重庆大学流体输配管网第5章.ppt
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1、 第5章 泵与风机的理论基础 5.1离心式泵与风机的基本结构 5.2离心式泵与风机的工作原理及性能参 数 5.3离心式泵与风机的基本方程欧拉方 程 5.4泵与风机的损失与效率 5.5性能曲线及叶型对性能的影响 5.6相似律与比转数 5.7其它常用泵和风机 5.1离心式泵与风机的基本结构 5.1.1离心式风机的基本结构 *离心式风机的主要部件有叶轮和机壳(如图 ) 一、叶轮 由前盘、后盘、叶片和轮毂组成。 前盘的形式有多种,如图示。 叶片是主要部件。 按叶片的出口安装角分类:有前向叶片、 后向叶片、径向叶片三种(如图)。 叶片的形状有:平板型、圆弧型和中空机 翼型(如图)。 返回 返回 返回 返
2、回 二、机壳 由蜗壳、进风口和风舌等零部件组成。 1)蜗壳 蜗壳是由蜗板和左右两块侧板焊接或咬口而成。 作用: l 是收集从叶轮出来的气体; l 引至蜗壳的出风口,把风输送到管道中或排 到大气; l有的风机将风的一部分动压通过蜗壳转变为 静压。 2)进风口 l进风口又称集风器,它保证气流能均匀地充 满叶轮进口,使气流流动损失最小。 l离心式泵与风机的进口有圆筒形,圆锥形、 弧形、锥筒形、弧筒形、锥弧形等多种。如图示。 返回继续 返回 三进气箱 一般只在大型或双吸的离心式风机上使用。 四前导器 n 在大型离心式风机或要求性能调节的 风机的进风口或进风口的流道内装置前导器 。 n 前导器有轴向式和
3、径向式两种。 五、扩散器 n 扩散器装于风机机壳出口处,其作用 是降低出口流体速度,使部分动压转变为静 压, n 有圆形截面和方形截面两种。 5.1.2离心式泵的基本结构(如图) 一叶轮 n 叶轮分为单吸叶轮和双吸叶轮两种; n目前多采用铸铁、铸钢和青铜制成; n叶轮按其盖板情况又可分为封闭式叶 轮、敞开式叶轮和半开式叶轮三种形式,如 图所示。 二泵壳 三、泵座 四、轴封装置 返回 返回 5.2离心式泵与风机的工作原理和性能参数 *5.2.1离心式泵与风机的工作原理 叶轮随原动机的轴转时,叶片间的流体也随叶轮高 速旋转,受到离心力的作用,被甩出叶轮的出口。 被甩出的流体挤入机(泵)壳后,机(泵
4、)壳内流 体压强增高,最后被导向泵或风机的出口排出。 同时,叶轮中心由于流体被甩 出而形成真空,外界的流体在 大气压的作用下,沿泵或风机 的进口吸入叶轮,如此源源不 断地输送流体。 5.2.2离心式泵与风机的性能参数 一、流量 单位时间内泵与风机所输送的流体的量称 为流量。常用体积流量并以字母Q表示,单位 是 m3s或 m3h。 二泵的扬程与风机的全压 流经泵的出口断面与进口断面单位重量流 体所具有总能量之差称为泵的扬程。用字母H 表示,其单位为m。 流经风机出口断面与进口断面单位体积的气 体具有的总能量之差称为风机的全压或(压头 )。用字母 P表示,单位为 Pa。 三 功率 (1)有效功率
5、有效功率表示在单位时间内流体从离心式泵与风 机中所获得的总能量。用字母Ne表示,它等于重量流 量和扬程的乘积:NeQHQP (w或kw) (2)轴功率 原动机传递到泵与风机轴上的输入功率为轴功率 ,用字母N表示。 四泵与风机总效率 泵与风机的有效功率与轴功率之比为总效率,常 用字母表示。 NeN 五转速 转速指泵与风机的叶轮每分钟的转数即rmin, 常用字母n表示。 返回继续 5.3离心式泵与风机的基本方程欧拉方程 5. 3. 1绝对速度与相对速度 绝对速度是指运动物体相对于静止参照系的运 动速度; 相对速度则是指运动物体相对于运动参照系的 速度; 牵连速度是指运动参照系相对于静止参照系的 速
6、度。 5.3.2 流体在叶轮中的运动与速度三角形 u当叶轮旋转时,在叶片进口“1”或出口 “2”处,流体一方面随叶轮旋转作圆周牵连运 动,其圆周速度为u;见图。 u另一方面又沿叶片方向作相对流动,其相对 速度为w; u流体在进、出口处的绝对速度v应为w与u两者 之矢量和。 为了便于分析,将绝对速度v分解为与流 量有关的径向分速度vr和与压力有关的 切向分速vu。 径向分速度的方向与半径方向相同,切 向分速与叶轮的圆周运动方向相同。 将上述流体质点诸速度共同绘制在一张 速度图上(如图),就是流体质点的速 度三角形图。 速度v和u之间的夹角叫做叶片的工作角 ,为安装角。 返回 返回 5.3.3离心
7、式泵与风机的基本方程欧拉方程 假定把它当做一元流动来讨论,也就是用流束理 论进行分析。这些基本假定是: (1)流动为恒定流 (2)流体为不可压缩流体 (3)叶轮的叶片数目为无限多,叶片厚度为无限薄 (4)流体在整个叶轮中的流动过程为一理想过程, 即泵与风机工作时没有任何能量损失 对于那些与实际情况不符的地方,对计算结果再 逐步加以修正。 欧拉方程的导出: 动量矩定理:质点系对某一转轴的动量矩对 时间的变化率,等于作用于该质点系的所有外 力对该轴的合力矩M。 角标“T”表示流动过程理想,“”表示叶 片为无限多,“1”表示叶轮进口参数,“2” 表示叶轮出口参数。 则QT 表示流体在一个理想流动过程
8、中流经 叶片为无限多的叶轮时的体积流量 在每单位时间内流经叶轮进出口流体动量矩的 变化则为:QT (r2vu2 T - r1vu1 T ) 合力矩为: M=QT (r2vu2 T - r1vu1 T ) u=r, r=u/ M= QT ( u2Tvu2 T - u1T vu1 T )/ 有效功率等于流体的合外力矩M与角速度之积: N二MQT ( u2Tvu2 T - u1T vu1 T ) = QT HT 经移项,得理想化条件下单位重量流体的能量增 量与流体在叶轮中的运动的关系,即欧拉方程: H HT T = = ( u u2T 2T v v u2 T u2 T - u - u1T 1T v
9、v u1 T u1 T ) )/g/g 欧拉方程的特点: 1推导基本能量方程时,未分析流体在叶 轮流道中途的运动过程,得出流体所获 得的理论扬程HT ,仅与流体在叶片进 、出口处的速度三角形有关,而与流动 过程无关。 2流体所获得的理论扬程HT 与被输送 流体的种类无关。 5.3.4 欧拉方程的修正基本 假定(1)流动为恒定流( 2)流体为不可压缩流体在 实际中可以达到; 假定(3)叶轮的叶片数目 为无限多,叶片厚度为无限 薄是不可能的; 这将在叶道内产生轴向涡 流,速度也不均匀。(涡流 实验如图),涡流对欧拉方 程的影响如图示。 在叶道的出口处,涡流使Vu2T减小Vu2T, 在叶道的进口处,
10、涡流使Vu1T增加为Vu1T (如图), 对有限多叶片的泵与风机的理论扬程为: HH T T = = ( u u2T 2T v v u2 Tu2 T - u - u1T 1T v v u1u1 T T )/g/g 设K= HT/ HT 1,为环流系数,一般取 0.750.85,它说明了涡流的影响。 当1=900时,v vu1T=0 u1T=0, 则 HH T T = u = u2T 2T v v u2u2 T T /g /g 返回 5.3.5 欧拉方程的物理意义 在速度三角形中,由余弦定理得: w2=u2+v2-2uvcos= u2+v2-2uvu , 于是u2vu2=( u22+v22 w2
11、2)/2 u1vu1=( u12+v12 w12)/2 代入欧拉方程得: 第一项表示流体在叶轮内旋转时产生的离心力所做的功; 第二项表示由于叶道展宽,相对速度降低而获得的压能; 第三项表示动压水头增量 5.4 泵与风机的损失与效率 5. 4. 1流动损失与流动效率 1、流动损失 根本原因:流体具有粘性 A、进口损失 流体进入叶道之前发生了预旋转,叶片做功减 小,使气流角发生了旋转,理论扬程下降。 B、撞击损失 当实际运行流量与额定流量不同时,相对速度 的方向不再与叶片进口安装角的方向一致,从 而发生撞击损失。它与流量差的平方成正比。 C、叶轮中的水力损失 包括摩擦损失和流速大小、方向改变及离开
12、叶 片时的局部损失。 D、动压转换和流体离开机壳时的损失 E、流动总损失 2、流动效率 实际扬程或全压与其理论扬程或全压之比叫做 流动效率。 5. 4. 2泄露损失与泄露效 率 1、泄露损失 (1)形成原因 A、外泄露。可忽略。 B、内泄露 包括从平衡孔和叶轮与进 气孔间隙泄露的流量。 (2)间隙:取(1/1001/200)D2 (3)泄露量: 全压定义为: 2、泄露效率 5. 4. 3轮阻损失与轮阻效率 1、轮阻损失 定义:当叶轮旋转时引起流体于叶轮前、后盘外 侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失 2、轮阻效率 其中Ni为内功率 轮阻损失总功率 5. 4. 4泵与风机的功率和效率 1、功率 (1)
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