风机与管网系统的匹配

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1、409第十三章 泵、风机与管网系统的匹配第一节 泵、风机在管网系统中的工作点一、 管网特性曲线1. 阻力特性如前所述，对于枝状管网，按照管段串、并联关系，可将管网简化为一个管路。管网中流体的流动阻力与流量之间的关系为 2SQp式中， 是管网的总阻抗，与管网的几何尺寸、沿程阻力系数、局部阻力S系数、流体密度有关。当这些因素不变时， 为常数。2. 管网特性曲线图 13-1 管路系统示意图如图 13-1 所示的管路，根据能量方程，流体从管路进口 1-1 断面流至出口 2-2 断面所需的能量 可用下式表示：ep(13-1)pgZvpgZve 121222当两断面的动压差值与其它相比较小时，忽略此项，则

2、有：(13-2)212 SQpp stste 式中 管路出入口两端的压强差，Pa 。 当管网处于稳定运行工况st时， 与流量无关。st410与测压管水头对应的压强差 以 表示12Zgpstp由于枝状管网可以简化为一个管路，因此， （13-2）式也反映了枝状管网的特性，它表明了管网中流体流动所需的能量与流量之间的关系。将这一关系在以流量为横坐标、压强为纵坐标的直角坐标系中标绘成曲线，即为管网特性曲线，见图 13-2。图 13-2 广义管网特性曲线图闭式管网系统，当流体密度不变时， , ，此时若 ，21Z21g21p则 。暖通空调工程中的通风空调管网系统，常常是从大气中吸入空气送0stp入房间，或

3、从房间中吸气后将其排至室外，这类管网系统，也近似有 。0st这时，管网特性曲线方程为：（13-3）2SQpe图 13-3 狭义管网特性曲线图绘制成曲线如图 13-3，被称为狭义管网特性曲线，而图 13-2 则被称为广义411特性曲线。二者的根本区别在于阻力变化特性不同。广义管网特性曲线表明这类管网的阻力由两部分组成，一部分不随流量变化，另一部分与流量的平方成正比。由于这两部分阻力的变化规律不同，当泵或风机的工况沿管网特性曲线变化时，工况点之间不满足泵或风机的相似律。而狭义管网特性曲线则表明这类管网的全部阻力与流量的平方成正比，当泵或风机的工况沿管网特性曲线变化时，遵守泵或风机的相似律。这里特别

4、需要强调的是，不能绝对的认为闭式管网特性曲线一定是狭义的。广义还是狭义的关键不在于管网是开式，还是闭式，而在于管网输送流体时，重力作用能否忽略。闭式管网中，当重力作用不能忽略时，其特性曲线也是广义的。在输水管网中，压力及扬程往往直接用水柱高度表示，因此，管网特性曲线通常写成：(13-4)2SQHst二、管网特性曲线的影响因素影响管网特性曲线形状的决定性因素是阻抗 。 值越大，曲线越陡。当流量采用体积流量单位时，管段阻抗 的计算公式为：S， （kg/m 7） （13-5）428iiidl当流量采用质量流量单位时，管段阻抗的计算式为：（kg.m） -1 （13-6）428iiidlS根据 的计算公

5、式可知，影响 值的参数有：沿程阻力系数 、管段长度 、S l管径( 或当量直径) 、局部阻力系数 、流体密度 。其中 取决于流态和管d路的粗糙程度。由流体力学知，当流动处于紊流粗糙区时， 仅与 有关。dK/在管路条件一定时， 值可视为常数，则有：(13-7),KdlfS由式(13-7)知，当管网系统安装完毕，管长、管径、局部阻力系数在不改变412阀门开度的情况下，都已为定数，即 为定值。对某一具体的管网，其管网特S性就被确定。反之，一旦改变式 (13-7)中的任一参数，将改变管网特性。由于正比于 , , ，反比于 。所以当管网系统较长、管径较小、局部阻力SKld（弯头、三通、阀门等）部件较多、

6、阀门开度较小、管内壁粗糙度较大、流体密度较大都会使 值增加，即管网特性曲线变陡；反之则使 值减小，管网特S S性曲线变缓。在管网系统设计和运行中，常常通过调整管路布置、改变管径大小或调节阀门的开度等手段来达到改变管网特性，使其适应用户对流量或压力分布要求目的。三、管网系统对泵、风机性能的影响泵、风机一般是装设在管路系统中，与管路共同工作的。此时，泵、风机的特性曲线不仅取决于泵、风机本身，也和它们与管网的连接情况有关。产品样本给出的某种类型、规格的泵、风机的性能曲线，是在某种标准条件下测试得到的。在实际使用中，工作流体的密度、转速等参数很可能与测试条件不同，此时可根据相似律进行性能参数的换算。由

7、于泵（风机）是在特定的管网中工作，其进出口与管网的连接情况一般与性能试验时不同，这同样会导致泵（风机）的性能发生改变（一般会下降） 。例如，入口连接方式不同于标准测试条件时，则进入泵（风机）的流体其流向和速度分布与标准试验则有很大的不同（见图 13-4） ，因而导致其内部能量损失发生变化（一般情况为能量损失增加） ，泵、风机的性能下降。上述现象称为“系统效应”。 “系统效应”对风机的影响更为显著。图 13-4 风机入口不同连接形式的气流示意图（1） 入口系统效应风机入口不同接管形式的气流示意图如图 13-4 所示。入口采用不同类型的413圆形弯管、方形弯管， “系统效应 ”的影响不同。如果弯管

8、长度选用得当，有利于入口气流均匀，可以消除入口系统效应。为减少占地面积，将入口管道直接与风机入口相连（如图 13-4（b） ） ，这将产生较大的压力损失。而且，管道长宽比的不同也会影响风机性能。有资料显示，不合理的入口连接方式导致能量损失占总量的 45%。而经过专门制作的入口风箱（如图 13-4（c ）的入口连接方式） ，可以大大减小或消除这种入口系统效应。另外，轴流风机的入口弯管在风机运行期间有可能使气流不稳定。这种系统效应会损伤风机，建议入口弯管安装在离风机入口三倍管径以外。造成上述影响的原因是当风机与入口管网连接时，造成叶轮进口流场不均匀，叶轮内流动恶劣，损失增加，性能下降。另一方面，当

9、风机在管网中接入吸气管路时，风机吸气口绝对压强降低，入口气体密度减小，致使风机的作功能力下降，即风机的性能曲线将随进口阻力损失的变化，对应变化。此时风机的流量-全压曲线、流量-功率曲线和流量-效率曲线都有下降趋势，变化示意图见图 13-5。图 13-5 接有吸入管路对风机运行曲线的影响示意图（2） 出口系统效应414计算 100%的效应管道长度：如果风速是 12.5m/s 以下取 2.5 倍管径为长度，那么风速每增加 5m/s,长度增加 1 倍管径。例：风速 25m/s,取 5 倍管径为 100%效应管道长度。若管道为矩形，边长分别为 a,b，当量直径可按 d=4ab/(a+b)0.5 计算。

10、无管道 12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长压力恢复 0% 50% 80% 90% 100%鼓风机断面面积/出口断面面积系统效应曲线0.4 P R-S U W 0.5 P R-S U W 0.6 R-S S-T U-V W-X 0.7 S U W-X 0.8 T-U U-W X 0.9 V-W W-X 1.0 图 13-6 接不同长度出口管道的系统效应曲线图 13-6 显示了风机出口管道截面速度的变化规律。自风机出口截面不规则的速度分布，到管道内气流速度规则分布的截面之间的管段长度，称为效应管段长度；为避免能量损失，不应在此长度内安装形状突变的管件或设备。在效应管段长度范

11、围内断面的任何改变，均导致风机性能的降低。图 13-6 中给出了415效应管段长度值的确定方法，风机出口流速在 4.514m/s 之间，其对应风机系统效应曲线如图 13-7 所示。选择风机时，一般取气流速度为 10m/s 左右，鼓风断面与出口断面之比在 0.70.8 范围内。图 13-7 系统效应曲线当风机出口有弯头时，一般在靠近柔性接头处连接。当其出口直管段长度小于效应管段长度时，必须考虑由此产生的系统效应，图 13-7 与图 13-8 配合，可用于此类计算，其损失值取决于弯头的安装位置、方向。这种影响导致风机出口速度产生较大的变化，从而增加损失，同时由此还可能产生不稳定气流。由上述分析可见

12、，泵、风机在管网中的实际特性曲线与标准实验得到的性能曲线不同。416图 13-8 不同出口管道形式的系统效应曲线SWSI 风机系统效应曲线列表鼓风断面面积/出口断面面积出口弯管位置无出口管道12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长A N O P-Q SB M-N N O-P R-SC L-M M N Q0.4D L-M N N QA O-P P-Q R TB N-O O-P Q S-TC M-N N O-P R-S0.5D M-N N O-P R-SA Q Q-R S UB P Q R TC N-O O Q S0.6D N-O O Q SA R-S S T VB Q-R R-

13、S S-T U-VC P Q R-S T0.7D P Q R-S TA S S-T T-U WB R-S S T VC Q-R R S U-V0.8D Q-R R S U-VA T T-U U-V WB S S-T T-U WC S S S-T V0.9D R S S-T V无系统效应因素417A T T-U U-V WB S-T S-T U WC R-S S T V1.0D R-S S T V四、泵、风机在管网系统中的工作状态1泵、风机在管网系统中的工作点将泵、风机在管网系统中的实际性能曲线中的流量全压曲线与其接入管网系统的管网特性曲线，以相同比例绘制在同一直角坐标系内，两条曲线的交点，即为

14、该泵（或风机）在管网系统中的工作点，或称运行工况点，如图 13-9中的 点。在这一点上，泵（风机）的工作流量即为管网中通过的流量，提供A的压头与管网在该流量下的阻力相一致（该管网的 ） 。0stp图 139 管网系统中泵（风机）的工作点泵、风机在管网中的工作点是由其自身的性能和管网特性共同确定的。泵、风机的特性曲线表明，泵、风机可以在多种不同的流量和全压的工况下工作，然而，在某一时刻，在实际管网系统中运行时，它只能工作在性能曲线上的某一点上，此时泵、风机的工作流量即为管网中通过的流量，提供的能量与管网中流体流动所需要的能量相平衡。2. 泵、风机的稳定工作区和非稳定工作区大多数泵或风机的 曲线呈

15、单调下降趋势，这种情况下运行工况是稳定p-Q的。图 13-9 中，当风机流量 小于管路流量 时，其全压（或扬程） 大BAQBH于管路阻力 。此时多余的能量将使流体加速，流量加大，工作点将自动由AH418移向 。反之，如泵（风机）在 点工作，流量 大于管路流量 ，其扬BACCQA程（或全压）小于管路阻力，则流体减速，流量减小，工况点自动由 移向 。C可见， 点是稳定工作点。图 13-10 泵（风机）的不稳定工况某些低比转数的泵或风机，其 性能曲线是驼峰形，如图 13-10。此类HQ泵（风机）的性能曲线与管网性能曲线有两个交点 和 。由上述讨论可知DE点是稳定工作点。而 点是不稳定的工作点。DE当泵（风机）稍受干扰时（如电压波动） ，流量由 点向流量增大的方向偏离时，泵（风机）的扬程（或全压）大于管路阻力，管路中流速加大，流量增加，工作点继续向流量增大的方向移动，直至点 为止。当干扰导致 点向流DE量减小方向偏离时，工作点就继续向流量减小的方向移动，直至流量等于零为止。因此，泵（或风机）一旦受到干扰，工作点就向右或向左移动，再也不能回到原来位置 点，故 点称为不稳定工作点。E泵或风机具有驼峰形性能曲线是其产生不稳定运行的原因。对于这一类泵或风机应使其工作点保持在 曲线的下降段，以保证运行的稳定性。HQ综上所述，对于具有驼峰形性能曲线的泵（风机）而言，在其扬程（或全压）峰值点的