1、第二章 流体输送机械本章学习的目的 本章是流体力学原理的具体应用。通过学习掌握工业上最常用的流体输送机械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生产工艺的要求，合理地选择和正确地使用输送机械，以实现高效、可靠、安全的运行。1第1页，共46页。本章内容掌握离心泵的结构、工作原理、主要性能参数；正确地确定离心泵的安装高度，工作点、流量调节、选型及操作要点；避免汽蚀现象发生；合理地选择和操作离心泵，并根据生产工艺要求，经济有效地进行调节。其它泵及气体输送机械作一般了解。2第2页，共46页。第一节第一节 概概 述述一、化工生产中为什么需要流体输送机械？一、化工生产中为什么需要流体输送机械？化工生产中大
2、都是连续流动的各种物料或产品。由于化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品。由于工艺需要常需将流体由低处送至高处工艺需要常需将流体由低处送至高处;由低压设备送至高由低压设备送至高压设备压设备;或者克服管道阻力由一车间送至另一车间。为了达或者克服管道阻力由一车间送至另一车间。为了达到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送到这些目的，必须对流体作功以提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体输送机械。任务。这就需要流体输送机械。3第3页，共46页。二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？这是因为化工厂中输送的流体种类繁多：这是因为化工厂中输送的流体种
3、类繁多：1.1.流体种类有气体流体种类有气体,有液体有液体,有强腐蚀性的、高粘度有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬浮物的、易挥发的易燃易爆的以及有的、含有固体悬浮物的、易挥发的易燃易爆的以及有毒的等等；毒的等等；2.2.温度和压强又有高低之分；温度和压强又有高低之分；3.3.不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。4第4页，共46页。三、化工流体输送机械分类三、化工流体输送机械分类 按工作对象分，有输送液体的泵和输送气体的风按工作对象分，有输送液体的泵和输送气体的风机或压缩机。机或压缩机。按工作原理分类，一般可分为四类：即离心式按工作原理分类，一般可分为
4、四类：即离心式、正位移式和流体动力作用式三类。本章以离心式、正位移式和流体动力作用式三类。本章以离心式输送机械为重点。输送机械为重点。5第5页，共46页。n 流体输送机械的压头和流量流体输送机械的压头和流量(风机的全风压和风量风机的全风压和风量)流量流量 Q()Q()指流体输送机械在单位时指流体输送机械在单位时间内送出的流体体积，也等于管路中流体的流量，这是间内送出的流体体积，也等于管路中流体的流量，这是输送任务所规定必须达到的输送量。输送任务所规定必须达到的输送量。压头压头（又称扬程）（又称扬程）H（m）是指流体输送机械向是指流体输送机械向单位重量流体提供的能量。单位重量流体提供的能量。n
5、泵泵 H H 与与 Q Q 的关系是本章的主要内容之一。的关系是本章的主要内容之一。hmsm/,/33或6第6页，共46页。第一节第一节 液体输送机械液体输送机械离离心泵心泵n离心泵的主要部件离心泵的主要部件n离心泵的工作原理离心泵的工作原理n离离心泵的性能参数离离心泵的性能参数n离离心泵的特性曲线离离心泵的特性曲线n影影响离心泵性能的因素和性能换算影影响离心泵性能的因素和性能换算n离离心泵的气蚀现象与安装高度离离心泵的气蚀现象与安装高度n离离心泵的工作点与流量调节离离心泵的工作点与流量调节n离离心泵的类型与选择离离心泵的类型与选择7第7页，共46页。2-1 离心泵的工作原理8第8页，共46页
6、。液体的排出过程：液体的排出过程：高速旋转的叶轮高速旋转的叶轮液体旋转液体旋转液体向四周甩出（高液体向四周甩出（高速中压）速中压）蜗壳转能（中速高压）蜗壳转能（中速高压）排出排出液液体的吸入过程：高速旋转的叶轮液液体的吸入过程：高速旋转的叶轮液体旋转液体旋转液液体向四周甩出体向四周甩出中心负压中心负压内外压差内外压差吸入液体吸入液体气缚现象气缚现象灌泵的必要性灌泵的必要性9第9页，共46页。2-2 离心泵的主要部件包括叶轮和泵轴的旋转部件由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件离心泵由两个主要部分构成：一、一、叶轮叶轮敞式、半闭式、闭式敞式、半闭式、闭式（平衡孔的作用）（平衡孔的作用）单吸式与双吸式
7、单吸式与双吸式10第10页，共46页。二二、泵壳泵壳作用：作用：汇集和导出液体汇集和导出液体 转能装置转能装置对较大的离心泵，为减小叶轮甩出的高速液体与泵壳之间的碰撞而产生阻力损失，可在对较大的离心泵，为减小叶轮甩出的高速液体与泵壳之间的碰撞而产生阻力损失，可在叶轮与泵壳间安装一个如下图所示的导轮，它是一个固定不动而带有叶片的圆盘，液体叶轮与泵壳间安装一个如下图所示的导轮，它是一个固定不动而带有叶片的圆盘，液体由叶轮由叶轮1 1甩出后沿导轮甩出后沿导轮2 2的叶片间的流道逐渐发生能量转换，使能量损失尽量减少的叶片间的流道逐渐发生能量转换，使能量损失尽量减少 如图如图：11叶轮；叶轮；22导轮；
8、导轮；33蜗壳蜗壳 三、三、其它其它 泵轴泵轴 、导轮导轮 、轴封装置轴封装置11第11页，共46页。2-3 离心泵的主要性能参数离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量：离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量：一、流量一、流量Q Q:离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单离心泵在单位时间送到管路系统的液体体积，常用单位为位为m m3 3/s/s或或m m3 3/h/h；二、扬程（又称压头）二、扬程（又称压头）H H：离心泵对单位重量的液体所能提供的有：离心泵对单位重量的液体所能提供的有效能量，其单位为效能量，其单位为J/NJ/N，即，即m m，扬程需实测；，扬程需实
9、测；f21221212e2)(HguugppzzH12第12页，共46页。gpphH120zz=h0，动能差项可忽略动能差项可忽略 三、功率和效率 1.1.轴功率轴功率N N和有效功率和有效功率NeNe2 2效率效率gHQNe00100/NNe13第13页，共46页。离心泵的能量损失：离心泵的能量损失：容积损失：容积损失：由于泵的泄漏所造成的损失。容积效率v 水力损失：水力损失：摩擦阻力及局部阻力造成的损失。水力效率h 机械损失：机械损失：机械摩擦引起的能量损失。机械效率M 离心泵的总效率即包括上述三部分：离心泵的总效率即包括上述三部分：=v vh hM M14第14页，共46页。2-4 离心
10、泵的特性曲线15第15页，共46页。离心泵的实际特性曲线关系离心泵的实际特性曲线关系 、只能靠实验只能靠实验测定。测定。测定条件：测定条件：101.3kpa101.3kpa，2020清水，清水，一定一定转速。转速。在泵出厂在泵出厂时列于产品样本中以供参考时列于产品样本中以供参考。1.H-Q曲线：表示泵的压头与流量的关系。Q时，H，当Q=0时，H最大。2.N-Q曲线：表示泵的轴功率与流量的关系。Q时，N,当Q=0时,N为最小(但是并不等于0)。离心泵启动时，要先关闭出口阀门（即Q=0）以保护电机.QH QN Q16第16页，共46页。3.Q曲线：表示泵的效率与流量的关系。Q时，先是，后又，所以Q
11、线有一极值点，在此点处，泵的效率最高（即压头损失最少）。额定值（额定流量，额定功率，额定扬程，额定效率等）。离心泵铭牌上标注的就是离心泵的额定参数，最佳工况参数，设计点。实际操作时，一般要求效率不低于额定效率的92。17第17页，共46页。二、转速对特性曲线的影响2121nnQQ转速变化特性曲线变化，在转速变化小于20%范围内22121)(nnHH32121)(nnNN（比例定律）（比例定律）三、叶轮直径对特性曲线的影响在叶轮外径的减小变化不超过5时：1212DDQQ21212DDHH31212DDNN（切割定律）（切割定律）18第18页，共46页。影响离心泵性能的因素和性能换算离心泵特性曲线
12、测定条件：101.3kpa101.3kpa，2020清水，清水，一定一定转速转速。若所输送的液体性质与此相差较大时，泵的特性曲线将发生变化，应当重新进行换算。1.粘度的影响：增大，Q、H、都下降，但N上升。一般在液体运动粘度2010（相当于水粘度的20倍左右）时,需要对特性曲线进行换算.2.密度的影响：H和Q均与液体的密度无关，N和Ne随密度的增加而增加：gHQNeNNe/19第19页，共46页。例：用清水测定某离心泵的特性曲线，实验装置如附图所示。当调节出口阀使管路流量为25m3/h时，泵出口处压力表读数为0.28MPa（表压），泵入口处真空表读数为 0.025MPa，测得泵的轴功率为3.3
13、5kW，电机转速为2900转/分，真空表与压力表测压截面的垂直距离为0.5m。试由该组实验测定数据确定出与泵的特性曲线相关的其它性能参数。解：与泵的特性曲线相关的性能参数有泵的转速 n、流量Q、压头H、轴功率N和效率。其中流量和轴功率已由实验直接测出，压头和效率则需进行计算。以真空表和压力表两测点为1，2截面，对单位重量流体列柏努利方程 扬程的测定 20第20页，共46页。222121211 22fppuuHHzzgg 6212120.280.025100.531.6mH O1000 9.81ppHzzg%2.6435.315.2NNe把数据代入，得在工作流量下泵的有效功率为泵轴功率为kW15
14、.2W2150360081.91000256.31HQgNe21第21页，共46页。2-5 离心泵的工作点与流量调节一、管路特性曲线表示在特定管路系统中，于固定操作条件下，流体流经该管路时所需的压头与流量的关系22第22页，共46页。22112212f22pupuzHzHgggg22212121f()()2ppuuHzzHggg22fpuHggu2/2g可略去，2452282QddllggudllHeef23第23页，共46页。2528QdllggpzHe 20kQHH管路特性方程管路特性方程(抛物线抛物线)1高阻管路高阻管路2低阻管路低阻管路24第24页，共46页。泵的特性曲线H-Q线与所在
15、管路特性曲线HeQe线的交点（M 点)。工作点由泵的特性和管路的特工作点由泵的特性和管路的特性共同决定性共同决定 二、工作点工作点对应的工作点对应的Q Q和和H H既是泵能够提供的，也是管路所需要的；既是泵能够提供的，也是管路所需要的；工作点反映了一台泵的实际工作状态。工作点反映了一台泵的实际工作状态。25第25页，共46页。EDCHQ三、流量调节即改变泵的工作点。可通过改变泵的特性和管路特性实现1.改变阀门开度以增加阻力损失为代价，并且还有可能使离心泵转入低效率区工作，所以经济上不合算。但这种调节方法非常方便，所以常用于经常性，小范围调节流量的场合。26第26页，共46页。节能、方便，但造价
16、高（因为常需要采用微机控制）。这对大型泵的节能尤为重要。2改变泵的转数3切割叶轮外径节能，但不方便，常用于周期性，较大范围的流量调整。27第27页，共46页。【例例】将将2020的清水从贮水池送的清水从贮水池送至水塔，已知塔内水面高于贮水至水塔，已知塔内水面高于贮水池水面池水面13m13m。水塔及贮水池水面。水塔及贮水池水面恒定不变，且均与大气相通。输恒定不变，且均与大气相通。输水管为水管为1401404.5mm4.5mm的钢管，总的钢管，总长为长为200m200m（包括局部阻力的当（包括局部阻力的当量量长度）。现拟选用长度）。现拟选用4B204B20型水泵，当转速为型水泵，当转速为2900r
17、/min2900r/min时，其特性曲时，其特性曲线见附图，试分别求泵在运转时的流量、轴功率及效率。摩擦系线见附图，试分别求泵在运转时的流量、轴功率及效率。摩擦系数数可按可按0.020.02计算。计算。28第28页，共46页。（1 1）管路特性曲线方程）管路特性曲线方程在贮水池水面与水塔水面间列柏努利方程在贮水池水面与水塔水面间列柏努利方程 式中式中ZZ=13m =13m pp=0=0由于离心泵特性曲线中由于离心泵特性曲线中Q Q的单位为的单位为L/sL/s，故输送流量，故输送流量Q Qe e的单位也的单位也为为L/sL/s，输送管内流速为：，输送管内流速为：本题的管路特性方程为：本题的管路特
18、性方程为：H He e=13+=13+feHgpZHeeeQQdQu0742.0131.041000100042281.920742.0131.020002.0222eefQgudllH200857.0eQ200857.0eQ29第29页，共46页。Qe/Ls10481216202428He/m1313.1413.5514.2315.216.4317.9419.72由上表数据可在由上表数据可在4B204B20型水泵的特性曲线图上标绘出管路特性曲线型水泵的特性曲线图上标绘出管路特性曲线H He eQ Qe e。（3 3）流量、轴功率及效率）流量、轴功率及效率 附图中泵的特性曲线与管路特性曲附图中
19、泵的特性曲线与管路特性曲线的交点就是泵的工作点，从图中点线的交点就是泵的工作点，从图中点M M读得：读得：泵的流量泵的流量 Q Q=27L/s=97.2m=27L/s=97.2m3 3/h/h 泵的轴功率泵的轴功率 N N=6.6kW=6.6kW 泵的效率泵的效率 =77%=77%（2 2）标绘管路特性曲线根据管路特性方程，可计算不同流）标绘管路特性曲线根据管路特性方程，可计算不同流量所需的压头值，现将计算结果列表如下：量所需的压头值，现将计算结果列表如下：30第30页，共46页。一、汽蚀现象一、汽蚀现象2-6 离心泵的汽蚀现象与安装高度 fgHguHgpgp22101 当Hg增加到使时,有:
20、vpp 1叶轮中心处发生汽化，产生大量汽泡；汽泡在由叶中心向周边运动时，由于压力增加而急剧凝结，产生局部真空，周围液体以很高的流速冲向真空区域；31第31页，共46页。汽蚀现象离心泵在汽蚀状态下工作：泵体振动并发出噪音；压头、流量在幅度下降，严重时不能输送液体；时间长久,在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下,叶片表面出现斑痕和裂缝,甚至呈海绵状逐渐脱落。当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，众多液滴尤如细小的高频水锤撞击叶片怎样保证操作时就不会发生汽蚀?泵的实际安装高度低于允许安装高度.32第32页，共46页。1.有效汽蚀余量（NPSH）a为防止气蚀现象的发生，在离心泵的入口处液
21、体的静压头和动压头之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头某一数值，此数值即定义为离心泵的有效汽蚀余量：二、汽蚀余量gpgugpNPSHv2211a）（的物理意义：越小,表明叶轮入口处的压力越低，离心泵的操作状态越接近汽蚀。a）（NPSHa）（NPSH33第33页，共46页。2.必需汽蚀余(NPSH)r实际上就是离心泵从泵入口处流到叶轮压力最低处的的全部压头损失.rNPSH)(时，不发生汽蚀；时，开始发生汽蚀时，发生严重汽蚀3允许汽蚀余量a)(NPSHa)(NPSHrNPSH)(rNPSH)(a)(NPSHrNPSH)(a)(NPSH+0.534第34页，共46页。三、离心泵的允许安装高度 时
22、，开始发生汽蚀。)10(r0fvgHNPSHgpgpH）（为保证离心泵不发生汽蚀现象，需使 maxggHHa)(NPSHrNPSH)(35第35页，共46页。讨论:汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：离心泵的安装高度太高；被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高；吸入管路的阻力或压头损失太高。正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化 而产生汽蚀 最大允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在 液体贮槽液面以下。gH36第36页，共46页。Hg的大小与Q有关。Q越大，计算出的Hg越小。因 此用可能使用的最大Q来计算Hg最保险 实际安装高度比最大允许安装高度还要
23、小0.5至1米应注意尽量减小吸入管路的压头损失，或将离心泵 安装在贮槽液面以下，使液体利用位差自动流入 泵体内。37第37页，共46页。【例】选用某台离心泵，从样本上查得其允许汽蚀余量h=m，现将该泵安装在离水面m高处。已知吸入管的压头损失为1 mH2O，当地环境大气压为100kPa，夏季平均水温为40，问该泵安装高度是否合适？解：当水温为40时 pv=7377Pa Hgmax=6.51m4m 故泵安装高度合适。)10(0)(frvHNPSHgpp38第38页，共46页。1.清水泵 用于输送物理、化学性质类似于水的清洁液体。最简单的清水泵为单级单吸式，系列代号为“IS”，结构简图如图，若需要的
24、扬程较高，则可选D系列多级离心泵。2-7 离心泵的类型与选用一、离心泵的类型清水泵型号IS80-65-16039第39页，共46页。1-1-泵体；泵体；2-2-泵盖；泵盖；3-3-叶轮；叶轮；4-4-轴；轴；5-5-密封环；密封环；6-6-叶轮螺母；叶轮螺母；7-7-止动垫圈；止动垫圈；8-8-轴盖；轴盖；9-9-填料压盖；填料压盖；10-10-填料环；填料环；11-11-填料；填料；12-12-悬架轴承部件悬架轴承部件 40第40页，共46页。2.2.耐腐蚀泵 当输送酸、碱等腐蚀性液体时应采用耐腐蚀泵。耐腐蚀泵所有与液体介质接触的部件都采用耐腐蚀材料制作。离心耐腐蚀泵有多种系列，其中常用的系
25、列代号为F,F后面再加一个材料号,如FH,FG,FM,FS等。F系列泵对密封要求高,常采用机械密封。3.油泵:输送石油产品，要求有良好的密封性和冷却系统。（Y型）41第41页，共46页。二、离心泵的选用步骤:根据被输送液体的性质确定泵的类型 确定输送系统的流量和所需压头 根据所需流量和压头确定泵的型号,列出所 选 泵的性能参数 *几点注意:A、查性能表或特性曲线，要求流量和压头 与管路所需相适应 B、若生产中流量有变动，以最大流量为准 来查找，H也应以最大流量对应值查找 C、若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号 中找H和Q都稍大一点的。42第42页，共46页。D、若几个型号都满足，应选一个在操
26、作条 件下效率最好的 E、为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用 程度低 F、若被输送液体的性质与标准流体相差较 大，则应对所选泵的特性曲线和参数进 行校正，看是否能满足要求 核算泵的轴功率。若输送液体的密度大于水 的密度时，则要核算泵的轴功率，重新配置 电动机。43第43页，共46页。三、离心泵的安装与操作1安装：（1）安装高度不能太高，应小于允许安装高度（2）尽量设法减小吸入管路的阻力，以减少发 生汽蚀的可能性2操作：（1）启动前应灌泵，关闭出口阀（2）停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮。（4）泵运转中应定时检查、维修等44第44页，共46页。【例】试选一台能满足Qe=90m3/h、He=18m要求的输水泵，列出其主要性能。解：由于输送的是水，故选用IS型 水 泵。按Qe=80m3/h、He=18m选泵泵的型号为IS100-80-125，转速为2900r/min。再从教材附录中查IS100-80-125型水泵最高效率点的性能数据：Q=100m3/h H=20m N=7.00kW =78%h=5m45第45页，共46页。本节小结：掌握离心泵的结构、工作原理、性能参数和 流量调节;正确地确定离心泵的安装高度，避免汽蚀现 象发生;合理地选择和操作离心泵。46第46页，共46页。
