第二章-泵与风机

制冷空调系统安装维修技术人员培训课程讲师：朱宗升泵与风机是用途广泛的流体机械。它们的作用是将原动机的机械能转换为流体的能量，并克服阻力，达到输送流体的目的。其中泵用于输送水或其它液体，风机用于输送空气或其它气体。第二章泵与风机2.1泵与风机的主要性能参数风机的性能参数是指用以表征泵与风机工作性能的参数，主要有流量、能头、功率、效率及转速等。①流量。单位时间内输送流体的数量，通常用容积单位表示，称为容积流量，用符号Q表示，常用的单位是m3/s或m3/h。有时也用质量流量M表示，其单位为kg/s或kg/h。质量流量和容积流量之间的关系为M=Q②能头。单位质量流体从泵或风机的进口至出口能量的增值，也即单位质量流体通过泵或风机以后获得的有效能量，以符号h表示，单位为J/kg。过去在工程单位制中，是使用扬程H来表示单位重量液体通过泵以后获得的有效能量，单位为kgf·m/kgf或m或J/N液柱。能头h和扬程H之之间的关系为h=Hg对于风机，习惯上常用风压p表示气体能量的增值，风压又称全压，它实际上是单位容积的气体通过风机后获得的有效能量，单位为Pa或N/m2。根据压力和能头的关系，风机全压为能头和气体密度的乘积。即p＝h=gH(kg/m3*N/kg*m)③功率和效率。泵或风机的功率通常是指输入功率，即原动机传递到转轴上的轴功率，以符号P表示，单位是W或kW。泵或风机的输出功率，称为有效功率Pe，指单位时间内通过泵与风机的流体所获得的能量。由于泵与风机在工作时，存在各种损失，所以不可能将驱动机输入的功率全转变为流体的有效功率。轴功率和有效功率之差为泵与风机的损失功率，其大小用泵与风机的效率来衡量，其值等于有效功率和轴功率之比，即pQgQHMhNeNNe•④转速。泵或风机转轴单位时间旋转的转数，用符号n表示，单位为r/min。在国际标准单位制（SI）中转速的单位为1/s，即Hz。转速发生变化时，会引起流量、能头、功率等的变化。•离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的。当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。2.2离心泵离心泵属于叶片式泵的一种。在制冷系统中，主要用于输送制冷剂、冷媒水、冷却水、盐水、热媒水等液体。（1）离心泵的工作原理。泵的主轴带动叶轮高速旋转，叶轮中的叶片驱使液体一起旋转，在离心力的作用下，叶轮中的液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，并提高了压力。型号：IS50-32-250型水泵：IS:符合国际标准的水泵50：进口管路直径为50mm;32：出口管路直径为32mm;250：叶轮的名义直径为250mm。（2）离心泵的分类①按叶轮数目分，可分为单级泵和多级泵。泵内只有一个叶轮的称为单级泵。单级泵所产生的压力不高，一般不超过1.5MPa。液体经过一个叶轮所提高的扬程不能满足要求时，就用几个串联的叶轮，使液体依次进入几个叶轮来连续提高其扬程。这种在同一根泵轴上装有串联的两个以上叶轮的离心泵称为多级泵。②按叶轮吸入方式分，可分为单吸泵和双吸泵。在双吸泵中液体从两侧同时流入叶轮，即泵具有两个吸液口。这种叶轮及泵壳的制造比较复杂，两股液体在叶轮的出口汇合时稍有冲击，影响泵的效率，但叶轮的两侧液体压力相等，没有轴向力存在，而且泵的流量几乎比单吸泵增加一倍。在单吸泵中液体从一侧流入叶轮，即泵只有一个吸液口。这种泵的叶轮制造容易，液体在其间流动情况较好，但缺点为叶轮两侧所受到的液体压力不同，使叶轮承受轴向力的作用。③按扬程分，可分为a.低压离心泵，扬程H20m；b.中压离心泵H=20100m；c.高压离心泵H100m。此外，离心泵还可按其转轴的位置分为立式和卧式两种；按泵的用途和输送液体的性质分为水泵、氨泵、氟泵、油泵、耐腐泵和屏蔽泵等。一般离心泵装置1—泵2—吸液池3—过滤装置4—吸入管路5—吸入调节阀6—真空表7—压力表8—排出调节阀9—单向阀10—排出管路11—流量计12—排液罐离心泵在运转过程中，必须注意防止空气漏入泵内造成“气缚”，使泵不能正常工作。因为空气比液体的密度小得多，在叶轮旋转时产生的离心作用很小，不能将空气抛到压液室中去，就会堵住叶轮部分或全部流道，使吸液室不能形成足够的真空，离心泵便没有抽吸液体的能力。所以离心泵在启动前，需灌泵，即将泵体和吸入管路内灌满液体，排净其中空气。（3）离心泵的性能曲线和管路特性曲线一台离心泵，当工作转速n为定值时，其扬程H、功率N、效率及必须汽蚀余量NPSHr与泵的流量Q之间有一定的对应关系。这种表示H—Q、—Q、N—Q和NPSHr—Q的关系曲线称为泵性能曲线，或特性曲线。离心泵的性能曲线a.离心泵的H—Q性能曲线H—Q性能曲线是选择和操作使用泵的主要依据a）平坦性能曲线(a线)。特点是扬程随流量的变化缓慢。适用于压头变动不大而流量有较宽变动范围的场合。b）陡降性能曲线(b线)。特点是在流量改变时，扬程发生较大的变化。适用于流量变化不大而压头变化较大的系统中，或在压头有波动时，要求流量变化不大的系统中。离心泵H—Q曲线的形状c）驼峰性能曲线(c线)。性能曲线的上升部分，即OK段为不稳定工作段。离心泵应避免在不稳定工况下运行，一般应在下降曲线部分操作。离心泵H—Q曲线的形状b.离心泵的N—Q特性曲线是合理选择原动机功率和操作启动泵的依据。通常应按所需流量变化范围中的最大功率再加上一定的安全裕量来确定原动机的输出功率。泵启动时，应选在耗功最小的工况下进行，以减小启动电流，保护电动机。一般离心泵在Q=0工况下功率最小，故启动时应关闭排出管上的调节阀门，待启动之后再将阀门打开。c.—Q曲线是检查泵工作经济性的依据，效率最高点运行。d.NPSHr—Q曲线是检查泵是否发生汽蚀的依据②管路特性曲线离心泵在一定的管路中运转，其工作流量及工作扬程不仅取决于泵本身的H—Q性能曲线，而且还与管路特性曲线有关。所谓管路特性曲线，是指在管路情况一定，即管路进、出口液体压力、输液高度、管路长度及管径、管件数目及尺寸，以及阀门开启度等都已定的情况下，单位重量液体流过该管路时所必需的外加扬程Hc与单位时间流经该管路的液体量Q之间的关系曲线。它可根据具体的管路装置情况，按流体力学方法算出。ABABABABchgccgppHH222若管路中的流量为Q，由吸液池送往高处，现列A和B两截面的能量平衡方程式（4）离心泵的工作点和流量调节①泵的工作点若将泵的H—Q曲线和管路的Hc—Q曲线画在一个图上，如图3-76所示。两曲线有一个交点M，这个M点所对应的Q和H值就是泵运转的流量和扬程，故M点就是工作点。因为在这一点的流量下，泵所产生的扬程H与管路上所必须的外加能头Hc正好相等。图3-76泵在管路上的工作点②泵的串并联③离心泵的流量调节泵运行时其工作参数是由泵的性能曲线与管路的特性曲线所决定的。但是用户需要的流量经常变化，为了满足这种要求，必须进行调节。而要改变泵的流量，必须改变其工作点。a.改变管路特性曲线的流量调节。改变管路特性最常用的方法是节流法。它是利用改变排出管路上的调节阀的开度，使Hc—Q曲线的位置改变以达到调节流量的目的。这种调节方法十分简单，但调节时会增大管路阻力损失，在能量利用方面都不够经济。此种方法一般只用在小型离心泵的调节上。b.改变离心泵性能曲线的流量调节。通过改变泵的转速或叶轮外径尺寸等可改变泵的性能曲线，这种调节方法没有节流损失，经济性较好。（5）汽蚀现象和安装高度①泵的汽蚀现象当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸气压pt时，液体中有大量蒸汽逸出，并与气体混合形成许多小气泡。当气体到达高压区时，蒸汽凝结，气泡破裂，气泡的消失导致产生局部真空，液体质点快速冲向气泡中心，质点相互碰撞，产生很高的局部压力。如果气泡在金属表面如叶片上破裂凝结，则会以较大的力打击叶片金属表面，使其遭到破坏，并产生震动，这种现象称为“汽蚀现象”。汽蚀的危害性a.汽蚀使过流部件的材料破坏；b.汽蚀使泵的性能下降。泵发生汽蚀时，叶轮与液体之间的能量传递受到干扰，流道不但受到汽泡的堵塞，而且流动损失增大，当汽蚀发展到一定程度时H—Q、N—Q、—Q等性能曲线都突然下降，严重时，泵液流中断，泵不能工作。c.汽蚀使泵产生振动和噪音。产生汽蚀的原因主要有：泵的安装位置高出吸液面的高度太大，即泵的几何安装高度过大；泵的安装地点的大气压较低，例如安装在高海拔地区；泵所输送的液体温度过高等。②离心泵的汽蚀余量和安装高度离心泵是否发生汽蚀是由泵自身和吸入装置两方面决定的。如图为泵的吸入装置，泵和吸入装置以泵吸入口法兰截面S—S为分界。如前所述，泵内最低压力点通常位于叶轮叶片进口稍后的k点附近，当pkpt时，则泵发生汽蚀，故pk=pt是泵发生汽蚀的界限。泵的吸入装置a.有效汽蚀余量有效汽蚀余量是指泵吸入口处单位重量液体所具有高出饱和蒸汽压力的富余能量，我国以前常用ha表示，国际上大多以NPSHa（又称为有效净正吸入压头NetPositiveSuctionHead）表示。如图所示，以吸液池液面为基准，从吸入液面到泵入口两截面间列柏努利方程式，可得gpgcgpNPSHtssa22sgssAAhHgcgpgcgp2222sgtAahHgpgpNPSH泵的吸入装置b.泵的必需汽蚀余量和安装高度泵吸入口S处的压力并不是泵内压力最低处，因为液体自泵吸入口流到叶轮的过程中还有能量损失。我们将液体从泵入口到叶轮内最低压力点k处的全部能量损失，称为泵的必需汽蚀余量，我国以前常用hr表示，国际上大多以NPSHr表示。NPSHaNPSHr——不会发生汽蚀。NPSHaNPSHr——会发生汽蚀。NPSHa数值的大小与吸入装置的条件，如吸液池表面的压力、吸入管路的几何安装高度、阻力损失、液体的性质和温度有关，而与泵本身的结构尺寸等无关。NPSHr大小的因素是泵的结构，如吸入室与叶轮进口的几何形状，以及泵的转速和流量等，而与管路系统无关。NPSHr的大小在一定程度上表示一台泵本身抗汽蚀性能的标志，也是离心泵的一个重要性能参数，NPSHr越小表示该泵的耐汽蚀性能越好。NPSHr由离心泵试验测得，随流量的增加，NPSHr也增加。在实际应用中为安全起见，通常采用的是许用汽蚀余量[NPSH]，一般取许用汽蚀余量的值为:[NPSH]=NPSHrKK安全裕量，一搬情况下取K=（0.30.5)m。防止离心泵发生汽蚀的条件就是即：NPSHa≥[NPSH]要达到上式的要求，必须合理设计吸入管路，主要是正确选取泵的安装高度。可求得泵的允许几何安装高度[Hg]为NPSHhgpgpHstAg③吸上真空高度我国过去大多采用吸上真空高度（Hs)这一参数作为离心泵的汽蚀特性参数，现在也还在采用。如果吸液池液面上的压力为大气压力Pa。gpgpHsassstaaHgcgpgpNPSH22gpgcgpNPSHtssa22sgssAAhHgcgpgcgp2222代入当吸液池液面压力是大气压，即pA=pa时，吸上真空高度即为可以看出，流量一定时，吸上真空高度Hs随着泵的几何安装高度Hg的增大而逐渐增大。当Hg增大至某一数值时，泵就发生汽蚀，测得此时的吸上真空高度，便是泵可能达到的最大值，称为最大吸上真空高度，以Hsmax表示。泵的耐汽蚀性越好Hsmax便越高。gchHHssgs22各种泵的Hsmax值都是由试验得到的，且与必须汽蚀余量NPSHr随着流量的增大而增大相对应，最大吸上真空高度Hsmax则随着流量的增大而减小。为了确保泵在运行时不发生汽蚀，且又能获得最合理的吸上真空高度，我国机械工业部的标准规定留有0.5m的安全裕量，即从试验得出的Hsmax减去0.5m，作为允许吸上真空高度[Hs]，即[Hs]=Hsmax0.5当吸液池液面压为当地大气压时，可求得泵的允许最大几何安装高度为sssghgcHH22通常在泵样本或随