泵与风机的叶轮理论与性能(张胜亮)

第二节泵与风机的叶轮理论一、离心式泵与风机的叶轮理论离心式泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片就对流体做功，从而使流体获得压能及动能。

因此，叶轮是实现机械能转换为流体能量的主要部件。

(1) 离心式叶轮叶片型式对HT∞的影响一般叶片的型式有以下三种：叶片的弯曲方向与叶抡的旋转方向相反，称为后弯式叶片。

叶片的出口方向为径向，称径向叶片。

叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相同，称为前弯式叶片。

前弯式叶片产生的能头最大，径向式次之，后弯式最小。

对流体所获得的能量中动能和压能所占比例的大小比较可知：后弯式叶片时，流体所获得的能量中，压能所占的比例大于动能；径向式叶片做功时，压能和动能各占总能的一般；前弯式叶片做功时,总能量中动能所占的比例大于压能。

那么，对离心泵而言，为什么一般均采用后弯式叶片，而对风机则可根据不同情况采用三种不同的叶片形式，其原因如下：在转速n、叶轮外径、流量及入口条件均相同的条件下，前弯式叶片产生的绝对速度比后弯式叶片大，而液体的流动损失与速度的平方成正比。

因此，当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时，其能量损失比后弯叶片大。

同时为把部分动能转换为压能，在能量转换过程中，必然又伴随较大的能量损失，因而其效率远低于后弯式叶片。

反之，前弯式叶片有以下优点：当其和后弯式叶片的转速、流量及产生的能头相同时，可以减小叶轮外径。

因此，可以减小风机的尺寸，缩小体积，减轻质量。

又因风机输送的流体为气体，气体的密度远小于液体，且摩擦阻力正比于密度，所以风机损失的能量远小于泵。

鉴于以上原因，在低压风机中可采用前弯式叶片。

二、轴流式泵与风机的叶轮理论（一）、概述轴流式和离心式的泵与风机同属叶片式，但从性能及结构上两者有所不同。

轴流式泵与风机的性能特点是流量大，扬程(全压)低，比转数大，流体沿轴向流入、流出叶轮。

其结构特点是：结构简单，重量相对较轻。

因有较大的轮毂动叶片角度可以作成可调的。

动叶片可调的轴流式泵与风机，由于动叶片角度可随外界负荷变化而改变，因而变工况时调节性能好，可保持较宽的高效工作区。

鉴于以上特点，目前国外大型制冷系统中普遍采用轴流式风机作为锅炉的送引风机、轴流式水泵作为循环水泵。

今后随着容量的提高，其应用范围将会日益广泛。

(二)、轴流式泵与风机的叶轮理论1、翼型和叶栅的概念由于轴流式泵与风机的叶轮没有前后盖板，流体在叶轮中的流动，类似飞机飞行时，机翼与空气的作用。

因此，对轴流式泵与风机在研究叶片与流体之间的能量转换关系时，采用了机翼理论。

为此下面介绍翼型，叶栅及其主要的几何参数。

翼型机翼型叶片的横截面称为翼型，它具有一定的几何型线，和一定的空气动力特性。

翼型见图：叶栅由相同翼型等距排列的翼型系列称为叶栅。

这种叶栅称为平面直列叶栅。

第三节泵与风机的性能一、泵与风机的主要性能参数风机、泵的主要性能参数有下列几个：（一）、流量(flow guantity)单位时间内输送的流体数量。

可以用体积流量qv表示，也可以用质量流量qm表示。

（二）、压力、扬程（pressure，head）1、通风机全压单位体积的气体在通风机内所获得总能量叫通风机全压。

单位为：毫米水柱，牛／米2。

2、离心泵扬程单位重量的液体在泵内所获得总能量叫泵的扬程。

单位为：米液柱。

（三）、转速(rotary rate)叶轮每分钟旋转周数叫转速。

单位为：转／分。

（四）、功率和效率(power and efficiency)通风机和泵之功率有铀功率、有效功率和原动机效率之分。

1、轴功率P原动机传给通风机、泵轴上的功率，叫通风机、泵的轴功率，又称输入功率，通常用P表示。

单位：千瓦。

2、有效功率Pe有效功率是指单位时间内通过泵与风机的流体获得的功率，即泵与风机的输出功率，用符号Pe表示，单位为KW。

3、原动机功率Pg原动机的输出功率即为原动机功率，用Pg表示，单位为KW。

轴功率和有效功率之差是泵与风机内部损失功率。

泵与风机的效率为有效功率和轴功率之比。

由于原动机机轴与泵与风机的轴连接存在机械损失，用传动效率ηtm表示，所以通常原动机功率比轴功率大。

二、泵与风机的性能曲线泵与风机的主要的性能参数有流量qV、扬程H或全压p、功率P和效率η0，对泵而言，还有汽蚀余量△h。

这些参数变化关系的曲线，称为性能曲线（performance curve）。

性能曲线通常是指在一定转速下，以流量为基本变量，其他各参数随流量改变而改变的曲线。

因此，通常的性能曲线为qv－H(p)、qv－P、qv－η、qv－△h等曲线。

该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。

性能曲线对泵与风机的选型，经济合理的运行都起着非常重要的作用。

（一）离心式泵与风机的性能曲线1、流量与扬程（qv－H）性能曲线当叶片无限多且无限薄并为理想流体时，qv－H是一直线方程。

随qV 呈直线关系变化，来决定。

（1）后弯式叶轮，qVT增加时，逐渐减小，如图2－30（a）所示；（2）径向式叶片，qVT增加时，恒定，如图2－30（b）所示；（3）前弯式叶片，qVT增加时，逐渐增大，如图2－30（c）所示；以上的直线为理论的－qVT性能曲线。

由于考虑到有限叶片数和粘性流体的影响，需对上述曲线进行修正。

现以β2a∞>90o的后弯式叶片为例，分析曲线的变化。

考虑实际流体粘性的影响，并减去因摩擦、扩散和冲击而损失的扬程。

除此之外，还需考虑容积损失对性能曲线的影响，因此，还需减去相应的泄漏量q，即得到实际扬程和流量的性能曲线qv-H，如图2－31中e线所示。

对风机的性能曲线qv－p分析和泵的qv－H分析相同。

2、流量和功率（qv－P）性能曲线以后弯式叶轮为例，在流量与流动功率(qVT-Ph)曲线上加一等值的(实际上qV大时△Pm稍小些)机械损失功率△Pm再考虑到泄漏量的影响即得到qV-P性能曲线。

当qVT=0时，轴功率不为零，由此，将流量为零的这一工况称为空载工况，此时的功率就等于泵与风机在空转时的机械损失功率△Pm和容积损失功率△PV之和。

3、流量与效率（qv－η）性能曲线泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即η＝Pｅ/P＝ρｇqvＨ/1000P由上式可见，效率η有两次为零的点，即当qv＝0时，η＝0，当H=0时，η=0。

因此，qv-η曲线是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于qv＝qvmax点的曲线。

这是理论分析的结果，实际上qv－H性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而qv－η曲线也不可能与横坐标轴相交。

如图2-34所示，实际的qv－η性能曲线位于理论曲线的下方。

曲线上最高效率ηvmax点，即为泵与风机的设计工况点。

性能曲线是制造厂通过实验得到的。

载入泵与风机样本，供用户使用。

以风机为例，实际使用中，为方便起见，一般将上述曲线按同一比例画在一张图中，如右图所示，不同型号的风机，其性能曲线也不同。

从图中可以看出，在转速不变的情况下，当风量发生改变时，风压随风量的增大而减小；功率随风量的增大而增大；风机效率存在一个最高值。

相应于最高效率下的风量、风压和轴功率称为通风机的最佳工况。

在选择风机或风机运行时，应使其实际运转效率不低于最高效率的90％。

这也就确定了一台风机其风量的允许调节范围。

4、离心泵与风机性能曲线的分析（1）当阀门全关时，工况为空转状态。

这时候，空载功率Po主要消耗在机械损失上，而这会导致局部水温迅速升高以致汽化。

因此，为防止汽化，一般不允许在空转状态下运行（除特殊注明允许的外）。

（2）离心泵与风机，在空转状态时，轴功率最小，一般为设计轴功率的百分之三十左右，为避免启动电流过大，原动机过载，所以离心式的泵与风机要在阀门全关的状态下启动，待运转正常后，在开大出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常的运行。

（3）由qv－P性能曲线可见，后弯式叶轮和前弯式叶轮有着明显的差别。

后弯式叶轮的qv－P性能曲线，随着流量的增加功率变化缓慢，而前弯式叶轮随着流量的增加，功率急剧上升，因此原动机容易超载。

所以，对前弯式叶轮的风机在选用原动机时，容量富余系数应取的大些。

（4）前弯式叶轮效率远低于后弯式。

所以一般现在的风机为了节能大多采用高效率的后弯式叶片。

（5）前弯式叶轮的实际qv－H性能曲线是一具有较宽不稳定工作段的驼峰形曲线，如果风机在不稳定工作段工作，将导致喘振。

因此，不允许在此段工作。

（二）、轴流式泵与风机的性能曲线在一定的转速下，对叶片安装角固定的轴流式泵与风机，试验所测得的典型性能曲线如图2-35所示，和离心式泵与风机性能曲线相比有显著的区别。

qv－H(P)曲线，随流量qv减小，扬程(全压)先是上升，当减小到qvc时，扬程(全压)开始下降，流量再减小到qvb时，扬程(全压)又开始上升直到流量为零时的最大值。

轴流式泵与风机性能曲线归结起来有以下特点：(1) qv－H(P)性能曲线，在小流量区域内出现驼峰形状，在c点的左边为不稳定工作区段，一般不允许泵与风机在此区域工作。

(2) 轴功率P在空转状态（qv=0）时最大，随流量的增加随之减少，为避免原动机过载，对轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动。

如果叶片安装角是可调的，在叶片安装角小时，轴功率也小，所以对可调叶片的轴流式泵与风机可在小安装角时启动。

(3) 轴流式泵与风机高效区窄。

但如果采用可调叶片，则可使在很大的流量变化范围内保持高效率。

这就是可调叶片轴流式泵与风机较为突出的优点。