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1、1,第二章 流体输送机械,第一节 概述 流体在流动过程中将损失部分机械能，且只能由高能位向低能位处流动。 在实用中，需要将流体由低能位向高能位输送，如将流体由低处送至高处，由低压设备送至高压设备，或者克服管道阻力由一个车间送至另一车间等等。 用于向流体提供能量并完成输送任务的机械称为流体输送机械。,2,分类,输送气体 通风机 鼓风机 压缩机 真空泵,输送液体泵 离心泵 往复泵 旋涡泵 螺杆泵,流体输送机械,3,学习本章的基本要求,了解流体输送机械的工作原理、结构和特性。 能根据生产任务的要求和管路特性选择合适的输送机械，并能正确安装使用。,学习内容,2气体输送机械 掌握离心通风机的工作原理，特
2、性参数及选用；了解鼓风机的基本结构和特性及应用场合。,1、液体输送机械 掌握离心泵的基本结构、工作原理、主要特性参数、特性曲线及其应用、流量调节、串并联特性、泵的安装、操作注意事项及选型等。 掌握往复泵的基本特性。了解其它类型泵的基本结构和特性及应用场合。,4,第二节 离心泵,2-2-1离心泵的工作原理和主要部件,一、工作原理,中间水面下降压强降低 四周水面上升压强升高,离心泵主要由旋转的叶轮和固定的泵壳组成，叶轮一般 有4-8片向后弯曲的叶片组成，泵壳成蜗壳形 。依靠高速 旋转的叶轮在离心力的作用下，将能量传递给液体，主要 是增加液体的静压能。,5,IS型离心水泵,6,7,工作原理：离心泵之
3、所以能输送液体，主要是依靠离心力的作用。而离心力的大小与叶轮的转速、 叶轮的直径以及流体的密度有关。转速愈高，叶轮的直径愈大，流体的密度愈大，离心力也就愈大。,式中：F离心力； m 流体的质量 r 旋转半径； 旋转角速度,u rn F m m ,F mrn2,式中：u 液体质点的圆周速度， n叶轮的转速,8,气缚现象 如果泵启动时未充满水，叶轮转动时只能带动空气旋转，由于空气的密度远小于液体的密度，产生的离心力小，而不能输送液体。这种现象称为气缚现象。,为防止泵发生气缚现象离心泵启动前必须向泵体内 灌满液体,F mrn2,9,二、离心泵的主要部件,1、叶轮 作用：将电动机的机械能传给液体，使液
4、体的静压能和动能均有所提高。 叶轮的型式： （a）敞式叶轮 叶片两侧无前后盘，适于输送含有杂质和悬浮物的物料。效率较低。 （b）半蔽式叶轮 叶轮在吸入侧无前盖板，而在另一侧有后盖板，适于输送易沉淀或含有固体粒状的物料。 （c）蔽式叶轮 叶轮有前后盖板。适用于输送不含杂质的清洁液体，效率较高。 一般离心泵大都采用蔽式叶轮 。,10,11,吸液方式 (a)单吸式：液体只能从叶轮一侧被吸入，结构简单，有轴向推力。 (b)双吸式：液体可同时从叶轮两侧吸入。具有较大的吸液能力，而且基本上可以消除轴向推力。,12,S型单级双吸离心泵,13,14,2、泵壳 （泵体）,作用：将叶轮封闭在一定的空间，以便叶轮引
5、进并排出液体，并将液体的大部分动能转化为静压能。离心泵的泵壳多做成蜗壳形。 特点：沿着叶轮旋转的方向，泵壳与叶轮之间所形成的通道由小逐渐扩大，直至出口最大。 一般液体离开叶轮进入泵壳的速度可达15-25m/s，而到达出口管时流速只有1-3m/s左右。根据柏努利方程式，液体速度头的降低，即从15-25m/s1-3m/s，除了一部分消耗于泵体的阻力等因素外，大部分转化为静压头。,15,3、轴封装置,作用：防止高压液体从泵体内沿轴的四周而漏出，或者外界空气以相反方向漏入泵壳内。 常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。,16,2-2-2离心泵的基本方程式,问题：液体究竟从旋转的叶轮中获得多少能量？哪
6、些因素会影响获得能量？ 处理方法：采用理想叶轮 假设： (1) 叶轮内叶片的数目为无限多，因此叶片的厚度为无限薄。 目的简化液体在叶轮内的运动状况。 (2)液体在叶轮内的流动阻力可以忽略，即液体是理想液体。 目的消除液体在叶轮内的能量损失。 符合上面二个条件的的叶轮称为理想叶轮。,17,一、液体质点在叶轮内的运动速度三角形,1、相对速度w（液体质点相对于叶轮内的速度） 运动方向是液体质点所在处的叶片切线方向，大小与流量及流道的形状有关 。 2、圆周速度u 运动方向与液体质点所在处的圆周切线方向一致，大小与所在处的半径及转速n有关。 3、绝对速度c 绝对速度取决于相对速度和圆周速度，且等于圆周速
7、度与相对速度的矢量和。 即：,18,19,由余弦定律得知： 故进口（以下标1表示）、出口（以下标2表示），液体质点的三种速度之间的关系可写为： 为了计算上的方便，常把绝对速度分解为两个分量： 径向分量 圆周分量 于是,20,二、离心泵基本方程式的推导,理论压头或理论扬程 (HT)推导的方法 ： 以速度三角形为基础，以动量矩定理为依据。 在定态流动中，单位时间内叶轮对液体所作的功等于同一时间内液体从叶片进口处流到叶片出口处的动量矩变化和叶轮旋转角速度的乘积。 即： P = M 式中：P单位时间内叶轮对液体所作的功Nm/s； M同一时间内液体从叶片进口处流到出口 处的动量距变化Nm； 叶轮旋转角速
8、度 1/s。,21,单位时间内叶轮对液体所作的功为： 式中：液体的密度 kg/m3； qv理论流量m3/s； HT具有无限多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头m。 动量矩 = 质量流量绝对速度绝对速度对 旋转中心的距离 在叶片进口及出口处的动量距分别为：,22,得： P = M 式中： 叶片无限多时理论扬程（理论压头）。,23,离心泵基本方程式的其它表达形式,在离心泵的设计中，为了提高理论压头，一般使进口叶片处的1=900，则cos1=0故(1)式可简化为：,利用速度三角形进行变换后可得：,动压头,静压头,24,离心泵的理论流量qv为液体在叶片出口处流速与液流断面的乘积， 设叶轮的外径为D
9、2、叶轮出口处叶片的宽度为b2、叶片的厚度可 忽略。 则：液流断面为D2b2,而流速为绝对速度c的径向分量cr2。,由速度三角形：, 离心泵基本方程式又一表达式,25,三、影响离心泵理论压头的因素,1、叶轮的转速,2、叶轮的直径,3、叶片几何形状,26,（a）径向叶片（叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相垂直）,2= 900，ctg2=0,（b） 后弯叶片(叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反）,2 900，ctg2 0,（c） 前弯叶片(叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相同）,2 900，ctg2 0,前弯 径向 后弯 但实际泵大都用后弯叶片，为什么？,27,前弯 径向 后弯 前弯叶片产生的理论压头最高，但实际
10、泵大都用后弯叶片，为什么？,这是因为液体从叶轮获得的能量包括静压头与动压头两部分，在相同流量下，前弯叶片产生的动压头较大，而后弯叶片产生的动压头较小。对离心泵而言，希望获得的是静压头，而不是动压头，虽有一部分动压头可在泵壳与导轮中转换为静压头，但在转换过程中必然伴随有较大的能量损失，为获得较高的能量利用率所以实际泵大都采用后弯叶片。,28,4、理论流量 若离心泵的几何尺寸与转速一定，即u2、2、D2、b2为定值。即令： 则： 显然这是一个直线方程，HT随qv的变化而变化，但2可以有不同情况，按照2三种不同情况，其斜率将随2而变化。,29,当2 900，ctg2 0 B 0 ，qvHT ,30,
11、四、实际压头He,实际液体在泵内流动有各种阻力存在，会消耗能量。 所以实际压头比理论压头低,31,2-2-3 离心泵的主要参数,1、流量 qv 离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积 单位： ls或m3h 取决于泵的结构、尺寸(主要为叶轮的直径与叶片的宽度)和转速。,32,2、扬程He（有效压头） 泵对单位重量的液体所提供的有效能量。 单位：所输送液体的液柱高度m。 离心泵实际产生的压头通常是实验测定。,33,在泵的进、出口两测压点间列柏努利方程式：,距离很短，阻力可忽略不计,则：,34,3、功率和效率 有效功率Pe：单位时间内液体经泵以后实际得到的机械能 J/s or w 式中：液体密度
12、kg/m3 qv泵的实际流量 m3/s He泵的有效压头，即单位重量液体自泵处净获得的 能量 m液柱 轴功率Pa：电机输入离心泵的功率以Pa表示 总效率： 为什么泵的轴功率与有效功率不相等呢？ 因为泵将能量传递给液体的过程中，不可避免地会有能量损失。,35,离心泵的能量损失 （1） 容积损失 泵的泄漏造成 （2）水力损失 0且 叶片数目有限，产生流动阻力而引起。 （3）机械损失 泵轴与填料函、叶轮盖板外表面与液体之间摩擦。 一般小型泵的效率为50%-70，大型泵可达90左右。,36,2-2-4离心泵的特性曲线,离心泵的特性曲线是生产厂家对泵在一定转速下对20的清水测定的He-qv、Pa-qv、
13、-qv 之间的关系曲线。,37,1、He-qv曲线 离心泵的扬程随流量的增大而下降，而且在流量为零时，扬程也只能达到一定的数值。 2、Pa-qv曲线 离心泵的轴功率随流量的增大而上升，流量为零时轴功率最小。所以离心泵起动时，应关闭泵的出口阀门，使电机起动功率降低，以保护电机免因超载而受损。 3、-qv曲线 离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。,38,2-2-5 离心泵特性曲线的影响因素,1密度的影响 对He-qv与-qv 无影响，对Pa-qv 有影响 换算： 2粘度 的影响 粘度较大时对He-qv-qv 和Pa-qv 有影响，特性曲线需修正。 3转速的影响 条件：保持速度三角形相似，
14、效率相等 。 比例定律(一) ：如流量之比： 则扬程之比： 轴功率之比：,39,4叶轮直径 D的影响 比例定律(二) ： 如流量之比： 则扬程之比： 轴功率之比： 条件：保持速度三角形相似 ,效率相等 。,40,2-2-6离心泵的工作点及流量调节,一、管路特性曲线和工作点,1、管路特性曲线,取截面1-1为基准面，并在1-1截面和2-2截面之间列柏努利方程式：,Z1=0 Z2=H0,管路两端单位重量流体的势能差,41,由流体的阻力损失计算式可知：,或,输送管路中的流速为：,式中：摩擦系数 l直管长度 局部（管件或阀门）的阻力系数,当管路一定，管内流动进入阻力平方区，中括号内为一个与管内流量无关的
15、常数，记为K。,42,得：,管路特性曲线方程,表示了管路所需的压头H随输送液体的流量而变。随 qv ，H，将此关系画在压头与流量的坐标图上，即得管路特性曲线。,管路特性曲线,泵的特性曲线,43,2、工作点 带泵的管路的流量qv和压头 He由管路特性曲线和泵的特性曲线共同决定。 工作点： H = He,工作点,44,例题：用水对离心泵作试验得下列数据： qv m3/min 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 He mH2O 37.2 37 35.5 34.5 31.8 28.5 用该泵于两敞口贮槽间输水，两贮槽液面位差为4.8m，输送管路为764mm，长355m（包括局部阻力的当量长度），摩擦系数为0.03，求该泵运转时的输液量。 解：管路曲线方程式：,45,qvm3/s qvm3/min,46,qvm3/min 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 H mH2O 4.8 6.5 11.5 19.9 31.7 46.9 He mH2O 37.2 37 35.5 34.5 31.8 28.5,作图得工作点为：qv = 0.408m3/min H = 32m,47,二、离心泵的流量调节,1、阀门调节流量 特
