流体力学第九章

H ~ qv
P

试验条件: 水泵：20℃，1 个大气压，清水；
P ~ qv
通风机：20℃， 1个大气压，相 对湿度50%，空 气
qv , m3/h H~qv曲线最为重要，其变化趋势有三种：平坦型、陡降 型和驼峰型，应优先选用平坦型。
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关于性能曲线的说明：
压头（风压）~ 流量（H~qv、 p~qv）曲线：是判断离心泵 或风机是否满足管路使用要求的重要依据。 轴功率曲线（P～qv）： 轴功率一般随流量的增大而增大，当流量为零时，功 率最小，因此离心泵与风机应在出口阀关闭下启动，以防 止电机过载。 效率曲线（～qv）： 效率曲线有一最高点，称为设计点。因为离心泵与风 机在最高效率点工作时最经济，所以其所对应的流量、压 头（风压）、轴功率为最佳工况参数。
nn n , m
2
pn n pm m
3
D2 n D 2m

2
nn n m

2
Pn n qv 2 n Pm m qv 2 m

5
nn n m
M qv T ( r2vu 2T r1vu1T )
根据 :
P M qvT HT 1 HT ( u2T vu 2T u1 流体获得的功率 T v u1T ) 轴功率 g
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理想叶轮： H T
1 ( u2T vu 2T u1T vu1T ) g
第九章 离心式泵与风机的结构原理 与工作特性
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 泵与风机概述 离心泵与风机的基本构造 离心泵与风机的工作原理与主要性能参数 离心式泵与风机的理论性能 离心式泵与风机的实际性能曲线 离心式泵与风机性能的相似转换与比转数
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§9-1
泵与风机概述
W2T W2T
v2T
v2T β α
v 2T
vu2T u2T
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1 实际叶轮： H T ( u2T v u 2T u1T v u1T ) g
或：
HT kHT
k ( u2T vu 2T u1T vu1T ) g
k：涡流修正系数， k 0.78 ~ 0.85
机器的全效率：
vhm
由于流体在泵或风机内的流动很复杂，流体在机器内产 生的各种损失现还无法从理论上确定，因此实际性能曲线还 不能通过理论推导得出。
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二、泵与风机的（实际）性能曲线
包括：H~qv，P~qv，~qv等曲线,由厂家通过试验测定得出。
H ,m
~ qv
叶轮——将电机功传给气体（核心部件）。 有机翼形、平板形、弧形三种结构形式。 进风口（集流器）——使气流以较小阻力进入叶轮。 有圆筒式、锥形、曲线式等形式。 机壳——收集来自叶轮的气体，并将部分动压转化为静压。 出风口——使气流顺利排出。 轴——传递扭矩、带动叶轮旋转。
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W
v
α vu
β
vr u
β：叶片与圆周速度反方 向夹角（叶片安装角）
α ：绝对速度与圆周速度
的夹角（叶片工作角）
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二、离心式泵与风机的理论压头
推导原理：动量矩定理——作用于流体的外力矩（外力施加 于叶轮转轴上的力矩）等于流体动量矩的变化率：
v
下标“1”-进口参 数
v
下标“2”-出口参 数 D1-进口直径 D2-出口直径 b2-叶片出口宽度 下标“T”- 理想叶轮 内无任何损失下的理论 值
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HT
NT
u2 2 g
qvT HT与qvT曲线 qvT PT与qvT曲线
NT qv T ( A Bqv T ctg 2 )
HT A Bctg 2 qv T
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§9.5 离心式泵与风机的实际性能曲线
一、离心式泵与风机内的损失
1、机械损失 轴封和轴承的摩擦损失: ∆P1=1%~3%N
5 3 圆盘摩擦损失（主要）： P2 D2 n
机械效率： m
P P P
qv T q qv T
2、容积损失： 部分流体漏回到入口处。 容积效率： V 3、水力损失
q
包括进口损失、撞击损失、动压转换和出口损失等。 HT H 水力效率： h
HT
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简写：
1 HT ( u2vu 2 u1vu1 ) g
来自百度文库
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理论扬程之组成：
2 2 2 2 u2 u1 W12 W22 v 2 v1 1 HT ( u2vu 2 u1vu1 ) 2g 2g 2g g
2 2 v2 v1 ——动压水头增量 ( HTd ) 。 2g
2、离心风机的分类
按增压大小可分为：
低压风机：增压值小于1000Pa 中压风机：增压值在1000~3000Pa之间 高压风机：增压值大于3000Pa
低压和中压风机主要用于通风换气，在本专业 中应用较多。
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§9-3 离心泵与风机工作原理与主要性能参数
一、离心泵与风机的工作原理
动画
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二、泵与风机的相似定律
相似工况点： 实型机性能曲线上某点与模型机性能曲线上某点所对应 的流体运动相似，该两点为相似工况点。 相似工况点的参数间满足如下关系： m n
qv n D2 n qv m D2 m nn n m
2
3
H n qv 2 n H m qv 2 m
压出室 吸 入 室 叶轮
轴封装置
泵轴
密封环
密封圈
轴承
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1、离心泵的基本组成
叶轮——对液体做功的部件（核心部件）
吸入室——引导流体进入叶轮
压出室——收集来自叶轮的液体 泵轴——传递扭矩的部件
轴封——防止液体通过泵轴与泵体间的间隙泄漏
密封圈——起静密封作用 轴向力平衡装置——使叶轮轴向受力平衡 平衡孔、平衡管、双吸式叶轮、平衡盘和平衡鼓。
因此： vu1 0
1 HT ( u2vu 2 u1vu1 ) g
1 90, 设计时: 使（1）进口截面积等于出口截面积；（2）
v1 vr 1 vr 2
1 1 2 H T ( u2vu 2 ) ( u2 u2vr 2ctg 2 ) g g
HTd
2 2 2 2 vu v2 v1 ( u v ctg ) 2 2 2 r2 2g 2g 2g
一、泵与风机在工程中的应用
泵与风机——利用外加能量输送流体的机械。
泵——输送液体 风机——输送气体
工程上的应用：
广泛应用在石油、化工、水利、造船、电力等各领域。
在专业中的作用：
是供热、通风、空调工程中不可缺少的动力设备。
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二、泵与风机的分类
按工作原理不同主要分为：叶片式、容积式
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§9-6 离心泵与风机性能的相似转换与比转数
一、泵与风机的相似条件
（一）几何相似 两机的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角度相等。 （其一为模型机，另一为实型机） （二）运动相似 模型机和实型机各对应点的速度方向相等，大小成比例， 比值相等，即流体在各对应点的速度三角形相似。 （三）动力相似 模型和原型相对应点的各种力的方向相等，大小成比例， 比值相等。（自然满足） 同一系列大小不等的泵或风机都是相似的。
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2、离心泵的分类
按轴方向（轴地面的相对关系）分： 卧式、立式 按吸入方式（几个吸入口）分：
单吸泵、双吸泵
按叶轮级数（叶轮个数）分：
单级泵、多级泵
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二、离心风机的结构型式与主要部件
出口 机 壳 叶 轮 电机
吸入口
机座
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1、离心风机的主要组成
2 2 v2 v1 2g

下标“1”代表入口参数 下标“2”代表出口参 数
风机的全压（p）与静压（ pj ）
全压(p): 单位体积气体通过风机所获得的有效能量。(Pa)
p H
静压（pj）：风机的全压减去风机出口的动压。 （Pa）
z1 z 2
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Pi ( p2 p1 )
2 2 u2 u1 ——由于离心力作功使流体产生的静压水头增量。 2g
( HTj )
W12 W22 ——由于流道展宽，相对速度降低产生的静压水头增量。 2g
动压水头大，流动的损失会较大，影响机器的效率。因 此，在总扬程相同情况下，动压水头增量不宜过大。
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三、叶型及其对机器性能的影响
v12
2
2、流量（qv）
单位时间内泵或风机所输送的流体量。（m3/s）
3、功率与效率
有效功率（Pe）： 单位时间内通过泵或风机的流体所获得的总能量。
Pe qv H qv p
全效率（η）：
（ W）
轴功率（P）：原动机传给泵或风机轴的功率。（W）
Pe 100% P
4、转速（n）
泵或风机叶轮每分钟的转数。（r/min）
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§9.4 离心式泵与风机的理论性能
一、流体在叶轮内的运动分析
理想叶轮：
相邻两叶片
假设流体通过叶轮的流动是恒定 的，且在垂直于转轴的流面之间不 互相干扰；
假设叶轮具有无限多叶片，叶片 无限薄，每条流线都具有与叶片相 同的形状——液体无环流；
工作原理 离心式 泵
离心泵 旋涡泵 轴流泵
风机
离心风机 轴流风机 混流风机
叶片式
轴流式
混流式
容积式
混流泵
活塞泵、隔膜泵、 计量泵
往复式
回转式
齿轮泵、罗茨泵、 螺杆泵
罗茨风机
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§9-2 离心泵与风机的基本构造
一、离心泵的结构型式与主要部件
出口 联轴器 电 动 机
泵 体
入口
机座
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w vv
β α vu
vr
u
叶型有三种： 2 90 ：前向叶型 2 90 ：后向叶型 2 90 ：径向叶型
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结论：
前向叶型，HT最大 ， HTd最大，效率最低。 后向叶型，HT最小 ， HTd最小，效率最高。 径向叶型，HT居中 ， HTd居中，效率居中。
结论：1、HT 仅与流体在进、出口处的运动速度有关；
HT 与被输送的流体种类无关，只要进、出口速度 2、 三角形相同，就得到相同的 HT 。
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实际叶轮叶片数有限对理论扬程的影响： 叶片数有限，流体在流 道内产生相对涡流运动。 带来的影响： 使相对速度朝旋转反方向 偏离，绝对速度值减小。
注 : 下标“m”——模型机参数； 下标“n”——实型机参数；
对一定的叶轮、在一定的转速下：
HT A Bctg 2q Q T vT
N Ne P qQ ((A BQ BqvT ctg Tctg 2) TT Pe vTT 2 )
叶轮外缘面积： D2 b 2
流体流通面积： D2 b 2
叶片的排挤系数
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离心泵一般为后向叶型，大型离心风机也采用后向叶型； 中小型风机有的采用前向叶型。
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四、离心泵与风机的理论性能曲线


v Vr 2 Q q T D2b 2 r2 vT
HT 1 2 (u 2 u 2 ) u2 vr2 r 2ctg 2V g
HT
1 2 u 2ctg 2 q (u 2 Q vT T) 2 g D2b 2
泵轴旋转，充满在叶片之间的水，在离心力的作用下， 从叶轮中心甩向叶轮周围，经泵壳流入压水管。叶轮进口处 产生真空，水在大气压下，经吸入管流向水泵。
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二、泵与风机的主要性能参数
1、泵的扬程与风机的风压
泵的扬程（H）
单位重量的流体通过泵所获得的有效能量。（m）
H z2 z1 p2 p1
垂直于转轴的流面
假设流经叶轮的流体是理想不可压流体——无能量损失。 流体在理想叶轮流道内的流动可看成一元理想流体恒定流动。
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流体在叶轮内做复合运动： 随叶轮旋转运动（牵连运动） 沿叶片径向运动（相对运动） 流体的运动可用速度三角形表示：
w
β
v
α
ω
u
u-圆周速度; v-绝对速度; w-相对速度