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第一章离心式泵与风机的构造

第一节泵与风机的分类和应用

泵与风机基础知识定义：

泵与风机是一种外加原动机能量输送流体的机械。

通常将输送液体的机械称为泵，输送气体的机械称为风机。

右图为泵与风机示意图。

类别：

按其作用，泵用于输送液体和气体，属于流体机械。

*按其工作性质，泵与风机将原动机机械能转化为流体的动能和压能，属于能量转换机械。

作用：

在火力发电厂中，泵与风机是最重要的辅助设备，担负着输送各种流体，以实现电力生产热力循环的作用。

*泵与风机的性能及其参数性能参数：

流量qm=ρqv扬程或全压：

扬程H=e2-e1,全压p=ρgH功率：

有效功率Pe=qvp/1000kw,轴功率P=Pgŋd,式中Pg、ŋd—原动机的输出功率及原动机效率。

效率：

ŋ=Pe/Px100%转速。

转速是指泵与风机叶轮每分钟的转数。

*火电厂中常用种类：

离心式泵与风机、轴流式泵与风机、混流式泵与风机、往复式泵与风机、齿轮泵、螺杆泵、罗茨风机、水环式真空泵和喷射泵。

*部分风机工作原理离心式泵与风机的工作原理：

叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压能和动能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。

叶轮装在一个螺旋形的外壳内，当叶轮旋转时，流体轴向流入，然后转90度进入叶轮流道并径向流出。

叶轮连续旋转，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。

如下图。

轴流式泵与风机工作原理：

旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能。

往复式泵与风机工作原理：

借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体。

水环式真空泵工作原理：

水环式真空泵叶片的叶轮偏心地装在圆柱形泵壳内。

泵内注入一定量的水。

叶轮旋转时，将水甩至泵壳形成一个水环，环的内表面与叶轮轮毂相切。

由于泵壳与叶轮不同心，右半轮毂与水环间的进气空间4逐渐扩大，从而形成真空，使气体经进气管进入泵内进气空间。

随后气体进入左半部，由于毂环之间容积被逐渐压缩而增高了压强，于是气体经排气空间及排气管被排至泵外。

如下图。

齿轮泵工作原理:

齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，如图所示，齿轮主动轮固定在主动轴上，轴的一端伸出壳外由原动机驱动，另一个齿轮从动轮装在另一个轴上，齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合（齿与齿啮合前），然后进入压油管排出。

螺杆泵工作原理:

螺杆泵乃是一种利用螺杆相互啮合来吸入和排出液体的回转式泵。

螺杆泵的转子由主动螺杆（可以是一根，也可有两根或三根）和从动螺杆组成。

主动螺杆与从动螺杆做相反方向转动，螺纹相互啮合，流体从吸入口进入，被螺旋轴向前推进增压至排出口。

此泵适用于高压力、小流量。

制冷系统中常用作输送轴承润滑油及调速器用油的油泵。

如下图。

第二节离心式泵与风机的基本构造、工作原理和性能参数*常见离心泵结构形式：

单级单吸悬臂式离心泵、单级双吸中开式离心泵、多级单吸分段式离心泵。

*离心泵的主要部件：

就构造的动静关系看，泵由转体、静体以及部分转体三类部件组成。

转体主要包括叶轮、轴、轴套和联轴器主要包括；静体主要包括吸入式、压出式、泵壳和泵座，通常泵的吸入式和压入式与泵壳铸成一体；部分转体的部件主要包括密封装置、轴向推力平衡装置和轴承。

*径向推力及其平衡方法定义：

离心泵运行时，泵内液体作用在转轴叶轮上径向不平衡里德合力称为径向推力平衡方法：

采用双层压出室平衡径向推力。

大型单级泵在蜗壳内加装导叶。

多级蜗壳式泵可以采用相邻两级蜗壳倒置的布置。

*轴向推力及其平衡方法定义：

离心泵运行时，泵内液体作用在叶轮盖板两侧上轴向不平衡的合力，称为轴向推力。

平衡方法：

（1）单级泵平衡孔和平衡管平衡轴向推力。

采用双吸叶轮平衡轴向推力。

采用背叶片平衡轴向推力。

（2）多级泵采用叶轮对称排列平衡轴向推力。

采用平衡盘平衡轴向推力。

采用平衡鼓平衡轴向推力。

采用双平衡鼓装置平衡轴向推力。

采用平衡鼓和平衡盘联合装置平衡轴向推力。

第三节离心式泵装置与扬程计算

一、离心泵装置的管路及附件

吸入管：

底阀、真空表。

压水管：

闸阀、逆止阀、压力表

此外，排水装置、防震装置、测温装置。

二、扬程计算

选择泵与风机时系统所需扬程、全压的计算；实际运行时扬程、全压计算；

*流体流动时所需要的能量

泵欲将低位容器1中的液体输送至高位容器2中，所需能量是有：

提高液体的比位能：

提高液体的比压能：

克服液体流动阻力损失：

则所需泵的扬程至少为：

H=Hz+

+hw

风机全压为：

P=（

）+

≈

第二章离心式泵与风机的理论基础

第一节欧拉公式一、流体在离心式封闭式叶轮中的获能分析下图为离心式叶轮。

假定叶轮的进出口时封闭的，即流体在流道内不流动，与泵与风机工作时出口阀门未开类似。

单位重量流体叶轮中的压能能量如上图，在流道内，任意半径r处，取义宽度为厚度为b、流体微团dr密度ρ、，其质量为：

dm=ρrdφdrb。

叶轮转动产生离心力dF=dmxrw2=ρrdφdrbxrw2dF所作用的面积Da=（r+dr）dφb≈rdФb由于叶轮内的流体处于相对静止状态，故作用在微团外缘表面总压力应等于离心力，即dP=dF=ρrdφdrbxrw2整理后得dP=ρrw2dr单位质量流体在叶轮入口与出口的压能差（P1-P2）/ρg=w2（r22-r12）/2g上式表明：

当离心式泵与风机旋转叶轮外缘封闭，即相当于出口阀门关闭，流体在流道内不流动时，单位重量流体在叶轮出口与进口处的压力能差与叶轮旋转角速度的平方成正比，与叶轮内、外直径有关。

即叶轮尺寸一定，旋转角速度增大，或叶轮内径一定，外径增大，叶轮出口与进口处的流体压力能差也增大。

二、欧拉方程

叶片式泵与风机的基本方程式，是建立流体通过旋转叶轮时获得能量的定量关系式。

该方程是由欧拉于1756年首先推倒出来的，所以又称欧拉方程式，也叫能量方程式。

*理想叶轮：

叶片数无限多，叶片厚度无限薄，即：

流体质点严格沿叶片型线流动，即迹线与叶片的型线重合；流体为理想、不可压缩流体即：

流动过程无能量损失，流体的密度为常数。

*基本方程式依据：

流体力学中的动量矩定律，即在定常流中，单位时间内流出与流进控制体的流体对某一轴线的动量矩的变化，等于作用在该控制体的流体上所有外力对同一轴线力矩的代数和。

表达式：

HT=（u2v2u-u1v1u）/g对于风机，习惯上用风压表示流体所获得的能量，则风机的能量方程式为:

PT=ρ（u2v2u-u1v1u）*影响因素:

理论扬程的大小取决于流体在叶轮出口、进口处的运动状态，即叶轮的尺寸、形状，与流体的密度无关。

对同一台泵，转速相同时，输送不同的介质，理论扬程相同——介质为水，则为水柱；介质为气体，则为气柱。

但是，由于密度的不同，所产生的全压不同，所需功率也不同。

*提高能头的措施:

增大叶轮外径、减小叶轮的内径；改变叶轮叶片的安装角；提高叶轮的工作转速。

当流体径向进入叶轮，此时的理论扬程达到最大。

*实际叶轮对理论能头的影响实际叶轮，除紧靠叶片的流体沿叶片型线运动外，其它都与叶片型线有不同程度差别，从而使流场发生变化。

这种运动具有旋转轴心，相当于绕轴的旋涡，因此称为轴向涡流。

叶片工作面上，由于两种速度方向相反，迭加使相对速度减小；非工作面，使相对速度增加。

因此，在同一半径处，速度不均匀。

第二节泵与风机的理论性能曲线

性能曲线是在一定的进口条件和转换时，泵与风机的主要性能参数间的关系曲线。

泵的性能曲线：

H-qv、P-qv、

*离心式叶轮的型式

根据叶片出口安装角的不同，将离心式叶轮的叶片分为三种型式：

后弯叶片、径向叶片、前弯叶片。

（a）后弯叶片：

叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反（b）径向叶片：

叶片出口为径向（c）前弯叶片：

叶片弯曲方向与叶轮旋转方向一致

流体在叶轮中获得的理论能头，前弯式最大，后弯式最小；但总能头中前弯式动能头占的比例大，后弯式静压能头所占的比例大。

所以，后弯式叶轮降低了部分动能向压力能转换时的能量损失，获能品质优于前弯式。

另外，后弯式叶道长，叶片曲率较小，断面变化的扩散角小，流动不易产生分离，因此阻力损失较小，效率较高。

*理论性能曲线

①

②P=

③

能头与流量性能曲线（H-qv）

*流量对理论压头的影响

＞90°时（前向式），

随流量的增大而增大

=90°时（径向式），

与流量无关

<90°时（后向式），

随流量增大而减小

第三节泵与风机的实际性能曲线

实际性能曲线是指考虑了机内各种损失以后，泵与风机的性能曲线。

一、水力损失

水轮机在工作时，水流要经过引水部件、导水部件、转轮和尾水管等过流部件，水流便产生摩擦、撞击、漩涡和脱流等损失。

这些情况所引起的水头损失，称为水力损失。

它随过流的流速增加而加大。

工程上用水轮机的水力效率ηω来表示水力损失的大小，即：

ηω=（H0-△H）/H0=He/H0

其中H0——水轮机的工作水头，m；

△H——水流流经水轮机是的总水头损失，m;

He——水轮机运行的有效水头，m

二、容积损失

容积损失是在反击型水轮机中，进入转轮的流量，其中有一小部分漏水量未被有效利用而损失掉了，这部分损失称为容积损失。

第四节相似率与比转数

作用：

综合分析研究泵与风机性能的变化，完全采用实验的方法是不现实的利用相似原理进行理论分析就能解决这个问题。

由相似理论推出的相似定律是泵与风机的设计、运行和整理数据等工作的理论依据。

它可以解决泵与风机的大小、转速、和输送条件变化时性能换算问题。

在进行新产品的设计、制造时，为了获得一个性能良好的泵与风机，必须进行实验以比较各种设计方案的性能。

对实物直接进行实验时费资，特别是大型产品的设计，通常将泵与风机按比例缩小制成模型，通过模型进行反复设计、实验和改进。

相似条件：

几何相似、运动相似、动力相似。

相似定律：

流量相似定律、扬程全压相似定律、功率相似定律。

第五节相似率的实际利用

第三章离心式泵与风机的运行分析

管路性能曲线及工作点*管路特性曲线定义：

流体在管路系统中流动时通过的流量与其所要能量之间的关系称为管路系统的通流特性。

反应这种通流特性关系的曲线称为管路特性曲线。

如右图。

*并联管段的工作特点：

各并联管段上单位重量流体的阻力损失相等，否则就会失去平衡、管路系统中的流量等于个管段流量之和。

*串联管段的工作特点：

个串联管段的流量相等、总阻力损失为各管段阻力损失之和。

工作点将泵本身的性能曲线与管路特性曲线按同一比例绘在同一张图上，则这两条曲线相交于M点，M点即泵在管路中的工作点。

该点流量为qV，总扬程为HM，这时泵产生能量等于流体在管道中克服的阻力，所以泵在M点工作时达到能量平衡，工作稳定。

如下图。

*泵与风机的运行工况点定义：

泵与风机的运行在其性能曲线上的位置即为运行工况点，通常称作工作点。

泵与*风机运行工况的调节方法：

（1）节流调节：

出口端节流调节、入口端节流调节。

（2）回流调节。

（3）入口导流器和静叶调节。

（4）动叶调节。

（5）汽蚀调节。

（6）变速调节。

火力*发电厂变速调节的变速方式：

采用小汽轮机驱动、采用变极数双速电动机驱动、采用液力耦合器传动。

其他变速方式：

变频调速、油膜滑差离合器。

第四章泵与风机的安装与选择

泵与风机的选择1、选型的基本原则：

（1）在选择泵与风机之前，应该广泛的了解国内（必要时包括国外）泵与风机的生产和产品的质量情况。

（2）选择的泵与风机必须满足运行中所需最大负荷，其正常工作点应尽可能靠近工况点。