热能与动力机械基础 第九章 热能与动力系统辅助机械

总目录返回本章下一页上一页结束第九章热能与动力系统辅助机械9.1概述9.3风机9.2泵9.4泵与风机的运行总目录返回本章下一页上一页结束第九章热能与动力系统辅助机械在动力机械和热能利用装置中，为了实现连续的能量传递与转换，必须有一套辅助装置来输送工作流体、燃料、冷却水、润滑油等，如内燃机中的输油泵、机油泵、水泵、汽轮机装置中的凝结水泵、锅炉机组中的引风机等。此外．动力机械输出的机械能在不同场合要转变为流体的动能或压力势能，以方便各种机械作功。在辅助装置中，泵与风机是最常用、最主要的设备。泵与风机是用来抽汲、输送和提高流体能量的机械，广泛应用于国民经济的各个领域，属于通用机械范畴。本章将着重阐述泵与风机的基本知识和特点。总目录返回本章下一页上一页结束9.1概述一、泵与风机的分类泵与风机的种类繁多，根据工作机理可分为下列三类：(1)叶片式这是利用旋转叶轮产生离心力或升力来输送流体并提高其压力的一种机械。按其能量的获得方式，又可分为离心式、轴流式和旋涡式几种。(2)容积式按其结构和机理又分为活塞式和回转式两种。活塞式是利用活塞在缸体内作往复运动，使缸内容积变化，从而吸人或排出流体，并能提高其能量。回转式是利用一对或几个特殊形状的回转体(如齿轮、螺杆、刮板等)在壳内作旋转运动而完成流体的输送，并能提高其压力。(3)喷射式此类机械利用工作流体的能量使被输送的流体增加能量，达到输送流体的目的。总目录返回本章下一页上一页结束二、泵与风机的主要参数泵与风机的性能是用其特性参数表示的，这些参数包括额定工况下的流量和、扬程或风压、转速n、功率和效率。(1)流量泵或风机在单位时间内所输送的流体体积称为体积流量(、或)，简称流量。泵或风机在单位时间内所输送的流体质量称为质量流量(t/h、t/s或kg/s)。vqmqvq3/mh3/ms/LsHPpmq总目录返回本章下一页上一页结束体积流量与质量流量之间的关系为式中，为流体的密度(或)。通风机的流量，是指标准工况(温度t＝20，压力p＝101.3kPa，相对湿度＝50％)下单位时间内流过风机入口的气体体积流量。若实测的流量和密度为和，则标准工况下的流量为mvqq3/kgm3/tmCvq1vq111/1.2vvqq总目录返回本章下一页上一页结束(2)扬程(风压)流体在泵或风机内所增加的能量，即单位质量的流体经过泵所获得的能量增加值除以重力加速度（或单位体积的流体经过风机所获得的能量增加值），称为泵的扬程H(m)[或风机的风压p(Pa)]。(3)转速泵或风机的转速n(r/min)。(4)功率与效率原动机传给泵成风机的功率称为轴功率(kW)，单位时间内流体经过风机所获得的能量称为有效功率(kW)，BPeP总目录返回本章下一页上一页结束对于泵对于风机式中，为泵或风机的流量()；H为泵的扬程(m)；p为风机的风压（Pa）；为流体密度（）。有效功率与轴功率之比称为泵或风机的效率，即是泵与风机的重要性能指标，效率越高，技术经济件越好。/1000evPgqH/1000evPpqvq3/ms3/kgmeBPP总目录返回本章下一页上一页结束9.2泵泵是将原动机的机械能转变成液体的动能和压力势能的机械，是输送液体的机械。泵的种类很多，有离心泵、轴流泵、齿轮泵、往复式活塞泵、喷射泵等。工程上应用最多的是离心泵。一、离心泵的工作原理离心泵的主要过流部件有吸入室、叶轮、泵壳和扩压管，如图9－1所示。离心泵在起动前其吸入室、叶轮和泵壳中都必须充满液体。当原动机带动泵的叶轮高速旋转时，叶轮中的液体受到离心力的作用被甩向叶轮四周，经螺旋形泵壳流向扩压管。叶轮中的液体向外流，必使叶轮中心处产生真空，吸入室的液体就会连续地流入旋转的叶轮并被叶轮甩出去。叶轮的叶片对液体作功，使其获得动能。液体经过螺旋形泵壳和渐扩形扩压管时，把液体的大部分动能变成压力势能。由于此类泵是靠离心力原理工作的，所以叫离心泵。总目录返回本章下一页上一页结束1－吸入室2－叶轮3－泵壳4－扩压管图9－1离心泵过流部件简图总目录返回本章下一页上一页结束总目录返回本章下一页上一页结束插图9-1离心泵组总目录返回本章下一页上一页结束当叶轮以角速度旋转时，某一流体质点一方面和叶轮一起作旋转运动，另一方面在离心力的作用下将产生相对于叶轮的运动。设叶轮的旋转运动速度为u，流体质点相对叶轮运动的速度为w，则流体的绝对速度c应为两者的矢量和，即c=w+u这三个速度矢量组成一个速度三角形，如图9－2a所示，也可将其单独画在平面上，如图9－2b所示。为了计算方便，可将其分解为与圆周速度平行的分速度和与圆周速度垂直的分速度。表示相对速度与圆周速度的夹角，即相对速度的方向；表示绝对速度与圆周速度的夹角，即绝对速度的方向。ucrc总目录返回本章下一页上一页结束a）b）图9－2旋转叶轮内的流体运动总目录返回本章下一页上一页结束二、离心泵的能量方程流体流经旋转叶轮的流道时，从叶轮获得能量。这种能量传递过程可以用流体力学中的动量矩定理来表示，在稳定流动中，单位时间内流体质量的动量矩变化、等于作用在该流体上的外力矩，即式中，L为动量矩；M为外力矩。dLMdt总目录返回本章下一页上一页结束图9－3推导能量方程用图总目录返回本章下一页上一页结束为了研究方便，假定叶轮具有无限多叶片，不考虑流体惯性的影响；假定所研究的流体为理想流体，不考虑粘性对流体运动的影响。在叶轮的进口和出口处取控制面，当流量、转速不随时间变化时，叶轮前后的流动为稳定流动。设叶轮进、出口处半径分别为、，相应的进、出口速度三角形如图9－3所示。当通过进、出口控制面的质量流量为时，在dt时间内流入进口控制面和流出出口控制面的流量所具有的相对于轴线的动量矩分别为和。1R2Rvq111cosvqdtcR222cosvqdtcR总目录返回本章下一页上一页结束由此得单位时间内流体经过叶轮后动量矩的变化为作用于流体上的外力矩只有叶片对流体的作用力矩，当叶片以角速度旋转时，该力矩对流体所作的功率为，即或222111(coscos)vdLqcRcRMdtM222111(coscos)vPMqcRcR2211()vuuPMqucuc总目录返回本章下一页上一页结束若单位重量的流体通过无限多叶片的叶轮时所获得的能量为H，则单位时间内流体经过叶轮所获得的总能量为于是可得可得能量方程式中，H为无限多叶片时的理论扬程，(m液柱)。由能量方程可知，理论扬程与流体的种类无关。例如，输送水时是某水柱高，输送气体时是某气柱高。但由于介质密度不同，其产生的压力和功率是不同的。vPgqH2211()vvuugqHqucuc22111()uuHucucg总目录返回本章下一页上一页结束三、离心泵的特性曲线泵的特性曲线是指在一定转速下，泵的扬程与流量()、效率与流量()、功率与流量()等三条关系曲线。对水泵还有一条汽蚀余量与流量()曲线。图9－4为某型号水泵的性能曲线。vHqvqvPqvNPSHq总目录返回本章下一页上一页结束（1）扬程与流量（）性能曲线由叶轮出口的速度三角形知当进口处于无旋的条件下，即=0，=0，则式中，为流体的径向分速度，其值与流量和叶轮出口过流截面积有关。vHq2222coturcuc11uc222222(cot)urucuHucgg22222cotruucHgg2rc2A总目录返回本章下一页上一页结束当叶轮尺寸已定时，则有式中22vrqcA22222cotvvquuHABqgAg22uAg222cotuBAg总目录返回本章下一页上一页结束图9－4某型号水泵的性能曲线总目录返回本章下一页上一页结束在叶轮几何尺寸和转速一定的情况下，理论曲线将是一条直线。当采用后弯叶片()时，H随的增大而减小。实际叶片数都是有限的，输送的流体都是有粘性的，即都有能量损失。因此，在理论曲线的基础上，形成图9－4中实际曲线的形状。vHqvHqvHq290vq总目录返回本章下一页上一页结束(2)功率与流量()性能曲线功率与流量性能曲线是指在一定转速下泵与风机的轴功率与流量的关系曲线。轴功率等于有效功率与机械损失功率之和。对于常用的后弯叶片，B＞0，这时与的关系为抛物线。由于机械损失功率与转速有关，在转速一定时不随流量变化，所以理论的曲线仍为一抛物线。实际曲线受到液体泄漏的影响，趋向直线。vPqvPqvPqBPePmP2()1000evvgPAqBqePvq总目录返回本章下一页上一页结束(3)效率与流量()性能曲线泵与风机的效率为有效功率与轴功率之比。当已知曲线和曲线后，即可求出不同流量下的曲线。效率曲线上的最高点(即点)对应于曲线上的设计工况点。与该点相应的流量称为额定流量，泵在该工况点工作时损失最小，效率最高。vqvHqvPqvqmaxvHq总目录返回本章下一页上一页结束(4)汽蚀余量与流量()性能曲线汽蚀是泵特有的一种现象。当泵的流道局部液体压力低于该液体温度下的饱和蒸汽压力时，液体就会汽化。而旁边的液流会以极高速度流向气泡中心，使局部压力瞬间升高，造成对流道材料的冲击，甚至产生穴蚀而破坏。汽蚀余量(NPSH)是指为保证泵不产生汽蚀，叶轮进口处液体所必须具有的超过饱和蒸汽压头的富裕量，单位是m。汽蚀余量与液面上的压力、液体的汽化压力、几何安装高度和吸入管流道阻力有关。图9－4中曲线表示汽蚀余量与流量的关系。vNPSHqvNPSHq总目录返回本章下一页上一页结束9.3风机风机是输送气体的机械，它把原动机的机械能转变成气体的动能和压力势能。风机的种类很多，有离心风机、轴流风机以及罗茨风机等。一、离心风机离心风机具有运转安全可靠、效率较高、噪声小、调节性能好的特点，应用广泛。离心风机按其风压的高低可分为三类：风压在14.7kPa(1500mm)以下的标为离心通风机，风压在14.7—34.3kPa之间的称为离心鼓风机，风压在343kPa(35000mm)以上的称为离心压缩机。2HO2HO总目录返回本章下一页上一页结束离心风机的工作原理与离心泵相似，气体在叶轮中的运动速度和能量可参考图9－2和图9－3，此处不再重复。图9－5是离心风机的简图。叶轮3安装在蜗壳中，原动机的转矩通过轴5使叶轮旋转、气体由进气室经过进气口2轴向进入，然后气体折转流入叶轮叶片构成的流道内。叶轮对气体作功，气体在离心力作用下被甩向叶轮四周、蜗壳4把叶轮甩出的气体集中起来导向流动，从出气口7经扩压器6排出。获得能量的气体克服流动损失，被输送到高处或远处作功。单位体积气体通过风机后所获得的能量就是风机出口的全风压，单位为Pa。90总目录返回本章下一页上一页结束1－进气室2－进气口3－叶轮4－涡壳5－轴6－扩压器7－出气口图9－5离心风机简图总目录返回本章下一页上一页结束插图9-2离心风机总目录返回本章下一页上一页结束（1）风机的能量损失风机在工作中不可避免地会发生流体的摩擦、撞击和泄漏，风机本身的传动部分也有摩擦损失。风机的能量损失可分机械损失、容积损失和流动损失三部分。1）机械损失轴承、联轴器和带轮等机械摩擦以及叶轮圆周盘摩檫所消耗的功率称为机械损失。这里所讲的叶轮圆周盘摩擦损失，是指在叶轮前、后盘外侧的摩檫损失，至于气体在叶轮前、后盘内侧(即叶轮流道内)的摩擦损失，则属于流动损失的范畴。所有消耗于这些损失中的能量，都将转化为热能，并耗散于气体中。总目录返回本章下一页上一页结束2)容积损失风机静、动部件之间有一定的间隙，造成气体泄漏．使风机的流量减少和能量损失增多。这种通过间隙泄漏造成的损失，称为容积损失。对于流量小的风机，气体的相对泄漏量增大，故容积损失对流量小、风压高的风机性能的影响较流量大、风压低的风机为大。3)流动损失气体流动过程中，出于粘性会产生摩檫损失，由于流速的方向和大小变化会引起旋涡和脱离而产生的能量损失，统称为流动损失。其中流道内出现旋涡和脱离带来的损失占较大比例，其损失量取决于叶轮入口处气流