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1、第5章 泵与风机的理论基础5.1离心式泵与风机的基本结构5.1.1离心式风机的基本结构离心式风机的主要部件有叶轮和机壳（如图）图5-1-1 离心式风机主要结构分解示意图1吸人口； 2叶轮前盘；3叶片；4一后盘；于一机壳; 出口； 7节流板，即风舌；8支架一、叶轮由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。前盘的形式有多种，如图示。图$亠2叶轮结构形式示番圈平前盘叶轧锥形前盘叶您（C）勰前盘叶亀（J）双吸叶艳叶片是主要部件。按叶片的出口安装角分类：有前向叶片、后向叶片、径向叶片前向轻向后向图5-1-3前向，径向和后向叶轮示意图叶片的形状有：平板型、圆弧型和中空机翼型（如图）。（a）（匚）（d）图5-1-4叶片
2、形状（小平板叶片；圆弧窄叶片；（C）圆弧叶片；（刃机翼型叶片二、机壳由蜗壳、进风口和风舌等零部件组成。1）蜗壳蜗壳是由蜗板和左右两块侧板焊接或咬口而成。 作用：是收集从叶轮出来的气体；引至蜗壳的出风口，把风输送到管道中或排到大气; 有的风机将风的一部分动压通过蜗壳转变为静压。2）进风口 进风口又称集风器，它保证气流能均匀地充满叶轮进口，使气流流动损失最小。离心式泵与风机的进口有圆筒形，圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形等多种。如图示。Y(c)*74图5-1-5不同形式的进气口圆筒形；圆惟形；（c）孤形；锥筒形；弧筒形；（/） W四.三.进气箱一般只在大型或双吸的离心式风机上使用。前导器在大型
3、离心式风机或要求性能调节的风机的进风口或进风口的流 道内装置前导器。前导器有轴向式和径向式两种。五、扩散器扩散器装于风机机壳出口处，其作用是降低出口流体速度，使部分 动压转变为静压，有圆形截面和方形截面两种。5.1.2离心式泵的基本结构（如图）一. 叶轮叶轮分为单吸叶轮和双吸叶轮两种； 目前多采用铸铁、铸钢和青铜制成； 叶轮按其盖板情况又可分为封闭式叶轮、 三种形式，如图所示。敞开式叶轮和半开式叶轮OF(G图5-1-7 叶轮形式半开式叶轮（“）封闭式叶轮；敞开式叶轮；（C二、泵壳三、泵座四、轴封装置图殳1-6单级单吸式离心泵的构造1泵壳；2泵轴；3叶轮；4吸水管；5压水管；6底阀；7闸阀；8灌
4、水漏斗；9泵座5.2离心式泵与风机的工作原理和性能参数521离心式泵与风机的工作原理叶轮随原动机的轴转时，叶片间的流体也随叶轮高速旋转，受到离 心力的作用，被甩出叶轮的出口。被甩出的流体挤入机（泵）壳后，机（泵）壳内流体压强增高，最 后被导向泵或风机的出口排出。同时，叶轮中心由于流体被甩出而形成真空，外界的流体在大气压 的作用下，沿泵或风机的进口吸入叶轮，如此源源不断地输送流体。5.2.2离心式泵与风机的性能参数df the pumprthe仙ng怖阖I眸into the w阪眾葺眄 wdute-shaped hwsiog.（ 1隹SyrigNi: R_ Paul Singh一、流量单位时间内
5、泵与风机所输送的流体的量称为流量。常用体积流量并以字母Q表示，单位是m3 / s或m3 / h。二. 泵的扬程与风机的全压流经泵的出口断面与进口断面单位重量流体所具有总能量之差称为泵的扬程。用字母H表示，其单位为m。山东建筑大学备课纸-流经风机出口断面与进口断面单位体积的气体具有的总能量之差 称为风机的全压或（压头）。用字母P表示，单位为Pa。三. 功率（1）有效功率有效功率表示在单位时间内流体从离心式泵与风机中所获得的总 能量。用字母Ne表示，它等于重量流量和扬程的乘积：Ne=Y QH= QP （ w 或 kw）（2）轴功率原动机传递到泵与风机轴上的输入功率为轴功率，用字母N表示。 四泵与风
6、机总效率泵与风机的有效功率与轴功率之比为总效率，常用字母n表示。n =Ne/N 五转速转速指泵与风机的叶轮每分钟的转数即r / min,常用字母n表示。 5.3离心式泵与风机的基本方程一欧拉方程5. 3. 1绝对速度与相对速度绝对速度是指运动物体相对于静止参照系的运动速度；相对速度则是指运动物体相对于运动参照系的速度；牵连速度是指运动参照系相对于静止参照系的速度。v = w + u532流体在叶轮中的运动与速度三角形、当叶轮旋转时，在叶片进口 “1”或出口 “2”处，流体一方面 随叶轮旋转作圆周牵连运动，其圆周速度为u；见图。图5-31叶片进口和出口处的另一方面又沿叶片万向作相对流动，其相对速
7、度为W；流体在进、出口处的绝对速度v应为W与u两者之矢量和。为了便于分析，将绝对速度v分解为与流量有关的径向分速度 vr和与压力有关的切向分速vu。径向分速度的方向与半径方向相同，切向分速与叶轮的圆周运流动为恒定流流体为不可压缩流体叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄流体在整个叶轮中的流动过程为一理想过程，即泵与风机工作时没有任何能量损失对于那些与实际情况不符的地方，对计算结果再逐步加以修正。 欧拉方程的导出：动量矩定理：质点系对某一转轴的动量矩对时间的变化率，等于作 用于该质点系的所有外力对该轴的合力矩M。(r v - r v )2 u2 To1 u1 Tor=u/ro(U2T v 2
8、T - U1T v . T )/32To u2 To 1To u1 To动方向相同。将上述流体质点诸速度共同绘制在一张速度图上（如图），就是流体质点的速度三角形图。图5-3-2流体在叶轮中运动 的速度三角形速度v和u之间的夹角叫做叶片的工作角a，P为安装角。 5.3.3离心式泵与风机的基本方程一欧拉方程假定把它当做一元流动来讨论，也就是用流束理论进行分析。这 些基本假定是：（1）（2）（3）（4）角标“T”表示流动过程理想，“o ”表示叶片为无限多，“1”表 示叶轮进口参数，“2”表示叶轮出口参数。则QT o表示流体在一个理想流动过程中流经叶片为无限多的 叶轮时的体积流量在每单位时间内流经叶轮
9、进出口流体动量矩的变化则为：p QT （r v T - r“v “ T ）CO1 u1co* o 2 u2 .合力矩为：M=p Qt丄cou=ror,M= p Qt丄co有效功率等于流体的合外力矩M与角速度之积：N=M 3 p Qto （u2Tovu2To - u1To vu1 To）=Y QToHT经移项，得理想化条件下单位重量流体的能量增量与流体在叶轮中 的运动的关系，即欧拉方程：2To u2 Toco u1T coHT8=（U2T8Vu2 Ts - U1TVuiT_）/g欧拉方程的特点：1. 推导基本能量方程时，未分析流体在叶轮流道中途的运动过程，得 出流体所获得的理论扬程HT 00，仅
10、与流体在叶片进、出口处的速度 三角形有关，而与流动过程无关。2. 流体所获得的理论扬程HT o与被输送流体的种类无关。5.3.4欧拉方程的修正基本假定（1）流动为恒定流（2）流体为不可压缩流体在实际中可以达 到；假定（3）叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄是不可能的；这将在叶道内产生轴向涡流，速度也不均匀。（涡流实验如图），涡流对欧拉方程的影响如图示。在叶道的出口处，涡流使Vu2To减小Vu2T，在叶道的进口处，涡流使VulTo增加为Vu1T （如图），对有限多叶片的泵与风机的理论扬程为：HT=（ u2TVu2 T - u1TVu1T）/g设K=Ht/Ht VI，为环流系数，一般取0.7
11、50.85，它说明了涡流 TTo的影响。当 a 1=900 时，vu1T=0,则HT = u2TVu2T /g图5-3-5在叶轮出口处流体速度的偏移5.3.5欧拉方程的物理意义在速度三角形中，由余弦定理得：W2=U2+V2-2U2V2COSa = U2+V2-2U2Vu2， 于是 u2vu2= (u22+v22 - w22)/2 u.v = ( u2+v2 - W2)/21 u1111代入欧拉方程得：TT u2 一 u2 W2 一 W2 v2 一 V2H =1 H 12 H21-T2 g2 g2 g第一项表示流体在叶轮内旋转时产生的离心力所做的功； 第二项表示由于叶道展宽，相对速度降低而获得的
12、压能； 第三项表示动压水头增量列叶轮进、出口两断面能量方程乙+如+址+H =7 +匕+遊1/ 2g T 2/ 2g (5-3-5)(5-3-6)因叶轮进出口断面是同轴的圆筒面，其平均位能相等，故有比较(5-3-4)与(5-3-5)式有2279=*2 - “13-32_p2 pTi 2g2g -i(5-3-4)式中右边的第三项是单位重量流体的动能增量，也叫动压水头增量，即：-jV2 Hia = _ 2g(5-3-7)通常在总扬程相同的条件下，该项动压头的增量不宜过大。虽然，人们利用导流器及 蜗壳的扩压作用，可取得一部分静压水头，但其流动的水力损失也会增大。5.4泵与风机的损失与效率5. 4. 1
13、流动损失与流动效率1、流动损失根本原因：流体具有粘性A、进口损失流体进入叶道之前发生了预旋转，叶片做功减小，使气流角发生了旋 转，理论扬程下降。B、撞击损失当实际运行流量与额定流量不同时，相对速度的方向不再与叶片进E、流动总损失AP卫即或AH卫X2hi 2hi 2 g2、流动效率实际扬程或全压与其理论扬程或全压之比叫做流动效率。H AH 卡P -AP耳=Th 或 = T hhHhPTT5. 4. 2泄露损失与泄露效率1、泄露损失（1）形成原因A、外泄露。可忽略。B、内泄露包括从平衡孔和叶轮与进气孔间隙泄露的流量。图5-4-1机内流体泄 漏回流示意图（2）间隙：取（1/1001/200） D2（
14、3）泄露量：全压定义为：AP12=pv2 = pu2 P232stq =兀 D 8a 2u1 22、泄露效率5. 4. 3轮阻损失与轮阻效率1、轮阻损失定义：当叶轮旋转时引起流体于叶轮前、后盘外侧面和轮缘与周 围流体的摩擦损失轮阻损失总功率N = 0P u 3 D 2 X 10-3( KW)r222、轮阻效率耳二Ni - Nr其中Ni为内功率r Ni5. 4. 4泵与风机的功率和效率1、功率(1) 有效功率Ne输送体积流量为Q的流体，在单位时间内从泵与风机中所获得的 总能量，称为有效功率，即：Ne=PQ/1000 (KW)(2) 内功率Ni包括流动损失、轮阻损失和内泄漏损失等实际消耗于流体的功率为 内功率，即Ni = (P 十厶 Ph) (Q+q)+Nr (kw)(3) 轴功率Ns泵与风机的输入功率称为轴功率，它等于内功率Ni与机械传动损 失 Nm 之和，即 Ns= Ni+Nm (kw)2、
