第二章流体输送机械案例

第二章流体输送机械第一节概述第二节离心泵第三节往复泵第四节其他化工用泵第五节气力输送机械流体在流动过程中将损失部分机械能，只能由高能位向低能位处流动。但在多数情况下需将流体由低能位向高能位处输送，因而为完成输送任务必须依靠输送机械向流体补加足够的机械能。用以输送液体的机械通称为泵输送气体的机械按不同的情况称为通风机，鼓风机，压缩机，真空泵等。本章主要介绍常用输送机械的工作原理和特性，以便选择与使用。第一节概述一、离心泵作用向流体提供能量：用于提高流体势能（低能位向高能位输送流体）和克服管路的阻力损失。允许汽蚀余量轴功率和效率压头流量转速铭牌:二、输送流体所需能量1、管路特性曲线方程22112212f22pupuZHZHgggg222fVV24248()[]28()[]lludHqKqdgdgldKdg2f2uHHggPH：单位重量流体需补加的能量z11221pK由管路特性决定管路特性方程该式表明了管路中流体的流量与需补加能量的关系一般情况下，动能差一项可忽略222fV22uuHHKqggggPP2VHKqgP管路特性曲线Hqv12gΔP248()[]ldKdg2、压头（扬程）与流量是输送机械的主要技术指标压头He：指输送机械向单位重量流体提供的有效能量，J/N输送机械向流体提供的能量He应与管路所需补加能量H相等流体输送机械在不同流量下压头也不同，压头与流量的关系由输送机械本身特性决定，是流体输送机械的主要技术指标，讨论He～qV关系，即确立泵的特性方程是本章的主要内容。He=H三、流体输送机械分类按流体性质输送液体—泵：离心泵、往复泵输送气体—机：通风机、鼓风机、压缩机按工作原理容积式（正位移式）：压缩机、旋转泵动力式（叶轮式）：离心泵、轴流泵1、泵结构第二节离心泵叶轮(1、2、3、4）向流体做功泵壳使动能→势能，是能量转化装置一、离心泵工作原理2、旋转流体的考察方法第一章中只是介绍了流体在重力场中的能量守恒及转换流体质点的考察方法：拉格朗日法及欧拉法旋转流体的考察方法：静止坐标参照系旋转坐标参照系2  2puZgg本节离心泵中是旋转液体，因而存在着离心力，在中，其重力场离心力则应为位能（）压强能（）离心力场势能（场总势能）3、离心力场中的机械能守恒（1）液体在叶片间的运动u—切向速度（流体随叶轮旋转具有的速度）w—相对速度（流体沿叶轮间通道流动，相对于叶轮的速度）C—绝对速度（与的向量和）uwc2w2u2r2β2c1w1u112α2α1β1（2）离心泵流量：注：出口截面积222br2222sinsincw径向管口流速22222222sin2sin2wbrcbrqV11111111sin2sin2wbrcbrqV111212121cos2uCuCw222222222cos2uCuCw三者关系：（余弦定理）c2w2u2r2β2c1w1u112α2α1β1r2b2u2c2w2旋转坐标系：叶轮水平放置，叶轮进出口截面列柏氏方程：)2(2111guZgp为总势能，包括常规势能和离心力场势能gw221以相对速度计的动能（3）机械能守恒——假定：理想流体无阻力损失、定态流动gwguZgpgwguZgp22222222222121112222212112 22uuwwgggPP1212uu说明：叶轮通道内，切向速度u与半径有关ru21ww相对速度w与叶片间流道有关，外缘流道宽，相对速度w小。122222212112 22uuwwgggPP静止坐标系：离心泵理论压头2222112221211T21222TpCpCCCZHZHgggggg；（）PP222222211221T2222uuwwCCHggg；（）222221211222uuwwgggPP（1）、（2）式表明：离心泵以势能和动能两种形式向流体提供能量。对于常用的后弯叶片叶轮，，而且w1w2，说明提供能量中势能所占比例更大。2222212122CCuugg离心泵设计:为使HT大，cosα1=0，因此使流体从径向进入叶轮，此时α1=90ο消去其中w1、w2，得：gCuCuHT111222coscos故：222TcosuCHg离心泵理论压头c2w2u2r2β2c1w1u112α2α1β1（1）流量对压头的影响由图可知：3、离心泵理论压头的影响因素2222222sinsin2wAwbrqV222222222T22222cos2sinsincoscosVVqqwuCrbAHgCuw代入c2w2u2r2β2c1w1u112α2α1β1二式代入上式中：所以TH222TV22uuHqctgggA902902902THVqgu/22离心泵理论HT-qV图c2w2u2r2β2c1w1u112α2α1β1（2）叶轮形状对理论压头的影响22900TVctgHq径向叶轮，与无关22900VTctgqH后弯叶轮，，22900VTctgqH前弯叶轮，，222TV22uuHqctgggA22w2c2u2(a)22w2c2u2(b)2c22w2u2(c)为什么采用后弯叶片？后弯可获得较高能量利用率理论压头=势能+动能前弯C2大，动能虽大，但流体动能经蜗壳部分转化为势能过程中，阻力损失也大。为获得较高的能量利用率，采用后弯叶片。gc22222w2c2u2(a)2221212TCCHggPP（3）液体密度对压头的影响但是在同一压头下，泵进出口的压差与ρ成正比对1—1及2—2截面间用柏努利方程121212e,ppZZuuHgg所以2121eppHppgHeg根据：222TV22uuHqctgggA同一台泵提供的理论压头相同，HT与ρ无关，p12气缚：由于没有灌泵，或泵体密封不严，使得泵内存气，启动泵后发生吸不上液体的现象。这一现象称气缚，气缚现象发生后，泵无液体排出，无噪音、振动。为避免气缚应灌泵或检查泵体的密封性。离心泵启动时为什么要先灌泵？epgHHpT根据：尽管压头为定值，若泵体内有空气，导致很小，则也很小，将不能使液体吸入泵内。因此启动前灌泵，目的使泵内充满液体，赶走空气。如不灌泵则易发生气缚现象。1、泵的有效功率和效率机械损失：轴承机械摩擦MeeVPgqHeaPPHeTH有效压头，低于qv实际流量Pe有效功率Pa轴功率，由电机输入泵总效率k水力损失：流体冲击形成旋涡，管道沿程阻力容积损失：出口液体因缝隙泄漏返回入口VVkM二、离心泵特性曲线小型水泵：一般为5070%，大型泵：可达90%以上222TV22uuHqctgggA902902902THVqgu/22离心泵理论HT-qV图a理论压头b环流损失d冲击损失c阻力损失HTqV离心泵有效He-qV图有效压头泵的理论压头与有效压头的关系2、离心泵的特性曲线前面讨论的管路特性曲线，表明的是管路中流体流量与所需补加能量的关系管路特性方程2VHKqgPgΔP高势能低势能流动V1低阻力管路系2高阻力管路系统0有效压头与流量的关系He～qV效率与流量的关系η～qV轴功率与流量的关系Pa～qV通过实验测定具体测定方法见p74.例2-1离心泵特性曲线：离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV/(m3/h)aPeHη离心泵的特性曲线流量计真空表压力表h0bc离心泵的He、η、Pa都与离心泵的qV有关，它们之间的关系由确定离心泵压头的实验来测定，实验测出的一组关系曲线：He~qV、η~qV、Pa~qV——离心泵的特性曲线注意：特性曲线随转速而变。各种型号的离心泵都有本身独自的特性曲线，但形状基本相似，具有共同的特点离心泵在一定转速下有一最高效率点。离心泵在与最高效率点相对应的流量及压头下工作最为经济。与最高效率点所对应的qV、He、Pa值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标明的就是指该泵在运行时最高效率点的状态参数。离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV/(m3/h)aPeHη离心泵的特性曲线思考：1、离心泵启动和关闭时出口阀门应关闭还是打开，why？离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保护电机。停泵前关闭泵的出口阀门是为了防止高压液体倒流，对泵造成损害。2、离心泵启动时，出口阀门应关闭，此时qV＝0时，Pa=0？离心泵的轴功率随流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小。离心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV/(m3/h)aPeHη离心泵的特性曲线3、离心泵特性曲线的影响因素1）液体性质的影响密度2222sin2cbrqV离心泵的流量与液体密度无关。离心泵的压头gcuHT/cos222与液体的密度无关He～qV曲线不因输送液体的密度而发生变化，泵的效率η不随输送液体的密度而变。离心泵的轴功率与输送液体密度有关。aaeVaPρρP/ηHρgqP，，粘度当输送液体粘度大于常温（20℃）清水的粘度时，↑，阻力损失↑，He－qV下降急剧。最高效率点处：qV、He、均，Pa。此时泵的特性曲线发生改变，选泵时应根据原特性曲线进行修正。实验表明，当输送液体粘度常温（20℃）清水的黏度时，对特性曲线的影响很小，可忽略不计。（2）转速的影响——按比例换算转速改变，离心泵的特性曲线不同。换算条件：设转速改变前后流体离开叶轮的速度三角形相似，泵效率相等2urnrun流量之比'''V222r2V222r2'22qrbCunqrbCun扬程之比：''2222e222ecos'''()cosTTuCHHnguCHHng轴功率之比：3)'('''nnHgqHgqPPeVeVaa'''222r2222r2'22VVqrbCunqrbCun流量之比据此可从某一转速下的特性曲线换算出另一转速下的特性曲线。三、离心泵的流量调节和组合操作离心泵的实际工作状况（流量、压头）是由泵特性和管路特性共同决定的。（1）离心泵的工作点（即操作点）两曲线的交点He=H联立求解管路特性方程V()Hfq泵的特性方程V()eHq1、离心泵的流量调节OqV1qVHeH1离心泵的工作点gPA()VHfq()eVHq（2）离心泵流量调节◎改变管路特性曲线调节阀门开度12VaKKAAqHeP目的：改变值，改变管路特性曲线如关小阀门则值，管路特性曲线，，，，，虽然阻力损失增大但操作方便灵活。2V2V248()[]HKqgldqgdgPPOqV2qV1H2HA2关小阀门改变泵的工作点A1qV(m3/h)η◎改变泵的特性曲线a、改变转速若把泵的转速n’降低到n：则He~qV线下移，工作点由A1’移至A1，流量由qV1’降为到qV1；则He、Pa均减小。优点：流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；缺点：需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，适用于大功率泵。OH(m)调节转速nA1qV(m3/h)qV1'1A'1qVnn’b、车削叶轮调节不够方便（1）并联泵单台泵不能满足输送任务要