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第二章 流体输送机械 ​

2.1 概述 ​

流体输送机械的分类 ​

按工作原理分类:

  • 动力式(叶轮式):离心泵、轴流泵、旋涡泵
  • 容积式(正位移式):往复泵、齿轮泵、螺杆泵
  • 其他类型:喷射泵、酸蛋

按输送介质分类:

  • 泵:输送液体
  • 风机/压缩机:输送气体
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主要性能参数 ​

流量 Q:单位时间内输送的流体量(m3/s 或 m3/h)

压头(扬程)H:单位重量流体获得的能量(m)

功率:

  • 有效功率:Ne=ρgQH
  • 轴功率:N轴=Neη

效率 η:有效功率与轴功率之比

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2.2 离心泵 ​

工作原理 ​

依靠高速旋转的叶轮产生离心力,将机械能转化为流体的动能和压能。

工作过程:

  1. 叶轮高速旋转,叶片间的液体被甩向外缘
  2. 液体在蜗壳中减速,动能转化为压能
  3. 叶轮中心形成低压,液体不断被吸入
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理论压头方程(欧拉方程) ​

HT∞=u2c2cos⁡α2−u1c1cos⁡α1g

对于径向流入(α1=90°):

HT∞=u22g−u2w2cos⁡β2g

或写成:

HT∞=u22g−u2cr2cot⁡β2g

式中:

  • u:叶轮圆周速度
  • c:绝对速度
  • w:相对速度
  • β:叶片安装角
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叶片形状对性能的影响 ​

后弯叶片(β2<90°):

  • HT∞<u22g
  • 压头较低,但效率高
  • 工业上普遍采用

径向叶片(β2=90°):

  • HT∞=u22g

前弯叶片(β2>90°):

  • HT∞>u22g
  • 压头高,但效率低
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实际压头与理论压头的差异 ​

造成差异的原因:

  1. 环流(轴向涡流):产生涡流损失
  2. 阻力损失:流体与流道壁面的摩擦
  3. 冲击损失:流量偏离设计点时的冲击

实际压头:

H=ηhHT∞

式中 ηh 为水力效率

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离心泵的特性曲线 ​

主要特性曲线(在恒定转速下测定):

  1. H−Q 曲线:压头随流量增加而下降
  2. N−Q 曲线:功率随流量增加而增大
    • 启动时应关闭出口阀(零流量启动),减小启动电流
  3. η−Q 曲线:存在最高效率点(设计点)

特点:

  • 离心泵的特性曲线由泵本身结构决定
  • 与管路特性无关
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影响特性曲线的因素 ​

液体密度的影响:

  • 压头 H 与密度无关(H−Q 曲线不变)
  • 功率 N∝ρ(N−Q 曲线上移)

液体黏度的影响:

  • 黏度增大 → 压头下降、流量减小、功率增加、效率降低

转速的影响(比例定律):

Q′Q=n′n,H′H=(n′n)2,N′N=(n′n)3

叶轮直径的影响(切割定律):

Q′Q=D′D,H′H=(D′D)2,N′N=(D′D)3
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2.3 离心泵的工作点与流量调节 ​

管路特性方程 ​

H=H0+KQ2

式中:

  • H0:静压头(两槽液面高度差 + 压力头差)
  • K:管路阻力系数(K=8π2g(λLd5+∑ζd4))

管路特性曲线:通过原点的抛物线(若 H0=0)或不过原点的抛物线

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工作点 ​

定义:泵的特性曲线与管路特性曲线的交点

特点:

  • 工作点是泵在实际管路中的运行状态
  • 自动满足能量平衡和物料平衡
  • 流量和压头由两曲线的交点唯一确定
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流量调节方法 ​

1. 改变管路特性(阀门调节):

  • 关小阀门 → 管路阻力增大 → 工作点左移(流量减小)
  • 优点:简便易行
  • 缺点:多消耗能量,不经济

2. 改变泵的特性:

  • 改变转速:使用变频调速器,节能高效
  • 切割叶轮:更换较小直径的叶轮(永久性改变)
  • 串并联操作:
    • 并联:增大流量(用于低阻管路效果佳)
    • 串联:增大压头(用于高阻管路效果佳)
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离心泵的并联与串联 ​

并联操作:

  • 相同压头下,流量相加
  • 适用:管路阻力较小,需要增大流量
  • 注意:并联后单泵流量减小,效率可能降低

串联操作:

  • 相同流量下,压头相加
  • 适用:管路阻力较大,需要提高压头
  • 注意:后级泵强度要求更高
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2.4 离心泵的安装高度与汽蚀现象 ​

汽蚀现象 ​

定义:叶轮入口处的压力低于液体饱和蒸气压时,液体汽化产生气泡,气泡在高压区溃灭,对叶轮产生冲击和剥蚀。

危害:

  1. 泵性能下降(流量、压头、效率急剧降低)
  2. 产生振动和噪声
  3. 叶轮损坏

汽蚀余量(NPSH):

  • 有效汽蚀余量 NPSHa:泵入口处的能量裕度
  • 必需汽蚀余量 NPSHr:泵本身要求的能量裕度(由泵厂提供)

不发生汽蚀的条件:

NPSHa>NPSHr
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安装高度的计算 ​

最大允许安装高度:

Hg=p0−pvρg−NPSHr−∑hf−S

式中:

  • p0:吸入液面压力
  • pv:液体饱和蒸气压
  • ∑hf:吸入管路阻力损失
  • S:安全裕量(通常0.5~1m)

注意事项:

  • 海拔越高,p0 越小,Hg 越小
  • 液体温度越高,pv 越大,Hg 越小
  • 吸入管路应短而粗,减少阻力损失
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2.5 离心泵的选型 ​

选型步骤:

  1. 确定输送任务:

    • 计算管路所需流量和压头
    • 考虑一定的裕量(通常10%~20%)
  2. 选择泵的类型:

    • 清水 → 清水泵(IS型)
    • 腐蚀性液体 → 耐腐蚀泵(F型)
    • 油类 → 油泵(Y型)
    • 含固体颗粒 → 杂质泵(P型)
  3. 确定泵的型号:

    • 根据 Q 和 H 查泵样本或特性曲线
    • 使工作点靠近最高效率点
  4. 校核功率和安装高度:

    • 电机功率满足要求
    • 安装高度不发生汽蚀
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2.6 其他类型泵 ​

往复泵 ​

工作原理:靠活塞往复运动改变工作室容积,直接挤压流体

特点:

  • 正位移特性:流量与管路特性无关(理论上)
  • 压头可达很高(取决于泵的强度)
  • 流量不均匀(脉动)
  • 有自吸能力
  • 适合高黏度、高扬程、小流量场合

流量计算(单动泵):

QT=ASn

式中:

  • A:活塞截面积
  • S:冲程
  • n:往复频率

实际流量:Q=ηVQT,ηV 为容积效率

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齿轮泵与螺杆泵 ​

齿轮泵:

  • 两个啮合齿轮转动,液体被齿穴携带排出
  • 结构简单,流量均匀
  • 适合输送高黏度液体(如油类)

螺杆泵:

  • 一根或多根螺杆在泵壳内转动
  • 流量均匀,压力脉动小
  • 适合高压、高黏度场合
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旋涡泵 ​

工作原理:叶轮旋转产生旋涡运动,多次获得能量

特点:

  • 压头高(比离心泵高2~4倍)
  • 流量小
  • 效率较低(25%~50%)
  • 启动时必须打开出口阀(与离心泵相反)
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2.7 气体输送机械简介 ​

分类 ​

按出口压力分类:

类型出口压力范围应用
通风机≤ 15 kPa通风换气
鼓风机15~300 kPa燃烧、气力输送
压缩机> 300 kPa合成、制冷
真空泵从低压抽气真空操作

离心式通风机特点:

  • 结构与离心泵类似,但叶片多为前弯式
  • 性能参数:风量、风压、功率、效率
  • 风压分为全风压和静风压
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2.8 重要公式总结 ​

公式适用场景
HT∞=u22g−u2cr2cot⁡β2g离心泵理论压头
Q′Q=n′n,H′H=(n′n)2,N′N=(n′n)3比例定律(变转速)
Q′Q=D′D,H′H=(D′D)2,N′N=(D′D)3切割定律(变叶轮直径)
Hg=p0−pvρg−NPSHr−∑hf−S最大安装高度
QT=ASn往复泵理论流量
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