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1、流体输送机械介绍原作者：出处：【关键词】流体输送机械【论文摘要】化工生产都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需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车间（某地）水平地送至另一车间（另一 地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送 机械。流体输送机械概述一、化工生产中为什么要流体输送机械？化工生产都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需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车间（某地）水平地送至另一车间（另一地）。为 了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要
2、流体输送机械。二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？这是因为化工厂中输送的流体种类繁多：1、流体种类有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易挥发的、易燃易爆的以及有毒的等等；2 、温度和压强又有高低之分；3 、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。所以需要有各种结构和特性的输送机械。三、化工流体输送机械分类一般可分为四类：即离心式、往复式、旋转式和流体动力作用式。这四种类型机械均有国产产品，且大多数已成为系列化产品。四、本章讨论的主要容为了能选用一台既符合生产要求，又经济合理的输送机械，不仅要熟知被输送流体的性质、 工作条件、输送要求，同时还必须了解各种类型输送机械的工作原理、结构和特
3、性。这样才能正确地选型和合理地使用。这就是本章讨论的主要容。2-1-1离心泵的工作原理离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（如图（此图最好能实现动态）所示）。叶轮是离心泵直接对液体作功的部件，其上通常有6到12片后弯叶片（即叶片弯曲方向与旋转方向相反）。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速 旋转运动，迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用， 使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。 在泵壳，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出
4、管道。在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。 泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体，在液面压力（常为大气压）与泵压力（负压）的压差 作用下，液体经吸入管路进入泵，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排岀液体。由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液体，故名离心泵。离心泵若在启动前未充满液体，则泵存在空气，由于空气密 度很小，所产生的离心力也很小。吸入口处 所形成的真空不足以将液体吸入泵，虽启动离心泵，但不能输送液体，这种现象就称为“气缚”。所以离心泵 启动前必须向壳体灌满液体，在吸入管底部安装带滤网的底阀。底阀为止逆阀，防止启动
5、前灌入的液体从泵漏 失。滤网防止固体物质进入泵。靠近泵岀口处的压岀管 道上装有调节阀，供调节流量时使用。2-1-2离心泵的理论压头一、离心泵的理论压头从离心泵工作原理知，液体从离心泵叶轮获得能量 而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮的运动比较复杂，故作如下假设：（1） 叶轮叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动， 无任何倒流现象；（2） 液体为粘度等于零的理想流体，没有流动阻力。如图所示，叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u,其运动方向为所处圆周的切线方向；同时，
6、液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w,其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度 c为该点的圆周速度 u与相对速度 w的向量和。由图可导岀三者之间的关系：(2-1 )叶轮进口处泵的理论压头可从叶轮进出口之间列柏努利方程求得（2-3）即（2-4）式中 叶轮提供给液体的压头，m；h p 理想液体经理想叶轮后静压头的增量，mh C-理想液体经理想叶轮后动静压头的增量，mp 1、p2 液体在进、岀口处的压强，Pa；上式没有考虑进、出口两点高度不同，因叶轮每转一周，两点高低互换两次， 按时均计此高差可视为零。液体从进口运动到岀口，静压头增加的原因有二：（1）液体在叶轮受离心力作用，
7、接受了外功。质量为m的液体旋转时受到的离心力为：2F c = mR 3式中Fc 液体所受的离心力，N;R旋转半径，m；3 旋转的角速度，rad/s。质量m = 1kg时液体从进口到岀口，因受离心力作用而接受外功为：（2）相邻两叶片所构成的通道截面积由而外逐渐扩大，液体通过时速度逐渐变小，一部分 动能转变为静压能。每千克液体静压能增加的量等于其动能减少的量，即质量为1kg的液体通过叶轮后其静压能的增加量应为上述两项之和，即（2-5 ）将式（2-5）代入（2-4 ），得（2-6 ）将式（2-1 ）、（ 2-2 ）代入（2-6），得(2-7)由上式看岀，当 cosa 2= 0时，得到的压头最大。故离
8、心泵设计时，一般都使ai = 90 ，于是上式成为（2-8）此式即为离心泵基本方程式。从前图（此处图改为新课本P70）可知c2cosa2 = u 2 - c r2Ctg p 2（2-9）如不计叶片的厚度，离心泵的流量Qt可表示为QT = c r2 n Db2（2-10）式中Cr2 叶轮在岀口处绝对速度的径向分量，m/sb2叶轮岀口的宽度，mD 2 叶轮外径，m； 将式（2-9 ）及式（2-10 ）代入式（2-8 ）可得泵的理论压头与泵的理论流量之间的关系为：（2-11 ）上式为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系。二、离心泵理论
9、压头的讨论（1）叶轮的转速和直径对理论压头的影响由式（2-11 ）可看岀，当叶片几何尺寸（ b，p ）与流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮 的转速或直径的增加而加大。（2）叶片形状对理论压头的影响根据式（2-11 ），当叶轮的速度、直径、叶片的宽度以及流量一定时，离心泵的理 论压头随着叶片的形状而改变。叶片形状可分为三种：（如图）、. 2后弯叶片b2 0H- 90， ctg p 2 u 2 / g对后时,由上可见，前弯叶片产生的理论压头最高，但理论压头包括动压头及静压头两部分。弯叶片静压头提高大于动压头提高，而前弯叶片则相反。离心泵希望获得的是静压头，而不 是动压头。虽有一部分动压头可经蜗壳部
10、分转化为静压头，但在此转化过程中将导致较多的 能量损失，因此为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。（3）流量对理论压头的影响从式（2-11 ）可看岀B 2 90时，比随流量的增大而加大。 如图所示： 3 2 = 90 出与流量QT无关；3 2 90 时，比随流量 Q增大而减小。2-1-3离心泵的功率与效率一、泵的有效功率与效率泵在运转过程中由于存在种种损失，使泵的实际（有效）压头和流量均较理论值为低， 而输入泵的功率较理论值为高，设H泵的有效压头，即单位量液体在重力场中从泵获得的能量，m；q泵的实际流量，m/s ；P液体密度，kg/ m 3；Ne泵的有效功率，即单位时间液体从泵处获得
11、的机械能，W有效功率可写成Ne = QHp g由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率n，即卩二、泵损失离心泵的各种损失有：（1）容积损失由于泵的泄漏所造成的损失称为容积损失。无容积损失时泵的功率与有容积损失时泵的功率之比称为泵的容积效率nv。（2）水力损失 流体流过叶轮、泵壳时，流速大小和方向的改变以及逆压强梯度的存在引起了环流和旋涡，造成了能量损失，这种损失称为水力损失。额定流量下离心泵的水力效率nh 一般为0.8到 0.9。(3) 机械损失高速转动的叶轮与液体间的摩擦以及轴承、轴封等处的机械摩擦造成的损失称为机械损失。机械效率n m般为0.96
12、到0.99。离心泵的总效率即包括上述三部分：h = n v n h n m2-1-4离心泵的特性曲线一、特性曲线离心泵的性能参数 H、Qn及N之间并非孤立的，而是相互联系相互制约的。其具体定量关系由实验测定，并将测定结果用曲线形式表示，即为特性曲线。右图即为4B20型清水泵在转速 n = 2900转/分钟条件下测得的特性曲线。关于特性曲线由此图可见：(1) 离心泵的压头 H随流量Q的增加而降低(2) 离心泵的轴功率 N随着流量Q的增大而上升，流量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时， 应关闭泵的岀口阀门，使启动电流减小，保护电机；(3) 随着流量 Q的增大，泵的效率n也随之上升，并达到一最大值。
13、以后流量再增大，效率就下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，称为设计点。与最高效率点对应的Q H、P值称为最佳工况参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况点运转，因此一般只能规定一个工作围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右。二、离心泵的转数对特性曲线的影响离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的，当转速由ni改变为n2时，与流量、压头及功率的近似关系为当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式计算误差不大。三、叶轮直径对特性曲线的影响当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径与流量、压头及功率之间的近似关系为四、液体物理性质的影响（1）密度的影响由离心泵的基本
14、方程式可知，离心泵的压头、流量均与液体的密度无关，所以效率也不随 液体的密度而改变，但轴功率会随着液体密度而变化。（2）粘度的影响所输送的液体粘度越大，泵能量损失越多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功 率则要增大。2-1-5离心泵的工作点与流量调节一、工作点离心泵的特性曲线是泵本身固有的特性，它与外界使用情况无关。但是，一旦泵被安排在一定的管路系统中工作时，其实际工作情况就不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特性。所以，要选好和用好离心泵，就还要同时考虑到管路的特性。在特定管路中输送液体时，管路所需压头He随着流量 Q的平方而变化。将此关系绘在坐标纸上即为相应管路特性曲线。若将离心泵的特性曲线与其所在管路特性曲线绘于同一坐标纸上，如图所示，此两线交点 M称为泵的工作点。 选泵时，要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又正好是离心泵所提供的，即 Q = Qe， H = He。二、流量调节（1）改变阀门的开度改变离心泵出口管线上的阀门开关，其实质是改变管路特性曲线。如图所示，当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由M移至M，流量由Q减小到Qm。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点移至M，流量加大到用阀门调节流量迅速方便，且流量可
