流体力学泵与风机原理与构造

上述矢量关系可以形象的用速度三角形表示：
当叶轮流道几何形状及尺寸确定后，若 已知叶轮转速n，流量Q，即可求得叶 轮内任何半径r上某点的速度三角形。 流体圆周速度u为： 由于叶轮流体流量等于径向速度 乘以垂直于径向速度的过流断面 积。即有：
其中： ε——叶片排挤系数，反映了叶片厚 度对流道过流面积的遮挡程度 b——过流断面宽度
在1-1与0-0断面列伯努 利方程如下：
将0-0断面作为基准面， 则有：
0 0
1 1

为了避免发生气蚀，实际的Hs值要＜允许吸入 真空高度[Hs]值,即有 Hs<= [Hs]=Hsmax-0.3m

在知道泵的允许吸入真空度[HS]条件下，计算允许水 泵安装高度，而实际的水泵安装高度Hg<允许安装高 度[Hg]。
一般，在抽吸含有悬浮物的污水泵中，为了避免堵塞， 有事采用开式或半开式叶轮，此种叶轮特点是也变少， 仅2~5片，而封闭式的6~8片，多的达到12片。


离心式泵的泵壳常铸成蜗壳形， 其过水部分要求有良好的水利 条件。 作用：将叶轮封闭在一定的空 间内，汇集引导液体的运动， 并将液体的大部分动能转化为 静压能。（这是因为：随叶轮 旋转方向，叶轮与泵壳间的空 隙逐渐增大，至出口时达到最 大，使能量损失减少的同时， 静压能达到最大，实现能量的 转化。）

问题：


1、离心式泵的工作原理 2、离心式泵与离心式风机的不同 3、离心式风机的基本构造 4、离心式泵的基本构造

由于水泵产生的压头比风机的大， 所以其构造也较风机的复杂。 离心式泵主要由：叶轮、泵壳、 泵座、密封环和轴封等装置构成， 如图所示

叶轮是离心式泵的主要部件 如下图：

产生原因： 1、泵的安装位置高处吸液面高度太大 2、泵安装点的大气压强较低 3、泵输送的液体温度过高 危害： 气蚀持续发生，气泡大量产生，水泵过流断面减小 及流量降低，水流状态破坏，泵的能量损失增大， 扬程降低，效率下降，严重时会停止出水，泵空转。

问题：如何确定泵的安装高度呢？
有
r2


1、在分析泵与风机的基本方程时，首先提出的三 个理想假设是什么？ 2、习题9-1
一、离心式泵与风机的理论性能曲线 有泵与风机的扬程、流量和功率等性能是相互影响 的，所以通常用以下三种函数关系式来表示这些性 能之间的关系： I. 流量和扬程之间的关系，H=f1(Q) II. 流量与所需外加轴功率关系，N=f2(Q) III. 流量与设备效率的关系，η=f3(Q) 从欧拉方程出发，可以在理想条件下得到： HT=f1(Q) NT=f2(Q)
两个圆盖 盖板间若干弯曲叶片 轮毂（轮毂中间有穿 轴孔与更周相连接）
1、前盖板 2、后盖板 3、叶片 4、流道 5轮分为单吸叶轮和双 吸叶轮两种，目前该类泵多采用铸铁、钢管和青铜材 料制成。 根据盖板情况，将离心式泵的叶轮分为封闭式叶轮、 敞开式叶轮和半开式叶轮三种。 1、凡具有两个盖板的叶轮称为封闭式叶轮，该种叶轮 应用最广，单吸式和双吸式均属于封闭式叶轮； 2、只有叶片没有完整盖板的叶轮，称为敞开式叶轮； 3、只有后盖板，没有前盖板的叶轮，称为半开式叶轮；

5、转速 转速：泵与风机的叶轮每分钟的转数，记为n，单 位：r/min 厂家为了方面用户使用，提供了两种性能资料： 一是泵样本。样本中除了提供泵的结构尺寸外，主 要提供一套各性能参数之间关系的性能曲线以及性 能表，以便用户了解该泵的性质。 二是在每台泵或风机的机壳上都钉有一块铭牌，上 面简明的列出该泵或风机在设计转速下运转时，效 率为最高时的流量、扬程、转速、电动机功率及允 许吸上真空高度。



因此，研究流体质点在叶轮中的流动时，首先 应明确两个坐标系：旋转叶轮是动坐标系，固定的 机壳是静坐标系。 流动的流体在液槽中的速度w沿叶片而流动，这是 流体质点对动坐标系的运动，称为：相对运动； 流体质点有一个随叶轮进行旋转运动的圆周速度u， 这是流体质点随旋转叶轮对静坐标系的运动，称为： 牵连运动。 三者之间的关系： v=w+u
水力 损失 冲击 损失
实际运行流量与设计流量不符，相对速度方 向就不再同叶片进口安装角的切线一致，发 生冲击损失
水力效率
其中：


容积损失的原因： 1、机内存在高压和低压区 2、结构上运动部件与固定部件之间存在缝隙，高 压流通过缝隙跑到低压区，能量未有效利用。 3、离心泵为平衡轴向轴向推力设平衡孔引起的泄 漏回流，如书图9-24。

显然，要提高容积效率，就必须减小回流量： 措施一：增加密封装置的阻力 措施二：减小密封环的直径

泵或风机的机械损失包括： 一是轴承和轴封的摩擦损失 二是叶轮盖板选转时与机壳内流体之间发生的所谓圆盘 摩擦损失

依据泵与风机内部的各种损失，对理论性能曲线逐步进 行修正，可得出泵与风机的实际性能曲线。

前面研究是不计各类损失的理想曲线，实际过程中， 只有考虑机内损失，才能得出实际的性能曲线。然 而机内流动情况复杂，还不能用分析的方法去精确 计算这类损失，所以各厂通过实验直接进行测量性 能曲线。

泵或风机的能量损失根据产生原因分三类：水力损 失，容积损失和机械损失。
流体经过入口进入叶片进口之前， 发生摩擦及90o转弯引起的损失 摩阻 损失 局部损失 沿程损失 叶轮中的沿程损失 流道中流体速度、方向变化及离开叶片出口 等局部损失 流体离开叶轮进入机壳，动压变为静压的转 换损失； 机壳出口损失



离心式泵与风机的基本性能通常用下列参数表示： 1、流量 单位时间内泵与风机所输送的流体量称为：流量 常用体积流量字母Q表示，单位m3/s或m3/h。 若为质量流量，则用Qm表示，单位Kg/s或t/h。 两者之间关系： Qm=ρQ 2、泵的扬程与风机全压 流经泵的出口断面与进口断面单位质量流体所具有 总能量只差除以重力加速度称为：扬程，记为：H， 单位m.
泵壳顶上设有充水和防 水的螺孔，以便在水泵 启动前用来充水和排走 泵壳内的空气。
底部设有放水的方螺栓， 以便停用和检修时排水



用来旋转叶轮并传递转矩。 常用的材料是碳素钢和不锈钢。 泵轴应有足够的抗扭强度和刚度，它与叶轮用键连接。

泵座上有与地板和基础固定的法兰孔，有收集轴封 滴水的水槽，轴向的水槽底部设有泄水槽，以便随 时排出由填料盖内渗出的水。



叶轮工作时，所排出的理论流量为： QT=vr2F2 带入

得：
对于大小一定的泵与风机来说，转速不变是，上式 中u2,g,F2,β2,均为常数。 令 可得：



根据上式，斜率为-Bcotβ2，截距为A的直线方程， 根据斜率的不同可以画出如图所示的图像。 当QT=0时， HT=A=u22/g 从图中可以看出： 前向叶型扬程最大， 后项叶型扬程最小， 径向处于中间

Hg< [Hg]=

<=

Hg<

Hg<

目前，对泵内流体气泡现象的理论研究或计算，大多数还是以液体汽 化压强 作为初生气泡的临界压力。所以为避免发生气泡现象，至少
应该使泵内液体的最低压强大于液体在该温度时的汽化压强。

泵内液体压强的最低点并不在泵的吸入口，而是在叶片进口的背部K点 附近，如图11.8所示。这是因为液体进入水泵尚未增压之前，由于流 速增大及流动能量损失，使压强继续降低。若K点的压强 等于或小
于该处液体温度下的汽化压强 pv时，就会引起气蚀。

把泵进口处单位重量液体所具有超过饱和蒸汽压力的富裕能量称为气 蚀余量，以符号 h表示，单位为m。


一、泵的气蚀现象 定义：泵工作时，当叶轮入口某处的压强低于水在 工作工作时的气化压强时，水就会气化，产生大量 气泡；由于压强底，原溶解于水中的某些活泼气体 也析出。这些气泡随液体进入泵内高压区，由于压 强较高，气泡破灭，在局部地区产生高频、高冲击 力的水击，打击泵内部件（尤其是叶轮），因此泵 出现振动和噪声，在叶轮表面形成麻点和斑痕。此 外在凝结热的作用下，活泼气体还会对金属发生化 学反应，以致金属表面发生块状脱落。
流经风机出口断面与进口断面单位体积流体具有的总 能量之差称为：风机的全压，记为：P，单位： Pa 3、功率 有效功率：表示单位时间内流体从离心式泵与风机 中所获得的总能量，记为：Ne,单位：kW Ne=ϒQH=Qp ( ϒ称为重度，KN/m3) 轴功率：原动机传递到泵与风机轴上的输入功率， 记为：N，单位为KW 4、效率 泵与风机的有效功率与轴功率之比为总效率， 记为：η η=Ne/N 反映损失的大小或输入的轴功率被利用的程度，效 率越高，损失越小。


理想条件下，有效功率即为轴功率 Ne=NT=ϒQTHT 将 带入上式可得：

其中： C=Aϒ；D=Bϒ；
从图中可以看出，前向叶型的泵 或风机所需的轴功率随流量的增 加而增长的很快，因此，这种风 机在运行时，如果流量增加，原 动机超载的可能性比径向的要大 得多，而后向一般不会超载。

减漏环也叫承磨环或密封环。 作用：用来减小高速转动的叶轮和固 定的泵壳之间的缝隙，从而减少泵壳 内高压区泄漏到低压区的液体量。


轴与泵之间的间隙处设置的密封装置叫做轴封 常用的轴封有：填料轴封（应用最广）、骨架橡胶 轴封、机械轴封和浮动环轴封。


单吸式离心泵，由于叶轮盖板不对称性，当泵工作时， 作用于盖板上的力不平衡，导致作用于叶轮上有一个推 向吸入端的轴向力∆P，如图。导致叶轮的轴向位移与 泵壳发生磨损，水泵消耗的功率也增大，效率降低。 看书P202,各类泵如何设置平衡装置。




1、离心式泵产生轴向推力的原因是什么？有何危 害性？一般采取什么措施？ 2、离心式泵与风机的基本性能参数有哪些？



本节将从流体在叶轮中运动 着手，导出外加轴功率与流 体所获得的能量之间关系的 理论依据。 一、流体在叶轮中的运动 当叶轮旋转时，流体沿轴向 以绝对速度v，自叶轮进口 处流入，流体质点流入叶轮 后，就进行着复杂的复合运 动。