流体输送机械.docx
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流体输送机械
第二章流体输送机械
授课时间：
8学时
授课方式：
板书+幻灯片授课内容提纲：
离心泵结构、操作原理和类型；离心泵的理论压头和实际压头；离心泵特性参数和特性
曲线；管路特性曲线；离心泵的工作点和流量调节；离心泵安装高度的确定；离心泵的选用;往复泵和其它类型泵；通风机、鼓风机、压缩机和真空泵
教学目的、要求：
1.了解离心泵主要部件，重点掌握离心泵的工作原理，掌握离心泵基本方程式及应用，
离心泵主要性能参数，重点掌握离心泵的特性曲线及其应用、离心泵的工作点与流量调节、
离心泵的安装高度及其计算，熟悉离心泵的类型与选择。
了解往复泵、计量泵和旋转泵等其他类型泵的工作原理和构造。
2.了解离心通风机、鼓风机与压缩机的构造和工作原理。
了解往复压缩机的构造及工作
原理，压缩循环的有关计算。
教学重点及难点：
重点：
离心泵操作原理；离心泵的工作点和流量调节；离心泵安装高度的确定。
难点：
离心泵特性参数和特性曲线；管路特性曲线。
教学方法和教学手段：
新课引入：
1•播放动画、2•播放图片
新课教学：
1•动画图示、2•过程解析
讨论：
离心泵启动前为什么灌满液体；离心泵的安装高度目的
本讲要点：
离心泵的工作原理，离心泵基本方程式及应用，掌握离心泵的特性曲线及其应用、离心泵的工作点与流量调节、离心泵的安装高度及其计算。
作业布置：
3；5
教学内容:
第二章流体输送机械
如果说管路是设备与设备之间、车间与车间之间、工厂与工厂之间联系的通道的话,则流体输送机械是这种联系的动力所在。
以供料点和需料点为截面列柏努利方程：
2g
其中He是流体输送机械对单位重量流体所做的功。
从上式可以看出，采用流体输送机械操
作的目的可能是为了提高流体的动能、位能或静压能，或用于克服沿程的阻力，也可能几种目的兼而有之。
流体输送机械目的：
实现非自动化过程流体输送机械的分类：
（1）按输送流体的状态分:
「液体输送机械女口：
泵
“气体输送机械女口：
风机、压缩机、真空泵
（2）按工作原理通常分三大类：
「离心式
«正位移式
、流体动力作用式
第一节离心泵
一、离心泵的操作原理与构造
1•离心泵的构造：
1、叶轮：
2、泵壳：
3、泵轴及轴封装置：
2•操作原理：
离心泵结构示意图
启动：
1泵内灌满液体（灌泵），2关出口阀，3开泵（开出口阀）。
原理：
（a）排出阶段
叶轮旋转（产生离心力，使液体获得能量流体流入涡壳（动能-静压能）-流向输出
管路。
（b）吸入阶段
液体自叶轮中心甩向外缘—叶轮中心形成低压区—贮槽液面与泵入口形成压差
—液体吸入泵内。
离心泵之所以能够输送液体，主要依靠高速旋转的叶轮，产生离心力，在惯性作用下，获得了能量以提高压强。
气缚现象：
泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。
说明：
离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。
3.离心泵的主要部件
1）叶轮：
广敞式：
结构简单，制造清洗方便，用于含较多固体悬浮物的液体；液体回流，效率
较低。
€
半闭式：
适于输送易于沉淀的液体，效率较低。
I闭式：
适于输送不含固体杂质的清洁液体，结构较复杂，效率较高。
（较多采用）
叶轮后盖板上平衡孔的作用：
平衡轴向应力
吸液方式：
单吸式和双吸式
2）泵壳
蜗壳形汇集和导出液体通道，能量转换装置。
3）导轮
固定不动；导轮的弯曲方向与叶片弯曲方向相反
引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率
4）轴封装置
泵轴与泵壳之间的密封。
作用：
防止液体外漏，气体进入。
a.填料密封结构简单，加工方便，功率消耗大，密封不严。
b.机械密封密封性好，功率消耗少，广泛使用，加工精度高，价格高。
2.离心泵的理论压头与实际压头
1.
压头H，又称扬程，泵对单位重量流体提供的机械能，m。
因此，泵产生的压头主要用于使液体位置
动压头的增量与其他项相比，一般可以忽略。
升高、静压头增大以及克服流动过程中的压头损失。
2.离心泵的理论压头
定义：
理想情况下单位重量液体所获得的能量称为理论压头，用H表示。
理想情况：
⑴流体为理想流体
（2）叶轮的叶片数目为无1多，且叶片厚度不计。
泵的压头H与影响因素的关系式只能由实验测定，但理想情况下的关系式则可理论推导得到。
P2Plc；c2
g2g
在1与2之间列伯努利方程式，得：
P；Pi
产生的原因:
g
原因一：
离心力作功；
原因二：
液体由1流到2时，由于流动通道逐渐扩大，w逐渐变小，这部分能量将转化
为静压能。
3.实际压头H
包括:
实际压头比理论压头要小。
原因：
泵内各种能量损失,
（1）叶片间的环流运动
（2）阻力损失
（3）冲击损失
三•离心泵的主要性能参数
1.压头和流量
前已述及，仅介绍方法。
Pb
g
2
Ub
2g
Hpcg
2
uc
2g九山
HPc
Pb
Pc俵）
Pb（真）
g
g
如图，在泵进口b、泵出口c间列机械能衡算式:
2.有效功率、轴功率和效率
（1）离心泵的有效功率是指液体从叶轮获得的能量，单位为W或kW。
Ne=QgH=WsWe[KW]
式中：
Q一泵在输送条件下的流量，m3/s;g—重力加速度，m/s2
H—泵在输送条件下的压头，m;—输送液体的密度kg/m3
（2）轴功率N是指泵轴所需的功率，即电机传给泵轴的功率，单位为W或kW。
（3）效率
=（Ne/N）X100%
小于1,离心泵在输送液体过程中存在能量损失，主要有三种：
a.容积损失容积损失是指泵的泄漏所造成的损失；
b.机械损失由机械摩擦而引起的能量损失称为机械损失；
c.水力损失粘性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处而产生的局
部阻力，统称为水力损失。
4.离心泵的特性曲线及应用
1.离心泵特性曲线
离心泵的主要性能参数流量Q、压头H、轴功率N及效率间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，离心泵的特性曲线只与叶轮的直径、转速和测试时的工作介质有关，它是在泵的制造厂通过实验作出来的。
图2-12为4B20型离心水泵在2900r/min时的特性曲线，由H-Q,N—Q及h-Q三条曲线所组成。
特性曲线随转速而变，故特性曲线图上一定要标出实验时的转速。
①HQ曲线QH
2NQ曲线QNQ0N最小
故离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流减少以保护电机。
3Q曲线Q00Q上升到最大值Q
图2-1
离心泵在一定转速下有一最咼效率点，称为设计点。
离心泵的工作范围称为泵的高效率区。
通常为最高效率的92%左右，离心泵最好在此
范围内工作。
A最高效率点，称为设计点。
泵在最高效率相对应的流量及压头下工作最为经济，所以与最高效率点对应的Q.H.N称为最佳工况参数。
离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指
该泵在运行时效率最高点的状况参数，根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳
状况点上运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92%左右，如图中波折线所示的范围。
2.液体性质对离心泵特性的影响
（1）密度的影响
离心泵的压头，流量均与液体的密度无关，故泵的效率亦不随液体的密度而改变，所以
N-Q
离心泵特性曲线中的H-Q及h—Q曲线保持不变。
但是泵的轴功率随液体密度而改变,曲线不再适用；用Ne=QgH校正。
（2）粘度的影响
若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度，则泵体内部液体的能量损失增大，因此泵
的压头，流量都要减小，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。
当液体的运动粘度n大于20cSt（厘沲10-6m2/s）时，需校正。
3•转速与叶轮尺寸对离心泵特性的影响
1）转速的影响
离心泵的特性曲线都是在一定转速下测定的，改变转速时，泵的压头、流量、效率和轴
功率也随之改变。
当液体的粘度不大，假设泵的效率不变时，泵的流量、压头、轴功率与转
速的近似关系为
Q'n'
H'心
N'
Qn
Hn
N
n
式中：
Q'H'、N'-为转速为
n'时泵的性能；
Q、H、N-为转速为n
时泵的性能
2）叶轮直径的影响
叶轮切削，直径改变不大时，其流量、
压头和轴功率与叶轮直径之间的近似关系为
式中：
Q'H'、N'-为直径为D'时泵的性能;
Q、H、N-为直径为D时泵的性能
5.离心泵的工作点与流量调节
（一）管路特性曲线
对下图所示的管路输送系统，在
1-1与2-2'间列柏努利方程得:
he
2g
2
螢路系講.忿图
对于一定的管路系统，上式中的厶Z与厶p/g均为定值,即:
△Z+△p/g=A
LLeu2
d2g
bQ2
式中：
Q--管路系统的输送量，m3/s
（旦）2]/2g
-d12
4
则:
Hf
BQ2
he=A+BQ2
（2-19）
（二）离心泵的工作点与流量调节
1.离心泵的工作点
式2-10即为管路特性方程，表示管路所需压头
He随液体流
量Q的平方成正比；将其标绘在相应的坐标图上，称为管路特性曲线，如图所示。
管路特性曲线与泵特性曲线交点M称为泵在管路上的工作
占；
八、、\
在M点处：
Q=QeH=He；
2.流量调节
1）
改变阀门的开度
改变泵出口阀门的开度，即可改变管路特性曲线；
阀门关小，特性曲线变陡，工作点由M移至M1点，流量由
大。
官賭梅性曲挂与泵时工作玮
Qm降至QM1;反之流量加
2）改变泵的转速
改变泵的转速，即可改变泵的特性曲线，转速提高，H-Q线向上移，Q增大，反之则Q
减小。
【习题课】
P60【例2-1】；P63【例2-3】
【补充例1】某离心泵工作转速为n=2900r.p.m.（转/min），其特性曲线方程为H=30—0.01V2。
当泵的出口阀全开时，管路特性曲线方程为he=10+0.04V2，式中V的单位为m3/h,H及
he的单位均为m。
求：
（1）阀全开时，泵的输水量为多少？
a.若采用出口阀调节，则多损失的压头为多少m水柱?
b.若采用变速调节，则泵的转速应为多少r.p.m.？
he100.04V'
H300.01V2
Hhe
V20m3h
he26m
（2）多损失的压头为多少m水柱？
a.采用调节出口阀门的方法
V2075%15m[h
22
H300.01V300.0115227.75m
2
he100.041519m
多损失27.75198.75m
b.采用调节转速的方法，则泵的转速应为多少r.p.m.?
V2075%15m3.h
he100.0415219m
新转速下泵的特性曲线方程为：
2
2
n
H
n2
300.01V2
n
n
2
1930
n
2
0.01152n
2441r.p.m.
2900
六、离心泵的安装高度Zs
1、什么是安装高度？
离心泵的安装高度是指要被输送的液体所在贮槽的液面到离心泵入口处的垂直距离，右图中的Zs。
由此产生了这样一个问题，在安装离心泵时，安装高度是否可以无限制的高,还是受到某种条件的制约。
2.汽蚀现象
对如图所示的入口管线，在0-0
和1-1间列柏努利方程,
可得:
0
姦心泵吸裁示意囹
Pc
g
式中：
Hg—泵的允许安装高度
Hg
P1
g
P0-贮槽液面上方压强
2
U1
2g
m;
Pa
hf（01）
Hf,0-1—液体流经吸入管路的压头损失，m
Pl—泵入口处可允许的最小压强;
Pa。
当Hg增加到使P1下降至被输送流体在操作温度下的饱和蒸汽压时，则在泵内会产生:
1被输送流体在叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；
2汽泡在由叶中心向周边运动时，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体
以很高的流速冲向真空区域；
3当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片。
这种现象成为“汽蚀”。
离心泵在汽蚀状态下工作：
1泵体振动并发出噪音；②压头、流量在幅度下降，严重时不能输送液体；③时间长久，在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下，叶片表面出现斑痕和裂缝，甚至呈海绵状逐渐脱落。
通过以上讨论可以看出，安装高度过度将会导致叶轮中心处的压力过低，从而发生汽蚀。
以下讨论如何计算泵的允许安装高度，只要泵的实际安装高度低于允许安装高度，则操作时就不会发生汽蚀。
3.离心泵的允许汽蚀余量h和允许最大安装高度Zs,max
（1）基本概念：
（2）
汽蚀余量NPSH泵入口处的动压头与静压头之和与以液柱高度表示的被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压之差，即
NPSH
PeuePv
g2gg
2允许汽蚀余量NPSH允许:
（NPSH）允一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定，并作为离心泵的性能列于泵产品样本中（离
心油泵的汽蚀余量用h表示）。
泵正常操作时，实际汽蚀余量NPSH必须大于允许汽蚀余
量（NPSH）允，标准中规定应大于0.5m以上。
（3）由NPSH允许计算泵的允许安装高度z允许
一台泵的允许汽蚀余量数值由泵的生产厂家提供，供用户计算泵的允许安装高度。
在至e间列柏努利方程：
PsPe
2
Ue
hf（se）
PsPe
2
Ue
Pv
Pv
hf（se）
Zs
2g
2g
gg
gg
g
g
邑NPSH
Pv
hf（se）
卫1NPSH允
Pv
hf（se）
z允许
g
g
g
g
上式中最后一个等式即为允许安装高度的计算方法。
离心泵的安装高度只要低于允许安装高度，就不会发生汽蚀。
（3）允许汽蚀余量的校正
NPSH允是在一个大气压下用20C的清水测定的，当使用条件与此不同时，应根据液体密度、蒸汽压和液面压力进行修正，然后才能用于允许安装高度的计算。
求校正系数的曲线常载于泵的说明书中。
4．讨论
（1）汽蚀是由于安装高度太高引起的，事实上汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原
因：
①离心泵的安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；③吸入管路的
阻力或压头损失太高。
允许安装高度这一物理量正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。
由此，我们又可以有这样一个推论：
一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高，或吸入管线部分堵塞。
（2）有时，计算出的允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。
（3）允许安装高度z允许的大小与泵的流量有关。
由其计算公式可以看出，流量越大,
计算出的z允许越小。
因此用可能使用的最大流量来计算z允许是最保险的。
（4）安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米。
（如考虑到操作中被输送流体的温度可能会升高；或由贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）
七、离心泵的类型、选用、安装与操作
1离心泵的类型
（1）清水泵：
适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。
结构简单，操作容易。
（2）耐腐蚀泵：
用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。
（3）油泵：
输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。
（4）杂质泵：
输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。
单吸泵；双吸泵；
单级泵；多级泵；
2离心泵的选用
（1）根据被输送液体的性质确定泵的类型
（2）确定输送系统的流量和所需压头。
流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。
（3）根据所需流量和压头确定泵的型号
1查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应。
2若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，H也应以最大流量对应值查找。
3若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。
4若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的
5为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。
6若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。
【例2-5】要用泵将水送到15m高之处，最大流量为80m3h-1。
此流量下管路的压头损
失为3m。
试在IS型泵中，选定合用的一个。
【解】题中已给出最大流量为：
Q=80m3h-1
2
up
hezhf150318m
2g
取he的1.05〜1.1倍则为18.9~19.8m。
查图2-18得：
IS100-80-125,n=2900rmin-1
另：
IS125-100-250,n=1450rmin-1泵虽同样合用，但泵体较大，一般情况下都选前者。
3离心泵的安装与操作
（1）安装:
1安装高度不能太高，应小于允许安装高度。
2设法尽量减少吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。
主要考虑：
吸入管路应短
而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件；调节阀应装于出口管路。
（2）操作：
1启动前应灌泵，并排气。
2应在出口阀关闭的情况下启动泵
3停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮
4经常检查轴封情况
第二节其它类型泵
一、容积式泵
（一）往复泵
1•往复泵的结构和工作原理
主要部件：
泵缸；活塞；活塞杆；吸入阀、排出阀。
其中吸入阀和排出阀均为单向阀。
工作原理：
1活塞由电动的曲柄连杆机构带动，把曲柄的旋转运动变为活塞的往复运动；或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动。
2当活塞从左向右运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭；吸出阀由于受池内液压的作用而打开，池内液体被吸入缸内；
3当活塞从右向左运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液。
说明：
①往复泵是依靠活塞的往复运动直接以压力能的形式向液体提供能量。
1单动泵，活塞往复运动一次，吸、排液交替进行，各一次，输送液体不连续；双动泵，活塞两侧都装有阀室，活塞的每一次行程都在吸液和向管路排液，因而供液连续。
2为耐高压，活塞和连杆往往用柱塞代替。
2.往复泵的流量和压头
往复泵装置简图
1—泵缸;2—活塞；3—活塞杆;
4—吸入阀；5—排出阀
（1）理论平均流量Qt（m3/s）
单动泵：
QtAsn/60
其中：
A—活塞截面积，m2s—活塞冲程，m；n—活塞往复频率，次/min
双动泵：
Qt2Aasn/60a—活塞杆的截面积，m2
（2）实际平均流量Q:
QvQt
V—容积效率。
主要是由于阀门开、闭滞后，阀门、活塞填料函泄漏。
（3）流量的不均匀性
往复泵的瞬时流量取决于活塞截面积与活塞瞬时运动速度之积，由于活塞运动瞬时速度的不
断变化，使得它的流量不均匀。
为了提高流量的均匀性，可以采用增设空气室，利用空气的压缩和膨胀来存放和排出部分液体，从而提高流量的均匀性。
（4）流量的固定性：
往复泵的瞬时流量虽然是不均匀的，但在一段时间内输送的液体量却是固定的，仅取决于活
塞面积、冲程和往复频率——流量的固定性。
（5）往复泵的压头
q
因为是靠挤压作用压出液体，往复泵的压头理论上可以任意高。
但实际上由于构造材料的强度有限，泵内的部件有泄漏，故往复泵的压头仍有一限度。
3.往复泵的操作要点和流量调节
往复泵的效率一般都在70%以上，最高可达90%它适用于所需压头较高的液体输送。
往复泵可用以输送粘度很大的液体，但不宜直接用以输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液，因泵内阀门、活塞受腐蚀或被颗粒磨损、卡住，都会导致严重的汇漏。
（1）由于往复泵是靠贮池液面上的大气压来吸入液体，因而安装高度有一定的限制。
（2）往复泵有自吸作用，启动前无需要灌泵。
（3）一般不设出口阀，即使有出口阀，也不能在其关闭时启动。
（4）往复泵的流量调节方法：
1用旁路阀调节流量。
泵的送液量不变，只是让部分被压出的液体返回贮池，使主管中的流
量发生变化。
显然这种调节方法很不经济，只适用于流量变化幅度较小的经常性调节。
2改变曲柄转速：
因电动机是通过减速装置与往复泵相连的，所以改变减速装置的传动比可
以很方便地改变曲柄转速，从而改变活塞自往复运动的频率，达到调节流量的目的。
（二）隔膜泵
隔膜泵属于往复泵的一种，专用于输送腐蚀性液体或含有悬浮物的液体。
特点：
用弹性薄膜将泵分隔成不连通的两部分，被输送的液体位于隔膜一侧，活柱位于
另一侧，彼此不相接触。
（三）计量泵
往复泵的一种，要求送入的液体量十分准确而又便于调整。
（四）齿轮泵
属于容积式泵的一种，可用于输送黏稠液体乃至膏状物料，但不宜输送含有固体颗粒的悬浮液。
（五）螺杆泵
（六）容积式泵的流量调节
容积式泵的特点：
只要活塞以一定往复次数运动，或转子以一定转速旋转，就排出一定
体积流量的液体。
若将泵的出口关死，泵内压力急剧升高，会造成事故。
容积式泵的流量调节：
须在排出管上安装支路，用支路阀配合进行。
二、其他叶片式泵
（一）轴流泵
（二）旋涡泵
三、各类泵在化工生产中的应用
第三节通风机、鼓风机、压缩机和真空泵
按照排气压力分，可分为四类：
通风机
鼓风机
按用途分
压缩机
真空泵
一、离心通风机
1、结构：
与离心泵相似
特点：
叶片数目多、短，有径向、前弯、后弯等，通道多呈矩形工作原理：
与离心泵相同
2、主要性能参数及特性曲线：
风量、风压、静风压、轴功率、效率
（1）风量Q:
按入口状态计的单位时间内的排气体积。
m^s，m/h
..3
22
（U2Ui）
2
hf
（2）风压pt:
单位体积气体通过风机时获得的能量，J/m，Pa
在风机进、出口之间写柏努利方程：
ptg（z2zj（p2pj
式中，（Z2zi）g可以忽略；当气体直接由大气进入风机时，ui0,再忽略入口到出口的
与离心泵一样，包括：
Pt-Q、n-Q、N-Q三条曲线。
（有些图
还绘有静风压Pst-Q、静压效率nst-Q曲线。
）如右图所示。
【例2-6】P76
（二）离心鼓风机和压缩机
1.离心鼓风机
（1）离心鼓风机工作原理同离心通风机。
（2）离心压缩机主要结构，工作原理都与离心鼓风机的相似。
2、离心压缩机
二、旋转鼓风机和压缩机
（一）罗茨鼓风机
（二）液环压缩机
三、往复压缩
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