过程流体机械课件(李云 姜培正)

液流绝对速度的周向分速度
cu c cos a
液流绝对速度的径向分速度
cr c sin a
离心泵的速度三角形
cr
a
c
w
b
cu
w
u
–进一步说明
如果叶片为无限多、无限薄的 叶片，故液体的流入、出速度 和叶轮轮缘切线的夹角与叶片 和叶轮轮缘切线的夹角相等 如果为有限个有一定厚度的叶 片，由于涡流的存在，两者不 相等，此时后者用 bA表示，称 为叶片的安装角（离角）
普夫莱德尔公式
H t mH t
Ht 1 p
m —— 滑移系数（环流系数）
p —— 修正系数
–叶片离角对理论扬程的影响
若液体进入泵时无预旋，切向 分速度 c1u为零，无限多叶片叶 轮的理论扬程方程式可改写为
Ht
1 2 (u2 u2c2 r ctgb 2 A ) g
当离角b2A增大时，Ht ∞随之增 大；反之， Ht ∞将减小 当 b2A = 90º 时，Ht ∞ = u22 / g 当 b2A > 90º 时，若取c2u = 2u2 则 Ht ∞ = 2 u22，则势扬程降为 零，泵的理论扬程全部表现为 动扬程的形式，能量损失增大
–水力效率——衡量液体流经泵的 阻力损失大小的指标 hhyd = H / Ht
离心泵中的能量损失
由于液体流过离心泵时有能量 损失，使泵的扬程 H 比理论扬 程 Ht 小。可按下式计算
H H t hhyd
离心泵能量损失能头由三部分 组成。 沿程摩擦损失能头 液体流经吸液室、叶轮、转能 装置、压液室及扩压管等时， 由于粘性阻力，将产生摩擦损 失，使机械能转换为热能
离心泵 轴流泵 混流泵 旋涡泵
活塞泵 柱塞泵 隔膜泵 齿轮泵 螺杆泵 滑片泵
往复泵
泵 容积式泵 回转泵
其它类型泵
喷射泵 水锤泵 真空泵
用途
水利、灌溉、化工、石油、采 矿、造船、城市给排水和环境 工程
化工生产用泵特点
数量大、种类多，输送的介质 往往有腐蚀性，有的在高温、 高压下工作
在各种泵中，离心泵应用最 为广泛，因为它具有结构简 单、体积小、质量轻、流量 稳定、易于制造和便于维护 等一系列优点
–离心泵的基本方程式
欧拉涡轮方程式 表示旋转叶轮传递给单位质量 液体的能量，也称理论扬程
Ht
u2c2u u1c1u g
根据三角形的余弦定律
w u c 2u2 c2 cos a 2
2 2 2 2 2 2
u c 2u2 c2u
2 2 2 2
w u c 2u1c1 cos a1
过程流体机械
3-1 2012. 2
3 化工泵
泵是把原动机的机械能转换 给液体的势能或动能的机械
3.1 泵的分类及用途
分类
按工作原理和结构型式分 按泵形成的流体压力分
–低压泵 –中压泵 –高压泵 < 2 MPa 2 ~ 6 MPa > 6 MPa
按输送介质分
清水泵、杂质泵、油泵、耐腐蚀 泵等
叶片式泵（透平式泵）
–泵的性能突然下降。汽蚀使过流 部件和流体之间的能量转换遭到 严重的干扰，流道不但受到气体 堵塞，而且流动损失增大，使泵 的性能下降，严重时，泵中液流 中断，泵不能工作 –汽蚀使泵产生噪音和振动。发生 汽蚀时，气泡在压力较高处不断 地溃灭，产生强烈的水击，使泵 产生振动和噪音
由液体气化、凝结、冲击，形 成高压、高温、高频冲击载荷， 造成的金属材料的机械剥裂与 电化学腐蚀破坏的综合现象称 为汽蚀 一般认为汽蚀对流道表面材料 的破坏主要是机械剥蚀造成的， 而化学腐蚀则进一步加剧了材 料的破坏
汽蚀的危害
–泵的过流部件表面受到机械性质 的破坏，此外，如果液体气化时 放出的气体有腐蚀性，还会产生 一定的化学性质的破坏（但前者 的破坏是主要的）。严重时，叶 轮的表面（尤其在叶片入口附近） 呈蜂窝状或海绵状的裂痕，更为 严重的是叶片或盖板穿孔
2 1
势扬程
u u w w Hp 2g 2g 动扬程
2 2 2 1 2 1
2 2
c c Hd 2g
2 2
2 1
–实际叶轮的型式分析
叶轮是整个离心泵最重要的部 件，叶轮的结构型式
–闭式叶轮 –半开式叶轮 –开式叶轮
闭
开
闭式叶轮
开式叶轮
半开式叶轮
闭式叶轮最常见，它的漏液少、 性能好、效率高；缺点是制造 难度较大，泵送有颗粒料浆时 容易堵塞流道 半开式叶轮分前半开式和后半 开式叶轮两种，前者效率较低， 后者效率基本与闭式叶轮相同。 半开式叶轮制造难度较小，成 本较低，且适应性强
前弯型叶片的弯曲方向与叶轮 旋转方向相同，即b2A > 90º ， 由于液流在这种液道中流程短 转弯大，其效率较低，稳定工 作范围较窄，在离心泵中很少 采用
–实际叶轮的理论扬程 实际上，叶片数是有限的，液 体存在涡流和滑移，应作修正
斯陀道拉公式
c2r 2 1 ctgb 2 A sin b 2 A u 2 u2 z Ht g
–泵的吸入特性就是指泵在工作 时，其入口允许吸上真空度与 流量间的关系特性 –现在已经用离心泵的汽蚀余量 与流量的关系特性替代上述关 系特性，来表示泵的吸入特性
离心泵的汽蚀及预防措施
–汽蚀现象 在泵的特性试验中，如果设法 使吸液池的压力pA逐渐降低， 当降低到某种程度时，离心泵 的扬程突然会出现明显的下降， 液流变得不稳定，
h = hV hhyd hm
不同类型泵的效率参考值见表42
–离心泵工作原理及基本方程
离心泵的工作过程 在启动离心泵之前应关闭出口 阀门，灌泵使泵内充满液体。 开启出口阀门，启动原动机使 叶轮旋转，叶轮驱使液体旋转 产生离心力，甩向压液室，并 经扩压管排出泵
同时，在泵的吸液室形成真空， 在吸液槽和叶轮入口中心线处 的液体间就产生了压差，槽中 的液体在这个压差作用下不断 地经吸入室进入叶轮之中，从 而使离心泵连续地工作
离心泵工作原理 通过高速旋转的叶轮将转动机 械能传递给液体，使液体获得 动能和压力能，再通过扩大的 压液室和扩压管的流道，进一 步把大部分动能转换为压力能， 从而提高泵出口液体的压力
离心泵的基本方程式
–液体在叶轮中的运动分析
假定
–液体是理想流体 –流动是稳态的 –离心泵叶轮具有无限多、无限薄 的叶片
多级泵级数，单级泵不标 新-扬程或流量-扬程，老-比转速
泵的基本型式，用拼音字母表示 泵的吸命名 方式不同：它由基本型式代号、 吸入口直径（）、压出口直径 （）和叶轮名义直径来表示 例如：IS50-40-120
离心泵的工作原理及基本方 程
–离心泵的分类
按流体吸入叶轮的方式分类
–单吸式泵 –双吸式泵
按级数分类
–单级泵 –多级泵
按泵体形式分类
–蜗壳泵 –筒形泵
按主轴安放方位分类
–卧式泵 –立式泵 –斜式泵
–离心泵的命名方式
离心泵的命名目前还没有国家 标准，但一般用汉语拼音字母 来代表泵的名称
泵的类型，A或B或C 表示叶轮外径经过一、 二、三次切割
b2A 的取值一般小于 90º
b2A = 16º 40º ~
取值在这一范围的叶轮称为强 后弯叶片型或水泵型叶轮
3.3 离心泵的工作特性
在很多情况下，根据输送液体 和管路系统的实际情况，除了 要求泵有足够的扬程外，为了 使离心泵能正常工作，还要求 离心泵的入口压力不得低于某
一相应的最低允许值，或者说 要求泵的入口处的真空度不得 高于某一相应的允许最高真空 度。该真空度常用液柱高度来 表示，称为离心泵入口允许吸 上真空度
扬程计算式
H p out p in g c
2 out
c 2
2 in
( Z out Z in )
由于泵进出口截面上的动能和高度 差均不大，而液体密度为常数，因 此扬程主要体现的是压力的提高
转速 n 离心泵叶轮的转速， 单位是 r/min 气蚀余量（净正吸头）NPSH 表示气蚀性能的主要参数，单 位是 m 泵的允许吸上真空度（Hs）， 或泵的允许吸入高度，单位以 m-液柱表示
本章主要内容
–着重讨论离心泵的工作原理、 气蚀、性能、调节和选型应用 等 –对其它类型泵的简介
3.2 离心泵的典型结构与工作 原理 离心泵的典型结构、分类及 命名方式
–典型结构 叶轮、转轴、吸液室、压液 室、扩压管（在泵壳上）、 密封、密封环等
扩压管 叶轮 密封环 吸液室 主轴 压出室 密封
吸液室 把液体从吸入管吸入 叶轮 叶轮 旋转吸入的液体，使其 获得压力能和动能 压出室（蜗壳） 把从叶轮流 出的液体收集起来送入扩压管， 同时是液体减速增压 扩压管 接出口管，进一步将 液体的动能转换为压力能
2 1 2 1 2 1
u c 2u1c1u
2 1 2 1
1 2 2 2 u 2 c 2u (u 2 c 2 w2 ) 2 1 2 2 2 u1c1u (u1 c1 w1 ) 2
Ht
u u w w c c 2g 2g 2g
2 2 2 1 2 1 2 2 2 2
半开式叶轮适用于输送含有固 体颗粒、纤维等悬浮物的液体。 开式叶轮是只有叶片和叶片加 强筋，无前后盖板的叶轮。叶 轮效率低，应用较少；主要用 于输送粘度较高的液体，以及 浆状液体
叶轮叶片的型式
–后弯型叶片 –径向型叶片 –前弯型叶片
后弯型叶片的弯曲方向与叶轮 的旋转方向相反，叶片离角b2A < 90º ，通常多采用这种叶轮， 因为它的效率高，稳定工作范 围宽 径向型叶片的离角b2A = 90º 径 , 向直叶片也属于此类型，后者 加工较容易。其效率介于后弯 型和前弯型叶片叶轮之间
当处于低压区的液流压力降低 到对应温度的饱和蒸气压时， 液面便开始气化（同时还可能 将溶解在液体内的气体逸出） 而形成许多气泡，气泡随液体 流到压力较高出时，外面的液 体压力高于气泡内的压力，则 气泡就会凝结溃灭（重新溶解） 形成空穴