鍋爐輔助裝置泵與風機性能曲線

鍋爐輔助設備

---泵與風機性能曲線鍋爐輔助設備本講主要內(nèi)容：葉片式泵與風機的流動理論；能量損失與效率；葉片式泵與風機的性能曲線；性能曲線的測試方法。鍋爐輔助設備前言：

為分析流體在泵內(nèi)如何流動及其獲得能量的過程，現(xiàn)對泵內(nèi)流體的流動情況進行分析。

由于流體在葉輪內(nèi)流動相當復雜，為了分析其流動規(guī)律，作如下假設：葉輪中葉片為無限多；流體為理想流體，即忽略了流體的粘性；流動為穩(wěn)定流，其流動狀態(tài)與時間無關；流體是不可壓縮的；流體在葉輪內(nèi)的流動是軸對稱地流動，即在同一半徑的圓周上，流體微團有相同大小的速度。泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備流體運動的速度三角形：

流體在葉輪內(nèi)的速度分為：絕對速度、牽連速度（圓周速度）、相對速度。α-進流角、工作角；β-安裝角泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備泵與風機的能量方程式：

能量方程式建立了葉片對流體做功與流體運動狀態(tài)之間的聯(lián)系。

動量矩定理：在穩(wěn)定流動中，單位時間流出與流入控制體的流體對某一軸的動量矩變化，等于作用在控制體內(nèi)流體上的所有外力對同一軸的力矩總和。注：下標“1”表示入口的參數(shù)；下標“2”表示出口的參數(shù)；下標“T”表示理想流體的參數(shù)；下標“∞”表示葉片無限多時的參數(shù)。泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備泵與風機的能量方程式：

單位時間流出與流入控制體的流體對某一軸的動量矩K分別為：泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備泵與風機的能量方程式：

葉輪傳給流體的功率為 風機的能量方程：對于軸流式泵與風機，u1=u2=u，則有：泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備葉片幾何尺寸與流動參數(shù)之間的關系：

在其他條件相同時，加大葉輪外徑D2和提高轉(zhuǎn)速n均可以提高理論能頭，但增大D2會使葉輪的摩擦損失增大，從而使泵與風機的效率下降，同時還會使泵與風機的結構尺寸、重量和制造成本增加。 提高轉(zhuǎn)速，可以減小葉輪直徑，因而減小了結構尺寸和重量，可降低制造成本。 在進行泵與風機的設計時，一般盡量使工作角α=90°（徑向流入），以獲得較高的能頭。泵與風機的性流動理論鍋爐輔助設備能量損失與效率：

泵與風機在運行過程中，存在多種機械能損失，如機械損失、容積損失和流動損失。與葉輪轉(zhuǎn)動相關而與輸送流體量無直接關系的為機械損失，記為。經(jīng)過葉輪而與流體泄漏量相關的為容積損失，記為經(jīng)過葉輪與輸送流體量直接相關的為流動損失，記為鍋爐輔助設備損失與效率：軸功率Psh減去這三部分損失所對應的功率記為有效功率Pe鍋爐輔助設備機械損失和機械效率：機械損失是指在機械運動過程中克服摩擦所造成的能量損失，包括軸與軸承及軸與軸端密封的摩擦損失，以及葉輪前后蓋板外表面與在泵或風機殼體內(nèi)局部區(qū)域作循環(huán)流動的流體之間的摩擦損失

（常稱為葉輪圓盤摩擦損失）鍋爐輔助設備機械損失和機械效率：摩擦損失與軸承的結構型式、軸端密封的結構型式有關。其數(shù)量約為軸功率的1%~3%。葉輪圓盤摩擦損失是因為在也輪的兩側與泵殼間充有泄漏的流體，葉輪在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，葉輪兩側的流體受離心力的作用，形成回流循環(huán)運動，使流體和旋轉(zhuǎn)的葉輪發(fā)生摩擦而產(chǎn)生能量損失。這項損失的功率約為軸功率的2%~10%，是機械損失的主要部分。鍋爐輔助設備機械損失和機械效率：圓盤摩擦損失式中：K為圓盤摩擦系數(shù)，由實驗求得；D2為葉輪出口直徑；u2為葉輪出口圓周速度；B側壁間隙。與圓周速度的三次方、葉輪外徑的平方成正比；與轉(zhuǎn)速的三次方、葉輪外徑的五次方成正比。鍋爐輔助設備減小機械損失常用做法：采用合理結構對于高壓的泵與風機，可以采用多級葉輪而不是增大葉輪直徑來提高能頭；如提高單級揚程，可加大葉輪外徑，或提高轉(zhuǎn)速（更佳）。保持葉輪及泵體內(nèi)側表面的光潔以減少摩擦鍋爐輔助設備機械損失功率為兩種損失之和：機械損失的大小用機械效率ηm來衡量：鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：泵與風機的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間存在間隙。當葉輪轉(zhuǎn)動時，在間隙兩側產(chǎn)生壓力差，使部分由葉輪獲得能量的流體從高壓側通過間隙向低壓側泄漏，這種損失稱為容積損失或泄漏損失。（容積損失主要是由泄漏引起的）常見泄漏方式：葉輪入口與外殼密封環(huán)之間間隙中的泄漏；平衡軸向力裝置的間隙中泄漏；軸端密封間隙中的泄漏；多級泵級間間隙中的泄漏。鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：葉輪入口與外殼密封環(huán)之間間隙中的泄漏（為容積損失主要部分）泵與風機運行時，流體從葉輪獲得能量，出口處的壓力高于入口處的壓力，這個壓差驅(qū)使部分流體沿著葉輪入口與外殼密封環(huán)之間的間隙由出口回流到入口，如圖中A線所示。鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：離心泵通過葉輪進口與密封環(huán)間隙的流體泄漏量可按下式進行計算：密封環(huán)泄漏所對應的容積損失鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：平衡軸向力裝置的間隙中泄漏高壓泵的進出口存在很大的壓力差，為了減小軸向推力，常用到帶有徑向間隙的軸向力平衡裝置，允許少量流體從出口高壓端泄漏到低壓端。這部分泄漏的流體由葉輪所獲得的能量消耗在克服其流動阻力上，從而造成機械能的損失。鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：通過平衡軸向力裝置間隙泄漏量可按下式進行計算：由平衡軸向力裝置間隙的泄漏所引起容積損失為：鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：軸端密封間隙中的泄漏正常情況下，軸封處的泄漏量q3比前兩項泄漏小得多，這部分泄漏伴隨的機械能損失又稱為軸封損失，記為。鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：多級泵級間間隙中的泄漏（屬于圓盤摩擦損失）多級離心泵都設有導葉隔板，液體經(jīng)過導葉后，部分動能轉(zhuǎn)換成壓力能，使得壓力升高，造成極間隔板前后出現(xiàn)壓力差，驅(qū)使部分液體通過極間隔板與軸套間的間隙流回到前級葉輪的側隙，形成極間泄漏。鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：泵與風機總的容積損失為前三項損失之和容積效率表達式如下：式中：為容積損失功率，kW；q為泄漏流量，m3/s

鍋爐輔助設備容積損失和容積效率：減少泄漏量的方法維持動、靜部件間最佳的間隙。增大間隙總的流動阻力，可通過：增加密封的軸向長度；在間隙入口和出口采取節(jié)流措施；采用不同型式的密封環(huán)。鍋爐輔助設備流動損失和流動效率：流動損失是指流體在泵與風機主流道流動時，由于流動阻力而產(chǎn)生的機械能損失。流動損失主要分為三種：1.流體和各部分流道壁面摩擦所產(chǎn)生的摩擦阻力損失；2.流道斷面變化、轉(zhuǎn)彎等會使邊界層分離、產(chǎn)生漩渦二次流和尾跡等而引起的損失；3.由于工況改變，流量偏離設計點，葉輪入口流動角與葉片安裝角度不一致所引起的沖擊損失。鍋爐輔助設備流動損失：摩擦阻力損失：擴散損失：沖擊損失：流動效率：鍋爐輔助設備泵與風機的總效率：總效率是衡量泵與風機經(jīng)濟性的重要技術指標，泵與風機的總效率等于有效功率與軸功率之比。離心泵與風機總效率視其容量、型式和結構而異，目前離心式泵總效率約在0.6~0.9的范圍，離心風機約在0.7~0.9的范圍內(nèi)，高效風機可達到0.9以上，軸流泵的總效率約為0.7~0.89，大型軸流風機可達到0.9以上。鍋爐輔助設備前言：

泵與風機的性能主要是指在一定轉(zhuǎn)速下，揚程（風機為全壓）、軸功率、效率等與流量之間的關系。

這些參數(shù)之間有著一定的互相聯(lián)系，反映這些性能參數(shù)之間變化關系的曲線，稱為性能曲線。揚程（全壓）與流量的關系曲線——H-qv(p-qv)軸功率與流量的關系曲線——Psh-qv效率與流量的關系曲線——η-qv對于泵，允許其汽蝕余量與流量的關系曲線——NPSH-qv對于風機，靜壓與流量的關系曲線——pst-qv；靜壓效率與流量的關系曲線ηst-qv泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備基本概念：工況：在一定轉(zhuǎn)速下，每一個流量均對應著一定的揚程（全壓）、軸功率及效率，這一組參數(shù)反映了泵與風機的某種工作狀態(tài)，簡稱工況。設計工況：泵與風機是按照需要的一組參數(shù)進行設計的，由這一組參數(shù)組成的工況稱為設計工況。最佳工況點：對應于最佳效率點的工況。說明：一般設計工況應位于最佳工況點上，但由于葉輪內(nèi)流體流動的復雜性，使得設計工況點并不一定和最佳工況點重合，因此，在選擇泵與風機時，常常把它的運動工況點（工作點）控制在性能曲線的高效區(qū)內(nèi)，以獲得較好的經(jīng)濟性。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(一)無限多葉片時的理論揚程與理論流量性能曲線（HT∞-qVT）由無限多葉片時的理論揚程為：當流體以徑向流入葉輪時，揚程方程式為：泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(一)無限多葉片時的理論揚程與理論流量性能曲線（HT∞-qVT）設葉片數(shù)無限多且無限薄，流體為理想流體時，由葉輪出口速度三角形可知：泵與風機的性能曲線式中：D2為葉輪出口直徑；b2為葉輪出口寬度將上式帶入（2）中，得：鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(一)無限多葉片時的理論揚程與理論流量性能曲線（HT∞-qVT）若泵與風機的幾何尺寸及轉(zhuǎn)速已確定，式（5）中均為常數(shù)：式（6）為直線方程，隨qVT呈直線關系變化，直線的斜率由來確定。下面對三種葉輪型式（選取范圍）進行討論。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(一)無限多葉片時的理論揚程與理論流量性能曲線（HT∞-qVT）圖1.HT∞-qVT性能曲線泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(一)無限多葉片時的理論揚程與理論流量性能曲線（HT∞-qVT）后向式葉片：，隨著流量的增加，揚程逐漸減小，

與qVT為一條自左至右下降的直線，見圖1中曲線a。徑向式葉片：，揚程與流量變化無關，是一條水平于橫坐標的直線，如圖曲線b。前向式葉片：，隨著流量的增加，揚程逐漸增大，與qVT為一條自左至右上升的直線，見圖1中曲線c。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(二)實際揚程與流量的性能曲線（H-qV）實際應用中，葉輪葉片數(shù)是有限的，且流體是有粘性的，同時流體流經(jīng)葉輪時要產(chǎn)生各種損失。實際揚程與流量的性能曲線，必須要考慮上述因素的影響。有限葉片數(shù)的影響：HT=KHT∞，環(huán)流系數(shù)K<1各種損失的影響：流動損失+容積損失*下面以后向式葉片為例，說明泵與風機性能曲線的分析方法*泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(二)實際揚程與流量的性能曲線（H-qV）圖2.泵和風機實際揚程-流量的關系曲線泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備一、揚程與流量性能曲線（H-qv）(二)實際揚程與流量的性能曲線（H-qV）環(huán)流系數(shù)K恒小于1,且與流量無關，故有限葉輪HT-qVT曲線，也是一條向下傾斜的直線，且位于無限多葉片所對應直線的下方，如圖中b曲線；考慮實際流體粘性的影響，流動損失中的摩擦損失和局部損失與流量的平方成正比，在各流量下，從HT-qVT中減去相應的這部分損失，可到圖中c曲線；（h∝qVT2）流動損失中的沖擊損失在設計工況時為零，在偏離設計時按二次拋物線增加，在各流量下，再從c線上減去相應的這部分損失，即得圖中d線H-qVT；由于容積損失（泄漏量q）隨揚程的增大而增大，因此，在d線中各點減去相應的泄漏量即得到實際揚程與流量的的性能曲線，圖中e線H-qV。(q∝△H1/2)泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備二、軸功率與流量性能曲線（Psh-qv）（一）流動功率與理論流量的性能曲線（Ph-qVT）定義：在一定轉(zhuǎn)速下泵與風機的流量與軸功率之間的關系曲線。思路：如果將軸功率Psh表示為流動功率Ph與機械損失功率△Pm之和，即：Psh=Ph+△Pm-------（7）由于機械損失與流量無關，可先求得流動功率與流量的關系曲線，后在相應點上加上機械損失功率即得到流量與軸功率的關系。又故泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備二、軸功率與流量性能曲線（Psh-qv）（一）流動功率與理論流量的性能曲線（Ph-qVT）由（9）式可見，流動功率隨流量的變化為一拋物線關系，其曲線的形狀與β2a角有關。現(xiàn)針對β2a<90°，β2a=90°，β2a>90°三種情況進行分析。

圖3.不同角的流量與功率的性能曲線泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備二、軸功率與流量性能曲線（Psh-qv）（一）流動功率與理論流量的性能曲線（Ph-qVT）后向式葉片：當qVT=0和時，Ph=0,故此曲線為一條通過坐標原點與橫坐標軸相交于點的拋物線，如圖3曲線a所示。徑向式葉片：，當qVT=0時Ph=0，此曲線是一條通過坐標原點上升的直線，如圖3曲線b所示。前向式葉片：，當qVT=0時Ph=0，當qVT增加時，Ph急劇增加，此曲線是一條通過坐標原點的上升曲線，如圖3曲線c所示。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備二、軸功率與流量性能曲線（Psh-qv）（二）軸功率與流量的性能曲線（Psh-qV）軸功率與流量的性能曲線，可以通過對Ph-qVT曲線進行修正獲得，這個修正主要表現(xiàn)在機械損失和容積損失兩個方面，現(xiàn)以后向式葉片為例進行分析。圖4.功率與流量性能曲線泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備二、軸功率與流量性能曲線（Psh-qv）（二）軸功率與流量的性能曲線（Psh-qV）說明：大流量區(qū)域由于容積損失使得軸功率不僅沒有增加，反而減少了。但這并不能說明由于容積損失的存在而使得泵與風機的性能變好了。這是由于容積損失使得實際流量下降，有效功率下降得多，其結果雖然是軸功率有所降低，但是降低的程度小于有效功率的降低程度，從而使得泵與風機的效率下降，性能變壞。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備三、效率與流量性能曲線（η-qv）泵與風機的效率等于有效功率與軸功率之比，即：泵與風機的性能曲線由圖可見，η-qv曲線是一條通過坐標原點與橫坐標軸相交于qv=qvmax點的曲線。實際應用中qv-H性能曲線不可能下降到與橫坐標軸相交，因而η-qv曲線也不可能與橫坐標軸相交。如右圖所示，實際的η-qv性能曲線位于理論曲線的下方，曲線上最高效率ηmax點，即為泵與風機的設計工況點。鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（1）最佳工況點與經(jīng)濟工作區(qū)前面已介紹，最高效率所對應的工況點，稱最佳工況點，它是泵與風機運行最經(jīng)濟的一個工況點。在最佳工況點附近的區(qū)域（一般不低于最高效率的0.85~0.9），稱為經(jīng)濟工作區(qū)或高效工作區(qū)，泵與風機在此區(qū)域內(nèi)工作最經(jīng)濟。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（2）空載工況及其注意事項當閥門全關時，qv=0,H=H0,P=P0,該工況稱為空載工況?？蛰d功率P0主要消耗在機械損失上，如旋轉(zhuǎn)的葉輪與流體的摩擦等。在空載狀態(tài)下，泵內(nèi)水溫會迅速升高，導致發(fā)生水的汽化。對于鍋爐給水泵及凝結水泵，由于輸送的是飽和液體，為防止汽化，一般不允許在空載狀態(tài)下運行。如在運行中負荷降低到所規(guī)定的最小流量時，應開啟泵的旁路管。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（3）空載條件下啟動離心式泵與風機，在空載時，所需軸功率（空載功率）最小，一般為設計軸功率的30%左右。在這種狀態(tài)下啟動，可避免啟動電流過大而造成原動機過載。離心式泵與風機要在閥門全關的狀態(tài)下啟動，待運轉(zhuǎn)正常后，再開打出口管路上的調(diào)節(jié)閥門，使泵與風機投入正常運行。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（4）后向式葉片qV-H性能曲線的三種基本形式后向式葉片的qV-H性能曲線總體趨勢是隨著流量的增加而下降，但由于結構型式和出口安裝角β2a的不同，曲線相應有不同形狀。泵與風機的性能曲線陡降的曲線，如圖中a曲線，適用于揚程變化大而流量變化小的場合，如電廠的取水水位變化較大的循環(huán)水泵；平坦的曲線，如圖中b曲線，適用于流量變化大而揚程變化小的情況，如電廠的汽包鍋爐給水泵；有駝峰的曲線，如圖中c曲線，在k點左邊為不穩(wěn)定工況區(qū)，在該區(qū)域工作的泵與風機，其運行穩(wěn)定性不好。不希望使用駝峰形曲線的泵與風機。鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（4）后向式葉片qV-H性能曲線的三種基本形式駝峰形曲線，一般與β2a角、葉片數(shù)z、葉片形狀等有關。對離心泵用下圖中的曲線來選擇葉片出口安裝角和葉片數(shù)z，可以避免性能曲線出現(xiàn)駝峰形。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析（5）前向式葉片的某些特點由離心式泵與風機的qV-Psh性能曲線可見，前向式葉片隨流量的增加，功率急劇上升，原動機容易超載。故對前向式葉片的風機在選用原動機時，容量富裕系數(shù)應取得大些。前向式葉片風機的效率遠低于后向式的，為了提高風機效率，節(jié)約能耗，目前大中型風機均采用效率較高的后向式葉片。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備四、離心式泵與風機性能曲線的分析下圖是某離心泵通過實驗所繪制的性能曲線。從圖中可以看出：泵與風機的性能曲線離心泵的揚程是隨流量的增大而下降的；軸功率是隨流量的增大而增大的，當qV=0時，軸功率Psh并不等于零，此時軸功率消耗在克服機械摩擦損失上；效率隨流量的增加而增加，到某一流量時效率達到最大值，此后隨著流量的增大而下降。對應于最高效率下的工況稱為最佳工況點鍋爐輔助設備五、軸流式泵與風機的性能曲線在一定轉(zhuǎn)速下，對葉片安裝角固定不變的軸流式泵與風機，試驗所得的典型性能曲線如圖9所示，它和離心式泵與風機性能曲線相比有明顯的區(qū)別。泵與風機的性能曲線qV-H(p)曲線：qVd→qVc→qVb→0d點為最佳工況點，效率最高qVd→qVc，來流速度的流動角減小，沖角增大，翼型升力系數(shù)也增大，因而揚程上升；qVc→qVb，沖角已增大到使翼型上產(chǎn)生附面層分離，出現(xiàn)失速現(xiàn)象，升力系數(shù)降低，揚程也隨之下降；qVb→0，出現(xiàn)二次回流，葉輪流出的一部分流體重新返回葉輪，再次獲得能量，揚程升高，到流量為零時，揚程達到最大值。鍋爐輔助設備五、軸流式泵與風機的性能曲線軸流式泵與風機性能曲線特點：qV-H(p)性能曲線在小流量區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)駝峰形狀，在c點左邊為不穩(wěn)定工作區(qū)，一般不允許泵與風機在此區(qū)域工作。軸功率Psh在空轉(zhuǎn)狀態(tài)（qV=0）時最大，隨流量的增加而減小，為避免原動機過載，軸流式泵與風機要在閥門全開狀態(tài)下啟動。軸流式泵與風機高效區(qū)窄。泵與風機的性能曲線鍋爐輔助設備鑒于泵與風機內(nèi)部流動的復雜性，用理論計算的方法所確定的性能曲線與其實際性能曲線，存在一定的差異。為了提供真實可靠的技術性能，迄今仍采用試驗的方法來確定。試驗方法一般有常規(guī)測試、熱力學法測試效率及自動化測試。性能曲線的測試方法一、常規(guī)測試方法（一）泵性能測試：圖10所示的泵開式試驗臺是流體機械開式試驗臺(進出口均是敞開的，與大氣相聯(lián)通)的例子，它由吸入調(diào)節(jié)閥、管路、彎頭、模型泵、流量計、出水管調(diào)節(jié)閥、水池等組成。鍋爐輔助設備性能曲線的測試方法一、常規(guī)測試方法（一）泵性能測試：

泵型式試驗主要測定的參數(shù)有：流量、揚程、軸功率、轉(zhuǎn)速和臨界汽蝕余量等。

泵型式試驗時需測定的基本參數(shù)和可用的測量方法為：流量qV:可用渦輪流量計、電磁流量計、孔板流量計、文丘里管流量計、噴嘴流量計測得；揚程H：可用連接水泵進出口的差壓計測得，也可獨立測定進出口處的壓力，再由其差值計算。軸功率Psh：可用扭矩儀、電動機天平等測定軸上的力矩，也可測定電動機的功率。轉(zhuǎn)速n：采用數(shù)字轉(zhuǎn)速表、離心