第二章流體輸送機(jī)械

第二章流體輸送機(jī)械

第一節(jié)概述第二節(jié)離心泵第三節(jié)往復(fù)泵第四節(jié)其他化工用泵第五節(jié)氣力輸送機(jī)械流體在流動(dòng)過程中將損失部分機(jī)械能，只能由高能位向低能位處流動(dòng)。但在多數(shù)情況下需將流體由低能位向高能位處輸送，因而為完成輸送任務(wù)必須依靠輸送機(jī)械向流體補(bǔ)加足夠的機(jī)械能。用以輸送液體的機(jī)械通稱為泵輸送氣體的機(jī)械按不同的情況稱為通風(fēng)機(jī)，

鼓風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)，真空泵等。本章主要介紹常用輸送機(jī)械的工作原理和特性，以便選擇與使用。第一節(jié)概述一、離心泵作用向流體提供能量：用于提高流體勢能（低能位向高能位輸送流體）和克服管路的阻力損失。銘牌:二、輸送流體所需能量

1、管路特性曲線方程H：單位重量流體需補(bǔ)加的能量K由管路特性決定管路特性方程該式表明了管路中流體的流量與需補(bǔ)加能量的關(guān)系一般情況下，動(dòng)能差一項(xiàng)可忽略管路特性曲線低阻管路高阻管路Hqv122、壓頭（揚(yáng)程）與流量是輸送機(jī)械的主要技術(shù)指標(biāo)

壓頭He：指輸送機(jī)械向單位重量流體提供的有效能量，J/N輸送機(jī)械向流體提供的能量He應(yīng)與管路所需補(bǔ)加能量H相等流體輸送機(jī)械在不同流量下壓頭也不同，壓頭與流量的關(guān)系由輸送機(jī)械本身特性決定，是流體輸送機(jī)械的主要技術(shù)指標(biāo)，討論He～qV關(guān)系，即確立泵的特性方程是本章的主要內(nèi)容。

He=H三、流體輸送機(jī)械分類

按流體性質(zhì)輸送液體—泵：離心泵、往復(fù)泵輸送氣體—機(jī)：通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)按工作原理

容積式（正位移式）：壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)泵動(dòng)力式（葉輪式）：離心泵、軸流泵1、泵結(jié)構(gòu)第二節(jié)離心泵

葉輪(1、2、3、4）

向流體做功泵殼使動(dòng)能→勢能，是能量轉(zhuǎn)化裝置一、離心泵工作原理2、旋轉(zhuǎn)流體的考察方法第一章中只是介紹了流體在重力場中的能量守恒及轉(zhuǎn)換流體質(zhì)點(diǎn)的考察方法：拉格朗日法及歐拉法旋轉(zhuǎn)流體的考察方法：靜止坐標(biāo)參照系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參照系3、離心力場中的機(jī)械能守恒

（1）液體在葉片間的運(yùn)動(dòng)

—切向速度（流體隨葉輪旋轉(zhuǎn)具有的速度）

—相對速度（流體沿葉輪間通道流動(dòng)，相對于葉輪的速度）C—絕對速度（與的向量和）c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）離心泵流量：

注：出口截面積徑向管口流速三者關(guān)系：

（余弦定理）

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1r2b2u2c2w2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系：葉輪水平放置，葉輪進(jìn)出口截面列柏氏方程：為總勢能，包括常規(guī)勢能和離心力場勢能以相對速度計(jì)的動(dòng)能

（3）機(jī)械能守恒——假定：理想流體無阻力損失、定態(tài)流動(dòng)12說明：

葉輪通道內(nèi)，切向速度u與半徑有關(guān)相對速度w與葉片間流道有關(guān)，外緣流道寬，相對速度w小。12靜止坐標(biāo)系：離心泵理論壓頭（1）、（2）式表明：離心泵以勢能和動(dòng)能兩種形式向流體提供能量。對于常用的后彎葉片葉輪，，而且w1>w2，說明提供能量中勢能所占比例更大。離心泵設(shè)計(jì):為使HT大，cosα1=0，因此使流體從徑向進(jìn)入葉輪，此時(shí)α1=90ο消去其中w1、w2，得：故：離心泵理論壓頭c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（1）流量對壓頭的影響

由圖可知：

3、離心泵理論壓頭的影響因素

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1二式代入上式中：所以離心泵理論HT-qV圖c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）葉輪形狀對理論壓頭的影響

(a)(b)(c)為什么采用后彎葉片？后彎可獲得較高能量利用率理論壓頭=勢能+動(dòng)能前彎C2大，動(dòng)能雖大，但流體動(dòng)能經(jīng)蝸殼部分轉(zhuǎn)化為勢能過程中，阻力損失也大。為獲得較高的能量利用率，采用后彎葉片。(a)（3）液體密度對壓頭的影響

但是在同一壓頭下，泵進(jìn)出口的壓差與ρ成正比對1—1及2—2截面間用柏努利方程

根據(jù)：

同一臺泵提供的理論壓頭相同，HT與ρ無關(guān)，12氣縛：由于沒有灌泵，或泵體密封不嚴(yán)，使得泵內(nèi)存氣，啟動(dòng)泵后發(fā)生吸不上液體的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象稱氣縛，氣縛現(xiàn)象發(fā)生后，泵無液體排出，無噪音、振動(dòng)。為避免氣縛應(yīng)灌泵或檢查泵體的密封性。

離心泵啟動(dòng)時(shí)為什么要先灌泵？1、泵的有效功率和效率機(jī)械損失：軸承機(jī)械摩擦

有效壓頭，低于

qv

實(shí)際流量Pe

有效功率

Pa軸功率，由電機(jī)輸入

泵總效率

水力損失：流體沖擊形成旋渦，管道沿程阻力

容積損失：出口液體因縫隙泄漏返回入口

二、離心泵特性曲線小型水泵：一般為5070%，大型泵：可達(dá)90%以上離心泵理論HT-qV圖a理論壓頭b環(huán)流損失d沖擊損失c阻力損失HTqV離心泵有效He-qV圖有效壓頭泵的理論壓頭與有效壓頭的關(guān)系2、離心泵的特性曲線前面討論的管路特性曲線，表明的是管路中流體流量與所需補(bǔ)加能量的關(guān)系管路特性方程高勢能低勢能流動(dòng)V1低阻力管路系2高阻力管路系統(tǒng)0有效壓頭與流量的關(guān)系He～qV效率與流量的關(guān)系η～qV軸功率與流量的關(guān)系Pa～qV通過實(shí)驗(yàn)測定

具體測定方法見p74.例2-1離心泵特性曲線：離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線離心泵的He、η、Pa

都與離心泵的qV有關(guān)，它們之間的關(guān)系由確定離心泵壓頭的實(shí)驗(yàn)來測定，實(shí)驗(yàn)測出的一組關(guān)系曲線：He~qV、η~qV、Pa~qV——離心泵的特性曲線注意：特性曲線隨轉(zhuǎn)速而變。各種型號的離心泵都有本身獨(dú)自的特性曲線，但形狀基本相似，具有共同的特點(diǎn)離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)。離心泵在與最高效率點(diǎn)相對應(yīng)的流量及壓頭下工作最為經(jīng)濟(jì)。與最高效率點(diǎn)所對應(yīng)的qV、He、Pa值稱為最佳工況參數(shù)。離心泵的銘牌上標(biāo)明的就是指該泵在運(yùn)行時(shí)最高效率點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線思考：1、離心泵啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)出口閥門應(yīng)關(guān)閉還是打開，why？離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉出口閥，使啟動(dòng)電流最小，以保護(hù)電機(jī)。停泵前關(guān)閉泵的出口閥門是為了防止高壓液體倒流，對泵造成損害。2、離心泵啟動(dòng)時(shí)，出口閥門應(yīng)關(guān)閉，此時(shí)qV＝0時(shí)，Pa=0？離心泵的軸功率隨流量的增加而上升，流量為零時(shí)軸功率最小。離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線3、離心泵特性曲線的影響因素

1）液體性質(zhì)的影響

密度離心泵的流量

與液體密度無關(guān)。

離心泵的壓頭

與液體的密度無關(guān)

He～qV曲線不因輸送液體的密度而發(fā)生變化，泵的效率η不隨輸送液體的密度而變。

離心泵的軸功率與輸送液體密度有關(guān)。粘度當(dāng)輸送液體粘度大于常溫（20℃）清水的粘度時(shí)，↑，阻力損失↑，He－qV下降急劇。最高效率點(diǎn)處：qV、He、均，Pa。此時(shí)泵的特性曲線發(fā)生改變，選泵時(shí)應(yīng)根據(jù)原特性曲線進(jìn)行修正。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)輸送液體粘度<常溫（20℃）清水的黏度時(shí)，對特性曲線的影響很小，可忽略不計(jì)。（2）轉(zhuǎn)速的影響——按比例換算

轉(zhuǎn)速改變，離心泵的特性曲線不同。換算條件：設(shè)轉(zhuǎn)速改變前后流體離開葉輪的速度三角形相似，泵效率相等流量之比揚(yáng)程之比：軸功率之比：流量之比據(jù)此可從某一轉(zhuǎn)速下的特性曲線換算出另一轉(zhuǎn)速下的特性曲線。三、離心泵的流量調(diào)節(jié)和組合操作

離心泵的實(shí)際工作狀況（流量、壓頭）是由泵特性和管路特性共同決定的。（1）離心泵的工作點(diǎn)（即操作點(diǎn)）兩曲線的交點(diǎn)

He=H聯(lián)立求解管路特性方程泵的特性方程1、離心泵的流量調(diào)節(jié)

OqV1qVHeH1離心泵的工作點(diǎn)A（2）離心泵流量調(diào)節(jié)

◎

改變管路特性曲線

調(diào)節(jié)閥門開度OqV2qV1H2HA2關(guān)小閥門改變泵的工作點(diǎn)A1qV(m3/h)η◎

改變泵的特性曲線

a、改變轉(zhuǎn)速

若把泵的轉(zhuǎn)速n’降低到n：則He~qV線下移，工作點(diǎn)由A1’移至A1，流量由qV1’降為到qV1；則He、Pa均減小。優(yōu)點(diǎn)：流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小，動(dòng)力消耗也相應(yīng)降低；缺點(diǎn)：需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速電動(dòng)機(jī)，難以做到流量連續(xù)調(diào)節(jié)，適用于大功率泵。OH(m)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速nA1qV(m3/h)qV1nn’b、車削葉輪

調(diào)節(jié)不夠方便（1）并聯(lián)泵單臺泵不能滿足輸送任務(wù)要求可采用多臺泵的并聯(lián)和串聯(lián)，增大流量或者壓頭。兩泵型號相同，吸入管路相同在同一壓頭下，兩臺并聯(lián)泵的流量等于單臺泵的兩倍2、泵的組合操作

將單臺泵特性曲線A的橫坐標(biāo)加倍，縱坐標(biāo)保持不變便可得到兩臺并聯(lián)泵的合成特性曲線B。A線泵特性曲線C線管路特性曲線B線組合操作曲線

并聯(lián)泵的合成特性曲線按同一壓頭下兩臺并聯(lián)泵流量是單泵兩倍的原則取點(diǎn)。由圖可見：合成曲線B與管路曲線C交于新工作點(diǎn)2qV單H1CqV并H并AB2（2）串聯(lián)泵

在同一流量下，兩臺串聯(lián)泵的壓頭為單臺泵的兩倍串聯(lián)泵的合成特性曲線按同一流量下兩臺串聯(lián)泵的壓頭是單泵兩倍的原則取點(diǎn)的坐標(biāo)12H單MM’qV串H串HqVOqV單（3）組合方式選擇低阻輸送管道，，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)高阻輸送管道，，串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)02468101214161820051015202530354045H/mqV低阻12高阻例題1.教材p95.習(xí)題第2-7題某臺離心泵特性曲線可用方程He=20-2qV2表示，式中He為泵的揚(yáng)程，m；qv為流量：m3/min?，F(xiàn)該泵用于兩敞口容器間送液，已知單泵流量為1m3/min，欲使流量增加50%，試問應(yīng)該將相同的兩臺泵并聯(lián)還是串聯(lián)使用？兩容器的液面位差為10m。解：管路H=泵He因?yàn)閆=10，qV=1，聯(lián)立上兩式得K=8單泵可提供壓頭即當(dāng)管路所需壓頭并聯(lián)？串聯(lián)？流量已定并聯(lián)：同一壓頭，流量加倍串聯(lián)，同一流量，壓頭加倍解法2：作圖法—列表、作曲線，找交點(diǎn)坐標(biāo)作業(yè)：P94：1、3、4并聯(lián)或串聯(lián)，管路方程不變四、離心泵的安裝高度1、汽蝕現(xiàn)象當(dāng)P1=P1,min時(shí)，Pk=PV（液體的飽和蒸汽壓），部分液體會(huì)發(fā)生汽化，發(fā)生汽蝕。Hgp0K1離心泵的安裝高度0葉片進(jìn)口處K-K是泵中壓強(qiáng)最低處，是最易汽化之處。若發(fā)生汽化時(shí)（汽蝕），含氣泡的液體過K點(diǎn)進(jìn)入葉輪后，因葉輪對流體施加壓能后壓強(qiáng)升高，使氣泡凝聚、破碎后產(chǎn)生局部真空，周圍液體高速補(bǔ)充，對葉片造成沖擊和振動(dòng)；此外，氣泡中挾帶的氧氣對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，其結(jié)果導(dǎo)致葉片過早損壞，這種現(xiàn)象為泵的汽蝕。汽蝕產(chǎn)生的后果：葉片表面產(chǎn)生蜂窩狀腐蝕；泵體震動(dòng)，并發(fā)出噪音；流量、壓頭、效率都明顯下降；嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上液體。汽蝕現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，流量qV、揚(yáng)程（壓頭）He

和效率η都明顯下降，嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上液體。因此汽蝕現(xiàn)象是有害的，必須加以避免。那么，如何避免汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生呢？從前面的分析可知，為避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生：①泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處壓強(qiáng)高于被輸送液體的飽和蒸汽壓PV；②可采取P0↑；③∑hf(0-1)↓；④流體降溫，使流體的飽和蒸汽壓PV↓

。Hgp0K10汽蝕—泵的安裝高度太高，使得部分液體汽化引起；—可以輸液但損壞泵，嚴(yán)重時(shí)無法工作。氣縛—由于沒有灌泵或泵體密封不良，使泵內(nèi)存氣造成；—不能輸液汽蝕與氣縛比較：Hgp0K10我國的離心泵規(guī)格中采用下述兩種指標(biāo)——必需汽蝕余量（有的教材給出允許汽蝕余量）和最大允許安裝高度來表示泵的吸上性能，下面簡述這兩種指標(biāo)的意義，并說明如何利用它們來確定泵的安裝高度不至于發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。2、臨界汽蝕余量[NPSH]C與必需汽蝕余量[NPSH]r1－1截面與K—K截面：Hgp0K10流量一定，流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)時(shí)（通常均可滿足），[NPSH]C只與泵的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，由泵廠實(shí)驗(yàn)測定給出。為確保泵正常工作須使P1>P1min，保證PK>PV不發(fā)生汽蝕，因此引入實(shí)際汽蝕余量NPSH和必需汽蝕余量[NPSH]r[NPSH]r—與流量有關(guān)，流量越大，[NPSH]r也越大。按使用過程中可能的最大流量計(jì)算。NPSH≥[NPSH]r+0.5米

3、最大安裝高度Hg,max與最大允許安裝高度[Hg]

當(dāng)泵的安裝位置達(dá)到某一極限高度時(shí)，剛好發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，這一極限高度稱為泵的最大安裝高度。0—0及K—K截面間列機(jī)械能衡算式

已知求算泵廠提供Hgp0K10討論：影響Hg的因素Hg越大越有利于使用壓差要大—p0↑，

pV↓；流體降溫則PV↓↑Hg阻力損失要小—∑Hf0-1↓，一般d吸＞d出，以減小進(jìn)口管直租hf，泵進(jìn)口管路盡量少用管件閥門以減小進(jìn)口管路局阻hf

。Hgp0K10例題2.教材p96.習(xí)題第2-10題.(習(xí)題2-9附圖改為習(xí)題2-10附圖）

故不能正常，應(yīng)將泵下移1.6m或塔上升1.6m作業(yè)：P96頁：10五、離心泵的類型與選用離心泵的類型清水泵

IS（單級單吸）

D（多級）Sh（雙吸）耐腐蝕泵F油泵YYS（雙吸）液下泵FY（工作原理）屏蔽泵電機(jī)葉輪聯(lián)為整體，無泄漏泵，也叫無密封泵離心泵的選用（選效率最高的）(1)根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件確定泵的類型(2)根據(jù)具體管路對泵提出的流量和壓頭要求確定泵的型號第三節(jié)往復(fù)泵一、往復(fù)泵的基本結(jié)構(gòu)與作用原理通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接以壓強(qiáng)能的形式向液體提供能量。泵缸，活塞，活門。曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)圖a單缸單動(dòng)往復(fù)泵的流量曲線圖b單缸雙動(dòng)往復(fù)泵的流量曲線Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

三缸單動(dòng)往復(fù)泵的流量曲線流量不均勻性多缸壓縮空氣室二、往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)單動(dòng)泵1，2：

雙動(dòng)泵1，2：—泵缸數(shù)目—活塞往復(fù)頻率1/min—行程m—活塞截面積—活塞桿截面積—活塞往復(fù)一次壓出體積參考P83圖2-26往復(fù)泵的流量計(jì)算：流量調(diào)節(jié)

往復(fù)泵理論流量僅由活塞掃過的體積決定，與管路情況無關(guān)，而提供的壓頭只取決于管路情況正位移特性

注：往復(fù)泵壓頭與流量無關(guān)，離心泵壓頭與流量有關(guān)，二者存在不同之處。特性方程=常數(shù)，與管路無關(guān)。往復(fù)泵的工作點(diǎn)離心泵流量調(diào)節(jié)可通過出口閥門開度大小調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)管路特性。而往復(fù)泵流量與管路特性無關(guān)，不可安裝調(diào)節(jié)閥，否則可能造成危險(xiǎn)（壓強(qiáng)升高）：機(jī)件破損或電機(jī)燒毀調(diào)節(jié)：（1）旁路調(diào)節(jié)，1：總流量不變，主管與旁路之間流量分配改變，不經(jīng)濟(jì)。（2）改變曲柄轉(zhuǎn)速和活塞行程（改變泵的特性曲線），常用且經(jīng)濟(jì)第四節(jié)其它化工用泵

一、非正位移泵

1、軸流泵：適于壓頭較小，輸液量大。一般不設(shè)出口閥，通過改變泵特性曲線調(diào)節(jié)流量。2、漩渦泵：適于高壓頭，小流量，效率低

二、正位移泵

1、隔膜泵，1

輸送腐蝕性液體或懸浮液，工作狀態(tài)2、計(jì)量泵

精確輸送流量恒定的液體或比例輸送幾種液體3、齒輪泵

高壓頭，流量小，用以輸送粘稠液體

4、螺桿泵，1

高粘度液體，效率高于齒輪泵隔膜泵計(jì)量泵齒輪泵螺桿泵第五節(jié)氣體輸送機(jī)械

●

通風(fēng)機(jī)●

鼓風(fēng)機(jī)●

壓縮機(jī)●

真空泵（1）體積流量大（2）流速大、阻力損失大一、氣體輸送的特點(diǎn)：輸送管路阻力損失:氣體是液體10~100倍則相差100倍對氣體輸送機(jī)械的要求：（1）高壓頭（阻力損失大造成）離心式或軸流式：流量大，但是壓頭不夠（2）大流量（氣體密度小體積大，體積流量大）

氣體輸送機(jī)械結(jié)構(gòu)與原理：與流體輸送機(jī)械基本相同正位移式：高壓頭，但流量通常小，需大設(shè)備二、氣體輸送機(jī)械分類：

一般以出口壓強(qiáng)大小進(jìn)行分類，或壓縮比（進(jìn)出口壓強(qiáng)比）（1）通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)<15Kpa（表壓），壓縮比1~1.15（2）鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)15Kpa~0.3Mpa（表壓），壓縮比<4（3）壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)>0.3Mpa（表壓），壓縮比>4（4）真空泵：用于減壓，出口壓力0.1Mpa（表壓）壓縮比由真空度決定。1、通風(fēng)機(jī)

（1）分類

軸流式：排送量大，風(fēng)壓甚小，用以通風(fēng)換氣，不用于輸送氣體（風(fēng)扇）離心式：工作原理同離心泵，結(jié)構(gòu)也相同。（2）離心通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)：流量qV（風(fēng)量），全壓PT（風(fēng)壓），功率和效率

說明：離心泵壓頭以單位重量流體為基準(zhǔn)，因次為[L],[m]通風(fēng)機(jī)壓頭以單位體積氣體為基準(zhǔn)，因次為[ML-1T-2],[Pa]（壓強(qiáng)單位因次）因出口氣速大，動(dòng)風(fēng)壓（動(dòng)能差）不能忽略，不同于離心泵進(jìn)出口動(dòng)能差很小，可忽略靜風(fēng)壓+動(dòng)風(fēng)壓則換算：注：

通風(fēng)機(jī)特性曲線測定：0.1Mpa，20℃空氣（）（3）選型

1>求所需風(fēng)壓PT

2>換算成測試條件下風(fēng)壓PT’3>求所需流量qV

4>根據(jù)風(fēng)壓和所需流量查風(fēng)機(jī)樣品確定型號2、鼓風(fēng)機(jī)

（1）分類旋轉(zhuǎn)式羅茨鼓風(fēng)機(jī)離心式離心鼓風(fēng)機(jī)（2）羅茨鼓風(fēng)機(jī)

工作原理：同齒輪泵，屬正位移型，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，與出口壓強(qiáng)無關(guān)。（3）離