泵與風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和性能

1、第二章泵與風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和性能第一節(jié)泵與風(fēng)機的部件結(jié)構(gòu)一、泵的主要部件(一)(一)離心泵的主要部件盡管離心式泵的類型繁多，但由于作用原理基本相同，因而它們的主要部件大體類同。現(xiàn)在分別介紹如下：1 葉輪(impeller)圖2-1葉輪的形式(a),(b)封閉式葉輪(c)半開式葉輪(d )開式葉輪葉輪是將原動機輸入的機械能傳遞給液體，提高液體能量的核心部件。葉輪有開式(open impeller) 半開式(semi-open impeller)及閉式葉輪(closed impeller)三種，如圖 21 所示。開式葉輪沒有前盤和后盤而只有葉片，多用于輸送含有雜質(zhì)的液體， 如污水泵的葉輪就是采用開式葉輪

2、的。半開式葉輪只設(shè)后盤。閉式葉輪既有前盤也有后盤。清水泵的葉輪都是閉式 葉輪。離心式泵的葉輪都采用后向葉型。2、軸和軸承(shaft and bearing)軸是傳遞扭矩的主要部件。軸徑按強度、剛度及臨界轉(zhuǎn)速定。中小型泵剛度和臨界轉(zhuǎn)速確定多采用水平軸，葉輪滑配在軸上，葉輪間距離用軸套定位。 近代大型泵則采用階梯軸，不等孔徑的葉輪用熱套法裝在軸上，并利用漸開線花鍵代替過去的短鍵。此種方法，葉輪與軸之間沒有間隙，不致使軸間竄水和沖刷，但拆裝困難。軸承一般包括兩種形式：滑動軸承(Sleeve bearing)和滾動軸承(Ball bearing)。滑動軸承用油潤滑。一種潤滑系統(tǒng)包括一個貯油池和一個油

3、環(huán)，后者在軸轉(zhuǎn)動時在軸表面形成一個油層使油和油層不直接接觸。另一種系統(tǒng)就是利用浸滿油的填料包來潤滑。大功率的泵通常要用專門的油泵來給軸承送油。(如圖2-2a所示)。滾動軸承通常用冷凍油潤滑，有些電機軸承是密封而不能獲得潤滑的。滾動軸承通常 用于小型泵。較大型泵可能即有滑動軸承又有滾動軸承。而滑動軸承由于運行噪音低而被推薦用于大型泵。(如圖2-2 b所示)Motor shaN01 富 um port 回觴口Oil reservoirSIbsvs bearing層M療Drair plug料曲口Oil ring lubricatronWast& packed lubricaliDin柚承外表面Gre

4、ase fittingRelief pltg jtt油口shaft0動冊Inter Dearing face 科內(nèi)表面Outer bearing faceearing housingBal bearhg 嗣強fhl圖2-2軸承形式a,滑動軸承b,滾動軸承3、吸入室(suction room)離心泵吸入管法蘭至葉輪進口前的空間過流部分稱為吸入室。其作用為在最小水力損 失下，引導(dǎo)液體平穩(wěn)的進入葉輪，并使葉輪進口處的流速盡可能均勻的分布。按結(jié)構(gòu)吸入室可分為直錐角吸入室、彎管形吸入室、環(huán)形吸入室、半螺旋形吸入室?guī)?種:圖2-3直錐形吸入室O圖2-4彎管形吸入室圖2-5環(huán)形吸入室圖2-6半螺旋形吸入室(

5、1) 直錐形吸入室 圖2-3所示，這種形式的吸入室水力性能好， 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。 液體在直錐形吸入室內(nèi)流動，速度逐漸增加，因而速度分布更趨向均勻。直錐形吸入室的錐 度約78。這種形式的吸入室廣泛應(yīng)用于單級懸臂式離心水泵上。(2) 彎管形吸入室圖2-4所示，是大型離心泵和大型軸流泵經(jīng)常采用的形式，這種吸入室在葉輪前都有一段直錐式收縮管，因此，它具有直錐形吸入室的優(yōu)點。(3) 環(huán)形吸入室圖2-5所示，吸入室各軸面內(nèi)的斷面形狀和尺寸均相同。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)對稱、簡單、緊湊，軸向尺寸較小。缺點是存在沖擊和旋渦，并且液流速度分布不均勻。環(huán)形吸入室主要用于節(jié)段式多級泵中。(4) 半螺旋形吸入室 圖2- 6

6、所示，主要用于單級雙吸式水泵、 水平中開式多級泵、 大型的節(jié)段式多級泵及某些單級懸臂泵上。 半螺旋形吸入室可使液體流動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，繞泵軸轉(zhuǎn)動，致使液體進入葉輪吸入口時速度分布更均勻， 但因進口預(yù)旋會致使泵的揚程略有降低，其降低值與流量是成正比的。相比較而言，直錐形吸入室使用最為普遍。4、機殼(easing)機殼收集來自葉輪的液體，并使部分流體的動能轉(zhuǎn)換為壓力能，最后將流體均勻地引 向次級葉輪或?qū)蚺懦隹凇C殼結(jié)構(gòu)主要有螺旋形和環(huán)形兩種(如圖2-7、2-8所示)。螺旋形壓水室不僅起收集液體的作用，同時在螺旋形的擴散管中將部分液體動能轉(zhuǎn)換成壓能。螺旋形壓水室具有制造方便，效率高的特點。它適用于單

7、級單吸、 單級雙吸離心泵以及多級中開式離心泵。單級離心式泵的機殼大都為螺旋形蝸式機殼。環(huán)形壓水室如圖2 8所示，在節(jié)段式多級泵的出水段上采用。環(huán)形壓水室的流道斷面面積是相等的，所以各處流速就不相等。因此，不論在設(shè)計工況還是非設(shè)計工況時總有沖擊損失，故效率低于螺旋形壓水室(圖2-7)。有些機殼內(nèi)還設(shè)置了固定的導(dǎo)葉，就是所謂的導(dǎo)葉式機殼。圖2-7螺旋形機殼圖2-8環(huán)形機5、密圭寸裝置(sealing instrument)密封裝置主要用來防止壓力增加時流體的泄漏。密封裝置有很多種類型，用得最多的 是填料式密封和機械式密封。(圖2-9所示)填料密封是將一些松軟的填料用一定壓力壓緊在軸上達到密封目的。

8、填料在使用一段 時間后會損壞，所以需要定期檢查和置換。這種密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的。 而機械密封裝置有兩個硬質(zhì)且光滑的表面，一個靜態(tài)一個旋轉(zhuǎn)。這種密封裝置可以達到很好的密封要求，但他們不能用于含雜質(zhì)流體輸送系統(tǒng)，因為其光滑表面會被破環(huán)而失去密封作用。這種密封裝置在液體循環(huán)系統(tǒng)中非常普遍，因為他不需要維護運行很多年。Punp shaftI jqtiid sidAtrrMph&re吋牠山）Ceramic inseirt 囪瓷嵌怵ImpelteirM評 Gmptii te seal ring Rubber bellows I 左曰I spring/ Pump body uvull 尸

9、Fastaruar rihgi 醫(yī)常幵I隔n gasket此沁片l圖2-9 密封裝置（a）填料密封（b）機械密封口6、導(dǎo)葉（guide van e）導(dǎo)葉又稱導(dǎo)流器、導(dǎo)輪，分徑向式導(dǎo)葉和流道式導(dǎo)葉兩種，應(yīng)用于節(jié)段式多級泵上作導(dǎo)水機構(gòu)。徑向式導(dǎo)葉如圖 2-10所示，它由螺旋線、擴散管、過渡區(qū)（環(huán)狀空間）和反導(dǎo)葉（向心的環(huán)列葉柵）組成。螺旋線和擴散管部分稱正導(dǎo)葉，液體從葉輪中流出，由螺旋線部分收集 起來，而擴散管將大部分動能轉(zhuǎn)換為壓能，進入過渡區(qū)，起改變流動方向的作用， 再流入反導(dǎo)葉，消除速度環(huán)量，并把液體引向次級葉輪的進口。由此可見，導(dǎo)葉兼有吸入室和壓出室的作用。囲J 10輕向式導(dǎo)葉流道式導(dǎo)葉如圖

10、 2 11所示，它的前面部分與徑向式導(dǎo)葉的正導(dǎo)葉相同，后面部分與徑向式導(dǎo)葉的反導(dǎo)葉相類似，只是它們之間沒有環(huán)狀空間，而正導(dǎo)葉部分的擴散管出口用流道與反導(dǎo)葉部分連接起來，組成一個流道。它們的水力性能相差無幾， 但在結(jié)構(gòu)尺寸上徑向式導(dǎo)葉較大，工藝方面較簡單。目前節(jié)段式多級泵設(shè)計中，趨向采用流道式導(dǎo)葉。圖2-11流道式導(dǎo)葉（二）軸流泵的主要部件 軸流泵的主要部件，如圖 2- 12所示。軸流泵的特點是流量大，揚程低。其主要部件有：葉輪、軸、導(dǎo)葉、吸入喇叭管等, 現(xiàn)分述如下。1. 葉輪葉輪的作用與離心泵一樣，將原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的壓力能和動能。它由葉片、輪轂和動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。葉片多為機翼型,圖

11、2-舊 軸流泵結(jié)構(gòu)簡圖1-譏叭彗“ r-進訂導(dǎo)葉卡寸_葉輪* *鴕fh5-軸康i E出口導(dǎo)葉中7-出水哮曾i打-軸|S10-麻軸器般為 46片。輪轂用來安裝葉片和葉片 調(diào)節(jié)機構(gòu)。輪轂有圓錐形、圓柱形和球形三 種。小型軸流泵（葉輪直徑300mm以下）的片 和輪轂鑄成一體，葉片的角度不是固定的， 亦稱固定葉片式軸流泵。中型軸流泵（葉輪直 徑300mm以上）一般采用半調(diào)節(jié)式葉輪結(jié)構(gòu)， 即葉片靠螺母和定位銷釘固定在輪轂上，葉 片角度不能任意改變，只能按各銷釘孔對應(yīng) 的葉片角度來改變，故稱半調(diào)節(jié)式軸流泵。大型軸流泵（葉輪直徑在1600mm以上），一般 采用球形輪轂，把動葉可調(diào)節(jié)機構(gòu)裝于輪轂 內(nèi)，靠液壓傳

12、動系統(tǒng)來調(diào)節(jié)葉片角度，故稱 動葉可調(diào)節(jié)式軸流泵。2. 軸對于大容量和葉片可調(diào)節(jié)的軸流泵，其 軸均用優(yōu)質(zhì)碳素鋼做成空心，表面鍍鉻，既 減輕軸的質(zhì)量又便于裝調(diào)節(jié)機構(gòu)。3. 導(dǎo)葉軸流泵的導(dǎo)葉一 般裝在葉輪出口側(cè)。導(dǎo) 葉的作用是將流出葉 輪的水流的旋轉(zhuǎn)運動 轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向運動，同時 將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴簣F務(wù)吸入渝道4. 吸入管吸入管與離心泵吸入室的作用相同。中小型軸流泵多用喇叭形吸入管，見圖2- 12所示；大型軸流泵多采用肘形吸入流道，如圖 2-13。82-14離也式砒i主要結(jié)構(gòu)分解示盍圖F 人n t2-ai輪前盤汩一葉片;4一后盤點一機盍;出n；7截兢札即鳳舌;4支集混流泵具有渦殼式和導(dǎo)葉式兩種。如圖2-

13、15蝸殼混流泵，適用于圖2-16單級、導(dǎo) 圖2-15可潛式蝸殼混流泵葉混流式潛水泵 特別適用于城市排水、市政建設(shè)、（三）、混流泵混流泵內(nèi)液體的流動介于離心泵和軸流泵之間，液體斜向流出葉輪，即液體的流動方 向相對葉輪而言即有徑向速度，也有軸向速度。其特性介于離心泵和軸流泵之間。為單級、單吸、立式結(jié)構(gòu)的可潛式 輸送清水或物理及化學(xué)性質(zhì)類似于 水的其他液體（包括輕度污水）。 被輸送介質(zhì)溫度不超過 50 C。也可 用于農(nóng)田排灌、市政工程、工業(yè)過 程水處理、電廠輸送循環(huán)水、城市 給排水等多種領(lǐng)域，使用范圍十分 廣泛。如圖2-16所示為單級、導(dǎo)葉混 流式潛水泵，適用于抽送清水或在 輕度污水場合下使用，輸送

14、介質(zhì)溫 度不超過50 C。本泵為機泵合一的 結(jié)構(gòu)，可潛入水中運行，故可在水 位變化大，揚程較高的工況下工作， 工礦、船塢升降水位以及水位漲 落大的江湖地區(qū)農(nóng)田排灌之用。二、風(fēng)機主要部件（一）離心式風(fēng)機的構(gòu)造特點離心式風(fēng)機輸送氣體時，一般的增壓范圍在9.807Kpa（1000mH2O）以下根據(jù)增壓大小，離心風(fēng)機又可分為：（1）低壓風(fēng)機：增壓值小于l000Pa （約100mmH2）;（2）中壓風(fēng)機：增壓值自 1000至3000Pa（約100至300mmH 2O）（3）高壓風(fēng)機：增壓值大于3000Pa（約300mmH2O以上）。低壓和中壓風(fēng)機大都用于通風(fēng)換氣，排塵系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高壓風(fēng)機則用于一

15、般 鍛冶設(shè)備的強制通風(fēng)及某些氣力輸送系統(tǒng)。我國還生產(chǎn)許多專門用于排塵、輸送煤鍋爐引排酸霧和防腐的各種專用風(fēng)機。離心式風(fēng)機的整機構(gòu)造可以參考圖1、吸入口 2,機竟入喋最近國內(nèi)又推出了一種外轉(zhuǎn)子離心風(fēng)機，它相當(dāng)于將電動機的轉(zhuǎn)子固定，定子直接嵌 裝于風(fēng)機葉輪而轉(zhuǎn)動，這樣就把電機裝入風(fēng)機機殼內(nèi)了。2-14所示的分解圖。根據(jù)用途不同，風(fēng)機各部件的 具體構(gòu)造也有所不同，分別介紹如下1、吸入口和進氣箱吸入口可分圓筒式、 錐筒式和曲線式數(shù)種（圖 2-17）。吸入口有集氣的作用，可以直接在大氣中 采氣，使氣流以損失最小的方式均勻流入機內(nèi)。 某些風(fēng)機的吸入口與吸氣管道用法蘭直接連接。進氣箱的作用是當(dāng)進風(fēng)口需要轉(zhuǎn)彎

16、時才采用 的，用以改善進口氣流流動狀況，減少因氣流不 均勻進入葉輪而產(chǎn)生的流動損失。進氣箱一般用 在大型或雙吸入的風(fēng)機上。2、葉輪 葉輪的構(gòu)造曾在前面泵的主要部件中有所介圖2-18 離心式風(fēng)機的幾種葉型3）詢晦葉酣葉輪時爭葉前向葉審廿晁川仍陪向葉復(fù)葉報*3徑向孤瞪葉輪；3）移向直葉式葉輪*（門撫at型葉輪紹。如前所述，它由前盤、后盤、葉片和輪轂所組成。還曾指出葉片可分為前向、徑向和后 向三種類型。（見圖2-18）。防爆風(fēng)機是由有色金屬制成的，防腐風(fēng)機則以塑料板材為材料。3、機殼中壓與低壓離心式風(fēng)機的機殼一般是阿基米德螺線狀的。它的作用是收集來自葉輪的 氣體，并將部分動壓轉(zhuǎn)換為靜壓，最后將氣體導(dǎo)

17、向出口。機殼的出口方向一般是固定的。但新型風(fēng)機的機殼能在一定的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)用 戶對出口方向的不同需要。4、導(dǎo)流器導(dǎo)流器又稱為進口風(fēng)量調(diào)節(jié)器。在風(fēng)機的入口處一般都裝置有導(dǎo)流器。運行時，通過 改變導(dǎo)流器葉片的角度（開度）來改變風(fēng)機的性能，擴大工作范圍和提高調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性。（二）軸流式風(fēng)機的主要部件軸流式風(fēng)機的主要部件 有：葉輪、集風(fēng)器、整流罩、 導(dǎo)葉和擴散筒等。如圖2- 19 所示。近年來，大型軸流式圖2-19軸流式風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖1-進氣室2-外殼3-動葉片4-導(dǎo)葉5-動葉調(diào)節(jié)機構(gòu) 6-擴壓器7-導(dǎo)流體8-軸9-軸承10-聯(lián)軸器風(fēng)機還裝有調(diào)節(jié)裝置和性能穩(wěn)定裝置。1 .葉輪葉輪由輪轂和葉片組成，

18、其作用和離心式葉輪一樣，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件。 輪轂的作用是用以安裝葉片和葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的，其形狀有圓錐形、圓柱形和球形三種。 葉片多為機翼形扭曲葉片。葉片做成扭曲形，其目的是使風(fēng)機在設(shè)計工況下，沿葉片 半徑方向獲得相等的全壓。 為了在變工況運行時獲得較高的效率，大型軸流風(fēng)機的葉片一般做成可調(diào)的，即在運行時根據(jù)外界負(fù)荷的變化來改變?nèi)~片的安裝角。如上海鼓風(fēng)機廠與西德TLT公司聯(lián)合制造的TLT型送引風(fēng)機和一次風(fēng)機均是動葉可調(diào)的。2. 集風(fēng)器集風(fēng)器的作用是使氣流獲得加速，在壓力損失最小的情況下保證進氣速度均勻、平穩(wěn)。集風(fēng)器的好壞對風(fēng)機性能影響很大，與無集風(fēng)器的風(fēng)機相比，設(shè)計良好的集風(fēng)器風(fēng)機 效率可

19、提高10%15%。集風(fēng)器一般采用圓弧形。3. 整流罩和導(dǎo)流體為了獲得良好的平穩(wěn)進氣條件，在葉輪或進口導(dǎo)葉前裝置與集風(fēng)器相適應(yīng)的整流罩， 以構(gòu)成軸流風(fēng)機進口氣流通道。4. 導(dǎo)葉軸流式風(fēng)機設(shè)置導(dǎo)葉有幾種情形：葉輪前僅設(shè)置前導(dǎo)葉，葉輪后僅設(shè)置后導(dǎo)葉, 葉輪前后均設(shè)置有導(dǎo)葉。前導(dǎo)葉的作用是使進入風(fēng)機前的氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，把氣流由軸向引為旋向進入，且大多 數(shù)是負(fù)旋向（即與葉輪轉(zhuǎn)向相反），這樣可使葉輪出口氣流的方向為軸向流出。后導(dǎo)葉在軸流式風(fēng)機中應(yīng)用最廣。氣體軸向進入葉輪，從葉輪流出的氣體絕對速度有 一定旋向，經(jīng)后導(dǎo)葉擴壓并引導(dǎo)后，氣體以軸向流出。5. 擴散筒（difusser section）擴散筒的作用是

20、將后導(dǎo)葉出來的氣流動壓部分進一步轉(zhuǎn)化為靜壓，以提高風(fēng)機靜壓。圖2-20擴散筒的形式擴散筒的結(jié)構(gòu)形式如圖 2-20所示。6. 性能穩(wěn)定裝置近年來，大型軸流風(fēng)機上加裝了性能穩(wěn)定裝置，又稱KSE裝置（該裝置由前蘇聯(lián)的伊凡諾夫發(fā)明）。這種性能穩(wěn)定 裝置主要是用來抑制葉輪邊緣流體失速倒流而產(chǎn)生的不穩(wěn) 定現(xiàn)象的。第二節(jié)泵與風(fēng)機的葉輪理論-、離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機是由原動機拖動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪上的葉片就對流體做功， 從而使流體獲得壓能及動能。因此，葉輪是實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為流體能量的主要部件。（一）流體在葉輪中的運動及速度三角形為討論葉輪與流體相互作用的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，首先要了解流體在葉輪內(nèi)的運動，

21、由于圖2-21流體在葉輪內(nèi)的運動 圓周運動（b）相對運動（c）絕對運動流體在葉輪內(nèi)的運動比較復(fù)雜， 為此作如下假設(shè)：葉輪中葉片 數(shù)為無限多且無限薄，即流體質(zhì) 點嚴(yán)格地沿葉片型線流動，也就 是流體質(zhì)點的運動軌跡與葉片 的外形曲線相重合；為理想流 體，即無粘性的流體，暫不考慮 由粘性產(chǎn)生的能量損失； 流體 作定常流動。流體在葉輪中除作旋轉(zhuǎn)運動外，同時還從葉輪進口向出口流動，因此流體在葉輪中的運動是一種復(fù)合運動。當(dāng)葉輪帶動流體作旋轉(zhuǎn)運動時，流體具有圓周運動(牽連運動)，如圖2-21(a)所示。其運動速度稱為圓周速度，用符號 u表示，其方向與圓周切線方向一致，大小與所在半徑r及轉(zhuǎn)速n有關(guān)。流體沿葉輪流

22、道的運動，稱為相對運動，如圖2-21 (b)所示，其運動速度稱為相對速度，用符號 W表示，其方向為葉片的切線方向、大小與流道及流道形狀相關(guān)。 流體相對靜止機殼的運動，稱為絕對運動，如圖2-21 ( c)所示，其運動速度稱 絕對速度，用符號v表示，它是以上兩個速度的向量和，即v 二 u w圖2-22速度三角形由這三個速度向量組成的向量圖，稱為速度三角形，如圖2 22所示。速度三角形是研究流體在葉輪中運動的重要工具。絕對速度V可以分解為兩個相互垂直的分量：對速度圓周方向的分量和絕對速度在軸面(通過泵與風(fēng)機軸心線所作的平面)上的分量。絕對速度V與圓周速度 w之間的夾角用a表示，稱絕對速度角；相對速度

23、w與圓周速度反方向的夾角用B表示.稱為流動角。葉片切線與圓周速度U反方向的夾角，稱為葉片安裝角用：a表示。流體沿葉片型線運動時，流動角：等于安裝角 飛。用下標(biāo)1和2表示葉片進口和出口處的參數(shù)表示無限多葉片時 的參數(shù)。速度三角形一般只需已知三個條件就可畫出。根據(jù)泵與風(fēng)機的設(shè)計參數(shù)，可以求出U,Vm，和角。其求法如下：(1 )( 1 )圓周速度U計算公式為：Dn ,U _m/s60式中:D葉輪直徑，mn葉輪轉(zhuǎn)速，r/min(2)(2)軸面速度Vm由連續(xù)方程得qVTvqVm.AA V m/s式中：0vt 理論流量，m/s；qv 實際流量，m/sv 容積效率，A 有效斷面積(與軸面速度Vm垂直的斷面積

24、)，m若考慮到實際葉片的厚度對有效斷面積的影響，設(shè)每一葉片在圓周方向的長度為 葉輪共有z個葉片，則總長度為 z(T ,有效斷面積A則為A=n Db-z cr b其中：b 葉片寬度；c 圓周方向的葉片長度；(T其中s為葉片厚度。W的方向應(yīng)與葉片安裝(3) 相對速度w的方向或b角當(dāng)葉片無限多時，相對速度角B a的方向一致。B a在設(shè)計中是根據(jù)經(jīng)驗值選取的。求出u,vm,和-角后，就可按比例畫出速度三角形。(二)能量方程式及其分析為：能量方程式是由流體力學(xué)中的動量矩定理推導(dǎo)而得的。離心式泵與風(fēng)機的能量方程式Ht(U2V2U：- UiWu： Jg式中：H單位重量流體通過無限多葉片時，所獲得的理論能量。

25、 該方程是歐拉在1756年首先推導(dǎo)出的，故又稱為歐拉方程。對于風(fēng)機而言，通常用風(fēng)壓來表示所獲得的能量，風(fēng)壓Pt：二:gH t：，其單位為 Pa。因此，風(fēng)機的能量方程式表示為:Pt： = ：(U2V2u：UiViu Pa通過速度三角的轉(zhuǎn)換計算得:2 2V2 二V1:：2 2U2 -U12 2%： -W2：2g2g2g上式是能量方程式的另一表達形式。下面對上述能量方程式進行簡單分析：(1) Ht-和表示單位重量和單位體積的理想流體流過無限多葉片葉輪時所獲得的能量，Ht-的單位為m P-的單位為Pa。 當(dāng)a 1-=90時，則V1心=，能量方程式則變?yōu)閁2V2u 二H T 二g (2-10)因此，當(dāng)a

26、 1-= 90，流體徑向流入葉輪時，獲得最大的理論能頭。(3)由能量方程式可知，Ht-與流體的密度無關(guān)，即與流體性質(zhì)無關(guān)。而R-與流體密度有關(guān)。因此，不同密度的流體所產(chǎn)生的壓力是不同的。2 2 2 2 2 2_ V2： V1：U2 -U1W1： 一 W2：H(4) 式2g2g2g中第一項是流體通過葉輪后所增加的動能，稱為動能頭，用Hd -表示。第二項與第三項之和為增加的壓力能，稱為靜能頭，用Hst-表示(5) 由式(2 10)可知，Ht-與U2和V2u-有關(guān)，增加轉(zhuǎn)速n、葉輪外徑D2和絕對速度在圓 周的分量V2u-，均可提高理論能頭 Ht-,但加大D2會使損失增加，降低泵的效率。提高轉(zhuǎn)速 n則

27、受汽蝕及材料的限制。比較之下，用提高轉(zhuǎn)速n來提高理論能頭，仍是當(dāng)前普遍采用的主要方法。(三) 離心式葉輪葉片型式對Ht-勺影響當(dāng)流體以a 1-= 90進入葉輪時，由式(2 10)可知，當(dāng)葉輪外徑 D、轉(zhuǎn)速n不變時，圓周速度U2為常量，則理論能頭 Ht-與V2U-有關(guān)，而V2U-的大小則取決于流量 qV及葉片出口安裝角B 2a-。因此，當(dāng)葉輪幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、流量一定時，理論能頭Ht-僅為B 2a-的函數(shù)。() 葉片出口安裝角 3 2a 確定了葉片的型式， 一 般葉片的型式有以下三 種：3 2a-90,葉片的彎 曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向 相同，如圖2-23(c)所示，3 2a-90時，總能量中動能所

28、占的比例大于壓能。那么，對離心泵而言，為什么一般均采用3 2a為2035范圍內(nèi)的后彎式葉片，而對風(fēng)機則可根據(jù)不同情況采用三種不同的葉片形式，其原因如下：由以上分析可知，在轉(zhuǎn)速n、葉輪外徑D2、流量q/(qv= AVm)及入口條件均相同的條件 下，前彎式葉片產(chǎn)生的絕對速度比后彎式葉片大，而液體的流動損失與速度的平方成正比。 因此，當(dāng)流體流過葉輪及導(dǎo)葉或蝸殼時，其能量損失比后彎葉片大。同時為把部分動能轉(zhuǎn)換為壓能，在能量轉(zhuǎn)換過程中，必然又伴隨較大的能量損失，因而其效率遠低于后彎式葉片。 反之，前彎式葉片有以下優(yōu)點：當(dāng)其和后彎式葉片的轉(zhuǎn)速、流量及產(chǎn)生的能頭相同時，可以減小葉輪外徑D2。因此，可以減小風(fēng)

29、機的尺寸，縮小體積，減輕質(zhì)量。又因風(fēng)機輸送的流體 為氣體，氣體的密度遠小于液體，且摩擦阻力正比于密度，所以風(fēng)機損失的能量遠小于泵。 鑒于以上原因，在低壓風(fēng)機中可采用前彎式葉片，3 2a一般取90155 O(四) 有限葉片葉輪中流體的運動前面分析了流體沿?zé)o限多葉片葉輪的流動，這時流道內(nèi)的流體是按葉片的型線運動的，因而流道任意半徑處相對速度分布是均勻的而實際葉輪中的葉片不可能無限多，而是有限的，流體是在具有一定寬度的流道內(nèi)流動。因此，除緊靠葉片的流體沿葉片型線運動外， 其他都與葉片的型線有不同程度的差別，從而使流場發(fā)生變化。這種變化是由軸向旋渦運動引起的。由軸向渦旋引起速度偏移，使實際的3 23

30、2a-,導(dǎo)致有效出口速度降低，使有限葉片葉輪的理論能頭下降。一般用滑移系數(shù) K來修正無限多葉片葉輪的理論能頭，即Ht =KHtoO式中K即為滑移系數(shù)，其值恒小于 1,此值不是效率，只說明在有限葉片葉輪下，由于軸向渦旋的存在對理論能頭產(chǎn)生的影響。對滑移系數(shù)現(xiàn)在還沒有精確的理論計算公式，一般采用經(jīng)驗公式計算。軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論(一) 、概述軸流式和離心式的泵與風(fēng)機同屬葉片式，但從性能及結(jié)構(gòu)上兩者有所不同。軸流式泵與風(fēng)機的性能特點是流量大，揚程(全壓)低,圖2-24翼型簡圖比轉(zhuǎn)數(shù)大，流體沿軸向流入、流出葉輪。其結(jié)構(gòu)特點是：結(jié)構(gòu)簡單，重量相對較輕。因有較大的輪轂動葉片角度可以作成可調(diào)的。動葉片

31、可調(diào)的軸流式泵與風(fēng)機，由于動葉片角度可隨外界負(fù)荷變化而改變，因而變工況時調(diào)節(jié)性能好，可保持較寬的高效工作區(qū)。鑒于以上特點，目前國外大型制冷系統(tǒng)中普遍采用軸流式風(fēng)機作為鍋爐的送引風(fēng)機、軸流式水泵作為循環(huán)水泵。今后隨著容量的提高，其應(yīng)用范圍將會 日益廣泛。（二）、軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論1、1、 翼型和葉柵的概念由于軸流式泵與風(fēng)機的葉輪沒有前后蓋板,流體在葉輪中的流動，類似飛機飛行時，機翼與空氣的作用。因此，對軸流式泵與風(fēng)機 在研究葉片與流體之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系時，采用了機翼理論。為此下面介紹翼型，葉柵及其 主要的幾何參數(shù)。翼型機翼型葉片的橫截面稱為翼型，它具有一定的幾何型線，和一定的空氣動力特性。

32、翼型見圖（2-24）:葉柵由相同翼型等距排列的翼型系列稱為葉柵。這種葉柵稱為平面直列葉柵， 如圖2-25所示。由于軸流式葉輪內(nèi)的流動類似并可簡化 為在平面直列葉柵中繞翼型的流動，而在直 列葉柵中每個翼型的繞流情況相同，因此只 要研究一個翼型的繞流情況就可以了。這里 要注意幾個參數(shù)的定義：葉片安裝角3 “：弦長（圖2 - 24中所示） 與列線（葉柵中翼型各對應(yīng)點的連線 ,如圖 2-25中B-B）之間的夾角。流動角3 1, 3 2：葉柵進、出口處相對速 度和圓周速度反方向之間的夾角。F呻 1 .L圖2-26葉柵進口及出口速度三角形2、2、速度三角形在葉輪任意半徑處取一如圖2 26所示的葉柵。在葉柵

33、進口，流體具有圓周速度ui、相對速度Wl，絕對速度Vl ,出口具有U2、w2和V2,由這三個速度矢量組成了進出口速度三 角形。與離心式泵與風(fēng)機相同，絕對速度也可以分解為圓周方向的分量Vu，和軸面方向的分量Va，此時，軸面分速的方向為軸向，故用符號Va表示。軸流式與離心式的速度三角形相比具有以下特點：軸流式葉輪進出口處流體沿同一半徑的流面流動，因而進出口的圓周速度Ui和U2相等，即有Ui= U 2= U。另外對不可壓縮流體，對風(fēng)機流體升壓很小，葉輪進出 口軸面速度可視為相等，即 Wa =V2a =VaU和Va可用下式計算：二 DnU =60 m/s式中：D計算截面所取直徑，m;n 葉輪轉(zhuǎn)速，r/

34、mi n ；qv4m/s式中：qv 實際工作流量，m3/s；D2葉輪外徑， m;Dh輪轂直徑，m;v 容積效率；2 排擠系數(shù)；再計算出圓周分速 vu ,或已知3 1, 3 2角，就可繪出葉輪進出口速度三角形，如圖226所示。由于葉輪進出口具有相同的圓周速度和軸面速度，因此為研究問題方便起見， 常把進、出口速度三角形繪在一起，如圖2 27所示。因為葉柵中流體繞流翼型與繞流單冀型有所不同，葉柵將影響來流速度的大小和方向，因此為推導(dǎo)公式和論證簡化起見，可取葉柵前后相對速度 wi和 w2的幾何平均值 W：:作為無限遠處（流體未受擾動）的來流速度。2-27葉幡進蚩C1建度三角形重疊其大小和方向由進出口速

35、度三角形的幾何關(guān)系來確定，即2WaWiuW2u如用作圖法，只需要將圖2-27中CD線中點E和B連接起來，此聯(lián)線BE即決定了畑 的大小和方向。（三）基本型式軸流式泵與風(fēng)機可分為以下四種基本型式。(dJ圖2-28軸流式泵與風(fēng)機的型式(1) (1)在機殼中只有一個葉輪，沒有導(dǎo)葉。如圖2-28(a)所示，這是最簡單的一種型式，這種型式易產(chǎn)生能量損失。因此這種型式只適用于低壓風(fēng)機。(2) (2)在機殼中裝一個葉輪和一個固定的出口導(dǎo)葉。如圖228(b)所示，在葉輪出口加裝導(dǎo)葉。這種型式因為導(dǎo)葉的加裝而減少了旋轉(zhuǎn)運動所造成的損失，提高了效率，因而常用于高壓風(fēng)機與水泵。(3) (3)在機殼中裝一個葉輪和一個固

36、定的入口導(dǎo)葉。如圖228(c)所示，流體軸向進入前置導(dǎo)葉，經(jīng)導(dǎo)葉后產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)速度，即產(chǎn)生反強旋。這種前置導(dǎo)葉型，流體進入葉輪時的相對速度wi比后置導(dǎo)葉型的大，因此能量損失也大，效率較低。但這種型式具有以下優(yōu)點：1) 在轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸相同時，具有這種前置導(dǎo)葉葉輪的泵或風(fēng)機獲得的能量比后置導(dǎo) 葉型的高。如果流體獲得相同能量時，則前置導(dǎo)葉型的葉輪直徑可以比后置導(dǎo)葉型的稍小， 因而體積小，可以減輕重量。2) 工況變化時.沖角的變動較小，因而效率變化較小。3) 如前置導(dǎo)葉作成可調(diào)的，則工況變化時，改變進口導(dǎo)葉角度，使其在變工況下仍保 持較高效率。由于以上優(yōu)點，目前一些中小型風(fēng)機常采用這

37、種型式。水泵因汽蝕因素不采用這種型 式。(4) (4)在機殼中有一個葉輪并具有進出口導(dǎo)葉。如圖2-28(d)所示，如前置導(dǎo)葉為可調(diào)的，在設(shè)計工況下前置導(dǎo)葉的出口速度為軸向，當(dāng)工況變化時，可改變導(dǎo)葉角度來適應(yīng)流量的變化。因而可以在很大的流量變化范圍內(nèi)，保持高效率。這種型式適用于流量變化較大的情況。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了制造、操作、維護等的困難，所以較少采用。(四) 能量方程式對離心式泵與風(fēng)機用動量矩定理推導(dǎo)出來的能量方程式仍適用于軸流式泵與風(fēng)機，所 不同的是軸流式流體進出口的圓周速度、軸面速度相等，即u 1 - u 2 - u, Via = V2a =7a2 2V2-V12g由普通能量方程式2

38、 2 2 2U2 -U1 W| 一w2g 2g 有Ht2 2 2 2 v2_ V1. Wr -W22g 2g(1)上式就是軸流式泵與風(fēng)機的能量方程式。對上述幾個式子進行分析，結(jié)論如下: 因為U =U2二U，故流體在軸流式葉輪中獲得的總能量遠小于離心式。因而，軸流式泵與 風(fēng)機的揚程(全壓)遠低于離心式。(2) 當(dāng)：1 = ：2時，HT = 0,為了提高流體所獲得的能量，必須使：1 ：2，致使W w2,而Vi： v2。(3) 為了提高流體獲得的壓力能，應(yīng)加大葉輪進口的相對速度wi，使wi w2，因而葉輪進口截面應(yīng)小于葉輪出口截面，所以常采用翼型葉片。第三節(jié)泵與風(fēng)機的性能一、泵與風(fēng)機的主要性能參數(shù)風(fēng)

39、機、泵的主要性能參數(shù)有下列幾個：(一) 、流量(flow guantity)單位時間內(nèi)輸送的流體數(shù)量?？梢杂皿w積流量qv表示，也可以用質(zhì)量流量 qm表示。體積流量的常用單位為m3/h或m3/s，質(zhì)量流量的常用單位為Kg/s或t/h。質(zhì)量流量和體積流量的關(guān)系為qm= p qvkg/s式中P 流體密度，Kg/m3。(二) 、壓力、揚程(pressure, head)1、通風(fēng)機全壓單位體積的氣體在通風(fēng)機內(nèi)所獲得總能量叫通風(fēng)機全壓。單位為：毫米水柱，牛/米2。2、離心泵揚程單位重量的液體在泵內(nèi)所獲得總能量叫泵的揚程。單位為：米液柱。(三) 、轉(zhuǎn)速(rotary rate)葉輪每分鐘旋轉(zhuǎn)周數(shù)叫轉(zhuǎn)速。單位

40、為：轉(zhuǎn)/分。(四) 、功率和效率(power and efficiency)通風(fēng)機和泵之功率有鈾功率、有效功率和原動機效率之分。1、軸功率P原動機傳給通風(fēng)機、泵軸上的功率，叫通風(fēng)機、泵的軸功率，又稱輸入功率，通常用 P表示。單位：千瓦。2、有效功率Pe有效功率是指單位時間內(nèi)通過泵與風(fēng)機的流體獲得的功率，即泵與風(fēng)機的輸出功率， 用符號Pe表示，單位為KW。3、原動機功率 Pg原動機的輸出功率即為原動機功率，用Pg表示，單位為KW。軸功率和有效功率之差是泵與風(fēng)機內(nèi)部損失功率。泵與風(fēng)機的效率為有效功率和軸功 率之比。效率的表達式為：上P由于原動機機軸與泵與風(fēng)機的軸連接存在機械損失，用傳動效率n tm

41、表示，所以通常原動機功率比軸功率大，表達式為：pnPg= tm二、二、泵與風(fēng)機的性能曲線泵與風(fēng)機的主要的性能參數(shù)有流量qv、揚程H或全壓p、功率P和效率n o,對泵而言，還有汽蝕余量 h。這些參數(shù)變化關(guān)系的曲線，稱為性能曲線(performance curve)。性能曲線通常是指在一定轉(zhuǎn)速下，以流量為基本變量，其他各參數(shù)隨流量改變而改變的曲線。因此，通常的性能曲線為 qv- H(p)、qv- P、qvn、 h等曲線。該曲線直觀的反映了泵 與風(fēng)機的總體性能。性能曲線對泵與風(fēng)機的選型，經(jīng)濟合理的運行都起著非常重要的作用。鑒于泵與風(fēng)機內(nèi)部流動的復(fù)雜性，至今還不能用理論計算的方法求得，而是通過試驗來

42、確定。但對性能曲線進行理論分析，對了解性能曲線的變化規(guī)律以及影響性能曲線的各種因素，仍具有十分重要的意義。在后面第四章中我們就將用分析性能曲線進行泵與風(fēng)機故障分 析的方法。圖2-29出口速度三角形(一)(一) 離心式泵與風(fēng)機的性能曲線1、流量與揚程(qv H)性能曲線當(dāng)葉片無 限多且無限薄并為理想流體時， 葉輪出口速度三角 形如圖2-29所示：H t ： ： - A - BqvT其中:的斜率由3 2am來決定。(1 )( 1 )當(dāng) 3 2a-90時(前彎式葉片),qvT增加時，Ht：:逐漸增 大，如圖2 30 (c)所示；從中看出，Ht： qvT是一直線方程。Ht：隨qv呈直線關(guān)系變 化，直線

43、和T -略*以上的直線為理論的 Ht： qvT性能曲線。由于考慮到有限葉片數(shù)和粘性流體的影響, 需對上述曲線進行修正?，F(xiàn)以3 2a-90的后彎式葉片為例，分析曲線的變化。對于有限數(shù)葉片的葉輪，由于軸向渦流的影響，從而其所產(chǎn)生的揚程降低，可用滑移系 數(shù)進行修正。Ht=KHt -滑移系數(shù)K恒小于1,且基 本與流量無關(guān)?？紤]實際流體粘 性的影響，并減去因摩擦、擴散 和沖擊而損失的揚程。除此之 外，還需考慮容積損失對性能曲 線的影響，因此，還需減去相應(yīng) 的泄漏量q,即得到實際揚程和 流量的性能曲線qv H，如圖2 31中e線所示。對風(fēng)機的性能 曲線qv p分析和泵的qv H分圖2-31qv-H性能曲線

44、析相同。2、流量和功率（qv_ P）性能曲線流量和功率性能曲線，是指在一定轉(zhuǎn)速下泵與風(fēng)機的流量和軸功率之間的關(guān)系曲線。軸功率P等于流動功率Ph和機械損失功率厶Pm之和。而機械損失和流量無關(guān)，所以可先求 得流量與流動功率的關(guān)系曲線，然后，在相應(yīng)點上加上機械損失功率即得到流量與軸功率的 關(guān)系曲線。如圖2-32所示，流動功率Ph隨流量的變化為一拋物線關(guān)系，其曲線的形狀與 3 2aa角有關(guān)。對于后彎式葉片葉輪，其流動功率是先隨流量的增加而增加，當(dāng)達到某一數(shù) 值時，則隨流量的增加而減少， 所以當(dāng)流量改變時，其流動效率的變化較為平緩 （圖2-32a）。 對于徑向葉片葉輪，其流動功率與流量的關(guān)系曲線是一條通過坐標(biāo)原點上升的直線（圖2 32b