02流體輸送機械.ppt

第二章流體輸送機械 2 1概述2 2速度式流體輸送機械2 3容積式流體輸送機械2 4真空泵2 5流體輸送機械的特點 2 1概述 流體輸送機械的分類 2 2速度式流體輸送機械 2 2 1離心式流體輸送機械的基本方程2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié)2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用2 2 7離心鼓風(fēng)機與離心壓縮機2 2 8軸流泵和軸流通風(fēng)機2 2 9旋渦泵 2 2 1離心式流體輸送機械的基本方程 離心式流體輸送機械的基本方程的推導(dǎo)基于三個假設(shè) 葉片的數(shù)目無限多 葉片無限薄 流動的每條流線都具有與葉片相同的形狀 2 流動是軸對稱的相對定常流動 即在同一半徑的圓柱面上 各運動參數(shù)均相同 而且不隨時間變化 3 流經(jīng)葉輪的是理想流體 粘度為零 因此無流動阻力損失產(chǎn)生 2 2 1離心式流體輸送機械的基本方程 離心泵和離心式風(fēng)機的基本方程式 其中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 稱為理論壓頭H w是流體具有的與葉片相切的相對速度 u是隨葉輪一起轉(zhuǎn)動的圓周速度 兩者的合成速度為絕對速度c 一般離心泵 為提高H 使 1 90 即cos 1 0 此時 離心泵的流量可表示為 式中 r2為葉輪出口半徑 b2表示葉輪出口處葉輪的寬度 其它參數(shù)見圖2 1所示 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 1 離心泵的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 1 離心泵結(jié)構(gòu)離心泵部件可分為旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件 旋轉(zhuǎn)部件包括葉輪和轉(zhuǎn)軸等 靜止部件包括吸入室 蝸殼等 如圖所示 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 2 離心泵工作原理 原動機 軸 葉輪 旋轉(zhuǎn) 離心力 葉片間液體 中心 外圍 液體被做功 動能 高速離開葉輪 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 泵殼 液體的匯集與能量的轉(zhuǎn)換 動 靜 吸上原理與氣縛現(xiàn)象 葉輪中心低壓的形成 p 泵內(nèi)有氣 則 泵入口壓力 液體不能吸上 氣縛 故離心泵在啟動前必須灌泵 液體高速離開 軸封的作用 平衡孔的作用 消除軸向推力 導(dǎo)輪的作用 減少能量損失 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 3 離心泵分類 按液體吸入方式分為單吸式泵 液體從葉輪的一面進入 和雙吸式泵 液體從葉輪的兩面進入 按葉輪級數(shù)分為單級泵 泵軸上只裝有一個葉輪 和多級泵 泵軸上裝有串聯(lián)的兩個以上的葉輪 按其用途來分類 常用的類型有 水泵 耐腐蝕泵 油泵和雜質(zhì)泵等 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 1 離心通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 1 基本結(jié)構(gòu) 離心式通風(fēng)機的主要部件包括葉輪和機殼兩部分 為適應(yīng)大風(fēng)量 通常葉片數(shù)較多且葉輪直徑較大 根據(jù)葉輪上葉片尺寸和形狀的不同 可分為多翼式和渦輪式風(fēng)機 與離心泵相似 機殼內(nèi)逐漸擴大的通道及出口截面有矩形和圓形兩種 低中壓風(fēng)機多用矩形 2 2 2離心泵與通風(fēng)機的結(jié)構(gòu) 工作原理與分類 2 工作原理與離心泵相似 3 分類通常根據(jù)離心通風(fēng)機終壓 表壓 的大小分為低壓 1kPa以下 中壓1kPa 3kPa 和高壓 3kPa 15kPa 三種通風(fēng)機 另外根據(jù)用途可分為一般通風(fēng)機 排塵通風(fēng)機 高溫通風(fēng)機 防腐通風(fēng)機和防爆通風(fēng)機等 2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能 1 流量 流量是單位時間內(nèi)輸送出去的流體量 通常用Q來表示體積流量 單位m3 s 通風(fēng)機流量也常稱為風(fēng)量 并以進口處為準 通風(fēng)機銘牌上的風(fēng)量是在 標準條件 下 即壓力1 013 105Pa 溫度20 C下的氣體體積 2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能 2 壓頭 或稱揚程 H和風(fēng)壓pt 離心泵的壓頭H和風(fēng)機的風(fēng)壓pt都是指流體通過離心泵或通風(fēng)機后所獲得的有效能量 根據(jù)伯努利方程 單位體積氣體通過通風(fēng)機所獲得的壓頭為 式中 分別為通風(fēng)機進口和出口速度 m s 2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能 壓頭計算式中 稱為通風(fēng)機的靜壓頭 稱為通風(fēng)機的動壓頭 稱為全壓頭 單位為m 通風(fēng)機銘牌上的風(fēng)壓是用空氣測定的 其 標準條件 為壓力pa 101 3kPa 溫度20 C 此時空氣密度 0 1 2kg m3 如果操作條件與 標準條件 不同 則操作條件下的風(fēng)壓pt可用下式換算 選擇風(fēng)機時應(yīng)以為準 2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能 3 效率 效率反映了泵與風(fēng)機中能量的損失程度 容積效率 v 考慮流量泄漏所造成的能量損失水力效率 H 考慮流動阻力所造成的能量損失機械效率 m 考慮軸承 密封填料和輪盤的摩擦損失 離心泵與通風(fēng)機的總效率為 一般來講 在設(shè)計流量下泵與風(fēng)機的效率最高 2 2 3離心泵與離心通風(fēng)機的性能 4 功率 功率分為有效功率和軸功率 有效功率Ne 軸功率N 流體經(jīng)過泵或風(fēng)機后獲得的實際功率 對于離心泵 對于風(fēng)機 原動機傳到泵軸上的功率 離心泵的軸功率 通風(fēng)機的軸功率 有效功率和軸功率的關(guān)系 2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線 離心泵特性曲線及通風(fēng)機特性曲線缺 2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線 1 曲線討論 1 壓頭 風(fēng)壓 流量 H Q pt Q 曲線它是判斷離心泵或風(fēng)機是否滿足管路使用要求的重要依據(jù) 通風(fēng)機流量Q自零開始增加 風(fēng)壓pt先上升 后下降 風(fēng)壓最大值不在Q 0時 2 軸功率曲線 N Q 軸功率一般隨流量的增大而增大 當流量為零時 功率最小 因此離心泵與風(fēng)機應(yīng)在出口閥關(guān)閉下啟動 以防止電機過載 3 效率曲線 Q 效率曲線有一最高點 稱為設(shè)計點 因為離心泵與風(fēng)機在最高效率點工作時最經(jīng)濟 所以其所對應(yīng)的流量 壓頭 風(fēng)壓 軸功率為最佳工況參數(shù) 一般選用離心泵或風(fēng)機時 其工作區(qū)應(yīng)處于最高效率點的92 左右 2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線 1 流體物性對特性曲線的影響 1 流體密度的影響離心泵的壓頭和流量與被輸送流體的密度無關(guān) 泵的效率一般也和流體的密度無關(guān) 但是泵的軸功率隨流體密度變化而變化 可按下式校正 對于通風(fēng)機 風(fēng)壓和軸功率都和密度有關(guān) 因為 所以 2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線 2 流體物性對特性曲線的影響 當被輸送液體的運動粘度小于20 10 6m2 s時 泵的特性曲線變化很小 可不作修正 當輸送液體的運動粘度大于20 10 6m2 s時 泵的特性曲線變化較大 必須修正 常用的方法是在原來泵的特性曲線下 對每一點利用換算系數(shù)進行換算 2 2 4離心泵與通風(fēng)機的特性曲線 3 葉輪尺寸與轉(zhuǎn)速對離心泵特性曲線的影響 1 葉輪外徑的影響 式 2 23 稱為泵的切削定律 2 轉(zhuǎn)速的影響 在轉(zhuǎn)速變化小于20 時 也可近似認為葉輪出口的速度三角形 泵的效率等基本不變 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 1 管路特性曲線 管路特性曲線表示流體通過某一特定管路所需要的壓頭與流量的關(guān)系 流體流過管路所需要的壓頭 式中 令 則 管路特性曲線 方程 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 管路特性曲線的特點 表示的是管路流動所需要的最小外加壓頭 阻力平方區(qū) 與Q無關(guān) 此時管路特性系數(shù)B為常數(shù) 管路特性曲線為一過 0 h0 點的二次曲線 高阻管路曲線陡 B大 低阻管路曲線平緩 B小 表示管路流量Q與所需外加壓頭he間的曲線關(guān)系 B值與Q的單位有關(guān) 物理意義 對于曲線在縱軸上截距h0 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 2 離心泵與通風(fēng)機的工作點 泵的特性曲線 H Q 與管路特性曲線的交點 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 說明 工作點 泵的特性與管路的特性 工作點確定 聯(lián)解兩特性方程 作圖 得兩曲線交點 泵裝于管路時 工作點 H Q Q 泵供流量 管路流量 Q 泵供壓頭 流體得壓頭 工作點 Q H N 泵的實際工作狀態(tài) 若該點在泵的高效區(qū) 則該工作點是適宜的 風(fēng)機的工作點求法與泵類似 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 3 離心泵與通風(fēng)機的流量調(diào)節(jié) 離心泵或通風(fēng)機的工況調(diào)節(jié)有三種途徑 1 改變離心泵或通風(fēng)機的特性曲線 改變轉(zhuǎn)速 切削葉輪直徑以及采用泵的串聯(lián)或并聯(lián) 2 改變管路的特性曲線 管路特性曲線的改變一般通過調(diào)節(jié)管路閥門的開度實現(xiàn) 3 同時改變離心泵 或通風(fēng)機 和管路的特性曲線 2 2 5離心泵與通風(fēng)機的工作點和流量調(diào)節(jié) 例2 1用一離心泵輸送酒精 當轉(zhuǎn)速n 2900r min時泵的特性曲線方程為 已知出口閥全開時管路特性曲線方程為 兩式中Q的單位為m3 h H he的單位是m 問 1 此時的輸送量為多少 2 若生產(chǎn)需要的酒精量為上述的80 擬采用變速調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速如何變化 圖P109 2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用 1 離心泵的汽蝕余量 z 見圖 液面0 0與泵吸入口截面1 1之間的垂直距離Z為離心泵的安裝高度 Z 則p1 葉輪中心液體汽化 汽泡 當p1 pv 被拋向外圍 壓力升高 pv 局部真空 汽泡破裂 蒸汽凝結(jié) 汽蝕現(xiàn)象 周圍液體高速沖向汽泡中心 撞擊葉片 水錘 葉片沖擊與腐蝕 2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用 伴隨現(xiàn)象 泵體振動并發(fā)出噪音 H Q 嚴重時不送液 水錘沖擊和化學(xué)腐蝕 損壞葉片 安裝高度 汽蝕 問題 如何確定Z的上限 泵的允許安裝高度 當泵剛發(fā)生汽蝕時 pK等于所輸送液體的飽和蒸汽壓pv 相應(yīng)地p1也將達到某一最小值p1min 此時 2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用 上式表明 在泵剛發(fā)生汽蝕條件下 泵進口處液體的總壓頭比液體的飽和蒸汽壓對應(yīng)的靜壓頭高出某一定值 常將這一差值稱為泵的最小汽蝕余量 為確保泵正常工作不發(fā)生汽蝕 根據(jù)有關(guān)規(guī)定 將作為允許值 稱為允許汽蝕余量 此值列入泵的樣本 由離心泵廠向用戶提供 又稱為凈正吸上壓頭 用 NetPositiveSuctionHead 表示 2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用 1 安裝高度 最大安裝高度Zmax 為防止汽蝕 相應(yīng)地將最大安裝高度減去0 3m作為安全量 稱為允許安裝高度 Z 泵的實際安裝高度Z Z 2 2 6離心泵與通風(fēng)機的安裝和選用 5 允許汽蝕余量的校正 h 20 清水 條件不同時要校正 校正曲線 說明書 討論 1 汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 安裝高度太高 被輸送流體的溫度太高 液體蒸汽壓過高 吸入管路阻力或壓頭損失太高 2 計算出的Zmax 0時 需低于貯槽液面安裝 3 Zmax Q關(guān)系 Q 則Zmax 安全系數(shù) 一般用工作條件的最大Q計算Zmax 4 安裝泵時為保險 取Z比Zmax小0 5至1米 2 2 7離心鼓風(fēng)機與離心壓縮機 結(jié)構(gòu)特點 外形 離心泵 蝸殼形通道常為圓形 外殼直徑與厚度之比較大 葉片數(shù)目較多 葉輪外周都裝有導(dǎo)輪 轉(zhuǎn)速較高 單級出口表壓多在30kPa以內(nèi) 多級可達0 3MPa 1 離心式鼓風(fēng)機 離心壓縮機的結(jié)構(gòu)與離心鼓風(fēng)機類似 但可以達到的壓力更高 且級數(shù)更多 10級以上 轉(zhuǎn)速更高 5000rpm以上 由于壓縮比高 氣體溫度升高顯著 故壓縮機都分成幾段 每段包括若干級 段與段之間設(shè)有冷卻器 2 離心壓縮機 2 2 8軸流泵和軸流通風(fēng)機 軸流泵的構(gòu)造如圖所示 軸流泵提供給液體的壓頭較小 但輸送量卻很大 特別適用于大流量和低壓頭的液體輸送狀況 軸流通風(fēng)機和軸流泵的結(jié)構(gòu)相似 它產(chǎn)生的風(fēng)壓很低 一般只作通風(fēng)換氣用 常用于化工生產(chǎn)中空冷器和涼水塔的通風(fēng) 圖P115 2 2 9旋渦泵 旋渦泵是一種特殊類型的離心泵 其主要部件為圓盤形葉輪和開有環(huán)行凹槽的泵殼 旋渦泵的效率比較低 一般為20 50 但與多級離心泵或往復(fù)泵相比 旋渦泵的體積較小 結(jié)構(gòu)簡單 加工方便 產(chǎn)生的壓頭較相同葉輪直徑和轉(zhuǎn)速的離心泵高2 4倍 旋渦泵適合小流量 高壓頭下粘性不高 不含固體顆粒的液體輸送 2 3容積式流體輸送機械 2 3 1往復(fù)式流體輸送機械工作原理2 3 2往復(fù)泵2 3 3往復(fù)壓縮機2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 2 3 1往復(fù)式流體輸送機械工作原理 往復(fù)式流體輸送機械理想循環(huán)具有以下特征 1 流體在進 出工作腔時通過閥門沒有阻力 2 工作腔內(nèi)無余隙容積 腔內(nèi)的流體被全部排出 3 工作腔作為一個孤立體與外界無熱交換 4 氣體壓縮指數(shù)為定值 5 氣體無泄漏 2 3 1往復(fù)式流體輸送機械工作原理 如右圖為往復(fù)壓縮機工作過程示意圖 壓縮機的吸入過程功 相應(yīng)的排出過程功為 壓縮過程功為 總的指示功為三者的代數(shù)和 即 理想氣體壓縮過程 式中 號表示機械需要外功來幫助它實現(xiàn)缸內(nèi)的循環(huán) 所以需由原動機來進行驅(qū)動 2 3 2往復(fù)泵 1 往復(fù)泵的結(jié)構(gòu) 下圖是往復(fù)泵的示意圖 主要部件 泵缸 活塞 活塞桿 吸入閥 排出閥 其中的吸入閥和排出閥均為單向閥 2 3 2往復(fù)泵 2 往復(fù)泵的特點和分類 往復(fù)泵具有以下特點 1 往復(fù)泵的流量僅與往復(fù)泵活塞的直徑 行程 轉(zhuǎn)速及液缸數(shù)有關(guān) 與管路的情況 所輸送流體的溫度 粘度無關(guān) 2 往復(fù)泵的壓頭取決于往復(fù)泵在其中工作的管路特性 3 往復(fù)泵裝置中必須安裝有安全閥或其它安全裝置 4 往復(fù)泵有很好的自吸能力 5 往復(fù)泵的效率較高 6 往復(fù)泵的流量較小 且流量不均勻 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 適用于高壓頭 小流量的場合 但不宜輸送腐蝕性液體及含有固體顆粒的懸浮液 2 3 2往復(fù)泵 往復(fù)泵的分類 1 按與輸送介質(zhì)接觸的工作機構(gòu)分有活塞泵 柱塞泵和隔膜泵 2 按往復(fù)泵的作用特點分有單作用泵 雙作用泵和差動泵 3 根據(jù)動力分有機動泵 包括電動機驅(qū)動的泵和內(nèi)燃機驅(qū)動的泵 直接作用泵 包括蒸汽 氣 液壓直接驅(qū)動的泵 和手動泵等 2 3 2往復(fù)泵 4 往復(fù)泵工況調(diào)節(jié)往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)通常采用改變往復(fù)泵的轉(zhuǎn)速 改變活塞行程或旁路調(diào)節(jié)等方法來實現(xiàn) 3 往復(fù)泵性能參數(shù)往復(fù)泵的主要性能參數(shù)有流量 壓頭 壓力 功率 效率 活塞每分鐘的往復(fù)次數(shù)及汽蝕余量等 它們的定義與離心泵相同 2 3 3往復(fù)壓縮機 特性曲線 特點與應(yīng)用 與往復(fù)泵相似 與往復(fù)泵相似 是通過氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運動 使氣體完成吸入 壓縮和排出工作循環(huán) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 體積重量大 流量小 供氣不均勻 運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 易損壞部件多 適用于高壓力 中小流量的生產(chǎn)場合 不宜在大流量 含有懸浮顆粒的場合下使用 常使用多級壓縮 結(jié)構(gòu)與工作原理 2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 1 螺桿泵 工作原理 旋轉(zhuǎn)泵的一種 螺紋在旋轉(zhuǎn)時有推進作用 2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 1 螺桿泵 特點 螺桿泵有單螺桿泵 雙螺桿泵和三螺桿泵 螺桿泵的特點是轉(zhuǎn)速高 流量和壓力均勻 機組結(jié)構(gòu)緊湊 傳動平穩(wěn)經(jīng)久耐用 工作安全可靠 無噪音 效率高 常用于輸送各種油類及高分子聚合物 還可作為計量泵 但加工工藝復(fù)雜 成本高 不能輸送含有固體顆粒的液體 2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 2 滑片泵 圖P124 泵的轉(zhuǎn)子為圓柱形 轉(zhuǎn)子上有若干槽 槽內(nèi)有滑片 滑片可在轉(zhuǎn)子的槽中作徑向滑動 滑片靠離心力 彈簧力或液壓力壓向機體 使滑片端部與機體緊貼而保證密封 2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 3 齒輪泵 圖P124 屬旋轉(zhuǎn)泵的一種 工作部件是一對旋轉(zhuǎn)的嚙合齒輪 齒輪旋轉(zhuǎn)時 封閉在齒穴和泵殼間的液體被強行壓出 齒輪脫離嚙合時產(chǎn)生真空吸入液體 齒輪泵的特點 流量均勻 尺寸小而輕便 結(jié)構(gòu)簡單緊湊 堅固耐用 維修保養(yǎng)方便 流量小 壓力高 適合輸送粘性較大的液體 但不宜輸送含有固體顆粒的液體 2 3 4回轉(zhuǎn)式流體輸送機械 4 羅茨鼓風(fēng)機 羅茨鼓風(fēng)機的主要零部件有 轉(zhuǎn)子 同步齒輪 氣缸 端板及軸承密封件等 如圖所示 氣缸內(nèi)一對轉(zhuǎn)子將氣缸內(nèi)的空間分為互不相連的吸入和排出室 當電機帶動主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 從動轉(zhuǎn)子被牽制著作相反方向旋轉(zhuǎn) 通過吸入室空間體積的由小變大吸入的氣體 被轉(zhuǎn)子和氣缸所形成的空間帶到排出室 再由排出室空間體積的由大變小強行排出 圖P125 2 4真空泵 2 4 1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類2 4 2真空泵性能及選用 2 4 1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類 1 水環(huán)式真空泵 水環(huán)式真空泵簡稱水環(huán)泵 如圖所示 它由圓柱形泵殼 偏心安裝的葉輪和有吸 排氣口的端蓋等組成 水環(huán)泵的效率比較低 一般30 左右 所產(chǎn)生的最大真空度為83kPa 由于水環(huán)泵沒有閥門和摩擦面 適用于抽除含塵氣體等 圖P126 2 4 1真空泵的典型結(jié)構(gòu)和分類 1 噴射泵 噴射真空泵簡稱噴射