第二章 流體輸送機械

Review一、相似理論與因次分析1、力學性相似原理相似定義幾何相似：長度比例系數(shù)，面積比例系數(shù)和體積比例系數(shù)運動相似：速度比例系數(shù)，加速度比例系數(shù)動力學相似：四大相似準數(shù)相似三定律與單值性相似：Eu=f(Fr,Re)

2、相似準數(shù)及其物理含義推導方法：動力相似定義；運動微分方程Review3、四大相似準數(shù)定義及物理含義Re＝慣性力/粘性力；Eu=p/pu2壓力差/慣性力；Fr=u2/gl慣性力/重力；M=u/a=慣性力/彈性力。4、模型律完全相似與局部相似特種模型律模型律的應用：管內(nèi)流體流動：Re模型律、管壁粗糙度相似具有自由面的液體急變流動：Fr模型律液體孔口淹沒出流：Eu模型律Review5、因次（量剛）分析理論白金漢（Buckinghan）π定理瑞利定律相似理論與因次分析的區(qū)別：

相似理論是在描述物理現(xiàn)象的物理方程已知的情況下，探求兩現(xiàn)象的相似條件。用于模型制備、設計及原模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因次分析是在決定某物理現(xiàn)象的諸因素已知條件下，根據(jù)量綱一致性推導出描述該現(xiàn)象的物理方程－隱式準則方程。適用于實驗方案確定及其數(shù)據(jù)處理。二、一元氣體動力學基礎Review1、理想氣體一元穩(wěn)定流動運動方程Review2、音速、滯止參數(shù)、馬赫數(shù)3、氣體一元穩(wěn)定流動連續(xù)性方程

第二章流體輸送機械

本章內(nèi)容2.1概述2.2離心泵2.3其他類型化工用泵2.4氣體輸送機械作業(yè)：11-5,6,10,13-5,13-6習題：1，2，4，5，7，9，11，12本章要求1、掌握如下基本概念：氣縛，揚程，工作點，效率，軸功率，汽蝕、汽蝕余量，壓縮比，余隙（體積、比）等.2、了解泵與風機的分類及特點.3、熟悉離心泵的構造、工作原理、性能參數(shù)、特性曲線及其影響因素.4、熟悉離心泵工作點及流量的調(diào)節(jié)方法.5、熟悉氣體輸送機械的分類.6、了解往復泵、齒輪泵、漩渦泵、真空泵、壓縮機的構造、工作原理、特點及應用.2.1流體輸送機械概述定義：為流體提供能量的機械稱流體輸送機械。最多的是泵和風機作用表現(xiàn)在：①為流體提供動力，以滿足輸送要求；

②為工藝過程創(chuàng)造必要的壓強條件；

大量用于機械、燃氣、供熱、通風等行業(yè)。流體輸送機械的分類流體輸送機械按工作原理分類：離心式（葉輪式）往復式旋轉(zhuǎn)式流體動力作用式根據(jù)流體性質(zhì)的不同分為：輸送液體用泵輸送氣體用壓縮機（或風機）

真空泵

內(nèi)容提要離心泵的工作原理和主要部件

離心泵的主要性能參數(shù)和特性曲線

離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)

2.2離心泵離心泵的氣蝕現(xiàn)象與安裝高度

離心泵的類型與選用2.1.1離心泵的操作原理和主要部件

1、操作原理A獲能（葉輪）B轉(zhuǎn)能排液（泵殼）C吸液（入口）離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，將動能和靜壓給予液體，在泵殼內(nèi)液體的部分動能轉(zhuǎn)變成靜壓能，使液體獲得較高的壓力，壓出泵體外。

2、離心泵的氣縛現(xiàn)象

離心泵為自吸泵。離心泵若在啟動前未充滿液體，則泵殼內(nèi)存在空氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力很小。此時在吸入口的所形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)。雖啟動泵但不能輸送液體的現(xiàn)象，稱氣縛。Airbinding為此需安裝帶吸濾網(wǎng)的止逆底閥。3、離心泵的主要部件A葉輪：6～12片后彎葉片平衡孔：平衡軸向推力B泵殼（蝸殼）導輪C軸封裝置（一）葉輪種類（二）泵殼離心泵吸液方式離心泵軸封裝置2.2.2離心泵的主要性能參數(shù)

1、流量（送液能力Q）單位:m3/s2、揚程（H）單位:J/N=m也稱壓頭3、功率（N軸、Ne）：單位，W4、效率（）

泵軸葉輪液體能量能量離心泵功率損失的原因值反映泵工作時機械能損失情況，一般0.6～0.85,大型泵可達0.9.（1）流體流動摩擦損失（水力損失）：僅獲得有效揚程H－ηh。P296由進口、撞擊、葉輪、動壓轉(zhuǎn)換（出口）四部分組成（2）流量損失（容積損失）：部分高壓液體泄漏（通過縫隙等）到低壓區(qū)－ηv（3）機械損失：泵軸與軸承之間的摩擦和泵軸密封處的摩擦損失。ηm離心泵啟動或正常運轉(zhuǎn)時可能超過正常負荷，電機功率應大于軸功率。H-Q曲線：N軸-Q曲線：-Q曲線：2.2.3離心泵的特性曲線及影響因素1、離心泵的特性曲線：標志著泵的性能一般以流量Q為橫坐標，用揚程H、功率N、效率η繪Q～H、Q～N、Q～η、Q～Hs曲線。條件:額定轉(zhuǎn)速，標準狀況，清水1、離心泵的特性曲線H-Q曲線：Q～H曲線是下降的曲線，即隨流量Q的增大，揚程H逐漸減少。相應與效率最高值的點的參數(shù)，即水泵銘牌上所列的各數(shù)據(jù)。水泵的高效段（不低于最高效率點10%左右）.不同泵曲線陡降不同。N軸-Q曲線：離心泵的軸功率隨流量增加而逐漸增加，曲線有上升的特點。當流量為零時（閘閥關閉），軸功率最小。因此，為便于離心泵的啟動和防止動力機超載，啟動時，應將出水管路上的閘閥關閉，啟動后，再將閘閥逐漸打開，即水泵的閉閥啟動。軸流泵與離心泵相反。1、離心泵的特性曲線-Q曲線：流量效率曲線為從最高點向兩側(cè)下降的變化趨勢。max7%范圍為高效區(qū)；max點為額定點。Q～Hs曲線：離心泵流量與允許吸上真空度曲線是一條下降的曲線。而離心泵流量與汽蝕余量(HSV或Δh)曲線是一條上升的曲線。1、離心泵的特性曲線試驗性能曲線測定:在一定的轉(zhuǎn)速下測定水泵揚程、軸功率、效率與流量之間的關系，并繪出完整的性能曲線。水泵樣本或產(chǎn)品目錄中除了以性能曲線表示水泵的性能外，還以表格的形式給出水泵的性能。離心泵的性能表IS60－540型泵性能表水泵型號流量Q揚程H(m)轉(zhuǎn)速n(r/min)功率P(KW)效率(%)允許吸上真空度(m)葉輪直徑D(mm)重量(kg)IS60-540m3/hL/s軸功率配套功率590164981450213300745.45408477922209025077.54.593626082279753.5離心泵的通用性能曲線水泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線用同一個比例尺，繪在同一坐標內(nèi)而得到的性能曲線。

H=KQ2相似工況拋物線或等效率線離心泵的通用性能曲線2、影響離心泵性能的因素轉(zhuǎn)速的影響：同種型號泵，同種液體，效率不變時，符合比例定律Q1/q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3葉輪直徑影響：切割量<5％時，效率不變，符合切割定律Q`/Q=D2`/D2H`/H=(D2`/D2)2N`/N=(D2`/D2)3

液體密度影響：流量、揚程H=(p2-p1)/g不變，軸功率N軸=QHg/隨密度增大而增大粘度影響：增大，流量，揚程減小，軸功率下降，效率下降。

N軸=Ne/離心泵特性曲線測量2.2.4離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)1、管路特性方程與管路特性曲線管路的特性曲線是表示一定的管路系統(tǒng)所必需的有效壓頭H與流量Q的關系。見圖2-7在一穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，在1-1、2-2列柏努利方程式得：H=Z+P/g+u2/2g+Hf當管路系統(tǒng)一定時，Z與P/g均為定值，上式可整理成如下形式：H=H0+Hf,由范寧公式可得Hf＝KQ2所以：H=H0+KQ2此式表示在特定的管路中，送液量Q與所需壓頭H的關系稱此式為管路特性曲線方程。將此關系標繪在圖上，即可 得H—Q曲線。K大，高阻力管路。離心泵管路特性方程及工作點2.2.4離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)2、工作點當離心泵安裝在一管路中，泵所提供的流量與壓頭（H-Q泵的特性曲線）,應與管路所要的流量與壓頭(H-Q管路特性曲線)相一致。兩曲線的交點即為工作點P（dutypoint）。p74見圖2－8。若P點對應最高效率區(qū)則工作點是適宜的。

3、離心泵的流量調(diào)節(jié)

對一臺泵而言，其特性曲線H-Q是不會變的，而管路特性曲線可變。當原工作點所提供的流量不滿足新條件下所需要的送液量時，即應設法改變原工作點的位置，即需要進行流量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法有：（1）調(diào)節(jié)閥門開度；（2）改變泵的轉(zhuǎn)速；（3）切割葉輪直徑；（4）離心泵并聯(lián)；（5）離心泵串聯(lián)。（1）改變閥門開度在離心泵出口管路上安裝一調(diào)節(jié)閥，實質(zhì)是改變H=H0+KQ2中之K值。優(yōu)點：操作簡便、靈活。缺點：閥門關小時，管路中阻力增大，能量損失增加，并可能使泵不在最高效率區(qū)域中工作。故此種調(diào)節(jié)方法多用于流量調(diào)節(jié)幅度不大，而經(jīng)常需要調(diào)節(jié)的場合。

改變泵的特性曲線，即，改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、切削葉輪等。用這種方法調(diào)節(jié)流量在一定范圍內(nèi)可保持泵在高效率區(qū)域中工作，能量利用較經(jīng)濟，但不方便，需用變速裝置，故應用不廣。見圖2-10

（2）改變轉(zhuǎn)速、切割葉輪(3)離心泵的并聯(lián)與串聯(lián)操作

并聯(lián)兩臺泵的吸入、排出管路相同——管路特性曲線相同；兩臺泵的流量、壓頭相同——泵的特性曲線相同；

在同一壓頭下，兩臺并聯(lián)泵的流量等于單臺泵的兩倍。Q并=2Q單兩臺泵并聯(lián)操作的總流量必低于原單泵流量的兩倍。Q并<2Q。

(3)離心泵的并聯(lián)與串聯(lián)操作串聯(lián)兩臺泵的流量、壓頭相同——泵的特性曲線相同；對于“泵”的特性曲線，同一流量下，兩臺串聯(lián)泵的壓頭等于并聯(lián)中單臺泵的兩倍；（注意：流過兩臺泵的流量是相同的。）串聯(lián)后總流量、總壓頭增大，但壓頭低于原獨立的單臺泵壓頭的兩倍。H串=2H單。組合方式的選擇

1、對于管路特性曲線較平坦的低阻管路，采用并聯(lián)組合，可獲得較串聯(lián)組合高的流量和壓頭。2、對于管路特性曲線較陡的高阻管路，采用串聯(lián)組合，可獲得較并聯(lián)組合高的流量和壓頭。3、對于(Z+P/g)值高于單泵所能提供最大壓頭的特定管路，則必須采用串聯(lián)組合方式。

組合方式的選擇高阻管路低阻管路判斷泵的聯(lián)接是串聯(lián)還是并聯(lián)？2.2.5離心泵的氣蝕與安裝高度

1、離心泵的氣蝕現(xiàn)象

見p78圖2－15離心泵運轉(zhuǎn)時液體在泵內(nèi)的壓強變化a）泵入口葉輪入口靜壓頭

動壓頭基本不變,總壓頭b）葉輪入口葉輪入口轉(zhuǎn)彎點（壓強最低點）流體流到葉輪轉(zhuǎn)彎點，消耗能量，靜壓頭，動壓頭基不變，總壓頭c）葉輪轉(zhuǎn)彎點葉輪出口葉輪對流體做功，靜壓頭

動壓頭

總壓頭

d）葉輪出口泵出口泵殼流道漸大，動壓頭一部分轉(zhuǎn)換為靜壓頭，靜壓頭

流動又消耗能量,動壓頭

總壓頭2.2.5離心泵的氣蝕與安裝高度定義：葉輪入口轉(zhuǎn)彎處存在一個壓強最低點。如果此處附近的最低壓力等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓pv，液體就會在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生氣泡，氣泡隨同液體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，氣泡在高壓作用下迅速凝結或破裂，此時周圍的液體以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，在沖擊點處產(chǎn)生幾萬KPa的壓強，沖擊頻率可高達幾萬次之多，由于沖擊作用使泵體震動并產(chǎn)生噪音，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復作用下，使材料表面疲勞，從開始點蝕到形成裂縫，使葉輪或泵殼受到破壞，這種現(xiàn)象稱為“汽蝕現(xiàn)象”。（cavitation）為避免汽蝕的發(fā)生泵的安裝高度不能過高，可用泵表格中的汽蝕余量（netpositivesuctionhead）對泵的安裝高度加以限制。

有效汽蝕余量△ha和必須汽蝕余量△hr1、有效汽蝕余量△ha(availableNPSH)不汽蝕，液體經(jīng)吸入管到達泵入口處所具有的壓頭P1/g+u12/2g應使液體推進葉輪入口，且應大于液體在工作溫度下的飽和蒸汽壓頭Pv/g，其差值常稱為有效汽蝕余量△ha表達式為：

△ha＝（P1/g+u12/2g）-Pv/g2、必須汽蝕余量△hr(requiredNPSH)表示液體從泵入口流到葉輪內(nèi)最低壓力點處的全部壓頭損失。△hr越小，泵越不易汽蝕。這樣，△ha用于△hr所富余的壓頭就越多。判斷汽蝕條件：△ha>△hr不汽蝕；△ha=△hr開始發(fā)生△ha<△hr嚴重汽蝕；（三）離心泵的最大安裝高度指泵的吸入口與吸入液面間可允許達到的最大垂直距離Hgmax。設泵在最大安裝高度上操作，液面壓力P0，泵入口處壓力P1，泵入口處流體流速u，密度，吸入管損失壓頭Hf

。從吸液面0-0至泵入口1-1列柏氏方程

P0/g+u02/2g+z0=P1/g+u12/2g+z1+Hf可以看出，當z1上升，Hf0-1上升，則P1下降一直下降到氣蝕允許的最小絕壓，就不能再下降，否則就產(chǎn)生氣蝕，則此時

z1-z0=Hg(u0=0)Hg=(P0-P1)/g-u12/2g-Hf,0-1

Hg=(Pa-P1)/g-u12/2g-Hf,0-1=Pa/g-(P1/g+u12/2g)-Hf

Hg=Pa/g-Pv/g-△ha–Hf

Hgmax=Hg=Pa/g-Pv/g-△hr–Hf（四）允許汽蝕余量△h與最大允許安裝高度為保證泵的安全操作允許汽蝕余量△h＝△hr＋0.3m泵規(guī)格表中的汽蝕余量就是允許汽蝕余量。最大允許安裝高度Hg允許將最大安裝高度中的△hr用△h代替：則：

Hg允許=Pa/g-Pv/g-△h–HfPa：儲槽液面上方壓力Pv：液體工作溫度下的飽和蒸汽壓△hr：允許汽蝕余量Hf：吸入管路壓頭損失泵的實際安裝高度Hg必須小于或等于Hg允許。Hg實際=Hg計算-(1～0.5)mReview一、流體輸送機械的定義、作用及分類作用：為流體提供動力，以滿足輸送要求；為工藝過程創(chuàng)造必要的壓強條件。分類：工作原理；流體性質(zhì)。二、離心泵的工作原理和主要部件工作原理：能量獲得；流體的吸入；流體動靜壓能的轉(zhuǎn)化氣縛及其防止：預先灌水；安裝帶吸濾網(wǎng)的止逆底閥；密封主要部件：葉輪、泵殼及軸封裝置三、離心泵的主要性能參數(shù)五大參數(shù)：流量；揚程；功率；效率；汽蝕余量Review五大參數(shù)的物理含義：Q，H，N，，△h

離心泵功率損失的原因：＝ηh*ηV*ηm四、離心泵的特性曲線及其影響因素1、Q～H、Q～N、Q～η、Q～Hs曲線2、影響因素：n，D葉輪，流體粘度，密度3、特性曲線的測量及測定條件五、離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)1、管路特性方程及管路特性曲線：H=H0+KQ22、離心泵的工作點：高效區(qū)，適宜工作點Review3、離心泵流量（工作點）調(diào)節(jié)方法

調(diào)節(jié)閥門開度；改變泵的轉(zhuǎn)速；切割葉輪直徑；離心泵并聯(lián)；離心泵串聯(lián)：注意組合方式選擇。六、離心泵的氣蝕與安裝高度1、氣蝕定義及其判斷2、幾個汽蝕余量定義及其相互關系：△ha，△hr，△h3、幾個安裝高度：Hgmax，Hg允許，

Hg實際4、安裝高度計算汽蝕的防止當離心泵發(fā)生氣蝕時，可以通過以下幾個方面進行考慮：當?shù)卮髿鈮篜a,Hs`,Hg,易氣蝕Hg,易氣蝕吸入管Hf,易氣蝕(故一般離心泵的吸入管比排出管粗)密度,Hs,易氣蝕液體溫度T,飽和蒸汽壓,易氣蝕。2.2.6離心泵的類型與選擇

1、

類型 按輸送液體的性質(zhì)

按葉輪吸入方式

按葉輪數(shù)目

A按葉輪數(shù)目

多級泵

單級泵B按吸液方式

雙吸式

單吸式C按所產(chǎn)生的壓頭大小中壓泵＝20～50mH2O低壓泵<20mH2O高壓泵>50mH2OD按泵軸的位置

立式泵

臥式泵離心泵分類清水泵型號說明

IS50-32-250，ISR，S,D,DGIS，ISR－單級單吸式；29個品種S：單級雙吸式D,DG：多級式50––泵吸入口直徑（mm）32－泵排出口直徑（mm）250－葉輪名義尺寸（mm）其它離心泵1、耐腐蝕泵：輸送酸、堿、鹽。F型；IH型；CZ型2、油泵Y型；SJA型離心泵的選擇

確定輸送系統(tǒng)的He與Qe。Qe（一般已知）He（由柏努利方程求得）選擇泵的類型與型號。液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型。由He-Qe選泵型號。核算泵的特性參數(shù)，查表選擇。N=(HQ)/(102)2.2其它類型泵

往復泵齒輪泵旋渦泵旋轉(zhuǎn)泵往復泵(reciprocatingpump)1、作用原理及主要部件

p354，圖14-1主要部件：泵缸、活塞、活塞桿、吸入閥、排出閥工作原理：活塞向右移動泵缸容積

泵體壓力排出閥門關閥，吸入桿打開液體吸入活塞向左移動泵缸容積泵體壓力排出閥門打開，吸入桿關閉液體排出

具有自吸能力。轉(zhuǎn)速不能過大。N＝80～200r/min，安裝高度4~5m.往復泵的類型與流量類型：見化工原理圖2-21。單動、雙動、三聯(lián)單動泵由于吸入閥和排出閥均在活塞一側(cè)，吸液時不能排液，排液時不能吸液，所以泵排液不連續(xù)，不均勻。為了改善往復泵的排液情況，可采用雙動泵或三聯(lián)泵。

雙動泵即活塞兩側(cè)都裝有吸入閥和排出閥，使吸液、排液同時進行。

往復泵的流量調(diào)節(jié)（1）旁路調(diào)節(jié)：p84,圖2-24（2）改變轉(zhuǎn)速（3）改變行程特性曲線：p354圖14-2H與流量幾乎無關。單動泵：Qv理＝ASn；雙動泵：Qv理＝（2A－a）Sn往復泵的特點

流量僅與泵本身的尺寸及活塞的往復次數(shù)有關，而與泵的揚程無關。

壓頭與泵本身的尺寸無關，只要泵的機械強度及電動機功率允許，要多大壓頭，往復泵可供多大壓頭。

有自吸能力，啟動泵前無需灌泵。

采用支路調(diào)節(jié)流量。見化工原理p84，圖2-24

旋渦泵p357特殊類型的離心泵，輻射狀的徑向葉片，原理與多級離心泵相似。揚程高，效率低30～40％Q-H、Q-曲線與離心泵相似。

Q-N曲線與離心泵相反，QN故旋渦泵開車應打開出口閥。回流支路調(diào)節(jié)流量。啟動泵前先灌泵。我國生產(chǎn)W系列。漩渦泵總體漩渦泵葉輪旋轉(zhuǎn)泵

1、齒輪泵：化工原理圖2－25工作原理與往復泵相似。在泵吸入口，由于兩齒輪分開，空間增大形成低壓區(qū)而將液體吸入。被吸入液體在齒輪和泵體之間被分成兩路由齒輪推著前進。在壓出口，由于兩齒輪互相合攏，空間縮小形成而將液體壓出泵。2、螺桿泵與齒輪泵相似，用兩根相互嚙合的螺桿推動液體作軸向移動。

2.3氣體輸送和壓縮機械

應用：輸送氣體產(chǎn)生高壓氣體產(chǎn)生真空

自動控制的回路或系統(tǒng)需有一定壓力的氣源

氣體輸送機械分類通常按出口壓力或壓縮比分類（1）通風機（fan）:出口表壓<15kPa,壓縮比<1.15（2）鼓風機（blower）:出口表壓10~300kPa,壓縮比1.1~4（3）壓縮機（compressor）:出口表壓>300kPa,壓縮比>2(4)真空泵（vacuumpump）:抽設備中氣體通風機與鼓風機，鼓風機和壓縮機之間無明確劃分界限。按工作原理分類：

往復壓縮機旋轉(zhuǎn)壓縮機離心壓縮機流體作用壓縮機按終壓P2或壓縮比P2/P1分壓縮機P2/P1>4 P2>3×105Pa(表)鼓風機P2/P1=1.15~4通風機P2/P1=1~1.15 P2<1.5mH2O(表)真空泵用于減壓一、離心通風機p87～89構造和原理:與離心泵相似：機殼、葉輪、吸入口、排出口性能參數(shù)和特性曲線:風量、全風壓、靜風壓、軸功率、效率

離心通風機的特性曲線有：Q-HT、Q-Hp、Q-N、Q-；見p89,圖2-30離心通風機的選擇離心通風機二、離心鼓風機和壓縮機（透平）

主要結構與離心通風機相似，但級數(shù)多，由于PTV故葉輪逐漸變小。壓縮機在10級以上，必須分段冷卻，以免溫度過高。冷卻方法：機殼外側(cè)安裝冷水夾套；2～3個葉輪為1段，段間安裝中間冷卻器。

離心鼓風機離心壓縮機離心壓縮機葉輪三、旋轉(zhuǎn)式鼓風機羅茨鼓風機(Rootsblower)最常用。工作原理與齒輪泵相似。見p92圖2-33其氣體流量與轉(zhuǎn)速增大。一定轉(zhuǎn)速下，出口壓力增大時，氣體通過轉(zhuǎn)子與機殼的間隙泄漏增多，流量減小。一般用旁路調(diào)節(jié)流量，溫度低于85℃,風機出口安裝安全閥和氣體穩(wěn)壓罐。羅茨鼓風機四、往復壓縮機

1、氣體壓縮