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1、第二章第二章 流體輸送機(jī)械(多)流體輸送機(jī)械(多) 一、流體輸送機(jī)械:為流體提供外加能量的機(jī)械一、流體輸送機(jī)械:為流體提供外加能量的機(jī)械(機(jī)器(機(jī)器 和設(shè)備)。和設(shè)備)。二、分類二、分類 泵,泵, 液體液體 風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)或真空泵,風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)或真空泵, 氣體氣體 離心式 (離心泵、離心風(fēng)機(jī))或動力式或葉輪式 往復(fù)式 (往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)) 容積式或正位移式 旋轉(zhuǎn)式 (齒輪泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)) 流體動力作用式 (噴射泵)第一節(jié) 離心泵離心泵一、工作原理一、工作原理1.結(jié)構(gòu):見圖結(jié)構(gòu):見圖2-1。2原理:甩出、真空、吸入。葉輪旋轉(zhuǎn)時,葉片之間的液體隨葉輪一起旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下,液體沿葉片間的通道從
2、葉輪中心被甩到葉輪外圍,具有很高的能量,從而液體可流到所需場所。當(dāng)液體被甩出后,在葉輪中心就會形成一定的真空,外界壓力與該真空的壓差就使液體經(jīng)底閥,吸入管道流入葉輪中心。這樣,只要葉輪不停地旋轉(zhuǎn),液體就源源不斷地被吸入和排出。3氣縛:葉輪旋轉(zhuǎn)時不能輸送液體的現(xiàn)象。若離心泵啟動前未充滿液體,則葉片間必充滿氣體。由于氣體密度很小,所產(chǎn)生的離心力也很小。所以在葉輪中心形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi),這時葉輪雖然旋轉(zhuǎn),但不能輸送液體。二、主要部件1葉輪:見圖2-2和圖2-3。 敞式 (開式) 半蔽式 (半閉式) 單吸 蔽式 (閉式) 雙吸 為平衡軸向推力,可在葉輪后蓋板上鉆一些小孔(見圖2-3a)或采
3、用雙吸式葉輪。2泵殼:見圖2-4。泵殼一般制成蝸牛殼形,以便動能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能,為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率,有時在葉輪與泵殼之間裝有一個導(dǎo)輪。3軸封(裝置):旋轉(zhuǎn)的泵軸與固定的泵體之間的密封。(1)填料密封填料一般采用浸油或涂石墨的石棉繩。結(jié)構(gòu)簡單,但功率消耗大,且有一定程度的泄漏。(2)機(jī)械(端面)密封動環(huán)硬度大,常用硬質(zhì)合金、陶瓷等,而靜環(huán)硬度較小,常用石墨制品、聚四氟乙烯等。三、基本方程11.推導(dǎo) 2w2c2rc2uc2u221c1w1u11R1l2l21p2p1a2a1b2b2R由牛頓第二定律:可導(dǎo)出 即 轉(zhuǎn)動定律即:物體所受對某給定軸的合外力矩等于該物體對該軸的動量矩隨時間的變化率。d
4、tmcdF)(dtlmcdlF)(dtlmcdlFM)( 如圖所設(shè),設(shè)一段不可壓縮理想液體在葉片間作連續(xù)穩(wěn)定的流動,且流線與葉片重合, dt時間內(nèi)由a1a2流動到b1b2,則外力對軸的力矩有:(1)重力的力矩。由于軸的對稱性,重力的力矩之和為零。(2)進(jìn)出口壓力的力矩:由于壓力垂直指向所考慮的流體的內(nèi)部,所以壓力的方向為徑向,因此,壓力對軸的力矩為零。(3)前后蓋板壓力的力矩:由于該壓力的方向與軸平行,所以該壓力對軸的力矩為零。(4)內(nèi)摩擦力的力矩:由于是理想流體,沒有內(nèi)摩擦力,所以內(nèi)摩擦力的力矩為零。(5)葉片壓力的力矩:該力矩即為轉(zhuǎn)軸傳給葉輪的轉(zhuǎn)矩。設(shè)該轉(zhuǎn)矩為M,則定積分得 (相當(dāng)于a1b
5、1處的流體移到了a2b2處) 21)(lmcdMdtdttt12)()()(lmclmctdttM1122lclcmMdt1122lclcdtQMdtT1122lclcQMT又轉(zhuǎn)矩的功: 轉(zhuǎn)矩的功率:所以 111222coscosRcRcQMTMdA MdtMddtANT111222coscosRcRcQMNTT111222coscosucucQMNTT而所以 基本方程(2-5)(P89)gQHNTTTWsJsNmsmmkgsmm233gucucgQNHTTT111222coscos111222coscosucucQNTT又由余弦定律 得得 理論壓頭(2-4)(P89)(21cos)(21co
6、s222222222212121111wucucwucucgwwguugccHT222222121222122222222222111212121cos2cos2ucucwucucw 在葉片進(jìn)出口間列柏努利方程:得 對比式(2-4)得所以靜壓頭的增量來自離心力作功和流體沿葉片動壓頭的減少。 fHgcgpzHgcgpz2222222111cpTHHgccgppH2212212gwwguugppHp222221212212gccgwwguuHT222212222212122質(zhì)量為m的液體所受離心力:單位重量的液體所受離心力:單位重量的液體所受離心力所做的功:2mRF gRmgF221212)(22
7、122212222RRRRguuRRgdRgRdRmgFA三、基本方程21.離心力場流線柏努利方程zxymg2mrrcos2mrsin2mr2mrmaFncos2 rmFysin2 rmFzgmFg0X22cosyrYgzgrZ22sin 由流線柏努利方程的最初形式: 對理想流體,有 對勻速離心力場和重力場中的穩(wěn)定流動或某一時刻,有2)(112uddzhdyhdxhdttpdpZdzYdyXdxzyx2112uddttpdpZdzYdyXdx021)sin(cos222uddpdzgrdyr 對不可壓縮流體沿流線進(jìn)行不定積分,得021222uddpgdzdzzdyyConstupgzzy221
8、2122222Constupgzr22222離心力場流線柏努利方程2.基本方程假定:(1)葉輪為具有無窮多個葉片、每個葉片無限薄的理想葉輪,即液體質(zhì)點嚴(yán)格沿葉片表面而流動,在同一圓周上所有液體質(zhì)點的所有物理量都各自相等。222222222222111221upgzrupgzr(2)流過葉輪的液體為理想液體,即液體流過葉輪時無能量損失。在1、2兩點間列某一時刻流線柏努利方程:所以 2222222111cpgzWcpgzT2)(21221212ccppzzgWT 站在葉輪上,在1、2兩點間列同一時刻流線柏努利方程,則222222222222111221wpgzrwpgzr22)(222122122
9、21212wwrrppzzg)(2222212122ruwwuu 所以 理論壓頭(2-4)(P89)222212222212122ccwwuuWTgccgwwguuHT222212222212122 由余弦定理 得 基本方程(2-5)(P89)111212121cos2ucucw222222222cos2ucucwgcucuHT111222coscos在離心泵的設(shè)計中,一般使1=90,則cos1=0所以由得由gucucgQNHTTT111222coscosgcuHT222cos22222222cosrruccuccuctg得代入上式,得又將 22222cosctgccur22222cosctg
10、cucrgctgcuuHrT22222222bDcQrT6022nDu代入上式,得 2.討論(1)理論壓頭與葉輪直徑及轉(zhuǎn)速成正比。(2)葉片的幾何形狀對理論壓頭的影響:a.后彎葉片,290,ctg20,b.徑向葉片,2=90,ctg2=0,c.前彎葉片,290,ctg20,TTTQgbnctggnDQbDgctguguH222222222222603600guHT22guHT22guHT22由上可見,2值越大,HT值越高,似乎前彎葉片較好。但由于2大于90以后,隨2的增加,動壓頭增加,靜壓頭反而減小,從而能量損失大,效率低。因此,實際上離心泵的葉片總是后彎的。見圖2-9。(3)理論流量對理論壓
11、頭的影響當(dāng)葉輪的幾何尺寸(D2、b2、2)和轉(zhuǎn)速(n)一定時,理論壓頭與理論流量呈線性關(guān)系。290,QT,HT2=90,QT,HT290,QT,HTa. 實際上,葉輪的葉片數(shù)是有限的,液體也是非理想的,所以實際壓頭和實際流量的關(guān)系曲線應(yīng)在理論壓頭和理論流量的關(guān)系曲線的下方。QQT或HHT或四、性能參數(shù)1.流量:單位時間內(nèi)泵所輸送的液體體積,Q,m3/s、m3/h或L/s。2.揚程(壓頭):單位重量的液體流經(jīng)泵后所獲得的能量,H,m液柱。揚程(一般)由實驗測定,裝置如圖,原理如下:在真空表和壓力表之間列柏努利方程:120hfHgugpzHgugpz2222222111式中 葉輪提供給單位重量的液
12、體的能量,m液柱。所以式中 分別是壓力表和真空表的讀數(shù),Pa。HguugppzzHHHf221221212guugpgphguugpppphHvmvama22)()(2122021220vmpp ,3.有效功率:液體流經(jīng)泵后所獲得的功率,Ne,W。顯然4.效率:有效功率與軸功率之比,即 容積損失v,高壓液體泄漏到低壓處,Q能量損失 機(jī)械損失m,軸與軸承,軸封的摩擦 水力損失h,液體內(nèi)摩擦及液體與液體及泵殼的碰撞,H所以gHQNeNNehmv5.軸功率:電機(jī)提供給泵軸的功率,N,W。由得或 ,kWeNN gHQN 1021000807. 9HQHQN五、特性曲線1.特性曲線:反應(yīng)揚程、軸功率、效
13、率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線,一般用20C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實驗測定。由軸功率特性曲線知,啟動泵時,應(yīng)關(guān)閉出口閥門,以保護(hù)電機(jī)。由效率特性曲線知,泵的工作點應(yīng)在高效率區(qū)(最高效率的92%)。HNmin2900rpn 2.各因素對特性曲線的影響(1)密度的影響a.由 知Q與無關(guān),又由泵的基本方程可知,揚程與液體的密度無關(guān),所以HQ曲線不變。b.由只與Q、H及軸的摩擦有關(guān),所以效率也與密度無關(guān),Q曲線不變。c.由 知,NQ曲線有變。uAQ 102HQN (2)粘度粘度增大,能量損失增大,因此泵的壓頭、流量都要減小,效率下降,而軸功率增大。即 ,H,Q,N特性曲線的改變可按下式進(jìn)行換算:式中 CQ,
14、CH,C換算系數(shù),可由圖2-14及圖2-15查得。CHCHQCQHQ,(3)轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速變化不大(20%)時,有以下近似關(guān)系: 比例定律(4)葉輪直徑當(dāng)葉輪直徑變化不大(10%)時,有以下近似關(guān)系: 切割定律31212212121212,nnNNnnHHnnQQ31212212121212,DDNNDDHHDDQQ六、氣蝕現(xiàn)象和安裝高度1.氣蝕現(xiàn)象:液體汽化后又凝結(jié),且對葉輪產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。當(dāng)葉輪入口處壓力等于或低于液體的飽和蒸汽壓時,該處液體就會汽化并產(chǎn)生汽泡,這些汽泡流到高壓處又重新凝結(jié),凝結(jié)時會產(chǎn)生很高的局部沖擊力,會使葉輪因疲勞而破壞成蜂窩或海綿狀,而且會產(chǎn)生很大的噪音和強(qiáng)烈的振動。產(chǎn)生
15、氣蝕現(xiàn)象可以是安裝高度過高、液體溫度過高、吸入管路阻力過大等。2.允許吸上真空度(1)定義 式中 p1泵入口處允許達(dá)到的最低絕對壓力,Pa; 用液柱高度來表示的泵入口處允許達(dá)到的最高真空度,m液柱,通常在10mH2O(9.807104Pa)的大氣壓下,用20C的清水由實驗測定。sHgppHas1sH(2)允許安裝高度Hg與 的關(guān)系在貯槽液面與泵入口處之間列柏努利方程, 則所以若則 (2-26) sH000pgH11fHgugpzgugpz2221112000fHgugppzz2211001app 0fsgHguHH221(3)校正3.汽蝕余量(1)定義式中 NPSH汽蝕余量,泵入口處靜壓頭和動
16、壓頭之和與操作溫度下液體飽和蒸汽壓頭之差。100024. 01081. 9)10(3vasspHHHgpgugpNPSHv2211式中 (NPSH)c臨界汽蝕余量,泵入口處最低靜壓頭和動壓頭之和操作溫度下液體飽和蒸汽壓頭之差 。用20C的清水由實驗測定,在一固定流量下,通過關(guān)小泵吸入管路的閥門,以泵的揚程下降3%作為發(fā)生氣蝕的依據(jù),測出相應(yīng)的p1,min。gpgugpNPSHvc2)(21min, 1式中 (NPSH)r必需汽蝕余量,由臨界汽蝕余量加上一定的安全量而得。(2) Hg與(NPSH)r的關(guān)系 (2-25) (3)校正:通常不校正而把它作為安全系數(shù)。3 . 0)()(crNPSHNP
17、SHfrvfvvfgHNPSHgpgpHgpgugpgpgpHgugpgpH)(22021102110三、工作點和流量調(diào)節(jié)1.管路特性曲線及泵的工作點在1、2兩截面間列柏努利方程,得又2121fHguugppzzH221221212gudllHecef22 令則 管路特性曲線24222824QgddllgdQdlleceece guugppzzK221221212428gddllBece 2BQKH工作點:泵的特性曲線與管路特性曲線的交點。當(dāng)泵在管路系統(tǒng)中工作時,流經(jīng)管路的流量就是流經(jīng)泵的流量;管路所需要的外加能量就是液體流經(jīng)泵后所獲得的能量。2.流量調(diào)節(jié)(1)改變閥門的開度實質(zhì)是改變管路特性
18、曲線。能損大,但方便,多采用。(2)改變泵的轉(zhuǎn)速實質(zhì)是改變泵的特性曲線。能損小,但昂貴,少采用。(3)改變?nèi)~輪的直徑實質(zhì)也是改變泵的特性曲線。不方便,相當(dāng)于換一臺泵,極少采用。3.并聯(lián)當(dāng)一臺泵的流量不夠時,可以用兩臺泵并聯(lián)操作,以增大流量。兩臺相同的泵并聯(lián)時,其聯(lián)合特性曲線為單臺特性曲線在流量上的兩倍。但并聯(lián)后的流量并非單臺泵流量的兩倍,因為流量增大,管路阻力增加。4.串聯(lián)當(dāng)一臺泵的揚程不夠時,可以用兩臺泵串聯(lián)操作,以提高揚程。兩臺相同的泵串聯(lián)時,其聯(lián)合特性曲線為單臺特性曲線在揚程上的兩倍。但串聯(lián)后的揚程并非單臺泵揚程的兩倍,因為揚程提高,管路阻力也增加。八、類型和選擇1.類型(1)分類 單級
19、,IS型 單吸 水泵 多級,D型,揚程高 雙吸,Sh型,流量大 耐腐蝕泵,F(xiàn)型,耐腐蝕 油泵, Y型,密封性好 污水泵,PW型 雜質(zhì)泵,P型, 砂泵, PS型 防堵、耐磨 泥漿泵,PN型 低溫泵,隔熱性好(2)型號IS10080160 40FM1-26 100Y-1202(3)系列特性曲線將同一類型的各種型號泵的較高效率范圍內(nèi)的HQ曲線繪在一個總圖上(如圖2-28,P113),以方便選用。2.選擇(1)確定輸送系統(tǒng)的流量和揚程 生產(chǎn)任務(wù)流量 管路系統(tǒng)揚程(2)選擇泵的類型和型號 液體性質(zhì) 類型 操作條件 流量 型號 揚程(3)核算泵的特性曲線 若液體的密度和粘度與水相差很大,則應(yīng)核算泵的特性曲
20、線:然后根據(jù)核算后的泵的特性曲線確定泵的型號。102HQN QCQQ HCHH C第二節(jié)第二節(jié) 其它類型泵其它類型泵一、往復(fù)泵一、往復(fù)泵1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.原理原理當(dāng)活塞向右運動時,工作室的容積增大,當(dāng)活塞向右運動時,工作室的容積增大,形成負(fù)壓,將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室;形成負(fù)壓,將液體經(jīng)吸入閥吸入工作室;當(dāng)活塞向左運動時,工作室的容積縮小,當(dāng)活塞向左運動時,工作室的容積縮小,形成高壓,將液體經(jīng)排出閥排出工作室。形成高壓,將液體經(jīng)排出閥排出工作室。3.分類 單動 雙動 三聯(lián)4.特點(1)容積式泵:往復(fù)一次,就排出一定體積的液體,而與壓頭無關(guān)。 單動泵: 理論流量: 雙單泵: rTASnQ rTSn
21、aAQ)2(由于漏泄,實際流量低于理論流量。(2)壓頭無限:只要泵的機(jī)械強(qiáng)度和原動機(jī)功率允許。是正位移泵之一。(3)有自吸能力(4)用回路調(diào)節(jié)流量二、計量泵:裝有可調(diào)偏心輪的往復(fù)泵,通過調(diào)節(jié)偏心輪來調(diào)節(jié)沖程,從而嚴(yán)格地調(diào)節(jié)流量。三、隔膜泵:活柱往復(fù)泵,用彈性薄膜(橡膠或金屬)將活柱與液體隔開,適合輸送腐蝕性液體和懸浮液。 四、旋轉(zhuǎn)泵:正位移泵之一。 1.齒輪泵:兩齒撥開形成低壓,兩齒合攏形成高壓。 2.螺桿泵:兩桿均合攏。五、旋渦泵:一種特殊的離心泵,啟動前要灌滿液體,啟動時要全開出口閥,并用回路調(diào)節(jié)流量。第三節(jié)第三節(jié) 氣體輸送和壓縮機(jī)械氣體輸送和壓縮機(jī)械一、用途一、用途1.輸送氣體輸送氣體2
22、.產(chǎn)生高壓氣體產(chǎn)生高壓氣體3.產(chǎn)生真空產(chǎn)生真空二、分類 通風(fēng)機(jī) 14.7kPa (表) 鼓風(fēng)機(jī) =14.7294kPa(表),壓縮比4 終壓 壓縮機(jī) 294kPa (表),壓縮比4 真空泵 =Pa (大氣壓),初壓為負(fù)壓三、離心通風(fēng)機(jī)1.分類 低壓離心通風(fēng)機(jī) 0.9807kPa (表) 中壓離心通風(fēng)機(jī) 終壓 =0.98072.942kPa (表) 高壓離心通風(fēng)機(jī) =2.94214.7kPa (表)2.原理: 與離心泵相似3.結(jié)構(gòu): 與離心泵相似4.性能參數(shù)(1)風(fēng)量:單位時間內(nèi)排出的氣體體積,并換算成吸入狀態(tài)的數(shù)值,Q,m3/h。(2)風(fēng)壓:單位體積的氣體流徑風(fēng)機(jī)后,所獲得的能量,HT,J/m
23、3=Pa,mmH2O。風(fēng)壓也由實驗測定,裝置與測泵揚程的裝置相似,原理如下:在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口之間列柏努利方程,得fehuuppzzgW2)(212212122)()()(21221212uuppzzghWHfeT 所以 校正 22)(222212uHuppHSTT2 . 1TTHH(3)軸功率與效率5.特性曲線:反應(yīng)HT、HST、N、與Q之間函數(shù)關(guān)系的曲線。kWQHNT,10006.選擇(1)確定輸送系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量Q管路系統(tǒng)實際風(fēng)壓 實驗風(fēng)壓HTTH(2)確定風(fēng)機(jī)的類型和型號 氣體性質(zhì) 實驗風(fēng)壓范圍 進(jìn)口(吸入)態(tài)風(fēng)量 實驗風(fēng)壓HT類型型號四、離心鼓風(fēng)機(jī)又稱透平鼓風(fēng)機(jī),結(jié)構(gòu)和原理與多級離心泵類似。五、離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和原理與離心鼓風(fēng)機(jī)的相似,只是離心壓縮機(jī)的級數(shù)更多,一般要分級降溫,且葉輪逐級縮小。六、羅茨鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖,原理與齒輪泵相似。七、液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖,原理為氣室的變化。八、往復(fù)壓縮機(jī)1. 結(jié)構(gòu)如圖2.原理 假設(shè)理想氣體無氣閥阻力無
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