第八章 流體機械的性能曲線和運行調(diào)節(jié)

.,第三篇流體機械的應(yīng)用,.,第八章流體機械的性能曲線,第五節(jié)流體機械的旋轉(zhuǎn)失速與喘振,.,第一節(jié)流體機械的性能曲線,泵或風機的主要性能參數(shù)有流量qV、揚程H(或全壓PtF)、功率P和效率。這些參數(shù)之間有著一定的相互聯(lián)系，反映這些性能參數(shù)間變化關(guān)系的曲線，稱為泵與風機的特性曲線。,常用的特性曲線有以下三種：,.,性能曲線的作用,.,（一）、流量揚程曲線（）,理論特性曲線（）,由無限多葉片時的理論能頭可得：,顯然，這是一個直線方程，和呈直線關(guān)系變化,且直線的斜率由a來確定，。,一、離心式泵與風機的性能曲線,.,對于三種葉型分別為：,后彎式葉輪,當增大時，減小，流量揚程關(guān)系曲線是一條向下傾斜的直線。,B0,徑向式葉輪,B0,當增大時，減小，流量揚程關(guān)系曲線是一條水平的直線。,前彎式葉輪,當增大時，減小，流量揚程關(guān)系曲線是一條向上傾斜的直線。,.,實際特性曲線,以上的直線為理想狀況的流量揚程性能曲線，由于考慮到有限葉片數(shù)和流體粘性的影響，需對上述曲線進行修正。,考慮滑移系數(shù),HT=KHT,考慮葉輪中流動損失,考慮葉輪中沖擊損失,考慮葉輪中泄漏損失,qVT-q=qV,qVd,.,常用的泵或風機實際壓頭曲線有三種類型：,陡降型、緩降型與駝峰型,陡降型性能曲線的泵或風機宜用于流量變化較小的情況。,緩降型曲線的泵或風機可用于流量變化大而要求壓頭變化不大的情況。,具有駝峰型性能曲線的泵或風機，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定工況。這種不穩(wěn)定工況是應(yīng)避免的。,.,（二）、流量-功率特性曲線,1.理論特性曲線,假設(shè)沒有能量損失，理論軸功率等于有效功率,式中,可見對于不同的2值具有不同形狀的曲線，當qVT=0時。三種葉輪的理論功率都等于零，理論功率曲線都交于原點。,.,對于徑向式葉輪,對于前彎式葉輪,對于后彎式葉輪,理論功率曲線是一條直線。,理論功率曲線是向上凹的二次曲線。,理論功率曲線是向下凹的二次曲線。,.,根據(jù)以上分析，可以定性地說明不同葉型的泵或風機性能曲線的變化趨勢，對于研究實際性能曲線是很有意義的。同時理論性能曲線還可以解釋泵或風機在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一些問題的原因。如由理論功率曲線可以看出，前彎式葉輪的軸功率隨流量增加而迅速增長，因此這種風機在運行中，電機很容易超載，而后彎式葉輪幾乎不會發(fā)生超載。,.,2.實際特性曲線,由于存在機械損失，實際軸功率大于理論功率。,再考慮容積損失的影響，再考慮容積損失的影響,.,（三）、流量效率特性曲線,.理論特性曲線,在理想條件下，各項損失為零，因此效率恒為100%。,.實際特性曲線,泵或風機的效率曲線，可由揚程曲線及功率曲線計算出來，即,.,由上式可見，當qV=0和H=0時，都等于零。因此,-H曲線是一條通過坐標原點與橫坐標軸相交于兩點的曲線.這是理論分析的結(jié)果,實際上-H性能曲線不可能下降到與橫坐標軸相交,因而曲線也不可能與橫坐標軸相交.實際的性能曲線位于理論曲線的下放。曲線上最高效率點即為泵或風機的設(shè)計工況點。泵或風機在此工況下工作最經(jīng)濟，能量損失最小。一般以max作為高效區(qū)，只要在此范圍內(nèi)工作，就認為是經(jīng)濟的。,效率曲線,.,（四）、性能曲線的分析,1.最佳工況點和經(jīng)濟工作區(qū),當qV=0時，實際功率并不等于零。因為空載運轉(zhuǎn)時，機械摩擦損失仍然存在。一般離心式泵或風機的實際功率隨流量加大而增大，空載功率最小，所以離心式泵或風機應(yīng)空載啟動，以免電機超載。,若現(xiàn)場的凝結(jié)泵和給水泵閉閥啟動，則這部分功率將導(dǎo)致泵內(nèi)水溫有較大的溫升，易產(chǎn)生泵內(nèi)汽蝕，故凝結(jié)泵和給水泵不允許空載運行。,2.離心泵的空載起動和防止汽蝕,.,3.離心式泵與風機性能曲線的比較,H-qV性能曲線的比較,.,后向式葉輪的性能曲線存在不同程度的差異。常見的有陡降型、平坦型和駝峰型三種基本類型。,.,（1）陡降型曲線其特點是：當流量變化很小時能頭變化很大。例如火力發(fā)電廠自江河、水庫取水的循環(huán)水泵，就希望有這樣的工作性能。,因為，隨著季節(jié)的變化，江河、水庫的水位漲落差非常大，同時水的清潔度也發(fā)生變化，均會影響到循環(huán)水泵的工作性能（揚程），因而要求循環(huán)水泵應(yīng)具有當揚程變化較大時而流量變化較小的特性。,.,（2）平坦型曲線其特點是：當流量變化較大時，能頭變化很小。如火力發(fā)電廠的給水泵、凝結(jié)水泵就希望有這樣的性能。,因為，汽輪發(fā)電機在運行時負荷變化是不可避免的，特別是對調(diào)峰機組，負荷變化更大。但是，由于主機安全經(jīng)濟性的要求，汽包的壓強或凝汽器內(nèi)的壓強變化不能太大，因而要求給水泵、凝結(jié)水泵應(yīng)具有流量變化很大時，揚程變化不大的特性。,.,（3）有駝峰的性能曲線其特點是：在峰值點左側(cè)出現(xiàn)不穩(wěn)定工作區(qū)，故設(shè)計時應(yīng)盡量避免這種情況，或盡量減小不穩(wěn)定區(qū)。,經(jīng)驗證明，對離心式泵合理的選擇葉片安裝角2a和葉片數(shù)z，可以避免性能曲線中的駝峰。,.,P-qV性能曲線的比較,前向式、徑向式葉輪的軸功率隨流量的增加迅速上升。當泵與風機工作在大于額定流量時，原動機易過載。而后向式葉輪的軸功率隨流量的增加變化緩慢，且在大流量區(qū)變化不大。因而當泵與風機工作在大于額定流量時，原動機不易過載。,.,-qV性能曲線的比較,前向式葉輪的效率較低，但在額定流量附近，效率下降較慢；后向式葉輪的效率較高，但高效區(qū)較窄；而徑向式葉輪的效率居中。,因此，為了提高效率，泵幾乎不采用前向式葉輪，而采用后向式葉輪。即使對于風機，也趨向于采用效率較高的后向式葉輪。,.,二、軸流式泵與風機性能曲線,1、性能曲線的趨勢分析,沖角增加，曲線上升；,葉頂和葉根分別出現(xiàn)二次回流，曲線回升。,邊界層分離，葉根出現(xiàn)回流，曲線下降，但趨勢較緩；,2、性能曲線的特點,存在不穩(wěn)定工作區(qū)，曲線形狀呈型；,空載易過載；,高效區(qū)窄。,.,3.離心式、混流式及軸流式泵與風機性能曲線的比較,H-qV性能曲線的比較,離心式泵與風機的H-qV曲線比較平坦，而混流式、軸流式泵與風機的H-qV曲線比較陡。因此，前者適用于流量變化時要求能頭變化不大的場合，而后者宜用于當能頭變化大時要求流量變化不大的場合。,.,P-qV性能曲線的比較,離心式和軸流式泵與風機的P-qV曲線隨著流量的增加其變化趨勢剛好相反，前者呈上升趨勢，而后者則急劇下降。因此，為了減小原動機容量和避免啟動電流過大，啟動時，軸流式泵與風機閥門應(yīng)處于全開狀態(tài)，而離心式泵與風機閥門則原則上應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。,.,-qV性能曲線的比較,為了克服軸流式泵與風機軸功率變化急劇和高效區(qū)窄的缺點，提高調(diào)節(jié)效率，常常將其葉輪葉片設(shè)計成可調(diào)的。這樣,當流量變化時，通過調(diào)節(jié)葉輪葉片的角度，使軸流式泵與風機仍具有比較高的效率。,第二節(jié)管路特性曲線及工作點,一、管路系統(tǒng)性能曲線,對于泵,Hst-稱為管路系統(tǒng)的靜能頭；,即，管路系統(tǒng)的靜能頭為零。,對于風機,泵的管網(wǎng)特性曲線圖,風機的管網(wǎng)特性曲線圖,二、工作點,2、實質(zhì)：反映了兩者的能量供與求的平衡關(guān)系。,三、運行工況點的穩(wěn)定性,泵運行工況點的穩(wěn)定性,K,M,1、穩(wěn)定工況點條件是：,2、不穩(wěn)定工況點條件是：,3、有駝峰不穩(wěn)定工作區(qū)喘振。,注意：具有駝蜂形性能曲線的泵或風機運行時會出現(xiàn)不穩(wěn)定工況點，對于這一類泵或風機應(yīng)使工況點保持在曲線的下降段，以保證運行的穩(wěn)定性。,第三節(jié)流體機械的聯(lián)合工作,設(shè)計制造一臺新的高壓泵或風機比較閑難，而現(xiàn)有的泵或風機的容量已足夠，只是揚程不夠時。,一、串聯(lián)運行,在改建或擴建后的管道阻力加大，要求提高揚程以輸出較多流量時。,2、串聯(lián)運行的目的：一般來說，泵串聯(lián)運行的主要目的是提高揚程，但實際應(yīng)用中還有安全、經(jīng)濟的作用。,1、什么是串聯(lián)運行：前一臺泵向后一臺泵的入口輸送流體的運行方式。,C,Hc-qV,H-qV,、,4、串聯(lián)運行工況點,5、串聯(lián)運行時應(yīng)注意的問題,2安全性：經(jīng)常串聯(lián)運行的泵,應(yīng)由qVmaxHg(或Hd)防止汽蝕；對于離心泵和軸流泵,應(yīng)按PshmaxPgr驅(qū)動電機不致過載。,1宜適場合：Hc-qV較陡，H-qV較平坦。,4啟動程序（離心泵）：啟動時，首先必須把兩臺泵的出口閥門都關(guān)閉，啟動第一臺，然后開啟第一臺泵的出口閥門；在第二臺泵出口閥門關(guān)閉的情況下再啟動第二臺。,3經(jīng)濟性：對經(jīng)常串聯(lián)運行的泵，應(yīng)使各泵最佳工況點的流量相等或接近。在選擇設(shè)備時，按C點選擇泵。,5泵的結(jié)構(gòu)強度：由于后一臺泵需要承受前一臺泵的升壓,故選擇泵時，應(yīng)考慮到兩臺泵結(jié)構(gòu)強度的不同。,6串聯(lián)臺數(shù)：串聯(lián)運行要比單機運行的效果差，由于運行調(diào)節(jié)復(fù)雜,一般泵限兩臺串聯(lián)運行；由于風機串聯(lián)運行的操作可靠性差，故一般不采用串聯(lián)運行方式。,當擴建機組，相應(yīng)需要的流量增大，而原有的泵與風機仍可以使用時。,電廠中為了避免一臺泵或風機的事故影響主機主爐停運時.,由于外界負荷變化很大流量變化幅度相應(yīng)很大為了發(fā)揮泵與風機的經(jīng)濟效果，使其能在高效率范圍內(nèi)工作，往往采用兩臺或數(shù)臺并聯(lián)工作，以增減運行臺數(shù)來適應(yīng)外界負荷變化的要求時。,1、什么是并聯(lián)運行：兩臺或兩臺以上的泵向同一壓力管路輸送流體時的運行方式。,2、并聯(lián)運行的目的：一般來說，并聯(lián)運行的主要目的包括：增大流量；臺數(shù)調(diào)節(jié)；一臺設(shè)備故障時，啟動備用設(shè)備。,3、并聯(lián)運行的特點,泵并聯(lián)后的性能曲線的作法：把并聯(lián)各泵的性能曲線H-qV上同一揚程點的流量值相加。,4、并聯(lián)運行工況點,qVC,C,5、并聯(lián)運行時應(yīng)注意的問題,1宜適場合：Hc-qV較平坦，H-qV較陡。,2安全性：經(jīng)常并聯(lián)運行的泵,應(yīng)由qVmaxHg(或Hd)防止汽蝕；對于離心泵和軸流泵,應(yīng)按PmaxPgr驅(qū)動電機不致過載。,3經(jīng)濟性：對經(jīng)常并聯(lián)運行的泵，為保證并聯(lián)泵運行時都在高效區(qū)工作，應(yīng)使各泵最佳工況點的流量相等或接近。在選擇設(shè)備時，按B點選擇泵。,4并聯(lián)臺數(shù)：從并聯(lián)數(shù)量來看，臺數(shù)愈多并聯(lián)后所能增加的流量越少，即每臺泵輸送的流量減少，故并聯(lián)臺數(shù)過多并不經(jīng)濟。,第四節(jié)流體機械的運行工況調(diào)節(jié),泵與風機運行時，其運行工況點需要隨著主機負荷的變化而改變，這種實現(xiàn)泵與風機運行工況點改變的過程稱為運行工況調(diào)節(jié)。,非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié),常用調(diào)節(jié)方式的工作原理、優(yōu)缺點及適用場合；典型并聯(lián)運行工況調(diào)節(jié)。,引言,一、非變速調(diào)節(jié),常用的調(diào)節(jié)方式主要有：節(jié)流調(diào)節(jié)、離心泵的汽蝕調(diào)節(jié)、分流調(diào)節(jié)、離心式和軸流式風機的前導(dǎo)葉調(diào)節(jié)、混流式和軸流式風機的動葉調(diào)節(jié)等。,（一）、節(jié)流調(diào)節(jié),1出口端節(jié)流調(diào)節(jié),運行效率：,適用場合：離心式小容量泵與風機采用，并逐漸被代替；軸流式泵與風機不采用該方式（qVP電動機過載）。,優(yōu)缺點：簡單、可靠、方便、調(diào)節(jié)裝置初投資很低；節(jié)流損失很大，調(diào)節(jié)量嚴重，單向：小于額定流量的方向。,2進口端節(jié)流調(diào)節(jié),經(jīng)濟性：,比出口端節(jié)流經(jīng)濟。,適用場合：,僅在風機上使用。,（二）汽蝕調(diào)節(jié),什么是汽蝕調(diào)節(jié)：,適用場合：,（三）前導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（風機）,2、軸流式和混流式風機的入口靜葉調(diào)節(jié),工作原理：,與離心式風機軸向?qū)Я髌飨嗨啤?調(diào)節(jié)特性：,2MCR點選在max點，TB點選擇在max點的大流量側(cè)。,安全流量的最大流量點,負預(yù)旋調(diào)節(jié),100%機組額定負荷流量工況點,（四）動葉調(diào)節(jié)（軸流式和混流式泵與風機）,工作原理：,y、速度三角形u、2HT、pT、qV軸流式泵與風機的性能曲線,a,動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)：,傳動方式分為：機械傳動和液壓傳動兩類，對于大型泵與風機以采用液壓傳動為好。,隨時改變動葉的安裝角的調(diào)節(jié)方式稱為全可調(diào)。,半可調(diào)方式：沒有動葉調(diào)節(jié)機構(gòu),只能在停機時，方可調(diào)整動葉的安裝角，適用于中、小型的軸流式、混流式泵或風機。,大型立式混流泵油壓式動葉操縱系統(tǒng)。,軸流式風機動葉調(diào)節(jié)液壓傳動裝置,分配閥,調(diào)節(jié)缸,活塞,位移指示桿,液壓伺服機構(gòu),調(diào)節(jié)特性：,二、變速調(diào)節(jié),2轉(zhuǎn)速效應(yīng)（使效率下降）。,在管路性能曲線不變的情況下，通過改變轉(zhuǎn)速來改變泵與風機的性能曲線，從而改變其運行工況點的調(diào)節(jié)方式。,什么是：,當Hst=0時,理想情況下，最大可能的節(jié)能效果。,qV1=qV0/2H1=H0/4，Psh1=Psh0/8,節(jié)能原理：,A0A1qVn，Hn2，Pshn3,影響節(jié)能效果的制約因素：,1Hst0。,3變速調(diào)節(jié)設(shè)備本身的能量消耗。,A0,第五節(jié)泵與風機運行中的幾個問題,泵與風機的運行狀況對電廠的安全、經(jīng)濟運行十分重要。目前泵與風機在運行中還存在不少問題，如運行效率偏低、振動、磨損等問題。,效率問題：近幾年來，低效產(chǎn)品已逐步被較高效率的新產(chǎn)品所取代，并隨著各種新型、高效調(diào)節(jié)裝置的使用，運行效率已得到了大大改善。,引言,磨損問題：火力發(fā)電廠的引風機設(shè)置在除塵器之后，但由于除塵器并不能把煙氣中全部固體微粒除去，剩余的固體微粒將隨煙氣進入引風機，沖擊葉片和機殼表面，引起引風機磨損并會沉積在引風機葉片上。由于磨損和積灰是不均勻的，從而破壞了風機的動靜平衡，引起風機振動，甚至迫使鍋爐停止運行。與引風機比較，制粉系統(tǒng)中的排粉風機的工作條件更差，其磨損也更為嚴重。,流體流動引起的振動包括：水力振動、旋轉(zhuǎn)脫流引起的振動和喘振。,（一）、流體引起的振動,一、振動問題,1、水力振動,水力振動主要是由于泵內(nèi)或管路系統(tǒng)中流體流動不正常而引起的，它即與泵及管路系統(tǒng)的設(shè)計、制造優(yōu)劣有關(guān)，也與運行工況有關(guān)，且主要因水力沖擊和水泵汽蝕引起。,水力沖擊,產(chǎn)生機理：由于給水泵葉片的渦流脫離的尾跡要持續(xù)一段很長的距離，在動靜部分產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，當給水由葉輪葉片外端經(jīng)過導(dǎo)葉和蝸舌時，就要產(chǎn)生水力沖擊，形成有一定頻率的周期性壓強脈動，它傳給泵體、管路和基礎(chǔ)，引起振動和噪音。,后果影響：若各級動葉和導(dǎo)葉組裝位置均在同一方向，則各級葉輪葉片通過導(dǎo)葉頭部時的水力沖擊將疊加起來，引起振動。如果這個頻率與泵本身或管路的固有頻率相重合，將產(chǎn)生共振。,f=zn/60（Hz）（4-24）,防止措施：適當增加葉輪外直徑與導(dǎo)葉或泵殼與舌之間的距離，緩和沖擊、減小振幅；組裝時，將各級的動葉出口邊相對于導(dǎo)葉頭部按一定節(jié)距錯開，以免水力沖擊疊加、減小壓強脈動。,2、旋轉(zhuǎn)脫流引起振動,產(chǎn)生機理：一方面，泵與風機進入不穩(wěn)定工況區(qū)運行，隨著沖角的增大將導(dǎo)致邊界層分離，致使升力減小，阻力增加。稱之為“脫流”或“失速”現(xiàn)象。,產(chǎn)生機理：另一方面，由于加工、安裝以及來流不均等原因，葉輪葉片不可能有完全相同的形狀和安裝角，且隨著流量的減小，脫流首先發(fā)生在沖角最先達到臨界值的某一葉片進口處。,產(chǎn)生機理：在上述兩種條件下，脫流阻塞葉道造成分流，使脫流以的旋轉(zhuǎn)速度沿葉輪旋向相反傳播，致使脫流最終以（-）的速度旋轉(zhuǎn)。稱之為“旋轉(zhuǎn)脫流”或“旋轉(zhuǎn)失速”。,葉片的正常工況和脫流工況,動葉中旋轉(zhuǎn)脫流的形成,后果影響：風機進入不穩(wěn)定工況區(qū)運行，葉輪內(nèi)將產(chǎn)生一個到數(shù)個旋轉(zhuǎn)脫流區(qū)，葉片依次經(jīng)過脫流區(qū)產(chǎn)生交變應(yīng)力的作用，其作用頻率與旋轉(zhuǎn)脫流的轉(zhuǎn)速及脫流區(qū)的數(shù)目成正比，會使葉片產(chǎn)生疲勞。若這一激振力的作用頻率與葉片的固有頻率成整數(shù)倍，或等于、或接近于葉片的固有頻率時，葉片將發(fā)生共振，進而造成葉片斷裂，并可能將全部葉片打斷。,防止措施：應(yīng)盡量避免泵與風機在不穩(wěn)定工況區(qū)運行。,3、喘振,喘振現(xiàn)象：若具有駝峰形性能曲線的泵與風機在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)運行，而管路系統(tǒng)中的容量又很大時，則泵與風機的流量、壓頭和軸功率會在瞬間內(nèi)發(fā)生很大的周期性的波動，引起劇烈的振動和噪聲。這種現(xiàn)象稱為“喘振”或“飛動”現(xiàn)象。,當用戶所需要的流量小于qVK時,風機的運行工況點將由E點滑向K點,并將周而復(fù)始地按EKCDE各點重復(fù)循環(huán)，形成運行工況的周期性波動。,風機在大容量管路系統(tǒng)中運行的示意圖,喘振現(xiàn)象,原因分析：,防止措施：,（1）采用分流調(diào)節(jié)可裝設(shè)再循環(huán)管或自動排出閥門，使泵與風機的排出流量恒大于臨界流量。,（2）采用變速調(diào)節(jié)若管路性能曲線不通過坐標原點時，改變風機的轉(zhuǎn)速，也可得到穩(wěn)定的運行工況。,（3）采用動葉調(diào)節(jié)對軸流式泵與風機，可減小其動葉安裝角，使性能曲線向左下方移動。,（5）最根本的措施盡量避免采用具有駝峰形性能曲線的泵與風機。,（4）切割葉輪葉片對選配容量裕量過大的泵與風機，可通過切割，減小其葉輪葉片，使性能曲線向左下方移動。,旋轉(zhuǎn)脫流和喘振現(xiàn)象的區(qū)別與聯(lián)系：,旋轉(zhuǎn)脫流是葉片結(jié)構(gòu)特性造成的一種流體動力現(xiàn)象，它的基本特性，如脫流