流体机械十一章

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1、流 体 机 械第十一章 叶片式泵与风机的理论基础 引言 泵与风机的用途及分类 第一节 泵与风机的工作原理及性能参数 第二节 离心式泵与风机的基本方程 第三节 叶轮型式对性能的影响 第四节 泵与风机的理论性能曲线 第五节 实际性能曲线 第八节 相似律与比转数 第九节 相似律的应用流 体 机 械引言： 泵与风机的用途及分类一、泵与风机的用途泵与风机在供热、采暖、通风、空调、燃气 、给排水、环境等工程中得到广泛的应用。泵与风机的作用：是将原动机的机械能转换成 为流体的压力能、位能和动能，以克服流体的 流动阻力，达到输送流体的目的。其中：用于输送水或其它液体的机械称为泵；用于输送空气或其它气体的机械称

2、为风机。流 体 机 械二、泵与风机的分类按工作原理不同，泵与风机通常分为三大类。 1.叶轮式泵与风机通过高速旋转的叶轮对流体做功，使流体获得能量。根 据流体流过叶轮时的方向不同，又可分为三种。1)离心式泵与风机离心泵的示意图见图。离心泵启动前使泵体和吸水管内充满 水，启动后叶轮高速旋转，叶轮内的水随之旋转获得能量。 同时由于惯性沿离心方向流出叶轮进入螺旋形机壳，将一部 分动能转化为压力能，通过压水管排出。这时叶轮入口处形 成真空，在大气压作用下，吸水池的水经底阀、吸水管被压 入水泵，从而压水吸水过程得以连续进行。流 体 机 械离心泵示意图流 体 机 械2)轴流式泵与风机如图是立式轴流泵的示意图

3、。叶轮由叶片和轮毂组成，在转轴带动下在圆筒形泵壳内旋转。流体由吸入管沿轴向流入叶轮，随之旋转获得能量，然后沿轴向经导叶流出。导叶固定在泵壳上不动，它的作用是消除水流的旋转运动，将动能转变为压力能。流 体 机 械3)混流式泵与风机混流式也称斜流式。流体沿轴向流入叶 轮，斜向流出，介于离心式与轴流式之 间。叶轮式泵与风机的优点是构造简单，效率 高，且易于调节。因此得到普遍应用。其 中尤以离心式泵与风机应用最多。流 体 机 械2.容积式泵与风机通过工作室容积的改变对流体做功，使流体获得能量。根据工作室容积改变的方式不同，又可分为两种。1)往复式以活塞泵为例。如图是活塞泵的示意图。曲柄连杆机构带动活塞

4、在泵缸内往复运动。当活塞由左向右运动时，工作室容积扩大，压强降低，液体顶开吸水阀进入泵缸，是吸水过程。当活塞由右向左运动时，工作室容积减小，液体受压，吸水阀关闭，顶开压水阀而排出，是压水过程。活塞不断往复运动，吸水与压水过程就不断交替进行。流 体 机 械往复式泵示意图流 体 机 械2)旋转式以齿轮泵为例，如图所示。齿轮泵有一对互相啮合的 齿轮。主动轮由原动机带动旋转，并带动从动轮反向旋 转。液体由吸液口进入，在齿的挤压下分左右沿泵壳流 向排液口。容积式泵与风机由于构造不同，各有特点，可以 应用于各种不同情况。如在锅炉房中，利用锅炉产生 的蒸汽为动力的蒸汽活塞泵，可以做为停电时锅炉的 补给水泵。

5、齿轮泵常用来做输送润滑油的油泵。流 体 机 械齿轮泵示意图流 体 机 械3.其它形式的泵与风机射流泵的工作原理是，高压工作流体A从喷嘴高速射出，使吸入室形成真空，流体B在大气压作用下进入吸入室。二者在混合室中相混，经过扩散管使部分动能转化为压力能，然后输送出去，输出的是混合流体C。射流泵的工作流体可以是高压水，也可以是高压气体，抽吸的流体可以是水、药液、空气等。射流泵的用途很广，可以做水处理工艺中的投药装置，充气、曝气装置，可以做水泵启动前排气设备，还可以与离心泵联合工作以增加离心泵的吸水高度，等等。流 体 机 械射流泵示意图1-喷嘴；2-吸入室；3-混合管；4-扩散管流 体 机 械按流体的压

6、力大小不同，泵与风机通常又可分为低压、 中压和高压三类：1. 泵的分类：低压泵 低压泵的总压头小于2.0MPa； 中压泵 中压泵的总压头在2.06.0MPa之间； 高压泵 高压泵的总压头大于6.0MPa。2.风机分类：低压通风机 低压通风机的全风压小于1.0KPa； 中压通风机 中压通风机的全风压在1.03.0KPa之间； 高压通风机 高压通风机的全风压大于3.0KPa。流 体 机 械鼓风机 鼓风机的全风压一般在10 15KPa至290340KPa之间； 压气机(压缩机) 压气机的全风压在 290340KPa以上。流 体 机 械第一节 离心式泵与风机的工作原理及性能参数一、离心式泵与风机的工作

7、原理离心式泵与风机启动前叶轮内充满流体(水泵应 预先充水)，启动后叶轮内流体在叶轮带动下旋 转，从而能量增加，同时在惯性作用下产生离 心方向的位移，沿叶片之间的通道流向机壳， 机壳收集从叶轮中流出的流体，导向出口排出 ，见图。当叶轮中流体在离心方向运动时，叶 轮入口处压强降低形成真空，在大气压作用下 ，流体由吸入口进入叶轮，使泵或风机连续工 作，这就是离心式泵与风机的工作原理。流 体 机 械二、离心式泵与风机的性能参数1.流量Q 单位时间内输送流体的数量，常用体积流量表示，单位为m3/s或m3/h等。流 体 机 械2.压头H 单位重量流体所获得的能量，即单位重量流体从泵或风机的进口至出口能量的

8、增值。进口截面单位重量流体具有的能量为出口截面单位重量流体具有的能量为流 体 机 械则泵或风机的压头为对于水泵，压头常称为扬程，常用单位为mH2O。对于风机，习惯上常用风压p表示气体能量的增值，p=H。它实际上是单位体积气体通过风机获得的能量。p的单位与压强相同，可用Pa或mmH2O表示。流 体 机 械3.功率N 原动机传到泵或风机转轴上的功率是输入 功率，称为泵与风机的轴功率，用N表示，单位为 W或kW。泵或风机的输出功率，即流体单位时间内获得的能量，称为有效功率，用Ne表示。计算式为式中 -流体的重度，kg/m3。流 体 机 械4.效率 有效功率Ne与轴功率N之比，即为泵或风机的效率，它表

9、示输入功率被流体利用的程度。5.转速n 转速即为泵或风机的叶轮每分钟的转数，单位为rpm(r/min)。泵或风机的其它性能参数，将在有关内容中论述。流 体 机 械第二节 离心式泵与风机的基本方程一、流体在叶轮中的运动及速度三角形流体在叶轮中的运动很复杂。它一方面随叶轮旋转作圆周运动，即牵连运动，另一方面沿叶片方向作相对于叶片的相对运动，二者合成为绝对运动，如图11-7所示。圆周速度u沿圆周的切线方向，相对速度w沿叶片弯曲方向，绝对速度c是u与w的向量和，即流 体 机 械流体在叶轮中的运动 (a)圆周运动； (b)相对运动； (c)绝对运动流 体 机 械流体在流道中任意点的三种速度，可以绘成速度

10、图(即速度三角形)，如图。其中圆周速度u沿圆周切线方向，用水平线段表示。相对速度w与圆周速度u的反向夹角，叫做安装角，它表示叶片弯曲的方向。绝对速度c与圆周速度u的夹角，叫做工作角，它表示流体运动的方向。速度图(速度三角形)流 体 机 械绝对速度c可以分解为径向分速度cr和切向分速度cu。径向分速度与流量有关，切向分速度与压头有关。即速度图是研究流体在叶轮内能量转换及其性能的基础。由以 后的分析得知，泵与风机的性能主要与叶轮进口及出口处的 流体运动情况有关。以后用角标“1”表示进口处的物理量， 用角标“2”表示出口处的物理量。流 体 机 械设叶轮进口直径为D1，出口直径(即叶轮外径)为D2 ，

11、叶轮转速为n，则叶轮的进口圆周速度u1及出口 圆周速度u2分别为：1.圆周速度流 体 机 械设叶轮的进口宽度为b1，出口宽度为b2，泵或风机 的流量为Q，则叶轮进口的径向分速度cr1及出口径 向分速度cr2分别为2.轴面（径向）速度式中1、2为排挤系数，考虑叶片厚度对流动通道的影响。对于水泵值在0.750.95之间。小泵取低限，大泵取高限。流 体 机 械根据圆周速度u1、u2和径向分速度cr1、cr2及叶片的安装角1、2，或者根据叶轮的转速n和流体的流量Q及叶片的安装角1、2，则可以作出叶轮进口及出口的速度图。流 体 机 械二. 离心式泵与风机的基本方程1、基本假设为了使问题简化，在推导过程中

12、采用以下几个基本假设，建 立流动模型。1)叶轮具有无限多个叶片，叶片厚度极薄。流体在叶片之间的流道中流动时，流速方向与叶片弯曲方向相同，同一圆周上流速的大小是均匀的。流 体 机 械2)流过叶轮的流体是不可压缩理想流体，流动过程中没有能量损失。3)流体在叶片之间的流道中流动时，为稳定的层 流流动。流 体 机 械2、方程式推导在以上基本假设下，应用动量矩方程推导离心式泵与风机的基本方程式。由动量矩方程得知，作用于控制体内流体上的外力对转轴的力矩等于单位时间内控制体内流体对该轴的动量矩的增量与通过控制面净流出的动量矩之和。取叶轮进口及出口圆柱面为控制面。当叶轮转速恒定时，流体运动是稳定流动，控制面内

13、流体动量矩增量为零，则外力矩等于单位时间内通过控制面流出与流入的动量矩的差值。流 体 机 械由于假设叶轮无穷多叶片，同一圆周上速度的大小是均匀的，故单位时间内通过叶轮整个出口截面流出的动量矩为：单位时间内通过叶轮整个进口截面流入的动量矩为流 体 机 械其中流量Q及切向分速度cu的角标“T”表示理想流体及无 穷多叶片，r1、r2是叶轮进口半径及出口半径。由动量矩方程得将此式两边同乘以角速度。而M=N。N是外加功率，在没有能量损失的条件下，N=HQ 。又考虑到u=r，则上式可写为流 体 机 械整理之，就得到单位重量流体获得的能量为对水泵对风机流 体 机 械这就是离心式泵与风机的基本方程，它是175

14、4年首先由欧拉提出的，故又称为欧拉方程。由欧拉方程式看出：（1） 1）理论杨论杨 程与流体的种类类和性质质无关。如对对同一 台泵泵，转转速相同，在输输送不同的介质时质时 ，所产产生 的理论扬论扬 程是相问问的。例如，输输送水时为时为 某水柱 高度，输输送其它液体时则为时则为 相应应的液柱高度。但 是由于介质质密度不同，所产产生的压压力和所需的功率 是不同的。流 体 机 械2.当 时时， （即为为法向进进口条件），得到最大的理论扬程。因此，提高转转速n，加大叶轮外径D2，和增大绝 对速度的圆周分速度，均可提高理论扬程。但加大 D2将使流动损失增加，降低泵的效率；提高转速n 则受泵汽蚀的限制。但比

15、较之下，用提高转速n来提 高理论扬程仍是当前普遍采用的主要方法； 流 体 机 械3、欧拉方程式的修正相对涡流欧拉方程式是在无限多 叶片和叶片无限薄的假 设条件下得到的。实际 上，叶轮的叶片数目只 有几片或几十片，叶片 之间的流道有一定宽度 。当叶轮旋转时，流体 由于惯性产生与叶轮转 动方向相反的相对涡流 。流 体 机 械相对涡流与沿叶片的均匀流迭加，使顺转动方向的 流道前部相对流速增大，后部相对流速减小，从而 同一半径圆周上速度分布不均匀。相对涡流流 体 机 械同时叶轮出口处相对速度 的方向向叶轮转动的反方 向偏移，由w2T偏移为 w2T。由于流量与转速不 变，即cr2及u2不变，从出 口速度

16、图。可以看出，相对速度 的偏移使切向分速度 cu2T减小为cu2T。从而有 限叶片叶轮的压头降低,可 采用涡流系数K来表示此 项影响。出口速度图的变化流 体 机 械理论和试验表明，涡流系数K与叶片数目、叶轮内径与外径的比值、流体粘度等因素有关。对于水泵常采用斯塔区金经验公式式中Z为叶片数；r1、r2为叶轮进出口半径。流 体 机 械对于风机，板式前盘、且前后盘平行的叶轮，可采用艾克经验公式计算上式适用于30250的范围。当250时，则采用下式计算流 体 机 械粗略计算时，水泵的K值可取为0.8，风机可取为0.80.85。流 体 机 械在推导欧拉方程式时，假设流体是理想流体，流动过程中没有能量损失，而实际流体都有粘性，在叶轮内流动过程中必然产生能量损失。因此实际压头H必然小于理论压头HT。我们用水力效率H考虑此项能量损失。为简便起见，以后写欧拉方程式时，将速