第二章 流體輸送機(jī)械教材

第二章流體輸送機(jī)械1本章學(xué)習(xí)的目的

本章是流體力學(xué)原理的具體應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)上最常用的流體輸送機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及操作特性，以便根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理地選擇和正確地使用輸送機(jī)械，以實現(xiàn)高效、可靠、安全的運行。2本章應(yīng)掌握的主要內(nèi)容

本章應(yīng)重點掌握離心泵的工作原理、操作特性及其選型。3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題加深對流體力學(xué)原理的理解，并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實現(xiàn)流體輸送。第一節(jié)概述

為流體提供能量的機(jī)械稱為流體輸送機(jī)械。

化工生產(chǎn)中，輸送的流體種類很多。為了適應(yīng)不同情況下的流體輸送要求，因而需要不同結(jié)構(gòu)和特性的流體輸送機(jī)械。氣體輸送機(jī)械與液體輸送機(jī)械不盡相同。用于輸送液體的機(jī)械稱為泵，用于輸送氣體的機(jī)械稱為風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)。能使封閉空間產(chǎn)生負(fù)壓或真空的機(jī)械稱為“真空泵”，有時稱作“抽氣機(jī)”。根據(jù)作用原理不同：速度式容積式速度式：通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪或高速噴射的工作流體傳遞能量，又分為離心式、軸流式和噴射式。容積式：依靠改變?nèi)莘e來壓送與吸取流體，可分為往復(fù)活塞式、回轉(zhuǎn)活塞式。工作原理液體輸送機(jī)械氣體輸送機(jī)械速度式離心式離心泵、旋渦泵離心風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)軸流式軸流泵軸流式通風(fēng)機(jī)噴射式噴射泵容積式往復(fù)式往復(fù)泵、隔膜泵、計量泵往復(fù)式壓縮機(jī)回轉(zhuǎn)式齒輪泵、螺桿泵羅茨風(fēng)機(jī)、液環(huán)壓縮機(jī)第二節(jié)液體輸送機(jī)械

一.離心泵主要部件、工作原理及分類二.離心泵的基本方程式三.離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線四.離心泵性能參數(shù)的改變及換算五.離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)六.離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上的高度七.離心泵的選型與操作八.其它類型的泵一.離心泵主要部件、工作原理及分類1.結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部件：葉輪、轉(zhuǎn)軸靜止部件：吸入室、蝸殼吸入室：位于葉輪進(jìn)口前，把液體從吸入管引入葉輪，作用在于使液體進(jìn)入泵體的流動阻力損失最小。葉輪：是離心泵的核心部件，將機(jī)械能傳給液體，使液體獲得壓力能和動能。開式半開式閉式葉輪按形式分三種蝸殼（壓出室）：葉輪在泵殼內(nèi)順著蝸形通道逐漸擴(kuò)大的方向旋轉(zhuǎn)。由于通道逐漸擴(kuò)大，以高速度從葉輪四周拋出的液體可逐漸降低流速。減少能量損失，從而使部分動能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能。作用：收集液體

能量轉(zhuǎn)換，動能靜壓能軸封裝置：機(jī)械密封或填料密封2.工作原理

離心泵主要由旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的泵殼組成，葉輪上有6-12片后彎的葉片，泵殼成蝸殼形。液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，在慣性離心力的作用下自葉輪中心被甩向外周并獲得了能量，使流向葉輪外周的液體的靜壓強(qiáng)提高，流速增大。液體離開葉輪進(jìn)入蝸殼，因蝸殼內(nèi)流道逐漸擴(kuò)大而使流體速度減慢，液體的部分動能轉(zhuǎn)換成靜壓能。于是，具有較高壓強(qiáng)的液體從泵的排出口進(jìn)入排出管路，被輸送到所需的管路系統(tǒng)。單吸式泵雙吸式泵3.分類按吸入方式分兩種單級泵多級泵按葉輪級數(shù)按用途水泵耐腐蝕泵油泵雜質(zhì)泵二.離心泵的基本方程式

離心泵是利用原動力（電機(jī)、蒸汽機(jī)等）提供的動力，使流體獲得能量并得以輸送。流體能量增量和流體運動之間的關(guān)系，是1754年首先由L.歐拉提出的，成為歐拉方程。方程成立的3個假設(shè)：（1）葉片數(shù)目無限多，葉片無限薄，流動的流線與葉片有相同形狀；（2）流動是軸對稱的相對定常流動；（3）流經(jīng)葉輪的是理想流體，黏度為零，無流動阻力損失。1.液體質(zhì)點在葉輪內(nèi)的運動

（1）圓周速度u

和半徑及轉(zhuǎn)速有關(guān)方向:在該點圓周切線方向（2）相對速度w

方向:在該點葉片的切線方向大小:與流量及葉片形狀有關(guān)，愈到外緣，流道擴(kuò)大則動能下降轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓強(qiáng)。（3）絕對速度cw與u的和速度（4）速度三角形

α—c與u的夾角

β—w與u的反向延長線夾角2.基本方程的推導(dǎo)

理論壓頭：符合上述三點假設(shè)時，單位重量流體通過無限多葉片的旋轉(zhuǎn)葉輪所獲得的能量，用表示。根據(jù)柏努利方程，單位重量流體從1點到2點時所獲能量為：——流體經(jīng)葉輪后增加的靜壓能——流體經(jīng)葉輪后增加的動能當(dāng)葉輪的幾何尺寸(D2、b2、

2)和轉(zhuǎn)速(n)一定時，理論壓頭與理論流量呈線性關(guān)系。

a.

2

90

，QT

，H

b.

2=90

，QT

，H

c.2<90

，QT

，H

H

QT三.離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線1.主要性能參數(shù)1）.流量Q

泵的流量（又稱送液能力）是指單位時間內(nèi)泵所輸送的液體體積。用符號Q表示，單位為Ｌ/ｓ或m3/ｈ。2）.揚程（壓頭）H

泵的揚程（又稱泵的壓頭）是指單位重量液體流經(jīng)泵后所獲得的能量，用符號Ｈ表示，單位為米液柱。泵的壓頭可用實驗方法測定。在泵的進(jìn)出口處分別安裝真空表和壓力表，在真空表與壓力表之間列柏努利方程式。3）.效率

效率反映離心泵能量的損失程度，用

表示，包括：容積損失：由于泵的泄漏所造成的損失。水力損失：進(jìn)入離心泵的黏性液體產(chǎn)生的摩擦阻力以及在泵的局部處因流速與方向改變引起的環(huán)流和沖擊而產(chǎn)生的局部阻力。機(jī)械損失：由泵軸與軸承之間、泵軸與填料函之間以及葉輪蓋板外表面與液體之間產(chǎn)生的機(jī)械摩擦引起的能量損失。4）.功率包括有效功率、軸功率。有效功率：液體流經(jīng)泵所獲得的功率，用Ne表示；軸功率：指原動機(jī)傳到泵軸上的功率，用N表示。2.離心泵的特性曲線

特性曲線是反應(yīng)揚程、軸功率、效率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線，一般用20

C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實驗測定。不同型號的離心泵，其特性曲線的形狀各有不同，有的平坦，有的陡降，有的駝峰型，但總的形狀基本相似，有以下幾方面的共同特點：

故在離心泵啟動時，應(yīng)先關(guān)閉出口閥，使泵在最小N下啟動，以防止電機(jī)超負(fù)荷，保護(hù)電機(jī)。

離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點，該點稱為設(shè)計點，該點對應(yīng)的流量、壓頭和軸功率為額定流量、額定壓頭和額定軸功率，標(biāo)注在泵的銘牌上。一般將最高效率值的92%的范圍稱為泵的高效區(qū)，應(yīng)盡量在該范圍內(nèi)操作。四.離心泵性能參數(shù)的改變及換算

離心泵的特性曲線是在常壓下（1atm）、20℃清水，在一定轉(zhuǎn)速下測定的，如果使用條件與上不符，則性能參數(shù)將發(fā)生變化。g3.轉(zhuǎn)速的影響由比例律得：轉(zhuǎn)速變化，特性曲線變化，轉(zhuǎn)速變化小于20%，葉輪出口速度三角形與效率不變4.葉輪直徑D2的影響由切割定律得:切削葉輪外徑，特性曲線變化，外徑變化不超5%，葉輪出口速度三角形與效率不變五.離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié)

安裝在管路中的離心泵，它的輸送量應(yīng)該為管路中流體的流量，提供的壓頭也應(yīng)該正好是流體流動所需要的壓頭。所以離心泵的實際工作情況應(yīng)該由泵的特性曲線和管路本身的特性共同決定。1.管路特性曲線如圖，在一個抽水管路中使用離心泵把水池中的水輸送到水塔上，在輸送過程中，設(shè)兩個水面1-1’、2-2’維持恒定，在這兩個面之間列柏努利方程，則式中令則令則

可以把這個看作是管路特性方程，對于指定的一個管路A是固定不變的，當(dāng)閥門開度一定流體達(dá)到完全湍流時，B也看作常數(shù)，這就可以繪制出管路的特性曲線，即he-Q曲線。2.工作點一臺離心泵安裝在一定的管路系統(tǒng)中工作，閥門開度也一定時，就有一定的流量與壓頭。此流量與壓頭是離心泵特性曲線與管路特性曲線交點處的流量與壓頭。此點稱為泵的工作點如圖中M點所示。顯然，該點所表示的流量Q與壓頭Ｈ，既是管路系統(tǒng)所要求，又是離心泵所能提供的。若該點所對應(yīng)效率是在最高效率區(qū)，則該工作點是適宜的。1）改變離心泵的特性曲線①改變轉(zhuǎn)速nn

，曲線上移

n

，曲線下移②改變?nèi)~輪直徑D2只可切削D2，曲線下移

n提高、增加流量受葉片強(qiáng)度及其機(jī)械性能的限制，功率消耗太大，所以用高轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量只是小范圍的。3.離心泵的流量調(diào)節(jié)改變泵的轉(zhuǎn)速時流量變化2）改變管路的特性曲線通過調(diào)節(jié)管路閥門的開度實現(xiàn)。閥門關(guān)?。洪y門開大：改變閥門開度時流量變化3）并聯(lián)操作當(dāng)一臺泵的流量不夠時，可以用兩臺泵并聯(lián)操作，以增大流量。一臺泵的特性曲線如圖中曲線Ｉ所示。兩臺相同的泵并聯(lián)操作時，其聯(lián)合特性曲線的作法是在每一個壓頭條件下，使一臺泵操作時的特性曲線上的流量增大一倍而得出特性曲線如圖中曲線Ⅱ。

但需要注意，兩臺泵并聯(lián)后，流量增大，管路阻力亦增大。原來單個泵的工作點為Ａ，并聯(lián)后移至Ｃ點。顯然Ｃ點的流量（QⅡ）不是Ａ點流量（QI）的兩倍，除非管路系統(tǒng)沒有能量損失。4）串聯(lián)操作當(dāng)生產(chǎn)上需要利用原有泵提高泵的壓頭時，可以將泵串聯(lián)使用。相同型號的泵串聯(lián)工作時，每臺泵的壓頭和流量也是相同的。因此，在同樣的流量下，串聯(lián)泵的壓頭為單臺泵的兩倍。將單臺泵的特性曲線Ｉ的縱坐標(biāo)加倍，橫坐標(biāo)保持不變，可求兩臺泵串聯(lián)后的聯(lián)合特性曲線Ⅱ。

由圖，單個泵的工作點為Ａ，串聯(lián)后移至Ｃ點。顯然Ｃ點的壓頭（HⅡ），并不是Ａ點的壓頭（HI）的兩倍。對于低阻力輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)，對于高阻力輸送管路，串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)。例2-1教材p/102六.離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上的高度1.氣蝕現(xiàn)象當(dāng)葉輪吸入口處的壓強(qiáng)低于所輸送液體的飽和蒸汽壓時液體在該處氣化，產(chǎn)生氣泡隨著液體在離心力的作用下從低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)，因受到高壓而聚凝破裂，產(chǎn)生局部真空，周圍液體以極高速度沖向這些氣泡中心形成的真空點，產(chǎn)生巨大的沖擊速度和沖擊力，如果這些氣泡是發(fā)生在葉片表面，則葉片會受到高壓高速流體的沖擊，久而久之，則會被剝蝕—氣蝕作用

因此必須使葉輪入口處最低壓強(qiáng)大于所輸送液體的飽和蒸汽壓。氣蝕現(xiàn)象1）氣蝕原因a.泵的安裝位置距吸液面高度差過大b.泵安裝地區(qū)的大氣壓較低，如高海拔地區(qū)c.泵輸送液體溫度較高2）現(xiàn)象

噪聲大、泵體振動，流量、壓頭、效率都明顯下降。嚴(yán)重時，泵不能正常工作。3）防止措施把離心泵安裝在恰當(dāng)?shù)母叨任恢蒙?，確保泵內(nèi)壓強(qiáng)最低點處的靜壓超過工作溫度下被輸送液體的飽和蒸汽壓。2.氣蝕余量

離心泵內(nèi)壓力最低點位于葉輪葉片進(jìn)口稍后的K點附近，當(dāng)Pk>該操作溫度下流體的飽和蒸汽壓Pv時，才不會發(fā)生氣蝕。在泵入口1-1ˊ和葉輪入口k-kˊ兩截面間列柏努利方程式，可得當(dāng)剛發(fā)生氣蝕時則或——最小氣蝕余量，單位m把+0.3作為允許值，稱為允許氣蝕余量3.安裝高度

為不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，泵的安裝高度z必須小于某一值，該值稱為泵的最大安裝高度zmax。對液面0-0’與K點列柏努利方程，得

上面已經(jīng)講過，為防止氣蝕發(fā)生，最大安裝高度應(yīng)再減去0.3m，稱為允許安裝高度[z]，則

為了更加安全，泵的實際安裝高度z應(yīng)小于允許安裝高度[z]，通常小于0.5m。例2-2教材p/1054.泵的安裝

離心泵開啟前要確保泵內(nèi)灌滿液體，若離心泵啟動前未充滿液體，則葉片間必充滿氣體。由于氣體密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。所以在葉輪中心形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，這時葉輪雖然旋轉(zhuǎn)，但不能輸送液體，葉輪旋轉(zhuǎn)時不能輸送液體的現(xiàn)象稱為“氣縛”。

安裝注意事項：常在泵的吸入管下端安置一個讓液體只進(jìn)不出的單向閥，以便于充液。泵的吸入管應(yīng)短而直，其直徑應(yīng)大于泵入口的直徑，另外排出管路上要安裝止回閥，防止突然停泵時引起高位水倒流。

習(xí)題1

用油泵從儲罐向反應(yīng)器輸送44℃的異丁烷，儲罐內(nèi)異丁烷液面恒定，液面上方的壓強(qiáng)為0.655MPa，吸入管路的全部壓頭損失為1.8m（液柱）。異丁烷在44℃時的密度為530，飽和蒸汽壓為0.637MPa。泵銘牌標(biāo)注的允許氣蝕余量為3.5m（水柱），試設(shè)計此臺泵的安裝高度，并畫簡圖說明。七.離心泵的選型與操作

一、選擇離心泵的基本原則:以能滿足液體輸送的工藝要求為前提。選擇步驟為：１．確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭流量一般為生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定；根據(jù)輸送系統(tǒng)管路的安排，用柏努利方程式計算管路所需的壓頭。

２．選擇泵的類型與型號根據(jù)輸送液體性質(zhì)和操作條件確定泵的類型。按已確定的流量和壓頭從泵樣本產(chǎn)品目錄選出合適的型號。需要注意的是，如果沒有適合的型號，則應(yīng)選定泵的壓頭和流量都稍大的型號；如果同時有幾個型號適合，則應(yīng)列表比較選定。然后按所選定型號，進(jìn)一步查出其詳細(xì)性能數(shù)據(jù)。３．校核泵的特性參數(shù)如果輸送液體的黏度和密度與水相差很大，則應(yīng)核算泵的流量與壓頭及軸功率。例2-3教材p/106二、離心泵的操作

1)安裝時，必須使實際安裝高度小于最大安裝高度防止氣蝕；

2)啟動前先灌水，防止氣縛；

3)合閘前先關(guān)出口閘，使電機(jī)在最小功率下啟動，保護(hù)電機(jī)；

4)停泵時也先關(guān)出口閘，可免去下次啟動時灌水，防止水倒流、葉片反轉(zhuǎn)；

5)長期停泵，應(yīng)將泵內(nèi)的水排空。習(xí)題2八.其它類型的泵1.往復(fù)泵往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù)運動，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務(wù)。往復(fù)泵輸送流體的流量只與活塞的位移有關(guān)，而與管路情況無關(guān)；但往復(fù)泵的壓頭只與管路情況有關(guān)。這種特性稱為正位移特性，具有這種特性的泵稱為正位移泵。(1)往復(fù)泵的工作原理主要部件有泵缸、活塞、吸入閥和排出閥。吸入閥和排出閥均為單向閥?；钊汕B桿機(jī)構(gòu)帶動而作往復(fù)運動。

當(dāng)活塞在外力作用下向右移動時，泵體內(nèi)形成低壓，排出閥受壓而關(guān)閉，吸入閥則被泵外液體的壓力推開，將液體吸入泵內(nèi)，當(dāng)活塞向左移動時，由于活塞的擠壓使泵內(nèi)液體壓力增大，吸入閥受壓而關(guān)閉，而排出閥受壓則開啟，將液體排出泵外。

(2)往復(fù)泵的特點

1)壓頭與流量無關(guān)，流量決定于往復(fù)泵幾何尺寸和往復(fù)次數(shù)，壓頭決定于管路情況，只要強(qiáng)度允許，可無限高；

2)往復(fù)泵流量調(diào)節(jié)不可用出口閥，而用旁路調(diào)節(jié)；

3)往復(fù)泵有自吸作用；

4）效率高；

5)流量不均勻，可制成多動泵；2.齒輪泵

齒輪泵主要是由橢圓形泵殼和兩個齒輪組成。其中一個齒輪為主動齒輪，由傳動機(jī)構(gòu)帶動，另一個為從動齒輪，與主動齒輪相嚙合而隨之作反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，因兩齒輪的齒相互分開，而形成低壓將液體吸入，并沿殼壁推送至排出腔。在排出腔內(nèi)，兩齒輪的齒互相合攏而形成高壓將液體排出。如此連續(xù)進(jìn)行以完成液體輸送任務(wù)。

齒輪泵流量較小，產(chǎn)生壓頭很高，適于輸送黏度大的液體，如甘油等。3.旋渦泵

旋渦泵是一種特殊類型的離心泵。泵殼呈正圓形，吸入口和排出口均在泵殼的頂部。至于泵體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與離心泵并不相同。泵體內(nèi)充滿液體后，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，由于離心力作用，將葉片凹槽中的液體以一定的速度甩向流道，在截面積較寬的流道內(nèi)，液體流速減慢，一部分動能變?yōu)殪o壓能。與此同時，葉片凹槽內(nèi)側(cè)因液體被甩出而形成低壓，因而流道內(nèi)壓力較高的液體又可重新進(jìn)入葉片凹槽再度受離心力的作用繼續(xù)增大壓力，這樣，液體由吸入口吸入，多次通過葉片凹槽和流道間的反復(fù)旋渦形運動，而到達(dá)出口時，可獲得較高的壓頭。

旋渦泵在開動前也要灌水。旋渦泵在流量減小時壓頭增加，功率也增加，所以旋渦泵在開動前不要將出口閥關(guān)閉，采用旁路回流調(diào)節(jié)流量。旋渦泵的流量小、壓頭高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。它在化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，適宜于流量小、壓頭高及黏度不高的液體。旋渦泵的效率一般為20%-50%

。第三節(jié)氣體輸送設(shè)備

氣體輸送機(jī)械與液體輸送機(jī)械大體相同，但氣體具有壓縮性，在輸送過程中，當(dāng)壓力發(fā)生變化時其體積和溫度也將隨之發(fā)生變化。一、用途1．輸送氣體2．產(chǎn)生高壓氣體3．產(chǎn)生真空通風(fēng)機(jī)終壓

14.7kPa(表)鼓風(fēng)機(jī)終壓=14.7~294kPa(表)，壓縮比

4壓縮機(jī)終壓

294kPa(表)，壓縮比

4真空泵終壓=101325Pa(大氣壓)，初壓為負(fù)壓按出口的氣體的壓強(qiáng)二、分類三、離心式通風(fēng)機(jī)1.

基本結(jié)構(gòu)和操作原理離心式通風(fēng)機(jī)和離心泵一樣，在蝸殼形泵體內(nèi)裝一高速旋轉(zhuǎn)的葉輪。借葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，使氣體壓頭增大而排出。離心式通風(fēng)機(jī)