第二章 流體輸送機(jī)械教材

第二章流體輸送機(jī)械1本章學(xué)習(xí)的目的

本章是流體力學(xué)原理的具體應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)掌握工業(yè)上最常用的流體輸送機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及操作特性，以便根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理地選擇和正確地使用輸送機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠、安全的運(yùn)行。2本章應(yīng)掌握的主要內(nèi)容

本章應(yīng)重點(diǎn)掌握離心泵的工作原理、操作特性及其選型。3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題加深對(duì)流體力學(xué)原理的理解，并從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實(shí)現(xiàn)流體輸送。第一節(jié)概述

為流體提供能量的機(jī)械稱為流體輸送機(jī)械。

化工生產(chǎn)中，輸送的流體種類很多。為了適應(yīng)不同情況下的流體輸送要求，因而需要不同結(jié)構(gòu)和特性的流體輸送機(jī)械。氣體輸送機(jī)械與液體輸送機(jī)械不盡相同。用于輸送液體的機(jī)械稱為泵，用于輸送氣體的機(jī)械稱為風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)。能使封閉空間產(chǎn)生負(fù)壓或真空的機(jī)械稱為“真空泵”，有時(shí)稱作“抽氣機(jī)”。根據(jù)作用原理不同：速度式容積式速度式：通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪或高速噴射的工作流體傳遞能量，又分為離心式、軸流式和噴射式。容積式：依靠改變?nèi)莘e來壓送與吸取流體，可分為往復(fù)活塞式、回轉(zhuǎn)活塞式。工作原理液體輸送機(jī)械氣體輸送機(jī)械速度式離心式離心泵、旋渦泵離心風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)軸流式軸流泵軸流式通風(fēng)機(jī)噴射式噴射泵容積式往復(fù)式往復(fù)泵、隔膜泵、計(jì)量泵往復(fù)式壓縮機(jī)回轉(zhuǎn)式齒輪泵、螺桿泵羅茨風(fēng)機(jī)、液環(huán)壓縮機(jī)第二節(jié)液體輸送機(jī)械

一.離心泵主要部件、工作原理及分類二.離心泵的基本方程式三.離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線四.離心泵性能參數(shù)的改變及換算五.離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)六.離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上的高度七.離心泵的選型與操作八.其它類型的泵一.離心泵主要部件、工作原理及分類1.結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)部件：葉輪、轉(zhuǎn)軸靜止部件：吸入室、蝸殼吸入室：位于葉輪進(jìn)口前，把液體從吸入管引入葉輪，作用在于使液體進(jìn)入泵體的流動(dòng)阻力損失最小。葉輪：是離心泵的核心部件，將機(jī)械能傳給液體，使液體獲得壓力能和動(dòng)能。開式半開式閉式葉輪按形式分三種蝸殼（壓出室）：葉輪在泵殼內(nèi)順著蝸形通道逐漸擴(kuò)大的方向旋轉(zhuǎn)。由于通道逐漸擴(kuò)大，以高速度從葉輪四周拋出的液體可逐漸降低流速。減少能量損失，從而使部分動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓能。作用：收集液體

能量轉(zhuǎn)換，動(dòng)能靜壓能軸封裝置：機(jī)械密封或填料密封2.工作原理

離心泵主要由旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的泵殼組成，葉輪上有6-12片后彎的葉片，泵殼成蝸殼形。液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，在慣性離心力的作用下自葉輪中心被甩向外周并獲得了能量，使流向葉輪外周的液體的靜壓強(qiáng)提高，流速增大。液體離開葉輪進(jìn)入蝸殼，因蝸殼內(nèi)流道逐漸擴(kuò)大而使流體速度減慢，液體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成靜壓能。于是，具有較高壓強(qiáng)的液體從泵的排出口進(jìn)入排出管路，被輸送到所需的管路系統(tǒng)。單吸式泵雙吸式泵3.分類按吸入方式分兩種單級(jí)泵多級(jí)泵按葉輪級(jí)數(shù)按用途水泵耐腐蝕泵油泵雜質(zhì)泵二.離心泵的基本方程式

離心泵是利用原動(dòng)力（電機(jī)、蒸汽機(jī)等）提供的動(dòng)力，使流體獲得能量并得以輸送。流體能量增量和流體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，是1754年首先由L.歐拉提出的，成為歐拉方程。方程成立的3個(gè)假設(shè)：（1）葉片數(shù)目無限多，葉片無限薄，流動(dòng)的流線與葉片有相同形狀；（2）流動(dòng)是軸對(duì)稱的相對(duì)定常流動(dòng)；（3）流經(jīng)葉輪的是理想流體，黏度為零，無流動(dòng)阻力損失。1.液體質(zhì)點(diǎn)在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)

（1）圓周速度u

和半徑及轉(zhuǎn)速有關(guān)方向:在該點(diǎn)圓周切線方向（2）相對(duì)速度w

方向:在該點(diǎn)葉片的切線方向大小:與流量及葉片形狀有關(guān)，愈到外緣，流道擴(kuò)大則動(dòng)能下降轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓強(qiáng)。（3）絕對(duì)速度cw與u的和速度（4）速度三角形

α—c與u的夾角

β—w與u的反向延長線夾角2.基本方程的推導(dǎo)

理論壓頭：符合上述三點(diǎn)假設(shè)時(shí)，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，用表示。根據(jù)柏努利方程，單位重量流體從1點(diǎn)到2點(diǎn)時(shí)所獲能量為：——流體經(jīng)葉輪后增加的靜壓能——流體經(jīng)葉輪后增加的動(dòng)能當(dāng)葉輪的幾何尺寸(D2、b2、

2)和轉(zhuǎn)速(n)一定時(shí)，理論壓頭與理論流量呈線性關(guān)系。

a.

2

90

，QT

，H

b.

2=90

，QT

，H

c.2<90

，QT

，H

H

QT三.離心泵的主要性能參數(shù)與特性曲線1.主要性能參數(shù)1）.流量Q

泵的流量（又稱送液能力）是指單位時(shí)間內(nèi)泵所輸送的液體體積。用符號(hào)Q表示，單位為Ｌ/ｓ或m3/ｈ。2）.揚(yáng)程（壓頭）H

泵的揚(yáng)程（又稱泵的壓頭）是指單位重量液體流經(jīng)泵后所獲得的能量，用符號(hào)Ｈ表示，單位為米液柱。泵的壓頭可用實(shí)驗(yàn)方法測定。在泵的進(jìn)出口處分別安裝真空表和壓力表，在真空表與壓力表之間列柏努利方程式。3）.效率

效率反映離心泵能量的損失程度，用

表示，包括：容積損失：由于泵的泄漏所造成的損失。水力損失：進(jìn)入離心泵的黏性液體產(chǎn)生的摩擦阻力以及在泵的局部處因流速與方向改變引起的環(huán)流和沖擊而產(chǎn)生的局部阻力。機(jī)械損失：由泵軸與軸承之間、泵軸與填料函之間以及葉輪蓋板外表面與液體之間產(chǎn)生的機(jī)械摩擦引起的能量損失。4）.功率包括有效功率、軸功率。有效功率：液體流經(jīng)泵所獲得的功率，用Ne表示；軸功率：指原動(dòng)機(jī)傳到泵軸上的功率，用N表示。2.離心泵的特性曲線

特性曲線是反應(yīng)揚(yáng)程、軸功率、效率和流量之間函數(shù)關(guān)系的曲線，一般用20

C的清水在特定轉(zhuǎn)速下由實(shí)驗(yàn)測定。不同型號(hào)的離心泵，其特性曲線的形狀各有不同，有的平坦，有的陡降，有的駝峰型，但總的形狀基本相似，有以下幾方面的共同特點(diǎn)：

故在離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉出口閥，使泵在最小N下啟動(dòng)，以防止電機(jī)超負(fù)荷，保護(hù)電機(jī)。

離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，該點(diǎn)稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量、壓頭和軸功率為額定流量、額定壓頭和額定軸功率，標(biāo)注在泵的銘牌上。一般將最高效率值的92%的范圍稱為泵的高效區(qū)，應(yīng)盡量在該范圍內(nèi)操作。四.離心泵性能參數(shù)的改變及換算

離心泵的特性曲線是在常壓下（1atm）、20℃清水，在一定轉(zhuǎn)速下測定的，如果使用條件與上不符，則性能參數(shù)將發(fā)生變化。g3.轉(zhuǎn)速的影響由比例律得：轉(zhuǎn)速變化，特性曲線變化，轉(zhuǎn)速變化小于20%，葉輪出口速度三角形與效率不變4.葉輪直徑D2的影響由切割定律得:切削葉輪外徑，特性曲線變化，外徑變化不超5%，葉輪出口速度三角形與效率不變五.離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)

安裝在管路中的離心泵，它的輸送量應(yīng)該為管路中流體的流量，提供的壓頭也應(yīng)該正好是流體流動(dòng)所需要的壓頭。所以離心泵的實(shí)際工作情況應(yīng)該由泵的特性曲線和管路本身的特性共同決定。1.管路特性曲線如圖，在一個(gè)抽水管路中使用離心泵把水池中的水輸送到水塔上，在輸送過程中，設(shè)兩個(gè)水面1-1’、2-2’維持恒定，在這兩個(gè)面之間列柏努利方程，則式中令則令則

可以把這個(gè)看作是管路特性方程，對(duì)于指定的一個(gè)管路A是固定不變的，當(dāng)閥門開度一定流體達(dá)到完全湍流時(shí)，B也看作常數(shù)，這就可以繪制出管路的特性曲線，即he-Q曲線。2.工作點(diǎn)一臺(tái)離心泵安裝在一定的管路系統(tǒng)中工作，閥門開度也一定時(shí)，就有一定的流量與壓頭。此流量與壓頭是離心泵特性曲線與管路特性曲線交點(diǎn)處的流量與壓頭。此點(diǎn)稱為泵的工作點(diǎn)如圖中M點(diǎn)所示。顯然，該點(diǎn)所表示的流量Q與壓頭Ｈ，既是管路系統(tǒng)所要求，又是離心泵所能提供的。若該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)效率是在最高效率區(qū)，則該工作點(diǎn)是適宜的。1）改變離心泵的特性曲線①改變轉(zhuǎn)速nn

，曲線上移

n

，曲線下移②改變?nèi)~輪直徑D2只可切削D2，曲線下移

n提高、增加流量受葉片強(qiáng)度及其機(jī)械性能的限制，功率消耗太大，所以用高轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量只是小范圍的。3.離心泵的流量調(diào)節(jié)改變泵的轉(zhuǎn)速時(shí)流量變化2）改變管路的特性曲線通過調(diào)節(jié)管路閥門的開度實(shí)現(xiàn)。閥門關(guān)?。洪y門開大：改變閥門開度時(shí)流量變化3）并聯(lián)操作當(dāng)一臺(tái)泵的流量不夠時(shí)，可以用兩臺(tái)泵并聯(lián)操作，以增大流量。一臺(tái)泵的特性曲線如圖中曲線Ｉ所示。兩臺(tái)相同的泵并聯(lián)操作時(shí)，其聯(lián)合特性曲線的作法是在每一個(gè)壓頭條件下，使一臺(tái)泵操作時(shí)的特性曲線上的流量增大一倍而得出特性曲線如圖中曲線Ⅱ。

但需要注意，兩臺(tái)泵并聯(lián)后，流量增大，管路阻力亦增大。原來單個(gè)泵的工作點(diǎn)為Ａ，并聯(lián)后移至Ｃ點(diǎn)。顯然Ｃ點(diǎn)的流量（QⅡ）不是Ａ點(diǎn)流量（QI）的兩倍，除非管路系統(tǒng)沒有能量損失。4）串聯(lián)操作當(dāng)生產(chǎn)上需要利用原有泵提高泵的壓頭時(shí)，可以將泵串聯(lián)使用。相同型號(hào)的泵串聯(lián)工作時(shí)，每臺(tái)泵的壓頭和流量也是相同的。因此，在同樣的流量下，串聯(lián)泵的壓頭為單臺(tái)泵的兩倍。將單臺(tái)泵的特性曲線Ｉ的縱坐標(biāo)加倍，橫坐標(biāo)保持不變，可求兩臺(tái)泵串聯(lián)后的聯(lián)合特性曲線Ⅱ。

由圖，單個(gè)泵的工作點(diǎn)為Ａ，串聯(lián)后移至Ｃ點(diǎn)。顯然Ｃ點(diǎn)的壓頭（HⅡ），并不是Ａ點(diǎn)的壓頭（HI）的兩倍。對(duì)于低阻力輸送管路，并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)，對(duì)于高阻力輸送管路，串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)。例2-1教材p/102六.離心泵的氣蝕現(xiàn)象與允許吸上的高度1.氣蝕現(xiàn)象當(dāng)葉輪吸入口處的壓強(qiáng)低于所輸送液體的飽和蒸汽壓時(shí)液體在該處氣化，產(chǎn)生氣泡隨著液體在離心力的作用下從低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)，因受到高壓而聚凝破裂，產(chǎn)生局部真空，周圍液體以極高速度沖向這些氣泡中心形成的真空點(diǎn)，產(chǎn)生巨大的沖擊速度和沖擊力，如果這些氣泡是發(fā)生在葉片表面，則葉片會(huì)受到高壓高速流體的沖擊，久而久之，則會(huì)被剝蝕—?dú)馕g作用

因此必須使葉輪入口處最低壓強(qiáng)大于所輸送液體的飽和蒸汽壓。氣蝕現(xiàn)象1）氣蝕原因a.泵的安裝位置距吸液面高度差過大b.泵安裝地區(qū)的大氣壓較低，如高海拔地區(qū)c.泵輸送液體溫度較高2）現(xiàn)象

噪聲大、泵體振動(dòng)，流量、壓頭、效率都明顯下降。嚴(yán)重時(shí)，泵不能正常工作。3）防止措施把離心泵安裝在恰當(dāng)?shù)母叨任恢蒙?，確保泵內(nèi)壓強(qiáng)最低點(diǎn)處的靜壓超過工作溫度下被輸送液體的飽和蒸汽壓。2.氣蝕余量

離心泵內(nèi)壓力最低點(diǎn)位于葉輪葉片進(jìn)口稍后的K點(diǎn)附近，當(dāng)Pk>該操作溫度下流體的飽和蒸汽壓Pv時(shí)，才不會(huì)發(fā)生氣蝕。在泵入口1-1ˊ和葉輪入口k-kˊ兩截面間列柏努利方程式，可得當(dāng)剛發(fā)生氣蝕時(shí)則或——最小氣蝕余量，單位m把+0.3作為允許值，稱為允許氣蝕余量3.安裝高度

為不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，泵的安裝高度z必須小于某一值，該值稱為泵的最大安裝高度zmax。對(duì)液面0-0’與K點(diǎn)列柏努利方程，得

上面已經(jīng)講過，為防止氣蝕發(fā)生，最大安裝高度應(yīng)再減去0.3m，稱為允許安裝高度[z]，則

為了更加安全，泵的實(shí)際安裝高度z應(yīng)小于允許安裝高度[z]，通常小于0.5m。例2-2教材p/1054.泵的安裝

離心泵開啟前要確保泵內(nèi)灌滿液體，若離心泵啟動(dòng)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(shí)葉輪雖然旋轉(zhuǎn)，但不能輸送液體，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不能輸送液體的現(xiàn)象稱為“氣縛”。

安裝注意事項(xiàng)：常在泵的吸入管下端安置一個(gè)讓液體只進(jìn)不出的單向閥，以便于充液。泵的吸入管應(yīng)短而直，其直徑應(yīng)大于泵入口的直徑，另外排出管路上要安裝止回閥，防止突然停泵時(shí)引起高位水倒流。

習(xí)題1

用油泵從儲(chǔ)罐向反應(yīng)器輸送44℃的異丁烷，儲(chǔ)罐內(nèi)異丁烷液面恒定，液面上方的壓強(qiáng)為0.655MPa，吸入管路的全部壓頭損失為1.8m（液柱）。異丁烷在44℃時(shí)的密度為530，飽和蒸汽壓為0.637MPa。泵銘牌標(biāo)注的允許氣蝕余量為3.5m（水柱），試設(shè)計(jì)此臺(tái)泵的安裝高度，并畫簡圖說明。七.離心泵的選型與操作

一、選擇離心泵的基本原則:以能滿足液體輸送的工藝要求為前提。選擇步驟為：１．確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭流量一般為生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定；根據(jù)輸送系統(tǒng)管路的安排，用柏努利方程式計(jì)算管路所需的壓頭。

２．選擇泵的類型與型號(hào)根據(jù)輸送液體性質(zhì)和操作條件確定泵的類型。按已確定的流量和壓頭從泵樣本產(chǎn)品目錄選出合適的型號(hào)。需要注意的是，如果沒有適合的型號(hào)，則應(yīng)選定泵的壓頭和流量都稍大的型號(hào)；如果同時(shí)有幾個(gè)型號(hào)適合，則應(yīng)列表比較選定。然后按所選定型號(hào)，進(jìn)一步查出其詳細(xì)性能數(shù)據(jù)。３．校核泵的特性參數(shù)如果輸送液體的黏度和密度與水相差很大，則應(yīng)核算泵的流量與壓頭及軸功率。例2-3教材p/106二、離心泵的操作

1)安裝時(shí)，必須使實(shí)際安裝高度小于最大安裝高度防止氣蝕；

2)啟動(dòng)前先灌水，防止氣縛；

3)合閘前先關(guān)出口閘，使電機(jī)在最小功率下啟動(dòng)，保護(hù)電機(jī)；

4)停泵時(shí)也先關(guān)出口閘，可免去下次啟動(dòng)時(shí)灌水，防止水倒流、葉片反轉(zhuǎn)；

5)長期停泵，應(yīng)將泵內(nèi)的水排空。習(xí)題2八.其它類型的泵1.往復(fù)泵往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務(wù)。往復(fù)泵輸送流體的流量只與活塞的位移有關(guān)，而與管路情況無關(guān)；但往復(fù)泵的壓頭只與管路情況有關(guān)。這種特性稱為正位移特性，具有這種特性的泵稱為正位移泵。(1)往復(fù)泵的工作原理主要部件有泵缸、活塞、吸入閥和排出閥。吸入閥和排出閥均為單向閥?；钊汕B桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)而作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)活塞在外力作用下向右移動(dòng)時(shí)，泵體內(nèi)形成低壓，排出閥受壓而關(guān)閉，吸入閥則被泵外液體的壓力推開，將液體吸入泵內(nèi)，當(dāng)活塞向左移動(dòng)時(shí)，由于活塞的擠壓使泵內(nèi)液體壓力增大，吸入閥受壓而關(guān)閉，而排出閥受壓則開啟，將液體排出泵外。

(2)往復(fù)泵的特點(diǎn)

1)壓頭與流量無關(guān)，流量決定于往復(fù)泵幾何尺寸和往復(fù)次數(shù)，壓頭決定于管路情況，只要強(qiáng)度允許，可無限高；

2)往復(fù)泵流量調(diào)節(jié)不可用出口閥，而用旁路調(diào)節(jié)；

3)往復(fù)泵有自吸作用；

4）效率高；

5)流量不均勻，可制成多動(dòng)泵；2.齒輪泵

齒輪泵主要是由橢圓形泵殼和兩個(gè)齒輪組成。其中一個(gè)齒輪為主動(dòng)齒輪，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，另一個(gè)為從動(dòng)齒輪，與主動(dòng)齒輪相嚙合而隨之作反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因兩齒輪的齒相互分開，而形成低壓將液體吸入，并沿殼壁推送至排出腔。在排出腔內(nèi)，兩齒輪的齒互相合攏而形成高壓將液體排出。如此連續(xù)進(jìn)行以完成液體輸送任務(wù)。

齒輪泵流量較小，產(chǎn)生壓頭很高，適于輸送黏度大的液體，如甘油等。3.旋渦泵

旋渦泵是一種特殊類型的離心泵。泵殼呈正圓形，吸入口和排出口均在泵殼的頂部。至于泵體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與離心泵并不相同。泵體內(nèi)充滿液體后，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力作用，將葉片凹槽中的液體以一定的速度甩向流道，在截面積較寬的流道內(nèi)，液體流速減慢，一部分動(dòng)能變?yōu)殪o壓能。與此同時(shí)，葉片凹槽內(nèi)側(cè)因液體被甩出而形成低壓，因而流道內(nèi)壓力較高的液體又可重新進(jìn)入葉片凹槽再度受離心力的作用繼續(xù)增大壓力，這樣，液體由吸入口吸入，多次通過葉片凹槽和流道間的反復(fù)旋渦形運(yùn)動(dòng)，而到達(dá)出口時(shí)，可獲得較高的壓頭。

旋渦泵在開動(dòng)前也要灌水。旋渦泵在流量減小時(shí)壓頭增加，功率也增加，所以旋渦泵在開動(dòng)前不要將出口閥關(guān)閉，采用旁路回流調(diào)節(jié)流量。旋渦泵的流量小、壓頭高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。它在化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，適宜于流量小、壓頭高及黏度不高的液體。旋渦泵的效率一般為20%-50%

。第三節(jié)氣體輸送設(shè)備

氣體輸送機(jī)械與液體輸送機(jī)械大體相同，但氣體具有壓縮性，在輸送過程中，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)其體積和溫度也將隨之發(fā)生變化。一、用途1．輸送氣體2．產(chǎn)生高壓氣體3．產(chǎn)生真空通風(fēng)機(jī)終壓

14.7kPa(表)鼓風(fēng)機(jī)終壓=14.7~294kPa(表)，壓縮比

4壓縮機(jī)終壓

294kPa(表)，壓縮比

4真空泵終壓=101325Pa(大氣壓)，初壓為負(fù)壓按出口的氣體的壓強(qiáng)二、分類三、離心式通風(fēng)機(jī)1.

基本結(jié)構(gòu)和操作原理離心式通風(fēng)機(jī)和離心泵一樣，在蝸殼形泵體內(nèi)裝一高速旋轉(zhuǎn)的葉輪。借葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，使氣體壓頭增大而排出。離心式通風(fēng)機(jī)