流體機械原理：01第零章 緒論

流體機械原理

學(xué)習(xí)本課程的目的與任務(wù)本課程是熱能與動力工程及其相近專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。主要內(nèi)容是介紹離心式泵與風(fēng)機的分類構(gòu)造、工作原理、基本方程；著重討論泵與風(fēng)機葉輪理論、性能、相似理論、汽蝕、運行、選型及應(yīng)用。而軸流式泵與風(fēng)機作為次重點。為了實現(xiàn)泵與風(fēng)機的安全經(jīng)濟運行，首先，必須掌握泵與風(fēng)機的基本原理、性能、結(jié)構(gòu)及運行調(diào)節(jié)等方面的必要知識，掌握泵與風(fēng)機性能試驗技術(shù)。同時，隨著泵與風(fēng)機設(shè)備的不斷更新和高技術(shù)驅(qū)動裝置的投入，還需不斷地提高運行操作技術(shù)和管理水平。為今后從事專業(yè)技術(shù)工作和科學(xué)研究打下必要的基礎(chǔ)。要與其他基礎(chǔ)課和專業(yè)課緊密聯(lián)系：本課程以《流體力學(xué)》為其主要先修課程，又與《鍋爐原理》、《汽輪機原理》、《熱力發(fā)電廠》、《發(fā)電廠集控運行》等課程緊密聯(lián)系。理論學(xué)習(xí)以理解為主，不要求死記硬背，應(yīng)用時可以查閱設(shè)備廠提供的參數(shù)和資料。樹立工程概念和節(jié)能理念，注重分析和解決問題的方法。學(xué)習(xí)方法課程概況一、學(xué)時二、教材及參考資料總學(xué)時：40，講課：36，實驗：4。三、考核形式《泵與風(fēng)機》，安連鎖編著，中國電力出版社理論考試：閉卷，70%平時成績：考勤，實驗，30%《泵與風(fēng)機》，何川、郭立君編著，中國電力出版社，2008.6《泵與風(fēng)機節(jié)能技術(shù)問答》，吳民強編著，中國電力出版社課程導(dǎo)航緒論第一章泵與風(fēng)機的葉輪理論第二章泵與風(fēng)機的性能第三章相似理論在泵與風(fēng)機中的應(yīng)用第四章泵的汽蝕第五章泵與風(fēng)機的運行第六章熱力發(fā)電廠常用的泵與風(fēng)機第七章泵與風(fēng)機的選型復(fù)習(xí)總結(jié)緒論第一節(jié)泵與風(fēng)機在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用第二節(jié)泵與風(fēng)機的分類第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件第四節(jié)泵與風(fēng)機的主要性能參數(shù)第五節(jié)泵與風(fēng)機的發(fā)展趨勢第一節(jié)泵與風(fēng)機在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用泵與風(fēng)機:將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成流體的壓力能和動能從而實現(xiàn)流體定向輸運的動力設(shè)備。輸送液體的為泵，輸送氣體的為風(fēng)機，故泵與風(fēng)機也稱為流體機械。泵與風(fēng)機耗電量占全國總發(fā)電量的30％~40%。農(nóng)業(yè)方面：排澇、灌溉；采礦工業(yè)：坑道通風(fēng)及排水；冶金工業(yè)：冶煉爐鼓風(fēng)、流體輸送；石油工業(yè)：輸油和注水；化學(xué)工業(yè)：高溫、腐蝕性氣體排送；一般工業(yè)：廠房空調(diào)、通風(fēng)；航空航天：動力系統(tǒng)正常工作的維持。

應(yīng)用電能是國民經(jīng)濟中至關(guān)重要的能源，泵與風(fēng)機是電廠重要的輔機，本書主要研究電廠的泵與風(fēng)機。第一節(jié)泵與風(fēng)機在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用泵與風(fēng)機在熱力發(fā)電廠的應(yīng)用灰渣泵沖灰水泵排粉風(fēng)機升壓泵凝結(jié)水泵給水泵

前置泵循環(huán)水泵射水泵疏水泵送風(fēng)機引風(fēng)機蒸汽空氣水補水泵生水泵煙氣灰渣射水抽氣器工業(yè)水泵汽輪機系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)汽輪機鍋爐火電廠三大風(fēng)機其它：冷卻風(fēng)機、羅茨風(fēng)機一次風(fēng)機：干燥燃料，將燃料送入爐膛，一般采用離心式風(fēng)機。送風(fēng)機：克服空氣預(yù)熱器、風(fēng)道、燃燒器阻力，輸送燃燒所需空氣，維持燃料充分燃燒。引風(fēng)機：將煙氣排至大氣，同時維持爐膛負壓，形成流動煙氣，完成煙氣及空氣的熱交換。火電廠三大泵循環(huán)水泵：提供凝汽器冷卻水,從而建立凝汽器真空。給水泵：將除氧水箱的凝結(jié)水通過給水泵提高壓力，經(jīng)過高壓加熱器加熱后，輸送到鍋爐省煤器入口，作為鍋爐主給水。（前置泵）凝結(jié)泵：將凝汽器的凝結(jié)水通過各級低壓加熱器補充到除氧器。（凝結(jié)水增壓泵）其它：疏水泵、工業(yè)泵、灰漿泵、灰渣泵泵與風(fēng)機在熱力發(fā)電廠的地位安全性：向鍋爐供水的給水泵突然發(fā)生故障或給水管道破裂發(fā)生嚴重泄漏，就會使鍋爐缺水，如果鍋爐給水泵由于某種原因發(fā)生故障而中斷給水，則汽包在短時間內(nèi)就會“干鍋”，引發(fā)重大設(shè)備事故。

經(jīng)濟性：泵與風(fēng)機在電廠中耗電量很大，各類泵與風(fēng)機總耗電約占整個廠用電的70％～80％，而廠用電約占發(fā)電量的10％左右。由此可見，提高泵與風(fēng)機的效率，降低耗電量，是減少電廠廠用電，提高發(fā)電廠供電能力，降低成本的一個重要途徑。循環(huán)水泵凝結(jié)水泵鍋爐給水泵冷卻劑循環(huán)泵

蒸汽發(fā)生器

控制棒

燃料元件反應(yīng)堆泵與風(fēng)機在核電廠中的應(yīng)用安全殼

第二節(jié)泵與風(fēng)機的分類一、按產(chǎn)生壓力的大小分類泵可分為：1.低壓泵：<2MPa。2.中壓泵：2～6MPa

。3.高壓泵：>6MPa

。風(fēng)機可分為1.通風(fēng)機：<15kPa。2.鼓風(fēng)機：15～340kPa

。3.壓氣機：>340kPa

。第二節(jié)泵與風(fēng)機的分類二、按工作原理分類葉片式容積式離心式軸流式混流式往復(fù)式回轉(zhuǎn)式其它真空泵射流泵水錘泵泵葉氏風(fēng)機羅茨風(fēng)機螺桿風(fēng)機離心式軸流式混流式風(fēng)機葉片式容積式往復(fù)式回轉(zhuǎn)式（一）葉片式泵與風(fēng)機

葉片式：工作葉輪旋轉(zhuǎn)時葉輪上的葉片將能量連續(xù)傳遞給流體，從而使流體獲得能量。按葉片對流體的做功不同，可分為離心式、混流式和軸流式三種。利用離心力利用升力利用離心力和升力◆葉輪旋轉(zhuǎn)，葉片迫使流體旋轉(zhuǎn)對流體沿它的運動方向做功；◆流體在慣性力的作用下，從葉輪徑向流出，并進入壓出室；◆在葉輪中心開成低壓區(qū)，在吸入端壓力作用下，流體經(jīng)吸入室軸向進入葉輪；◆葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，流體也就連續(xù)地排出、吸入，形成離心式泵與風(fēng)機的連續(xù)工作。離心式泵與風(fēng)機離心式泵與風(fēng)機流體沿軸向流入葉片通道，當(dāng)葉輪在原動機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)著的葉片給繞流流體一個軸向的推力，此葉片的推力對流體作功，使流體的能量增加并沿軸向排出。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)即形成軸流式泵與風(fēng)機的連續(xù)工作。軸流式泵與風(fēng)機入口靜葉動葉出口靜葉入口靜葉調(diào)節(jié)機構(gòu)軸流式靜葉可調(diào)引風(fēng)機軸流式泵與風(fēng)機◆通過工作室容積周期性變化而實現(xiàn)輸送流體的泵與風(fēng)機?！艨煞譃橥鶑?fù)式和回轉(zhuǎn)式?！暨m用對象：小流量、高壓力的場合?！敉鶑?fù)式◆回轉(zhuǎn)式（二）容積式泵與風(fēng)機◆往復(fù)式：原理：借活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)作用使缸內(nèi)容積反復(fù)變化，以吸入和排出流體，如活塞泵、柱塞泵等。

（二）容積式泵與風(fēng)機◆回轉(zhuǎn)式：

齒輪泵：一對互相嚙合的齒輪，通常用作供油系統(tǒng)的動力泵。

羅茨風(fēng)機：依靠兩個兩葉或三葉的轉(zhuǎn)子作相反方向的旋轉(zhuǎn)，達到傳遞能量于氣體并增高其壓力的目的。

螺桿泵：主動螺桿與從動螺桿相互嚙合，電廠多作為油泵。螺桿泵（二）容積式泵與風(fēng)機

原理：利用高壓工作流體經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生的高速射流來引射被吸流體，與之進行動量交換，以使被引射流體的能量增加，從而實現(xiàn)吸排作用。(1)效率低。(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，價格低。(3)無運動部件，工作可靠，使用壽命長。(4)吸入性能好。(5)可輸送含雜質(zhì)的污水。

CP型系列噴射泵噴射泵（三）其他泵電廠射水泵水環(huán)式真空泵葉輪偏心安裝，葉輪在前半轉(zhuǎn)（此時經(jīng)過吸氣孔）旋轉(zhuǎn)過程中密封的空腔容積逐漸擴大，氣體由吸氣孔吸入；后半轉(zhuǎn)（此時經(jīng)過排氣孔）密封容積逐漸縮小，氣體從排氣孔排出，完成一個抽氣過程。電廠主要用于循環(huán)水泵在啟動時抽真空。（三）其他泵第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件吸入口和壓出口葉輪軸封軸（一）離心泵的主要部件葉輪、吸入室、壓出室、密封裝置等。（一）離心泵主要部件第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件1、葉輪a)葉輪的作用將原動機的機械能傳給液體,使液體的動能和壓力能有所提高。封閉式半封閉式開式根據(jù)結(jié)構(gòu)閉式葉輪開式葉輪半閉式葉輪b)葉輪的分類葉片的內(nèi)側(cè)帶有前后蓋板，適于輸送干凈流體，效率較高。只有后蓋板，可用于輸送漿料或含固體懸浮物的液體，效率較低。沒有前后蓋板，適合輸送含有固體顆粒的液體懸浮物，不易積存雜質(zhì)，減少對葉輪磨損)。b)葉輪的分類開式：半開式：封閉式：第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件按吸液方式單吸式葉輪雙吸式葉輪相當(dāng)于兩個沒有蓋板的單吸式葉輪背靠背并在了一起，可以從兩側(cè)吸入液體，具有較大的吸液能力，而且可以較好的消除軸向推力,用于大流量或提高抗汽蝕性能的場合。液體只能從葉輪一側(cè)被吸入，結(jié)構(gòu)簡單。第三節(jié)泵與風(fēng)機的主要部件2、吸入室吸入管法蘭至葉輪進口前的過流部分。其作用是在最小水力損失情況下，引導(dǎo)液體平穩(wěn)地進入葉輪，并使葉輪進口處的流速盡可能均勻地分布。直錐形彎管形肘管形環(huán)形半螺旋形◆定義：指葉輪出口到泵出口法蘭(對節(jié)段式多級泵是到后級葉輪進口前)的過流部分?！糇饔茫菏占瘡娜~輪流出的高速液體,并將液體的大部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能,然后引入壓水管◆型式：

螺旋形壓出室

環(huán)形壓出室3、壓出室螺旋式壓出室效率較環(huán)形壓出室為高?！舳x：多級泵的流體是從前一級葉輪流入次級葉輪，兩級之間必須有導(dǎo)葉。◆作用：匯集前一級葉輪流出的液體，并在損失最小的條件下，引入次級葉輪或壓出室，同時在導(dǎo)葉內(nèi)還把部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能?！粜褪剑簭较蚴?、流道式。4、導(dǎo)葉5、密封裝置密封環(huán)又稱口環(huán)，為防止高壓流體通過葉輪進口與泵殼之間的間隙泄漏至吸入口，所以在葉輪進口外圈與泵殼之間加裝密封環(huán)。平環(huán)式角環(huán)式鋸齒式迷宮式軸端密封填料密封機械密封浮動環(huán)密封迷宮式密封（1）填料密封填料一般采用浸油或涂石墨的石棉繩，將其放入填料函與泵軸之間，將壓蓋壓緊迫使它產(chǎn)生變形達到密封。結(jié)構(gòu)簡單，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。（2）機械密封由裝在泵軸上隨之轉(zhuǎn)動的動環(huán)和固定在泵殼上的靜環(huán)組成，兩環(huán)形端面由彈簧力使之緊貼在一起達到密封目的。動環(huán)硬度大，常用硬質(zhì)合金、陶瓷等，而靜環(huán)硬度較小，常用石墨制品、聚四氟乙烯等。（3）浮動環(huán)密封

結(jié)構(gòu)：浮動環(huán)、浮動套、軸套等

原理：以浮動環(huán)與支撐環(huán)的密封端面在液體壓力及彈簧力的作用下，保持緊密接觸來實現(xiàn)徑向密封；以浮動環(huán)的內(nèi)圓表面與軸套的外表面所形成的微小間隙對產(chǎn)生節(jié)流實現(xiàn)員向密封。浮動環(huán)浮動套軸套彈簧（4）迷宮密封利用轉(zhuǎn)子和靜子間的間隙變化，對泄漏流體進行節(jié)流、降壓，從而實現(xiàn)密封作用。迷宮密封泄漏量大，為了減少泄漏，可以向密封襯套注入密封水。螺旋密封軸上加工反向螺旋槽，泵軸轉(zhuǎn)動的時候?qū)Τ錆M在螺旋槽內(nèi)的泄漏液體，產(chǎn)生一種向泵內(nèi)輸送的作用，從而達到減少介質(zhì)泄漏的目的。非接觸式，無磨損，壽命長。（二）離心式風(fēng)機的主要部件二、離心式風(fēng)機的主要部件1.葉輪由前盤、后盤、葉片和輪轂組成。葉片輪轂軸前盤后盤空心葉片板式葉片不同葉片形狀機翼型 直板型 彎板型空心的機翼型被顆粒磨穿后容易產(chǎn)生振動，直板型制造簡單，但效率低。彎板型經(jīng)過空氣動力性能設(shè)計優(yōu)化，效率接近機翼型，效果好。葉輪前盤形式后向及徑向葉輪前盤形狀對氣流的影響(a)平直前盤(b)錐形前盤(c)弧形前盤平直前盤制造簡單，但氣流進口后分離損失大，效率低?；⌒吻氨P分離損失最小，效率最高，但制造復(fù)雜。錐形前盤介于兩者之間2.蝸殼蝸殼的任務(wù)是匯集葉輪流出的氣流并引向出口，與此同時將氣流的一部分動能轉(zhuǎn)變成壓力能。由螺形室、蝸舌和擴壓器組成。螺旋室外形制作成阿基米德螺旋線或?qū)?shù)螺旋線，提高效率。擴壓器的擴散角為6～8°。蝸舌由螺旋室內(nèi)部螺旋的起始部分與風(fēng)機出口斷面反向延長線的一部分構(gòu)成，可以防止氣體在機殼內(nèi)循環(huán)流動，提高效率。3.集流器圓筒形簡單，但集流器出口會形成渦流區(qū)圓錐形較好，但太短，效果不佳弧形集流器好于前兩種錐弧形最符合氣流流動的規(guī)律，與圓柱型集流器相比，效率可提高2％～3％，高效風(fēng)機上基本都采用此種集流器二、軸流式泵與風(fēng)機的主要部件1.軸流式泵與風(fēng)機的主要部件1.葉輪：葉片+輪轂2.導(dǎo)葉：前、后導(dǎo)葉3.吸入室和集流器4.擴壓筒二、軸流泵與風(fēng)機的主要部件喇叭形吸入室肘形吸入室擴壓筒的作用是將導(dǎo)葉流出氣流的動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，其結(jié)構(gòu)有筒形和錐形。吸入室和集流器泵稱為吸入室，風(fēng)機稱為集流器。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。擴壓筒擴壓筒第四節(jié)泵與風(fēng)機的主要性能參數(shù)效率η:流體得到的能量與輸入功率的比例轉(zhuǎn)速n:轉(zhuǎn)速高，流量大，揚程高，級數(shù)和軸長可以減小功率P：原動機傳遞給泵與風(fēng)機軸上的功率揚程H/全壓p：單位重量的液體/單位體積的氣體獲得的能量流量qv（qm）：單位時間內(nèi)輸送的流體量汽蝕余量NPSH:標志泵汽蝕性能的重要參數(shù)一、流量

泵與風(fēng)機在單位時間內(nèi)所輸送的流體量，通常用體積流量qV表示，單位為m3/s，m3/h。

測量時,泵以出口流量計算，而風(fēng)機則以進口流量計算。

對于非常溫水或其它液體也可以用質(zhì)量流量qm表示，單位為kg/s，kg/h。qm和qV的換算關(guān)系為：qm=ρqV二、揚程（全壓）

單位重力（體積）流體通過泵（風(fēng)機）所獲得的能量增加值。

對于泵：通常用揚程H表示，單位為m；說明：下標“1、2”表示泵與風(fēng)機進口和出口截面。對于風(fēng)機：通常用全壓p表示，單位為Pa。三、功率和效率

原動機傳動裝置泵與風(fēng)機原動機配套功率：PM=KPg，K為容量安全系數(shù)（額定條件下）。四、轉(zhuǎn)速泵與風(fēng)機軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，通常用n

表示，單位為r/min。有效功率：（kW）

軸功率：傳到泵與風(fēng)機軸上的功率

（kW）

原動機輸出功率：（kW）傳動效率：

tm效率：五、其它基本性能參數(shù)

3、內(nèi)功率實際消耗于流體的功率稱為泵與風(fēng)機的內(nèi)功率，用Pi表示。它等于有效功率加上除軸承、軸封外在泵與風(fēng)機內(nèi)損失掉的功率。即：Pi=Pe+P

（kW）

2、風(fēng)機的靜壓有效功率用Pest表示，其計算式如下：（kW）

1、風(fēng)機的靜壓風(fēng)機的全壓減去風(fēng)機出口截面處的動壓pd2（亦稱風(fēng)機的動壓）稱為風(fēng)機的靜壓。用pst表示，即：（Pa）

4、內(nèi)效率泵與風(fēng)機的有效功率與內(nèi)功率之比稱為泵與風(fēng)機的內(nèi)效率（風(fēng)機稱為全壓內(nèi)效率）。用i

表示，即：5、靜壓效率和靜壓內(nèi)效率靜壓效率是指風(fēng)機的靜壓有效功率和軸功率之比，用st表示，即：同理，靜壓內(nèi)效率等于靜壓有效功率與內(nèi)功率之比，用ist表示，即：五、其它基本性能參數(shù)1．大容量國產(chǎn)300MW機組配套兩臺鍋爐給水泵，單臺功率為5500kW。國外1300MW機組只用一臺給水泵，其驅(qū)動功率為50000KW；1800MW機組給水泵的功率為55000KW；甚至還有驅(qū)動功率高達75000kW的給水泵。出口壓力也發(fā)展到超超臨界壓力35MPa。隨著高超臨界壓力機組的應(yīng)用，其給水泵的出口壓力將高達50MPa以上。國外700MW機組軸流式送風(fēng)機和引風(fēng)機功率11000kW。第五節(jié)泵與風(fēng)機的發(fā)展趨勢2．高速化上世紀60年代，由于汽蝕和材料的限制，給水泵轉(zhuǎn)速一般僅為3000r／min，近年來已提高到7500r／min(1800MW機組用），泵的單級揚程由200m左右增加到1150m以上。提高轉(zhuǎn)速可提高泵的單級揚程。因此，在總揚程相同時，可減少泵的級數(shù)，縮短泵軸的長度，減小體積，減輕總量，節(jié)省了材料，搬運維修都更方便。660MW機組配套給水泵，轉(zhuǎn)速3000r/min提高到7500r/min，單級揚程可達1143m；因而級數(shù)從5級減少到2級，重量減輕3/4。由此帶來的經(jīng)濟效益是十分顯著的。第五節(jié)泵與風(fēng)機的發(fā)展趨勢

3．高效率凡離心泵、軸流泵效率低于60％，通風(fēng)機、鼓風(fēng)效率低于70％，必須分批分期地予以改造或更換。改進后的4-13.2(73)型后彎機翼葉片離心式送引風(fēng)機的效率可達90％左右，原10Sh-6型泵改進為250S-65型，效率由79％提高到84％，原DG500-140型給水泵，改進為DG450-180型后，效率由72％提高到79％。值得注意的是：全國泵與風(fēng)機設(shè)備在系統(tǒng)中的實際運行效率只有40％左右，比發(fā)達國家低10％~30%。為此，除提高泵與風(fēng)機自身的效率外，還需要提高其在系統(tǒng)的運行效率。

第五節(jié)泵與風(fēng)機的發(fā)展趨勢