注册机械工程师资格考核认定测试培训班 过 程 装 备（二） 过程流体机械 n流体机械是以流体为工质进行能 量转换、处理与输送的机械，是过 程装备的重要组成部分。 n流体机械一般可以从三个方面进 行分类: 按能量转换分类 按处理流体介质 按流体机械结构特点 流体机械分类 n过程流体机械按能量转换分类 n原动机 利用高压蒸汽或气体的压力能膨胀做功推动转 子旋转。如蒸汽轮机、燃气轮机。 n工作机 机械的转子被原动机拖动，通过转子的叶片将 能量传递被输送的流体 。 流体输送机械 如：泵、压缩机等 流体分离设备 如离心式分离机等。 流体机械分类 n按处理流体介质 气体 压缩机、鼓风机、通风机 液体 （或含固）泵 气、液（或含固）混合体 分离机、搅拌机 n按流体机械结构特点 往复结构的流体机械 旋转结构的流体机械 n测试教材中过程流体机械部分重点是： 离心泵和离心压缩机 泵的分类 n泵：增压输送液体，把机械能转换成液体的能 量的机械 n泵的种类很多，其分类方法也多： 按流体介质可分为水泵、油泵、耐腐蚀泵、杂质泵； 按用途可分为工艺装置用泵、公用设施用泵、辅助设施 用泵； 按叶轮的布置方式可分为悬臂式、两端支承式、立置悬 臂式。 P140 泵的分类按流体介质 水泵：清水泵、锅炉给水泵、热水泵 油泵：冷油泵、热油泵、液态烃泵 耐腐蚀泵：耐酸泵、耐碱泵 杂质泵：浆料泵、污水泵、泥浆泵 P140 泵的分类按工作原理和结构形式 P140 泵的分类按流体压力 低于2MPa的 称低压泵， 压力在26MPa之间的 称中压泵， 压力高于6MPa的 称高压泵。 P141 泵的分类按用途 n工艺装置用泵：进料泵、回流泵、循环泵、 塔底泵、冲洗泵、排污泵 n公用设施用泵：锅炉用（给水泵、凝水泵、 热水泵、余热泵）、凉水塔（冷却水泵、循环 水泵）、消防用泵、卫生用泵 n辅助设施用泵；润滑油泵、液压传动用泵 n管路输送用泵：输油管线用泵、装卸车用泵 P141 泵的分类按叶轮布置方式 n按叶轮的布置方式可分为： n悬臂式：挠性连轴节传动（卧式、立式）、 刚性连轴节传动（立式）、共轴式传动（立式 ） n两端支承式：单级和两级、多级 n立置悬臂式：单层壳体（）、双层壳体 P140 泵的用途 n用来输送液体的泵种类繁多 ，用途很广 。 水利工程 农田灌溉 化工、石油 制药、精细化工 采矿、造船 城市给排水 环境工程、污水处理 P141 化工用泵的特点 n数量大，种类多，输送的介质 往往具有腐蚀性，工作条件要求 高压、高温等，对泵有特殊要求 ，比一般的水泵复杂。 n在各种泵中，尤以离心泵应用 最为广泛。 P141 P141 离心泵的特点 n流量、扬程及性能范围较大 n结构简单、体积小 n重量轻、操作平稳 n维修方便 P141 离心泵的典型结构 n1吸入室（泵盖）；2叶轮；3蜗壳（泵体）；4轴；5 填料密封；6轴承箱；7托架 P141 离心泵的典型结构 n吸入室：要求液体流过吸入室的流动损失 较小，液体流入叶轮时速度分布均匀。 n叶轮：要求叶轮在流动损失最小的情况下 使液体获得较多的能量。 n蜗壳：要求液体在蜗壳中减速增压，同时 尽量减少流动损失。 P141 离心泵的分类 按流体吸入叶轮的方式分类 n单吸式泵，如图4.3.2-1。 n双吸式泵，液体由两侧进入叶轮，其流量较 单吸式增加一倍，轴上承受的轴向推力基本平 衡。 P141 离心泵的分类 n按级数分类 单级泵，如图4.3.2-1所示。 多级泵，如图4.3.2-2所示，共八级，轴上装 有八个叶轮，扬程较高。 P142 多级泵 P142 按泵体形式分类 蜗壳泵：壳体呈螺旋形状。它又有单蜗壳和 双蜗壳之分。 筒形泵：泵的外壳为筒形结构，能承受高压 ，如图4.3.2-2所示。 还有按主轴安放情况分为卧式泵、立式泵、 斜式泵的。 P142 离心泵的性能参数 n流量 流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。 容积流量用qv用表示 单位是m3/s， 质量流量用qm表示 单位是kg/s。 qm=qv （4.3.2-1） 式中为液体的密度， 常温清水=1000kg/m3。 P142 离心泵的性能参数 n扬程 扬程是单位重量液体从泵进口（泵进口法兰 ）处到泵出口（泵出口法兰）处能量的增值， 也就是1N液体通过泵获得的有效能量。 其单位是 即泵抽送液体的液柱高度。扬程亦称有效能 量头。根据定义，泵的扬程可写为 H=Eout-Ein （4.3.2-2） m （4.3.2-4 ） P143 离心泵的性能参数 P143 扬程（有效能量头），H 单位：m 单位重量液体通过泵（从泵入口到泵出口） 时的能量增量 ，包括： 压力能、动能、位能 其主要部分：压力能 液体的压力提高 离心泵的性能参数 P143 扬程的物理意义： 液体密度：（kg/m3） 液体重度：g（N/m3） 液体体积：V（m3） 液体总重量： g V （N） 泵送液体提高到：H（m） 液体获得总能量为： (g V) H （Nm） 单位重量(1N)液体获得的能量为 即扬程（高度） g g V V (N)(N) 离心泵的性能参数 P143 扬程H（液柱高度）与压力能P的关系： 液柱如图： 横截面积：F（m2） 高度：H（m） 体积：V=FH（m3） 液体密度：（kg/m3） 液体重度：g（N/m3） 液体总重量： (g) V= (g) FH （N） 底面承受的压强（压力）： p（N/ m2） 即抽送液体的液柱高度 离心泵的性能参数 n转速 转速是泵轴单位时间的转数，用n表示，单位 是r/min。 n功率和效率 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵 轴上的轴功率，用N表示，单位是W或kW。 泵的有效功率用Ne表示，它是单位时间内从 泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。 kW （4.3.2-5） P143 离心泵一般装置示意图 1泵；2 吸液罐；3 吸入口（或带 滤网底阀）； 4吸入管路 ；5吸入管 调节阀；6 真空表；7 压力表；8 单向阀；9 排出管调节阀 ；10排出管 路；11流量 计；12排液 罐 P144 离心泵的工作过程和原理 离心泵启动前，应关闭出口阀门，泵内应灌 满液体，此过程称为灌泵。 工作时启动原动机使叶轮旋转，叶轮中的叶 片驱使液体一起旋转从而产生离心力，使液体 沿叶片流道甩向叶轮出口， 液体经蜗壳送入打开出口阀门的排出管。液 体从叶轮中获得机械能使压力能和动能增加， 依靠此能量使液体达到工作地点。 P144 离心泵的基本方程 n三个基本条件：液体可作为不可 压缩的流体，在流动过程中不考虑 密度的变化。液体流经泵时通常也 不考虑温度的变化。 n三个基本方程：即连续方程、欧 拉方程和伯努利方程。用它来讨论 液体在泵中的流动。 n(质量守恒定律、能量转换与守恒定律) P145 欧拉方程 n欧拉方程：表示为旋转叶轮传递给单位重 量流体的能量，也就是用该方程计算原动 机通过轴和叶轮将机械能转换给流体的能 量，成为流体的动能和势能。 P145 式中：式中：u u牵连速度牵连速度、w w相对速度、相对速度、 c c绝对速度绝对速度。 离心泵的基本工作原理 p145 欧拉方程表示为欧拉方程表示为：（假定叶片数为无限多）：（假定叶片数为无限多） 旋转叶轮传递给单位重量液体的能量，理论扬程旋转叶轮传递给单位重量液体的能量，理论扬程H Ht t。 。 式中：式中：u u牵连牵连 速度、速度、w w相相对对 速度、速度、c c绝对绝对 速度速度。 叶轮出口速度三角形 （m） (4.3.2.11) (4.3.2.12) 离心泵的工作特性 n离心泵的汽蚀及预防措施 汽蚀发生的机理 气蚀的严重后果 气蚀余量及气蚀判别式 提高离心泵抗气蚀的措施 n 离心泵的运行及调节 n离心泵的启动与运行 P145 离心泵内的压力变化 n流体的压力随 着从泵入口到叶 轮入口而下降， 在叶片入口附件 的K点上，液体 压力pK最低。由 于叶轮对液体作 功，压力很快上 升。当叶轮叶片 入口附件的压力 pKPv液体 输送温度下的饱 和蒸汽压力时， 液体就汽化。 P146 气泡的产生与溃灭 n气泡随液体流到叶道内压力较高处时，外面的液体 压力高于汽泡内的汽化压力，则汽泡会凝结溃灭形成 空穴。瞬间内周围的液体以极高的速度向空穴冲来， 造成液体互相撞击，使局部的压力骤然剧增 P146 离心泵的汽蚀及预防措施 n泵内液体汽化凝结冲击形 成高压高温高频冲击载荷造 成金属材料的机械剥裂与电化学腐 蚀破坏的综合现象称为汽蚀。 P146 气蚀的危害 n汽蚀使过流部件被剥蚀破坏 n汽蚀使泵的性能下降 n汽蚀使泵产生噪音和振动 n汽蚀也是水力机械向高流速发展 的巨大障碍 P146 气蚀余量及气蚀判别式 n泵是否发生汽蚀是由泵本身和吸入装置两方 面决定的。 n泵吸入装置的有效汽蚀余量：指液流自吸液 罐（池）经吸入管路到达泵吸入口后，高出汽 化压力pv所富余的那部分能量头，用NPSHa 表示 。 n泵必需的汽蚀余量 ：泵入口到叶轮内最低压 力点K处的静压能量头降低值，用NPSHr表示 。 n当pKpv时，则泵发生汽蚀，故pK=pv是泵 发生汽蚀的界限。 P147 汽蚀余量 NPSH p143 表示汽表示汽蚀蚀性能的主要参数性能的主要参数 又称又称 净正吸入压头净正吸入压头 （m m） N Net et P Positive ositive S Suction uction H Headead 有效汽蚀余量 NPSHa p148 以以泵泵吸入口法吸入口法兰兰截面截面S S -S-S为为界界 吸入装置吸入装置 - - 泵泵 图图4.3.2-7 4.3.2-7 泵吸入装置简图泵吸入装置简图 (available) 有效汽蚀余量 NPSHa p148 （m m） Ps Ps - - 泵入口处流体压力，泵入口处流体压力， （N/mN/m 2 2 ） Cs Cs - - 泵入口处流体速度泵入口处流体速度 ， （m/sm/s） Pv Pv - - 输送流体的饱和蒸汽压，（输送流体的饱和蒸汽压，（N/mN/m 2 2 ） - - g g ，液体重度，液体重度， （N/mN/m 3 3 ） 有效汽蚀余量 NPSHa p148 P P A A 吸入罐液面压力，吸入罐液面压力， （Pa Pa，N/mN/m 2 2 ） H H g g 泵安装高度，泵安装高度， （m m） H HA-S A-S 吸入管内流动损失，吸入管内流动损失， （m m） 故故: : NPSHaNPSHa与泵本身无关，又称与泵本身无关，又称: : 吸入吸入装置的有效汽蚀余量装置的有效汽蚀余量。 NPSHaNPSHa越大越好越大越好。 根据伯努利方程导得根据伯努利方程导得 泵必需的气蚀余量NPSHr nNPSHr 指：在泵入口处（液体所必须具有的 ）、具有 超过（叶轮内最低压力点）K点处（ 液体汽化压力）Pv的静压头。 nRequisite 需要的, 必备的（泵） nNPSHr可以从泵的性能曲线中查找到。泵的 NPSHr越小越好，说明抗气蚀的能力越好，要 求装置必需提供的NPSHa小。 P148 m （4.3.2-18） 气蚀判断式 P149 提高离心泵抗气