泵与风机的叶轮理论与性能(张胜亮)

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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

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