流体静力学.docx

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流体静力学

　流体静力学基本方程是描述静止流体内部，流体在压力和重力作用下的平衡规律。

静力学基本方程主要应用于压强，压强差，液面等方面的测量。

在中央空调水系统中，在水系统没有运行时表现出来的一些特性：

静水压强能够反映冷却塔、大楼系统的高度，间接反映出系统运行时水泵进口压力等。

　　一、静水压强

　　　　　　p=p0+γh

　　p——静水中任意一点的静水压强；

　　p0——自由面上气体压强，在大气中时为大气压强pa；

　　γ——水的容重；

　　h——垂直水面在水下的深度。

　　二、静水压强两个特性

　　1、静水压强的方向和作用面垂直，并指向作用面

　　2、静水内任何一点的静水压强在各个方向相等

　　由于压强是指单位面积上的压力，因此，静水压强的大小与容器中水的总重量没有直接关系，而只与水的深度有关，水深相同，静水压强就相等。

水泵与管道系统运行

一、水泵的选择

　　无论在哪一个流体输送系统中，水泵总是不能独立存在，它必须要与一定的管道相连接使用，水泵与管道始终保持着一定的关系：

水泵的流量与管道中的流量相等，水泵所提供的扬程与在该流量下管道中阻力相等。

因此，水泵需要由管道情况确定。

　　由前所计算的管道中总阻力损失：

　　　　　　h=SQ2

　　可以得出管道性能曲线如图E所示（设计）

　　根据系统所需要的流量与总阻力，选择在该点运行时效率最高的水泵。

二、泵的选型原则

　　由于泵装置的用途和使用条件千变万化，而泵的种类也十分繁多，正确选择泵的类型的大小来满足各种不同的工程实践要求是非常必要的。

　　泵的选项用工作实际包括选定泵的种类或型式以及决定它们的大小两项。

选项用的程序和方法可以列举如下：

　　1、充分了解整个装置的用途、管路布置、地形条件、被输送流体状况、水位以及运输条件等原始资料；

　　2、根据工程要求，合理确定最大流量与最高扬程（Qmax及Hmax表示）。

然后分别加10%-20%作为不可预计的安全量作为选用泵的依据；

　　3、根据已知条件选用适当的设备类型。

制造厂提出的样本中通常都列有该类型号泵的适用范围；

　　4、泵类型确定以后，要根据已知的流量、扬程或压头选定其大小，应使工作点处在高效率区域。

所谓高效率区一般是指最高效率点的-8%的区间。

还要注意泵的工作稳定性，也就是应使工作点位于Q-H曲线的最高点的右侧下降段；

　　5、应当结合具体情况，考虑是否采用并联或串联工作方式？

是否应有备用设备；

　　6、确定泵型号时，同时要确定其转速、原动机型号、传动方式。

性能表上有的列有所配电机型号和配用件型号可以直接套用。

还应查明允许吸上真空高度或允许气蚀余量，并核算其几何安装高度。

三、水泵的并联和串联

　　在中央空调水系统中，往往需要由多台水泵并联或串联（多级）使用来满足系统流量和压力。

　　1、水泵并联

　　水泵并联主要是为了增加流量

图中曲线1表示两台相同水泵性能曲线，2表示管道性能曲线，3表示两台泵并联后综合性能曲线

　　水泵并联运行曲线为纵坐标方向上与单台泵扬程相等，横坐标方向上多台流量相加。

根据水泵并联曲线与管道性能曲线可以看出，并联后水泵单台流量比单独运行时流量要小，扬程要比单独运行时扬程高。

流量和扬程变化情况要根据管道、水泵特性曲线确定。

在选择并联水泵时，水泵性能曲线不能太平缓。

　　2、水泵串联

　　水泵串联主要是为了增加扬程（压力）

图中曲线1表示两台相同水泵性能曲线，2表示管道性能曲线，3表示两台泵串联后综合性能曲线

　　水泵串联运行曲线为横坐标方向上与单台泵流量相等，纵坐标方向上多台扬程相加。

根据水泵串联曲线与管道性能曲线可以看出，串联后水泵单台扬程比单独运行时扬程要低，流量要比单独运行时流量大。

流量和扬程变化情况要根据管道、水泵特性曲线确定。

在选择串联水泵时，水泵性能曲线不能太陡。

　　3、串联、并联运转的选择

　　欲使两台泵增加流量采用并联还是串联，要根据装置特性曲线的形状决定。

当阻力曲线很陡时，串联的流量比并联大。

四、泵的运转工况的调节

　　改变泵运转工况点称为泵的调节。

泵的工况点是泵特性曲线和装置特性曲线（管路阻力曲线）的交点。

所以，改变工况有三种途径：

改变泵的特性曲线；改变装置特性曲线；同时改变泵特性曲线和装置特性曲线

　　1改变泵特性曲线的方法

　　a转速调节

　　b切割叶轮外径调节

　　c改变叶片角度调节

　　d改变前置导叶叶片角度的调节

　　e改变叶片前缘间隙的调节

　　2改变装置特性曲线的方法

　　a闸阀调节

　　b液位调节

　　c旁路分流调节

　　d气蚀调节

泵的定义和分类

1、泵的定义

　　泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机器。

泵用来增加液体的位能、压能、动能。

原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量增加，从而使需要数量的液体，由吸水处经泵的过流部件输送到高处或要求压力的地方。

2、泵的分类

　　泵的种类很多，按其作用原理可以分为如下三大类：

2.1叶片式泵

　　叶片式泵也叫动力泵，这种泵是连续地给液体施加能量，如离心泵、混流泵、轴流泵等。

2.2容积式泵

　　在这种泵中，通过封闭而充满液体容积的周期性变化，不连续地给液体施加能量，如齿轮泵、螺杆泵。

2.3其它类型泵

　　这些泵的作用原理各异，射流泵、水锤泵、电磁泵等。

泵的相似理论

1、换算改变转速时泵的特性曲线

　　设泵的相应尺寸相等（或对同一台泵），

　　　　　　Q1/Q2=n1/n2

　　　　　　H1/H2=（n1/n2）2

　　　　　　P1/P2=（n1/n2）3

　　上式中的下标1表示转速为n1时的参数,2表示转速为n2时的参数.

　　上式称为比例定律,表示泵转速改变时性能参数之间的关系。

在进行泵试验时，通常用异步电动机作为原动机,转速随负荷而变化。

试验完了之后必需把各试验转速下的性能换算为额定转速下的值。

这种换算就是按比例定律进行的。

2、泵的工作范围和型谱

　　泵特性曲线上的每一点都对应着一个工况点，泵在最高效点工况下运行是最理想的。

但是用户要求的性能千差万别，不一定和最高效率点下的性能一致。

要想使每一个用户要求的泵都在泵最高效率点下运行，那样做需要的泵的规格就太多了。

为此，规定一个范围（通常以效率下降5%-8%为界）。

泵在此范围内运行，效率下降不算太大，此段称为泵的工作范围。

　　把许多泵的工作范围画在一张坐标图中，称为型谱。

为了使图形协调，高扬程和大流量时的工作范围不致过大，通常采用对数坐标表示。

　　一般每种系列泵有一个型谱。

所谓系列是指同一类结构的泵（如单级悬臂、双吸泵、节段式多级泵系列）或某种用途的泵（化工流程泵、锅炉给水泵系列）。

而规格是每指同一系中尺寸和性能不同的泵。

　　系列型谱一方面供用户选择需要的泵，一方面用于指出发展新产品的方向。

泵的扬程计算

1、根据泵上压力表和真空计读数确定扬程。

　　泵出口与入口处所装的压力表和真空计所指示的读数可以近似地表明泵在工作时所具有的实际扬程。

　　根据图所示的简图，以下水池液面为基准，列出断面1-1与2-2的能量方程后可以得出泵的扬程为：

　　　　　　H=（P2-P1）/γ+（V22-V12）/2g

图计算泵扬程的示意图

（a）泵装置简图；（b）压力与真空计的安装高差

　　应注意压力表与真空计的安装位置是否存在高差,当两者具有高差Z时，则应按下式计算泵的扬程：

　　　　　　H=Pm/γ+HB+（V22-V12）/2g+Z

2、泵在管网中工作时所需扬程之确定

　　2.2.1泵向开式（通大气）水池供水时。

　　如果希望得到泵的扬程与整个泵与管路系统装置之间的关系，可以列出图书3-3a断面0-0与断面3-3间的能量方程式来求出：

　　　　　　H=HZ+Pm/γ+V3/2g+h1+h2-（Pm/γ+V02/2g）=（V32-V32）/2g+HZ+h3

　　式中　HZ----上下两水池液面的高差，也称几何扬水高度，m；

　　h3----整个泵装置管路系统的阻力损失，m，h3=h1+h2；

　　h1----吸入管段的阻力损失，m；

　　h2----压出管段的阻力损失，m.

　　如两池水面足够大时，则可以认为V3=V3=0，由此说明泵的扬程为几何扬水高度和管路系统流动阻力之和。

通常就此得出的扬程，作为分析工况点和选择泵型的依据。

　　2.2.2泵向压力容器供水时。

　　当上部水池不是开式，而是将液体压力容器时，例如，锅炉补给水泵需将水由开式补水池（压强为大气压Pa）压入压强为P的锅炉内，则在计算进应考虑（P-Pa）/γ的附加扬程。

　　2.2.3泵在闭合环路管网上工作时。

　　泵在闭合环路管网上工作时，此时泵所需扬程仅仅是等于该环路的流动阻力。

　　值得重述，泵的扬程是指单位重量流体从泵入口到出口的能量增量，它与泵的出口水头是两个不同的概念，切不可混淆。

泵的运转特性

一、泵运转时的工况点

　　泵特性曲线上的每一点都是一个工况点，对应一组参数（H、Q、P、NPSH、η）。

通常都希望泵在对应最高效率点的工况下工作，但是不一定能做得到。

这是因为泵运转时在特性曲线上哪一点工作，是由泵特性曲线和装置特性曲线共同决定的。

　　把单位重量液体从吸水池液面送到排水池液面需要的能量称为装置扬程，用Hz表示。

装置扬程Hz是由几何高度ha（位能）、压力差（pt-pc）/ρg（压能）、速度头差（vd2-vs2）/2g（通常泵吸入口与出口的流速相差不大，速度头可以忽略不计）和整个装置管路系统（泵本身除外）的水力损失Σh四部分组成。

　　　　　　Hz=ha+（pt-pc）/ρg+（vd2-vs2）/2g+Σh（1-1）

　　水力损失Σh为沿程损失和局部损失之和

　　　　　　Σh=ΣλL/d×v2÷2g+Σζv2÷2g=KQ2（1-2）

　　式中λ----沿程阻力系数;

　　L----管道的长度;

　　d----管道的直径;

　　v----有效断面上的平均流速。

　　ζ----局部阻力系数

　　将式（1-2）代入（1-1），则可画出Hz与流量的关系曲线（3-1），它是一条二次抛物线，称为装置特性曲线或管道阻力曲线。

　　把泵特性曲线和装置特性曲线画在同一张图上，装置特性曲线和泵特性曲线的交点（图3-1中的M点）就是泵运转工况点。

　　在该点单位重量液体通过泵增加的能量（泵扬程H）正好等于把单位重量液体从吸水池送到排水池液面需要的能量（即装置扬程HZ），故M点是泵稳定的运行点。

如果泵偏离M点在A点工作，这时H>HZ，多余的能量促使管内流速增加，泵的流量增加，工况点从A点移向M点；反之，如泵在B点工作，这时H

故泵的稳定工况点一定是泵特性曲线和装置特性曲线的交点。

　　在产品样本上给出了泵的特性曲线。

当装置确定之后，可以计算并画出特性曲线，从而确定出泵实际的运转工况点。

　　综合以上所述，合理地确定工况点，对于泵的经济运行十分重要。

如图3-2所示，泵在M点运行效率最高，但由于确定装置扬程安全余量过大，实际的装置扬程低，结果泵在大流量侧A点运行，效率很低，且容易发生汽蚀。

若　　装置扬程确定过低，则泵在B点运行，也是不经济的。

泵内的各种损失及泵的效率

　　泵在把机械能转化为液体能量过程中，伴有各种损失，这些损失用相应的效率来表示。

下面按能量在泵内的传递过程，一一介绍泵内能量输入和输出情况。

　　1、机械损失和机械效率

　　原动机传到泵轴的的效率（轴功率），首先要花费一部分去克服轴承和密封装置的摩擦损失，剩下来的轴功率用来带动叶轮旋转。

但是叶轮旋转的机械能并没有全部传给通过叶轮的液体，其中一部分消耗于克服叶轮前、后盖板表面与壳体间（泵腔）液体的摩擦，这部分损失功率称为圆盘摩擦损失。

　　上述轴承损失功率（Pm1）、密封损失功率（Pm2）各圆盘摩擦损失功率（Pm3）之和称为机械损失Pm，其大小用机械效率ηm来表示。

轴功率去掉机械损失功率的剩余功率用来对通过叶轮的液体作功，称为输入水力功率，用P'表示。

机械效率为输入水力功率的轴功率之比，即

　　　　　　ηm=P'/P

　　2、容积损失和容积效率

　　输入水力功率用来对通过叶轮的液体作功，因而叶轮出水口处液体的压力高于进口压力。

出口和进口压差，使得通过叶轮的一部分液体从泵腔经过叶轮密封环（口环）间隙向叶轮进口逆流。

这样，通过叶轮的流量Qt（也称泵的理论流量）并没有完全输送到泵的出口，其中泄漏q这部分液体把从叶轮中获得的能量消耗于泄漏的流动过程中，即从高压（出口压力）液体变为低压（进口压力）液体。

所以容积损失的实质也是能量损失，容积损失的的大小用容积效率ηv来计算。

容积效率为通过叶轮除掉泄漏之后的液体（实际流量Q）的功率和通过叶轮液体（理论流量Qt）功率（输入水力功率）之比。

　　单级泵的泄漏量主要发生在密封环处，多级泵除此之外，还有级间泄漏。

另外，泵平衡轴向力装置、密封装置等的泄漏量也应算在泵的容积损失之中。

　　3、水力损失和水力效率

　　通过叶轮的有效液体（除掉泄漏）从叶轮中接收的能量（Ht），也没有完全输送出去，因为液体在泵过流部分（从泵进口到出口的通道）的流动中伴有水力摩擦损失（沿程阻力）和冲击、脱流、速度方向及大小变化等引起的水力损失（局部阻力），从而要消耗掉一部分能量。

单位重量液体在泵过流部分流动中损失的能量称为泵的水力损失，用h来表示。

由于存在水力损失，单位重量液体经过泵增加的能量（H），要小于叶轮传给单位重量液体的能量（Ht），即H=Ht-h。

泵的水力损失其大小用泵的水力效率ηh来计量。

水力效率为去掉水力损失液体的功率和未经水力损失液体功率之比。

　　泵内各种损失总和用总效率（简称泵效率）来表示。

总效率为有效输出功率PUt和输入功率（轴功率）Pa之比。

　　泵的总效率等于机械效率、容积效率和水力效率之乘积。

泵的特性曲线

　　泵内运动参数之间存在一定的联系。

由于叶轮内液体的速度三角形可知，对既定的泵在一定转速下，扬程随着流量的增加而减小。

因此，运动参数的外部表示形式----性能参数，其间也必然存在着相应的联系。

如果用曲线的形式表示泵性能参数的之间的关系，称为泵的性能曲线（也叫特性曲线）。

通常用横坐标表示流量Q，纵坐标扬程H、效率η、轴功率P、汽蚀余量NPSH（净正吸头）等。

如图是泵性能曲线之示例。

图泵特性曲线

　　如果流量、扬程、轴功率、效率分别用对应最高效率点值的百分比表示，所画出的曲线称为无因次特性曲线。

无因次特性曲线的形状和有因次特性曲线的形状相同。

　　泵特性曲线全面、综合、直观地表示了泵的性能，因而有多方面的用途。

用户可以根据特性曲线选择要求的泵，确定泵的安装高度，掌握泵的运转情况。

制造厂在泵制造完了以后，通过试验作出特性曲线，并根据特性曲线开关的变化，分析泵几何参数对泵性能的影响，以便设计制造出符合性能的泵。

　　鉴于泵内流动的复杂性，准确的泵性能曲线只能通过试验作出。

但是，根据泵的理论可以对泵性能曲线作定性分析，以便了解特性曲线的形状和影响特性曲线的因素。

泵的基本参数

表征泵主要性能的参数有以下几个：

1、流量Q

　　流量是泵在单位时间内输送出去的液体量（体积或质量）。

　　体积流量用Q表示，单位是：

m3/s，m3/h，L/s。

　　质量流量用Qm表示，单位是：

t/h，公斤/s等。

　　质量流量和体积流量的关系为

　　　　　　Qm=ρQ

　　式中ρ-----液体的密度（Kg/m3，t/m3）,常温清水ρ=1000Kg/m3。

2、扬程H

　　扬程是泵所抽送的单位重量液体从泵进口处（泵进口法兰）到泵出口处（泵出口法兰）能量的增值。

也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。

其单位是N*m/N=m,即泵抽送液体的液柱高度,习惯简称为米。

　　根据定义,泵的扬程可以写为

　　　　　　H=Ed-Es

　　式中Ed----在泵出口处单位重量液体的能量（m）;

　　Es----在泵进口处单位重量液体的能量（m）.

　　单位重量液体的能量在水力学中称为水头,通常由压力水头P/ρg（m）、速度水头v2/2g（m）和位置水头Z（m）三部分组成,即

　　　　　　Ed=Pd/ρg+vd2/2g+ZdEs=Ps/ρg+vs2/2g+Zs

　　因此

　　　　　　H=（Pd-Ps）/ρg+（vd2-vs2）/2g+（Zd-Zs）

　　式中Pd,Ps-----泵出口、进口处液体的静压力；

　　vd，vs对-----泵出口、进口处液体的速度；

　　Zd，Zs-----泵出口、进口到测量基准面的距离。

　　泵的扬程表征泵本身的性能，只和泵进出口法兰处的液体的能量有关，而和泵装置无直接关系。

但是,利用能量方程，可以用泵装置中液体的能量表示泵的扬程。

3、转速n

　　转速是泵轴单位时间的转速，用符号n表示，单位是r/min。

4、汽蚀余量

　　汽蚀余量又叫净正吸头，是表示汽蚀性能的主要参数。

汽蚀余量国内曾用△h表示。

5、功率和效率

　　泵的功率Pa通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用Pa表示。

　　泵的轴功率Pa应通过测定转速和扭转力矩得出，或由测量与泵直接连接的已知效率ηmot的电动机（原动机）的输入功率Pgr来确定。

已知电动机效率ηmot泵的轴功率Pa为：

　　　　　　Pa=PgrXηmot

　　泵的有效功率又称输出功率，用Pu表示。

它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。

　　因为扬程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量，所以扬程和质量流量及重力加速度的积，就是单位时间内从泵中输出液体所获得的有效能量----泵的有效功率。

　　　　　　Pu=γQH/1000=ρgQH

　　式中若液体重度的单位为Kgf/m3，则Pu=γQH/102

　　轴功率Pa和有效功率Pu之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效率计量。

泵的效率为有效功率和轴功率之比，用η表示，即

　　　　　　η=Pu/Pa

水泵型号表示方法

泵的安装要点

1、安装位置

　　a泵安装的位置要尽量可能靠近水源，以减少吸入扬程，缩短吸水管的长度。

　　b泵室要选择在明亮、干燥清洁的地方，以利保养检查；另外，还必须预留拆卸检查所需要的空间。

特别是配置多台泵的情况下，相互的间隔、布置等，要充分研究。

　　c考虑防洪时，应把安装基础顶面做得高过洪水位；或选用池内型的立轴泵；或仅将动力机、电气设备布置于安全的位置。

　　d测量仪表等应布置在超起动操作时容易看到的地方。

　　e对于深井潜水泵，泵吸水口安装井内滤网位置的上部，以免吸进泥沙。

　　f作业面潜水泵，有限限制电动机部分露出水面运行的；也有给定起动最低水位、运行水位的界限，因此，决定安装高度时要很好注意。

另外，应在泵的上部设置为安装起吊所需的吊物孔。

2、基础

　　a为了吸收振动并牢固地支撑泵机架，水泵的基础应具有足够的强度和尺寸。

　　b基础自身的重量：

对于电动机直联的型式，则为机械重量的3倍以上；发动机直联的型式，则为机械重量的5倍以上。

　　c软弱地基的场合，用木桩或混凝土桩进行地基处理。

　　d动力机和泵直联或带齿轮传动时，必须用整体的基础。

　　e以二层楼面板作基础时，要注意使基础的中心和梁的中心一致或者使之跨在两根梁上，并且尽可能接近建筑物的墙壁。

　　f在冬季结冰期，地基表面受冻要降低承载力。

因此，基础的埋置深度要比该地冻土深度深。

　　g泵机架和基础混凝土之间为水平校正的需要，留有10-30毫米的间隙，同时基础混凝土的上面不用瓦刀抹平。

　　h地脚螺栓的孔，采用足够大的方孔。

3、安装

　　a先把楔形垫上、下两块一组，上、下的两个表面平滑地重叠，放置于地脚螺栓的两侧及承受最大荷重的地方，其上部放置泵共用机架。

这是时，地脚螺栓穿过机架的地脚螺栓孔和基础地脚螺栓方孔垂直放好。

　　b接着，再安装联轴器的螺栓，用手进行转动，检查轴承配合状态是否良好，检查泵内部有无磨研点，能灵活地转动即可。

　　c安装吸水管、排水管、阀类的时候，要充分注意使管件、阀类的重量以及过大的拧紧力等不作用到泵体上，最后用手转动检查偏心情况。

　　d对心，水泵出厂的时候，把共用机架放在水平面上，在其上部进行泵和动力机的中心找正，作直联出厂。

但是机架本身难免有弹性变形，因此，安装在混凝土基础上时必须对心。

一般泵的故障原因和措施

故障

原因

措施

泵不满水

从填料处吸空气

更换密封，增加密封的水量

从排出阀处吸入空气

提高阀的密封性

从管连接处吸入空气

找出泄漏部位并紧固

底阀不合适

检查、修理阀

真空泵不合要求

检查、修理泵

吸气用电磁阀不合要求

检查、修理阀

不能起动

不具备起动条件

检查是否符合起动条件

保护回路工作

检查保护装置

原动机发生故障

检查、修理

不出水

泵、吸入管水未灌满

再次灌水，检查有无空气漏进

吸入、排出阀关死

打开吸入、排出阀

过滤器、吸入堵塞

拆卸并清除异物

叶轮内有异物

拆卸并清除异物

旋转方向反了

正确接好电动机配线

达不到设计流量

有空气吸入

检查吸入管连接部位和泵填料处是否有空气吸入

由于水位降低，淹没深度不够

延长吸水、加深淹没深度

叶轮内有异物堵塞

拆卸并清除异物

转子部分磨损严重

由制造厂进行修理

一开始有排水，但是立刻又停止

泵、吸入管灌水不足

再次灌水

有空气吸入

检查吸入管的密封性，填料处的密封水

吸入管中有空气积存

重新设置管路

超负荷

旋转速度过快

调整原动机，使其达到规定的转数

在设计流量、扬程以外状态下动转

调整排出阀

回转体与壳体接触

由制造厂修理

混入泥和其它异物

清洗吸入水槽并采取防止异物流入的措施

填料密封压得过紧

适当放松压紧量

泵振动

叶轮局部有堵塞

拆卸并清除异物

叶轮破损

拆卸并更换叶轮

流量过小

在设计点附近使用

泵与原动机轴不同心

定点找正

轴承破损

维修、检查或更换

混入空气，发生汽蚀

改变吸入水位、改善吸水管，在设计流量点附近运转。