第三章 流体输送(流体力学)

6
概述
流体输送设备分类：
按流体类型 输送液体—泵(pumps) 输送气体—通风机、鼓风机、压缩机 及真空泵 按工作原理 动力式：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能 量。（特点：使流体获得速度）包括离心式、 轴流式输送机械 容积式：利用活塞或转子的挤压使流体升压以 获得能量。（特点：机械内部的工作容积不断 发生变化）包括往复式、旋转式输送机械 流体作用式：依靠能量转换原理以实现输送流 7 体任务。如喷射泵
N ~Q
离心泵的特性曲线图
Q
39
例3-1 P76 用20℃清水测定一台离心泵的性能参数，实 验测得流量10 பைடு நூலகம்3/h，泵出口处压力表的读 数为167 kPa(表压)，泵入口处真空表的读 数为21 kPa，轴功率为1. 09 kW。电动机 的转速为2 900 r/min。真空表测压截面1 1与压力表测压截面2 -2的垂直距离为0. 5 m。若吸入管与排出管的管径相同，试求该 泵的扬程
②N~Q曲线： Q，N 。 大流量大电机 关闭出口阀启动泵，启动电流最小
思考： 离心泵启动时均关闭出口阀门，why？
③~Q曲线 ：小Q ， ；大Q ， 。 max 泵的铭牌~与max对应的性能参数
高效 区
选型时 max
38
设计点
Q
最高效率点 （设计点）
~Q
高效区：最高效 率 92% 左 右 ， 泵 应尽可能在此范 围工作。
14
装设底阀 (单向阀)(止逆阀)
15
2. 离心泵的主要部件
1.基本结构
旋转的叶轮(impeller) 固定的泵壳（Volute）
16
2. 离心泵的主要部件
17
2. 离心泵的主要部件
1.叶轮 ‫٭‬作用 —— 传递能量 ‫٭‬结构—— 前弯叶片、后弯叶片、径向叶片 ‫٭‬类型— 开式、半闭式和闭式 — ‫٭‬吸入方式— 单吸式和双吸式 —
21
2. 离心泵的主要部件
叶轮轴向力问题：
因吸排液口压力不等也使 并非完全对称的叶轮两侧 所受液体压力不等，从而 产生了轴向力。叶轮轴向 力将导致轴及叶轮的窜动 和叶轮与泵壳的相互研磨。
轴向力
解决办法：对闭式 和半闭式叶轮，在 后盖板开有若干个 平衡小孔，抵消一 部分轴向推力。
22
2. 离心泵的主要部件
31
小型泵的效率一般为50-70％，大型泵的效率可达90％左右
与效率有关的各种能量损失：
（1）容积损失： 内漏
机械 损失 容积 损失 水力 损失
（2）水力损失：
N
Ne
环流损失、摩擦损失、冲击损失
（3）机械损失：
泵轴与轴承、密封圈等机械部件之间的摩擦
小型水泵： 一般为5070% 大型泵： 可达 90%以上
32
2. 特性曲线
H~Q

—— 实验测定
N~Q
~Q
厂家实验测定产品说明书
20C清水
泵性能实验装置示意图
33
2. 特性曲线
流量Q —— 流量计 扬程H
p1 u12 p2 u22 Z1 H Z2 H f 12 g 2 g g 2 g
p2 p1 u22 u12 H ( Z 2 Z1 ) g 2g
26
2.1 离心泵
• 2.1.1 离心泵的工作原理和主要部件 • 2.1.2离心泵的主要性能参数和特性曲线
27
1. 性能参数
2B31型离心泵铭牌上标注的参数
型号2B31 转速 2900r/min 流量20m3/h 扬程30.8m 允许吸上真空度7.2m
效率64％
轴功率2.6kW
重量363N
(1)流量(Q):单位时间由泵排到管路的液体体积， m3/s 。常用单位为L/s或m3/h Q与泵的结构、尺寸、转速等有关 ，实际流量还与 管路特性有关。
18
返回
19
单吸
双吸式： ①吸液量大 ②无轴向推力
双吸
20
2. 离心泵的主要部件
将输入的轴功提供给液体。叶轮上装有 1) 叶轮（Impeller）：
敞式、 半敞式 闭式
若干片叶片（通常6～8片）。
思考：哪种叶轮的输送效率最高？ 闭式叶轮的内漏较弱些，敞式叶 轮的最大。
但敞式叶轮和半闭式叶轮不易发 生堵塞现象
叶轮高 离心作用 叶轮 流道扩大 泵壳 外缘 速旋转 静压能和动能 动能 静压能 叶轮中部低压
13
液体吸入
1. 离心泵的工作原理
气缚现象（airbound） 泵启动前空气未排尽或运转中有空气漏入，使泵内 流体平均密度下降，导致叶轮进、出口压差减小。 或者当与泵相连的出口管路系统势压头一定时，会 使泵入口处的真空度减小、吸入流量下降。严重时 泵将无法吸上液体。 解决方法：离心泵工作时、尤其是启动时一定要保 证液体连续的条件。可采用设置底阀、启动前灌泵 （pump priming）、使泵的安装位置低于吸入液面 等措施。
47
4. 离心泵性能的改变和换算
影响因素 物 性 密度 粘度 ↑ 转速 Δ<20% 叶轮直径 Δ<20% 流量(Q) 扬程(H) 效率(η) 轴功率(N)
N 1 1 N 2 2
↓
Q1 n1 Q2 n2
Q1 D1 Q2 D2
↓
H1 n1 2 ( ) H2 n2
H 1 D1 H 2 D2
45
4. 离心泵性能的改变和换算
2）离心泵转速的影响
2 H A BQ 泵在原转速n下的特性曲线方程
n Q Q n n H H n
2
2
n 2 H A BQ n
n n 2 H A B Q n n H 转速 增大
生产过程中的流体输送一般有以下几种情况： 低压 低处 近处 高压 高处 远处
流体物性不同 操作条件各异
对于这些情况，都必须通过向流体提供机械 能的方法来实现。向流体提供机械能的设备称为 流体输送机械。
4
概述
流体输送机械的作用：
供料点~需料点，列柏努利方程式，有：
p u H z H f g 2 g
2.1 离心泵
• • • • • 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 离心泵的结构和工作原理 离心泵的主要性能参数和特性曲线 离心泵的气蚀现象和允许安装高度 离心泵的工作点和流量调节 离心泵的类型、选择和应用
8
特点：泵的流量与压头灵活可调、输液 量稳定且适用介质范围很广。
影响因素 物 性 密度 粘度 转速 Δ<20% 叶轮直径 Δ<20%
43
流量(Q) 扬程(H)
效率(η) 轴功率(N)
泵
4. 离心泵性能的改变和换算
1）流体物性的影响 （1）密度的影响 对 H~Q 曲线、~Q 曲线无影响，
但N
QgH

， 故，N~Q 曲线上移。
（2）黏度的影响: 当比20℃清水的大时，H，N， 实验表明，当 <20cSt( 厘沲 ) 时， 对特性曲 线的影响很小，可忽略不计。 1厘沲=10-6m2/s 20℃清水的粘度=1厘沲
2
↓
↑
N 1 n1 N 2 n2
N 1 D1 N 2 D2
3
泵
3
48
2.1 离心泵
• 2.1.1 • 2.1.2 • 2.1.3 离心泵的结构和工作原理 离心泵的主要性能参数和特性曲线 离心泵的气蚀现象和允许安装高度
对流体做功，使流体E↑, 结果:
2
J/N
流体的动能↑， 或位能↑，静压能↑， 克服沿程阻力， 或兼而有之
5
概述
对输送机械的基本要求: 满足工艺上对流量和能量的要求。 结构简单,重量轻,投资费用低。
运行可靠,操作效率高,日常操作费用低。
能适应被输送流体的特性,其中包括粘性、腐蚀
性、毒性、可燃性及爆炸性、含固体杂质等。
44
2）离心泵转速的影响
4. 离心泵性能的改变和换算 N Q gH

e
N

N
当转速n变化不大时（小于20%），
Q n Q n H n H n
2
比例定律
若不变，则
N n N n
3
思考：若泵在原转速n下的特性曲线方程为 H A BQ2 则新转速n下泵的特性曲线方程表达式？
40
解:在真空表测压截面1 - 1与压力表测压截面2 -2间列伯努 利方程，得
u p u p gZ1 1 1 gH gZ2 2 2 h f (12 ) 2 ρ 2 ρ
2 2
于是 式中：Z2-Z1=0.5m，清水ρ20℃ = 998.2 kg/m3，u1=u2(吸入 hf (12) 0 管与排出管管径相同)， (两截面间距很短，故 忽略阻力损失)，于是泵的扬程为
单吸式 叶轮的吸液方式：
双吸式
单吸式
双吸式
23
2. 离心泵的主要部件
2) 泵壳（Volute） 泵体的外壳，包围叶轮 截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道 思考：泵壳的主要作用是什么？ （1）汇集液体，并导出液体； （2）能量转换装置：将部分动 能转变成静压能
24
2. 离心泵的主要部件
3） 导轮 安装在叶轮之前， 并随之同步转动 （1）减小冲击能量损失
H ( Z2 Z1 ) p2 p1 167 ( 21) 0.5 19.7m 998.2 ρ g 9.81 1000
u u1 p p1 h f (12) H ( Z 2 Z1 ) 2 2 29 ρ g g
2 2
4. 离心泵性能的改变和换算
• 思考：导轮的主要 作用是什么？