第二章 流体输送机械本章符号说明英文字母a活塞杆截面积，m2；A活塞截面积，m2；b离心泵叶轮宽度，m；c离心泵叶轮内液体质点运动的绝对速 度，m/s；d管道直径，m；D叶轮或活塞直径，m；g重力加速度，m/s2；h允许汽蚀余量，m；H泵的压头，m；He管路系统输送单位质量流体所需压 头，m；Hf管路系统的压头损失，m；Hg离心泵的允许安装高度，m；Hs离心泵允许吸上真空高度，m；H离心泵的理论压头，m；pT离心通风机的全风压（风压），Pa；pP离心通风机的静风压，Pa；pK离心通风机的动风压，Pa；k多变指数；K系数；l长度，m；le当量长度，m；n离心泵转速，r/min；nr活塞的往复次数，l/min；N泵或压缩机的轴功率，W或kW；Ne泵的有效功率，W或kW；p压强，Pa；pa当地大气压强，Pa；pv液体的饱和蒸汽压，Pa；Q泵流量，m3/h或m3/s；Qe管路系统的输送量，m3/h或m3/s；QT离心泵的理论流量，m3/h或m3/s；R半径，m；S活塞的冲程，m；T绝对温度，K；u流速或离心泵叶轮内液体质点运动的 圆周速度，m/s；V体积，m3；w离心泵叶轮内液体质点运动的相对速 度，m/s；W往复压缩机的压缩功，J；Z位压头，m；希腊字母绝对速度与圆周速度的夹角；相对速度与圆周速度反方向延线的 夹角；余隙系数；阻力系数；效率；时间，s；摩擦系数；0容积系数；密度，kg/m3；气体绝热系数。为了将流体由低能位向高能位输送，必须使用各种流体输送机械。用以输送液体的机械通称为泵，用以输送气体的机械则按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。化工生产中输送的流体种类很多。流体的性质如腐蚀性、毒性、易燃易爆性等千差万别；流体的操作条件如温度、压力等也相差很大；流体的输送量及所需提供的能量要求也不同。为适应各种不同情况下对流体输送的要求，需要不同结构和特性的流体输送机械。流体输送机械按其工作原理分为：1动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式输送机械，它们是籍以高速旋转的叶轮使流体获得能量的。2容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式输送机械，它们是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量的。3其它类型：指不属于上述两类的其它型式，如喷射式等。本章主要介绍常用流体输送机械的基本结构、工作原理和特性，以恰当地选择和使用流体输送机械。气体的密度及压缩性与液体有显著区别，从而导致气体和液体输送机械在结构和特性上有不同之处。本章首先讨论常用的几种液体输送机械，然后扼要叙述各类风机的特性。第一节 离心泵2-1-1 离心泵的工作原理离心泵的种类很多，但工作原理相同，构造大同小异。其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（图2-1）。叶轮是离心泵直接对液体做功的部件，其上有若干后弯叶片，一般为48片。离心泵工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动（10003000r/min），迫使叶片间的液体也随之作旋转运动。同时因离心力的作用，使液体由叶轮中心向外缘作径向运动。液体在流经叶轮的运动过程获得能量，并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳内，由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转化为静压能，达到较高的压强，最后沿切向流入压出管道。在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心处形成真空。泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通，另一端则浸没在输送的液体内，在液面压力（常为大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体经吸入管路进入泵内，只要叶轮的转动不停，离心泵便不断地吸入和排出液体。由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送图2-1 离心泵装置简图1叶轮；2泵壳；3泵轴；4吸入管；5底阀；6压出管；7出口阀液体，故名离心泵。离心泵若在启动前未充满液体，则泵内存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力也很小。吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，此现象称为“气缚”。所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体，在吸入管底部安装带滤网的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液体从泵内漏失。滤网防止固体物质进入泵内。靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀，供调节流量时使用。2-1-2 离心泵的理论压头 一、离心泵的理论压头从离心泵工作原理知液体从离心泵叶轮获得能量而提高了压强。单位质量液体从旋转的叶轮获得多少能量以及影响获得能量的因素，可以从理论上来分析。由于液体在叶轮内的运动比较复杂，故作如下假设： （1）叶轮内叶片的数目无限多，叶片的厚度为无限薄，液体完全沿着叶片的弯曲表面而流动。无任何倒流现象；（2）液体为粘度等于零的理想液体，没有流动阻力。 液体从叶轮中央入口沿叶片流到叶轮外缘的流动情况如图2-2所示。叶轮带动液体一起作旋转运动时，液体具有一个随叶轮旋转的圆周速度u，其运动方向为所处圆周的切线图2-2 液体在离心泵中的流动方向；同时，液体又具有沿叶片间通道流的相对速度w，其运动方向为所在处叶片的切线方向；液体在叶片之间任一点的绝对速度c为该点的圆周速度u与相对速度w的向量和。由图2-2可导出三者之间的关系：叶轮进口处 （2-1）叶轮出口处 （2-2）泵的理论压头可从叶轮进出口之间列柏努利方程求得 （2-3）即 （2-4）式中 H具有无穷多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压头，m； HP理想液体经理想叶轮后静压头的增量，m； HC理想液体经理想叶轮后动压头的增量，m。上式没有考虑进、出口两点高度不同，因叶轮每转一周，两点高低互换两次，按时均计此高差可视为零。液体从进口运动到出口，静压头增加的原因有二：（1）离心力作功 液体在叶轮内受离心力作用，接受了外功。质量为m的液体旋转时受到的离心力为： 单位重量液体从进口到出口，因受离心力作用而接受的外功为： （2）能量转换 相邻两叶片所构成的通道截面积由内而外逐渐扩大，液体通过时速度逐渐变小，一部分动能转变为静压能。单位重量液体静压能增加的量等于其动能减小的量，即 因此，单位重量液体通过叶轮后其静压能的增加量应为上述两项之和，即 （2-5）将式2-5代入式2-4，得 （2-6）将式2-1、2-2代入式2-6，整理得 （2-7）由上式看出，当cos1=0时，得到的压头最大。故离心泵设计时,一般都使1=90,于是上式成为： （2-8）式2-8即为离心泵理论压头的表示式，称为离心泵基本方程式。从图2-2可知 （2-9）如不计叶片的厚度，离心泵的理论流量QT可表示为： QT=cr2D2b2 （2-10）式中 cr2叶轮在出口处绝对速度的径向分量，m/s； D2叶轮外径，m； b2叶轮出口宽度，m。将式2-9及式2-10代入式2-8，可得泵的理论压头H与泵的理论流量之间的关系为： （2-11）上式为离心泵基本方程式的又一表达形式，表示离心泵的理论压头与流量、叶轮的转速和直径、叶片的几何形状之间的关系。 二、离心泵理论压头的讨论（1）叶轮的转速和直径对理论压头的影响 由式2-11可看出，当叶片几何尺寸（b，）与流量一定时，离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大。（2）叶片形状对理论压头的影响 根据式2-11，当叶轮的速度、直径、叶片的宽度及流量一定时，离心泵的理论压头随叶片的形状而改变。叶片形状可分为三种：（见图2-3）图2-3 叶片形状对理论压头的影响（a）径向 （b）后弯 （c）前弯后弯叶片 290,ctg20 H （a）径向叶片 2=90,ctg2=0 H= （b）前弯叶片 290,ctg20 H （c）图2-4 离心泵的H与QT的关系在所有三种形式的叶片中，前弯叶片产生的理论压头最高。但是，理论压头包括势能的提高和动能的提高两部分。由图2-3可见，相同流量下，前弯叶片的动能较大，而后弯叶片的动能较小。液体动能虽可经蜗壳部分地转化为势能，但在此转化过程中导致较多的能量损失。因此，为获得较高的能量利用率，离心泵总是采用后弯叶片。（3）理论流量对理论压头的影响 从式2-11可看出290时，H随流量QT增大而加大，如图2-4所示。2=90时，H与流量QT无关；290时，H随流量QT增大而减小。2-1-3 离心泵的功率与效率 一、泵的有效功率和效率泵在运转过程中由于存在种种能量损失，使泵的实际（有效）压头和流量均较理论值为低，即由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得，设H泵的有效压头，即单位重量液体从泵处获得的能量，m；Q泵的实际流量，m3/s；液体密度，kg/m3；Ne泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，W。有效功率可写成 Ne=QHg （2-12）由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，以N表示。有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率，即 （2-13）