵内流体气泡现象的理论研究或计算，大多数还是以液体汽化压强作为初生气泡的临界压力。所以为避免发生气泡现象，至少应该使泵内液体的最低压强大于液体在该温度时的汽化压强。泵内液体压强的最低点并不在泵的吸入口，而是在叶片进口的背部K点附近，如图11.8所示。这是因为液体进入水泵尚未增压之前，由于流速增大及流动能量损失，使压强继续降低。若K点的压强等于或小于该处液体温度下的汽化压强时，就会引起气蚀。把泵进口处单位重量液体所具有超过饱和蒸汽压力的富裕能量称为气蚀余量，以符号表示，单位为m。vpvpKph11.2.3气蚀余量11.2泵的气蚀与安装高度2811.2泵的气蚀与安装高度2911.2泵的气蚀与安装高度3011.2泵的气蚀与安装高度31※11.3泵与风机的联合运行※实际工程中为增加系统中的流量或压头，有时需要将两台或者多台泵或风机并联或者串联在同一管路系统中联合运行。多台水泵（风机）联合运行，通过联络管共同向管网输水（输气），称为泵与风机的并联运行；如果第一台水泵（风机）的压出管作为第二台水泵（风机）的吸入管，水（气）由第一台水泵（风机）压入第二台水泵（风机），水（气）以同一流量依次通过各水泵（风机），称为泵与风机的串联运行。11.3泵与风机的联合运行32并联工作的特点是各台设备扬程相同，而总流量等于各台设备流量之和。见图11.9中（a）和（b）分别是两台泵和两台风机并联工作示意图。11.3.1并联工作图11.9并联工作（a）两台泵并联；（b）两台风机并联11.3泵与风机的联合运行33并联工作一般应用于以下场合：①用户需要的流量大，而大流量的泵或风机制造困难或造价太高；②用户对流量的需求变化幅度较大，通过改变设备运行台