化工原理第二章 流体输送机械

(1)流 体 为 理 想 流 体 ( 2)叶 轮 的 叶 片 数 目 为 无 穷 多，且叶片厚度不计。
问：由（1） 、 （2）可以得出什么结果？
由(1) 液体在泵内无摩擦阻力损失
由(2) 流体与叶片的相对运动的运动轨迹 可视为与叶片形状相同。
1.液体通过叶轮的流动
理想流体在理想叶轮中的旋转运动应是等角速度的。选择地面为 静止参照系 。
2 pv u k p1 u12 H f ,1k g 2 g g 2 g
NPSHC
p1,min p v
g
2 uk u1 H f ,1k 2g 2 g
2
NPSHC
临界气蚀余量
由泵制造厂实 验测定得到
为确保离心泵的正常操作，通常将所测得的临界气蚀余量 加上一定的安全量，称为必需气蚀余量，记为 NPSHr
H T
2 u2 u2ctg 2 g gD2b2
u1
r2
c2r
其中
D 2 n u2 60
c2u b2
c2
请思考：与H有关的因素有哪些？H T 分别是怎样的关系？
2 u2 u2ctg 2 g gD2b2
讨论： 1）叶轮的直径和转速
u2
D 2 n
60
当理论流理 QT和叶片几何尺寸（b2、β2）一定时，理论压头 随D2、n的增大而增大，即加大叶轮直径，提高转速均可提高泵的压 头。
理论压头与液体密度。这就是说，同一台泵无论输送何种密度的液体 ，对单位重量流体所能提供的能量是相同的。
思考：
泵对单位体积流体所加的能量是否与液体密度无关？
有关，gH 与密度呈正比。
4. 离心泵的实际压头 实际压头比理论压头要小。
实际上，由于叶轮的叶片数目是有限的， 且输送的是粘性流体，因而必然引起流 体在叶轮内的泄漏和能量损失，致使泵 的实际压头和流量小于理论值。所以泵 的实际压头与流量的关系曲线应在离心 泵理论特性曲线的下方。离心泵的H-Q 关系曲线通常在一定条件下由实验测定。
若离心泵的几何尺寸（b2、D2、β2）和转速n一定，则式可表示 为
表示HT∞与QT呈线性关系，该直线的斜率与叶 片形状β2有关，即 β2>90°时，B<0, HT∞随QT的增加而增大。 β2=90°时，B=0, HT∞与QT的无关。 β2<90°时，B>0, HT∞随QT的增加而减少。
4）液体密度
特性有关。
扬程H（压头）：离心泵对单位重量(1N)液体所提供的有效 能量。单位为m。 扬程不是升扬高度，升扬高度只是扬程的一 部分。 H=f（泵的结构、尺寸、转速、Q） 效率 ：离心泵在实际运转中，由于存在各种能量损失，致 使泵的实际（有效）压头和流量均低于理论值，而输入泵的 功率比理论值为高。反映能量损失大小的参数称为效率。

w2 2 2
2
c2 u2
w1 1 1 c1
u1
故：
2 2 u2 u12 12 2 Hp 2g 2g
（ 2）
将式 2 代入式 1 得：
H T
u u c c 2g 2g 2g
2 2 2 1 2 1 2 2 2 2
2 1
根据余弦定理可知：
12 c12 u12 2c1u1 cos1 （3）
1）液体性质的影响 （1）密度:
对 H~Q 曲线、~Q 曲线无影响，Why？ 但N
QgH

故，N~Q 曲线上移。 ，
（2）黏度: 当比20℃清水的大时，H，N， 实验表明，当<20厘斯时，对特性曲线的影 响很小，可忽略不计。 1厘斯=10-6m2/s 20℃清水的粘度=1厘斯
容积损失 离心泵的能量损失
阻力损失 水力损失 冲击损失
机械效率
与效率有关的各种能量损失：
（1）容积损失：
内漏
（2）水力损失
环流损失、摩擦损失、冲击损失
（3）机械损失
泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦
小型水泵：一般为5070% 大型泵：可达90%以上
N
机械 容积 损失 损失
第二章
流体输送机械
第二章 流体输送机械
概述
主 要 内 容 2.1 离心泵 2.2 其他类型液体输送机械 2.3 气体输送和压缩机械
概述
括离心式、轴流式 动力式（叶轮式），包 流体输送 包括往复式、旋转式 机械按工 容积式（正位移式）， 作原理 两种类型，如喷射泵式 其他类型，不属于上述
由速度三角形并应用余弦定理得到：
w2 2 2 2 c2 u2
ω12 ＝ c12 + u12 - 2c1u1cosα1 ω22 ＝ c22 + u22 - 2c2u2cosα2
w1 1 1 c1
u1
液体在高速旋转的叶轮中的运动分为2种: 2. 理论压头表达式的推导
u R
处处与叶片相切
思考：泵壳的主要作用是什么？
①汇集液体，并导出液体； ②能量转换装置
轴封装置：离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵 壳之间的密封。 作用：防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气 漏入泵内。
填料密封装置
轴封装置
机械密封装置
§2.1.2离心泵的基本方程式
理论压头：理想情况下离心泵提供给单位重量液体的能量， 用H表示。
c u 2c2u2 cos 2 （4）
2 2 2 2 2 2

w2 2 2
2
c2 u2
w1 1 1 c1
式 3、4 代入上式得：
u1
H T
c2u2 cos 2 c1u1 cos1 g
一般地，1=90 则 cos1=0，于是：
H T
c2u2 cos 2 g
则叶轮切割后泵的特性曲线方程表达式？
§2.1.4离心泵的气蚀现象和安装高度
什么是安装高度？ 泵轴与吸液方液 面间的垂直高度，称 为安装高度，用Hg表 示。可正可负。
为什么会有安装高度问题？ 1.汽蚀现象：
叶片背面
当pk＝pv时，K处发生部分汽 化现象。 叶片表面产生蜂窝状腐蚀 ；
泵体震动，并发出噪音；
流量、压头、效率都明显下降； 严重时甚至吸不上液体。 为避免汽蚀现象，安装高度必 须加以限制，即存在最大安装高 度Hg,max。
2、离心泵的抗气蚀性能 1)离心泵的气蚀余量
为了防止汽蚀现象发生，在离心泵的入口处液体的静压头与动压头之和
p1 u12 必须大于操作温度下液体的饱和蒸汽压头 g 2 g
水力 损失
Ne
轴功率 N ：电机输入到泵轴的功率，由于泵提供给流 体的实际扬程小于理论扬程，故泵由电机获得的轴功并不 能全部有效地转换为流体的机械能。 Ne N
有效功率 Ne：流体从泵获得的实际功率，可直 接由泵的流量和扬程求得 QH N Ne = HgQρ 102
电机
泵
2.
离心泵特性曲线及其换算
2) 叶片的几何形状
根据流动角β2的大小，叶片形状可分为后弯、径向、前弯三种。
H T c2u2 cos 2 g
当n、D2、β2及QT一定时，离心泵 的理论压头随叶片形状而变
叶片后弯，2<90，ctg2>0， 即H随流量增大而减小；
叶片径向，2=90，ctg2=0， 即H不随流量而变化；
在 1 与 2 之间列机械能衡算方程式，得：
H T H p H c
2 2 p2 p1 c2 c1 (1) g 2g

w2 2 2
2
c2 u2
w1 1 1 c1
u1
p2 p1 使静压头增加 的原因： g
原因一：离心力作功
r2
F m R
2
F dR
2）离心泵的允许吸上真空度
为避免气蚀现象，泵入口处压强p1应为允许的最低绝对压强，但习惯上常 把p1作为真空度。若当地大气压为Pa，则泵入口处的最高真空度为Pa-P1， 单位为Pa。若真空度以输送液体的液柱高度来计量，则此真空度称为离心 泵的允许吸上真空度，以 H s' 来表示，即
2）离心泵转速的影响
当转速变化不大时（小于20%），利用出口速度三角形 相似的近似假定，可推知：
Q n Q n H n H n
2
比例定律
3
若不变，则
N n N n
思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为H A BQ2
则新转速n下泵的特性曲线方程表达式？
（5）

w2 2 2
c2u
w1 1 1 c1
2
c2 u2
u1
3.离心泵基本方程式的讨论
又
QT cr 2D2b2

w2 2 2
2 c2r c2u u2 c2u
c2
c2cos 2 c2 c2r ctg2
将以上两式代入
则
c u cos 2 H 2 2 g
w1 1 1 c1
2 H A BQ 泵在原转速n下的特性曲线方程
n Q Q n n H H n
n H A BQ 2 n
2
2
n n H A B Q 2 n n H
2
2
n
n
0
Q
四．离心泵的主要性能参数和特性曲线
3）离心泵 叶轮直径的影响 当叶轮直径因切割而变小时，若变化程度小于20%，则
Q D2 Q D2 H D2 H D2
2
切割定律
3
N D2 若不变，则 N D2

思考：若泵在原叶轮直径下的特性曲线方程为 H A BQ2
§2.1.1
离心泵的工作原理和主要部件
压出导管
一．离心泵的工作原理 1、离心泵的构造：
1、叶轮： 2、泵壳： 3、泵轴及轴封装置：
泵壳
叶轮
泵轴
吸入导管
思考： 为什么叶片弯曲？ 泵壳呈蜗壳状？
底阀
2、离心泵的工作原理 思考： 流体在泵内都获得了哪几种能量？ 其中哪种能量占主导地位？ 思考： 泵启动前为什么要灌满液体？
§2.1.3 离心泵的主要性能参数与特性曲线
1.离心泵的主要性能参数 离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量， 包括：流量Q、压头(扬程)H、轴功率 N 和效率
流 量Q：离心泵在单位时间内排送到管路系统的液体体 积。又称泵的送液能力。用Q表示，单位为：L/s m3/h Q=f（泵的结构、尺寸、转速n），实际流量还与管路
叶片前弯，2>90，ctg2<0， 即H随流量增大而增大。
w2 2
w2 2 2
w2
后弯叶片
径向叶片
前弯叶片
思考：为什么工业用泵采用后弯叶片的居多？ w2 w2 w2 c2小，泵内流动阻力损失小 c2 c2
c2
u2 u2 u2
后弯叶片 径向叶片 前弯叶片
3) 理论流量
H T
2 u2 u ctg 2 2 g gD2b2
用20C清水测定

QgH N
包括 ：H~Q曲线(平坦型、陡降型、 驼峰型) N~Q曲线、 ~Q曲线 由图可见： Q，H ，N， 有最大值。
０2
高效区
思考： 离心泵启动时均关闭 出口阀门，why？ 为什么Q＝0时，N0？
与最高效率相比， 效率下降5％～8％
设计点
3.离心泵性能的改变和换算
r1
R2
2R
g
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dR

w2 2 2
2
c2 u2
R1
1 2 2 2 R 2 R1 2g
2 u2 u12 2g


1
w1 1 c1
u1
原因二：液体由1流到2时，由于流动通道逐渐扩大， w逐渐变小，这部分能量将转化为静压能。
2 p2 p1 12 2 g 2g 2
pv g
某一最小值。
此最小值即离心泵的允许汽蚀余量，即
p p1 u12 NPSH v g 2 g g
泵内发生汽蚀的临界条件是叶轮入口附近（取作k-k’截面）的最低压强 pv 相应地泵入口处（取作1-1‘截面）的压强必等于 等于液体的饱和蒸汽压， 确定的最小值 p1,min 。在泵入口1-1'截面和叶轮入口k-k'截面之间列柏努利方程式，
气缚现象
二、离心泵的主要部件
叶轮
离 心 泵 的 主 要 部 件
泵壳
轴封装置
离心泵的主要部件
叶轮 思考：三种叶轮中哪一种效率高？
闭式叶轮
半闭式叶轮
敞开式叶轮
闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶轮的最大。 但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发生堵塞现象
二．离心泵主要构件的结构及功能
泵壳：泵体的外壳多制成蜗 壳形，它包围叶轮，在叶轮 四周展开成一个截面积逐渐 扩大的蜗壳形通道，通道内 流体速度下降，静压能增高。