风机与管网系统的匹配.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流风机与管网系统的匹配.精品文档.第十三章 泵、风机与管网系统的匹配第一节 泵、风机在管网系统中的工作点一、 管网特性曲线 1. 阻力特性 如前所述，对于枝状管网，按照管段串、并联关系，可将管网简化为一个管路。管网中流体的流动阻力与流量之间的关系为 式中，是管网的总阻抗，与管网的几何尺寸、沿程阻力系数、局部阻力系数、流体密度有关。当这些因素不变时，为常数。 2. 管网特性曲线图13-1 管路系统示意图 如图13-1所示的管路，根据能量方程，流体从管路进口1-1断面流至出口2-2断面所需的能量可用下式表示： (13-1)当两断面的动压差值与其它相比较小时，忽略此项，则有： (13-2) 式中 管路出入口两端的压强差，Pa。 当管网处于稳定运行工况时，与流量无关。 与测压管水头对应的压强差 以表示 由于枝状管网可以简化为一个管路，因此，（13-2）式也反映了枝状管网的特性，它表明了管网中流体流动所需的能量与流量之间的关系。将这一关系在以流量为横坐标、压强为纵坐标的直角坐标系中标绘成曲线，即为管网特性曲线，见图13-2。图13-2 广义管网特性曲线图闭式管网系统，当流体密度不变时，, ，此时若，则。暖通空调工程中的通风空调管网系统，常常是从大气中吸入空气送入房间，或从房间中吸气后将其排至室外，这类管网系统，也近似有。这时，管网特性曲线方程为： （13-3）图13-3 狭义管网特性曲线图绘制成曲线如图13-3，被称为狭义管网特性曲线，而图13-2则被称为广义特性曲线。二者的根本区别在于阻力变化特性不同。广义管网特性曲线表明这类管网的阻力由两部分组成，一部分不随流量变化，另一部分与流量的平方成正比。由于这两部分阻力的变化规律不同，当泵或风机的工况沿管网特性曲线变化时，工况点之间不满足泵或风机的相似律。而狭义管网特性曲线则表明这类管网的全部阻力与流量的平方成正比，当泵或风机的工况沿管网特性曲线变化时，遵守泵或风机的相似律。这里特别需要强调的是，不能绝对的认为闭式管网特性曲线一定是狭义的。广义还是狭义的关键不在于管网是开式，还是闭式，而在于管网输送流体时，重力作用能否忽略。闭式管网中，当重力作用不能忽略时，其特性曲线也是广义的。 在输水管网中，压力及扬程往往直接用水柱高度表示，因此，管网特性曲线通常写成： (13-4)二、管网特性曲线的影响因素影响管网特性曲线形状的决定性因素是阻抗。值越大，曲线越陡。当流量采用体积流量单位时，管段阻抗的计算公式为： ，（kg/m7） （13-5）当流量采用质量流量单位时，管段阻抗的计算式为： （kg.m）-1 （13-6）根据的计算公式可知，影响值的参数有：沿程阻力系数、管段长度、管径(或当量直径) 、局部阻力系数、流体密度。其中取决于流态和管路的粗糙程度。由流体力学知，当流动处于紊流粗糙区时，仅与有关。在管路条件一定时，值可视为常数，则有： (13-7)由式(13-7)知，当管网系统安装完毕，管长、管径、局部阻力系数在不改变阀门开度的情况下，都已为定数，即为定值。对某一具体的管网，其管网特性就被确定。反之，一旦改变式 (13-7)中的任一参数，将改变管网特性。由于正比于,，反比于。所以当管网系统较长、管径较小、局部阻力（弯头、三通、阀门等）部件较多、阀门开度较小、管内壁粗糙度较大、流体密度较大都会使值增加，即管网特性曲线变陡；反之则使值减小，管网特性曲线变缓。在管网系统设计和运行中，常常通过调整管路布置、改变管径大小或调节阀门的开度等手段来达到改变管网特性，使其适应用户对流量或压力分布要求目的。三、管网系统对泵、风机性能的影响泵、风机一般是装设在管路系统中，与管路共同工作的。此时，泵、风机的特性曲线不仅取决于泵、风机本身，也和它们与管网的连接情况有关。产品样本给出的某种类型、规格的泵、风机的性能曲线，是在某种标准条件下测试得到的。在实际使用中，工作流体的密度、转速等参数很可能与测试条件不同，此时可根据相似律进行性能参数的换算。由于泵（风机）是在特定的管网中工作，其进出口与管网的连接情况一般与性能试验时不同，这同样会导致泵（风机）的性能发生改变（一般会下降）。例如，入口连接方式不同于标准测试条件时，则进入泵（风机）的流体其流向和速度分布与标准试验则有很大的不同（见图13-4），因而导致其内部能量损失发生变化（一般情况为能量损失增加），泵、风机的性能下降。上述现象称为“系统效应”。 “系统效应”对风机的影响更为显著。图13-4 风机入口不同连接形式的气流示意图（1） 入口系统效应风机入口不同接管形式的气流示意图如图13-4所示。入口采用不同类型的圆形弯管、方形弯管，“系统效应”的影响不同。如果弯管长度选用得当，有利于入口气流均匀，可以消除入口系统效应。为减少占地面积，将入口管道直接与风机入口相连（如图13-4（b），这将产生较大的压力损失。而且，管道长宽比的不同也会影响风机性能。有资料显示，不合理的入口连接方式导致能量损失占总量的45%。而经过专门制作的入口风箱（如图13-4（c）的入口连接方式），可以大大减小或消除这种入口系统效应。另外，轴流风机的入口弯管在风机运行期间有可能使气流不稳定。这种系统效应会损伤风机，建议入口弯管安装在离风机入口三倍管径以外。造成上述影响的原因是当风机与入口管网连接时，造成叶轮进口流场不均匀，叶轮内流动恶劣，损失增加，性能下降。另一方面，当风机在管网中接入吸气管路时，风机吸气口绝对压强降低，入口气体密度减小，致使风机的作功能力下降，即风机的性能曲线将随进口阻力损失的变化，对应变化。此时风机的流量-全压曲线、流量-功率曲线和流量-效率曲线都有下降趋势，变化示意图见图13-5。图13-5 接有吸入管路对风机运行曲线的影响示意图（2） 出口系统效应计算100%的效应管道长度：如果风速是12.5m/s以下取2.5倍管径为长度，那么风速每增加5m/s,长度增加1倍管径。例：风速25m/s,取5倍管径为100%效应管道长度。若管道为矩形，边长分别为a,b，当量直径可按d=4ab/(a+b)0.5 计算。无管道12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长压力恢复0%50%80%90%100%鼓风机断面面积/出口断面面积系统效应曲线0.4PR-SUW0.5PR-SUW0.6R-SS-TU-VW-X0.7SUW-X0.8T-UU-WX0.9V-WW-X1.0图13-6 接不同长度出口管道的系统效应曲线图13-6显示了风机出口管道截面速度的变化规律。自风机出口截面不规则的速度分布，到管道内气流速度规则分布的截面之间的管段长度，称为效应管段长度；为避免能量损失，不应在此长度内安装形状突变的管件或设备。在效应管段长度范围内断面的任何改变，均导致风机性能的降低。图13-6中给出了效应管段长度值的确定方法，风机出口流速在4.514m/s之间，其对应风机系统效应曲线如图13-7所示。选择风机时，一般取气流速度为10m/s左右，鼓风断面与出口断面之比在0.70.8范围内。图13-7 系统效应曲线 当风机出口有弯头时，一般在靠近柔性接头处连接。当其出口直管段长度小于效应管段长度时，必须考虑由此产生的系统效应，图13-7与图13-8配合，可用于此类计算，其损失值取决于弯头的安装位置、方向。这种影响导致风机出口速度产生较大的变化，从而增加损失，同时由此还可能产生不稳定气流。由上述分析可见，泵、风机在管网中的实际特性曲线与标准实验得到的性能曲线不同。图13-8 不同出口管道形式的系统效应曲线SWSI风机系统效应曲线列表鼓风断面面积/出口断面面积出口弯管位置无出口管道12%效应管长25%效应管长50%效应管长100%效应管长0.4ANOP-QS无系统效应因素BM-NNO-PR-SCL-MMNQDL-MNNQ0.5AO-PP-QRTBN-OO-PQS-TCM-NNO-PR-SDM-NNO-PR-S0.6AQQ-RSUBPQRTCN-OOQSDN-OOQS0.7AR-SSTVBQ-RR-SS-TU-VCPQR-STDPQR-ST0.8ASS-TT-UWBR-SSTVCQ-RRSU-VDQ-RRSU-V0.9ATT-UU-VWBSS-TT-UWCSSS-TVDRSS-TV1.0ATT-UU-VWBS-TS-TUWCR-SSTVDR-SSTV四、泵、风机在管网系统中的工作状态 1泵、风机在管网系统中的工作点将泵、风机在管网系统中的实际性能曲线中的流量全压曲线与其接入管网系统的管网特性曲线，以相同比例绘制在同一直角坐标系内，两条曲线的交点，即为该泵（或风机）在管网系统中的工作点，或称运行工况点，如图13-9中的点。在这一点上，泵（风机）的工作流量即为管网中通过的流量，提供的压头与管网在该流量下的阻力相一致（该管网的）。图139 管网系统中泵（风机）的工作点泵、风机在管网中的工作点是由其自身的性能和管网特性共同确定的。泵、风机的特性曲线表明，泵、风机可以在多种不同的流量和全压的工况下工作，然而，在某一时刻，在实际管网系统中运行时，它只能工作在性能曲线上的某一点上，此时泵、风机的工作流量即为管网中通过的流量，提供的能量与管网中流体流动所需要的能量相平衡。2. 泵、风机的稳定工作区和非稳定工作区大多数泵或风机的曲线呈单调下降趋势，这种情况下运行工况是稳定的。图13-9中，当风机流量小于管路流量时，其全压（或扬程）大于管路阻力。此时多余的能量将使流体加速，流量加大，工作点将自动由移向。反之，如泵（风机）在点工作，流量大于管路流量，其扬程（或全压）小于管路阻力，则流体减速，流量减小，工况点自动由移向。可见，点是稳定工作点。图 13-10 泵（风机）的不稳定工况某些低比转数的泵或风机，其性能曲线是驼峰形，如图13-10。此类泵（风机）的性能曲线与管网性能曲线有两个交点和。由上述讨论可知点是稳定工作点。而点是不稳定的工作点。当泵（风机）稍受干扰时（如电压波动），流量由点向流量增大的方向偏离时，泵（风机）的扬程（或全压）大于管路阻力，管路中流速加大，流量增加，工作点继续向流量增大的方向移动，直至点为止。当干扰导致点向流量减小方向偏离时，工作点就继续向流量减小的方向移动，直至流量等于零为止。因此，泵（或风机）一旦受到干扰，工作点就向右或向左移动，再也不能回到原来位置点，故点称为不稳定工作点。泵或风机具有驼峰形性能曲线是其产生不稳定运行的原因。对于这一类泵或风机应使其工作点保持在曲线的下降段，以保证运行的稳定性。综上所述，对于具有驼峰形性能曲线的泵（风机）而言，在其扬程（或全压）峰值点的右侧区间运行时，设备的工作点能自动保持平衡、稳定工作，我们把这一稳定的区间称为稳定工作区。而在性能曲线峰值左侧区域运行时，设备的工作状态不稳定，此区域称为不稳定工作区。3. 喘振及其预防当风机在非稳定工作区运行时，可能导致风机输出流体与管网向风机倒灌流体交替出现的现象，此现象称为“喘振”。并非在非稳定工作区工作时一定发生喘振。例如，当风机特性曲线峰值左侧的曲线比较平坦，运行工作点离峰值点较近，管网特性曲线的斜率较小，且管网中干扰能量较小、压力波动不大时，风机适当减小输气量后能使压力得到恢复，风机又回到原工作点。此时虽不稳定，但不至于喘振。一般来说，轴流风机比离心式风机更易发生喘振，高压风机比低压风机易发生喘振。喘振现象发生后，设备运行的声音发生突变，流量、全压急剧波动，并发生强烈振动。如果不及时停机或采取措施消除，将会造成严重破坏。喘振的预防方法有：（1）尽量避免设备在非稳定区工作。（2）采用旁通管或放空管。当用户需要的流量较小，使设备工作点移至非稳定工作区时，可通过在设备出口设置的旁通管（风系统可设放空阀门），将多余流量排除，让设备仍在较大流量的稳定工作区运行。此法最简单，但最不经济。（3）增速节流法。此法是通过提高风机的转数，并配合进口节流措施来改变风机的性能曲线，使其工作点进入稳定工作区。图13-11中，、分别为不同转数风机的性能曲线；分别为设备所处管网在节流前后的特性曲线；为设备在增速节流后的性能曲线。点为调节后的运行工作点。图13-11 增速节流法防止喘振泵或风机的最佳工作区是指其运行的既稳定又经济的工作区域。一般是设备最高效率的90%95%以上范围内的区域作为最佳工作区。泵、风机性能表上的给出的性能参数，都在最佳工作区，按其性能表上给出的性能选用设备是合理的。4. 系统效应对工作点的影响通过对系统效应的分析可知，选择合理的进、出口连接方式，可以减小或消除系统效应对泵、风机性能产生的影响。泵、风机与管网连接的注意事项见本章第三节。当确实因实际安装位置限制等原因导致无法避免系统效应时，应在设计、选用泵（或风机）时，将系统效应的影响考虑在内。图13-12影响风机性能示意图如图13-12，在不考虑系统效应的情况下，根据设计流量和对应的管网计算阻力所选风机的性能曲线，与管网特性曲线的交点为1；而实际运行中，由于系统效应的影响，相当于管网特性曲线变为曲线，即如仍选用曲线性能的风机，其实际工作点为4，实际风量小于设计风量。为保证达到设计风量，在选择风机时，应计入设计风量下的系统效应损失。依此选用的风机性能曲线与曲线的交点2，才是达到设计风量要求的实际工作点。因此，在进行风机选择时，应计入系统效应造成的风机性能损失。五、管网系统中泵、风机的联合运行两台或两台以上的泵（或风机）在同一管路系统中工作，称为联合运行。联合运行又分为并联和串联两种情况。其联合运行的目的，在于增加流量或增加扬程（或全压）。图13-13 并联运行（a）两台泵并联；（b）两台风机并联1. 泵（或风机）的并联多台水泵在同一蓄水池取水（或吸水管连结在一起），向同一管路供水，称为泵的并联，如图13-13（a）；13-13（b）是两台风机的并联情况。（1）泵、风机并联工作的特点各台设备的工作压头相同，而总流量等于各台设备流量之和。并联工作主要应用于：1）用户需要流量大，而大流量的泵（或风机）制造困难或造价太高；2）流量需求变化幅度大，通过停开设备台数以流量调节时；3）对供气（或供液）不能间断的情况，为留有设备维护、保养能力时。（2）联合运行曲线绘制根据泵、风机并联工作的特点，台并联泵（或风机）运行的联合性能曲线可按如下方法绘制：1）在坐标系上分别绘出各台泵（或风机）的性能曲线1,2. , . ；2）在横纵坐标上取不同压力值，做水平线，分别与各泵（或风机）性能曲线相交，对应得到，.（）；3）取=+.+按在坐标系上描点连线，即得台泵（或风机）的联合运行曲线。（3） 两台相同的泵（或风机）的并联图13-14 并联运行的工况分析如图13-14，已知一台泵（或风机）的性能曲线，在相同的扬程（或全压）下使流量加倍，便得到两台相同的泵（或风机）并联的性能曲线。与管路性能曲线交与点。点就是并联机组的工作点。是并联后的流量，是并联后的扬程。过点作水平线与单机性能曲线交于点，点是并联机组中一台设备的工作点。扬程；流量。点对应效率曲线上的，就是并联工作时设备的效率。管路性能曲线与单机性能曲线的交点表示的是只开一台设备时的流量，而。可见只开一台设备时的流量，大于并联运行时的流量。这是因为并联后，管路内总流量加大，水头损失增加，所需扬程加大，而多数情况下，泵（或风机）的性能是扬程加大，流量减小，所以并联运行时单台设备的流量减小了。管路的总流量，并联后总流量比并联前增加了。增加的流量，增加的流量小于系统中一台设备运行时的流量。也就是说流量并不是成倍增加的。并联机组增加的流量与管网特性曲线形状有关。管网特性曲线越平坦（即阻抗越小），并联增加的流量越大。因此，当特性曲线较陡时，不宜采用并联工作。（4） 多台相同泵（或风机）的并联图13-15 多台设备并联运行多台相同设备并联时，工况分析如图13-15所示。是单机性能曲线，是两台设备的性能曲线，是三台设备并联时的性能曲线，是管网特性曲线。分别为单机、两台并联及三台并联时的工作点。由图可见，随着并联台数的增多，每增加一台并联设备，所增加的流量愈小，因而效果越差。（5）不同性能泵（或风机）的并联图13-16 不同性能设备并联的工况分析图13-16为两台不同性能设备并联工作时的工况分析。图中曲线、分别是两台设备的性能曲线，（+）是并联机组的性能曲线，是管网性能曲线。并联机组性能曲线的画法是在相同扬程（或全压）下，将与 相加而得。管网特性曲线与并联机组性能曲线交于点，点是并联工作的工作点，其流量为，扬程为。由点做水平线交两台设备性能曲线于两点，就是并联工作时两台设备各自的工作点。流量为、，扬程相等，即。总流量为各台设备的流量之和，即。并联前每台设备各自的工作点是和。由图看出：; 。这表明，两台不同性能的设备并联工作时，总流量小于并联前各设备单独工作的流量之和。其流量减少的程度与管网性能曲线形状有关，管网性能曲线越陡，总流量越小。两台性能不同的设备并联时，扬程（或全压）小的设备（即性能曲线位于左下方的设备）输出流量很少。当并联工况点移至点时，由于设备的扬程（或全压）不能大于，因而不能输出流量，此时应停开设备。2. 泵（或风机）的串联图 13-17 泵与风机的串联工作 串联工作时，第一台设备的出口与第二台设备的入口连接。图13-17（a）是两台泵的串联，图13-17（b）是两台风机的串联。泵（或风机）串联工作的特点是通过各台设备的流量相同，而总扬程（或全压）为各台设备的总和。串联工作用于以下情况：1）高扬程（或全压）的泵（或风机）制造困难或造价高时；2）在管网改建或扩建时，管网阻力加大，需要扬程（或全压）提高时。图 13-18 串联机组的工况分析两台相同的泵（或风机）串联工作时，工况分析如图13-18。图中曲线是一台设备的性能曲线。根据相同流量下扬程（或全压）相加的原理，得到曲线为两台设备串联工作时的特性曲线。曲线是管网特性曲线，与串联机组性能曲线交与点。点就是串联工作的工作点，流量为，扬程为。由点做垂直线与单机性能曲线交于点。点就是串联机组中一台设备工作时的工作点，流量，扬程。单机性能曲线与管路特性曲线的交点是串联机组中一台设备工作时的工作点。由图可见：以上表明，两台设备串联工作时扬程（或全压）增加了，但是并没有增加到两倍。增加的扬程为。同时串联后的流量也增加了，这是因为总扬程加大，使管路中流体速度加大，流量随之增加。泵（或风机）的性能曲线愈平坦，串联后增加的扬程（或全压）和流量愈大，愈适于串联工作。性能不同的泵（或风机）的串联工作，其分析方法与上述类似，不再讨论。应指出的是，两台泵串联时，后一台泵承受的压力较高，选泵时要注意结构强度。风机串联的特性与泵相同，但因操作上可靠性差，一般不推荐采用。第二节 泵、风机的工况调节 如前所述，泵、风机运行时工作点的参数是由泵、风机的性能曲线与管网特性曲线共同决定的。但是用户需要的流量可能经常变化。为了满足这种要求，必须进行调节。工况调节就是用一定方法改变泵、风机性能曲线或管网特性曲线，来满足用户对流量变化的要求。一、调节管网系统特性改变管网特性曲线最常用的方法是改变管网中的阀门开启程度，从而改变管网的阻力特性（），使管网特性曲线变陡或变缓，以达到调节流量目的。这种调节方法十分简单，应用最广。1. 液体管网系统特性调节图13-19 管网性能调节的工况分析图13-19为管网特性调节工况分析示意图。曲线1、2和3分别为管网初始状态的特性曲线和调节后阻抗增、减的特性曲线；曲线4为泵的性能曲线。关小管网中的阀门，阻抗增大，管网特性曲线变陡，如曲线2所示，工作点移至B，相应的流量由减至。当开大管网的阀门，阻抗减小，管网特性曲线变缓，如曲线3所示，工作点移至C点，相应流量增为。 由于阀门关小额外增加的压头损失为。阀门调节前原来管网中流量为时，需要的压头是。相应多消耗的功率为： （13-8） 可见，由于增加了阀门阻力，额外增加了压力损失，是不经济的。这种方法常用于频繁、临时性的调节。对于液体管路，泵的调节阀通常只能装在压出管上。这是因为吸入管上设置调节阀，增加吸入口的真空值，可能引起泵的气蚀， 泵的气蚀现象及避免气蚀的技术措施将在本章第三节介绍。2.气体管网系统特性调节对于气体管路，可以在风机出口设置调节阀，但如上分析，此种方式经济性较差。较为经济的方式是在其进口设置调节阀，通过吸入口的节流改变风机的进口压力，使风机性能曲线发生变化，以适应流量或压力的特定要求。此种调节方式基于本章第一节所述原理，即风机吸入管路的压力变化，将改变风机的运行性能曲线。图 13-20 风机吸入管路调节的工况分析图13-20中曲线1、分别为初状态下的风机、管网特性曲线。而2、和3、分别为关小和开大吸入管路调节阀之后的风机性能曲线和管网特性曲线。显然，关小吸入管路阀门其工作点移至B点，在同一流量条件下，与采用出口设调节阀时的点相比，消除了因而产生的无益功率消耗：所以，在风机吸入管道上调节的经济性较好，而且简单易行。另一方面，由于在风机入口调节，使风机入口喘振点向小流量方向变化，这就可以使风机的流量调节范围加宽，即有可能在较小的流量下工作。因此，吸入管路调节（亦等同于风机进口节流）是一般固定转数通风机、鼓风机和压缩机广泛采用的调节方法。二、调节泵、风机的性能 泵与风机的性能调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类。 非变速调节方式有：(1)入口节流调节、(2)离心式和轴流式风机的前导叶调节、(3)切削叶轮调节等；而较为方便和常用的是变速调节，尤其变频调速是发展前景较好的调节方式。下面介绍几种主要的调节方式。1. 变速调节泵、风机的变速调节是通过改变其转数，以达到改变泵、风机性能的目的。根据泵、风机的理论，转数改变必然导致泵、风机性能曲线的改变。由泵、风机的相似原理和相似定律可知，在雷诺自模区内，同一泵（或风机）在不同转数下的流体流动是相似的，即泵（或风机）在不同转速时的性能曲线是相似的。由式（8-42）（8-44）可得，不同转速的相似工况之间，主要性能参数具有以下关系：改变泵(或风机)的转数，可以改变泵(或风机)的性能曲线，从而使工作点移动，流量随之改变。在同一管网中，转数改变时泵与风机的相似工作点性能参数变化如下：流量与转数： 扬程与转数： (13-9)全压与转数： 功率与转数： 所以 （13-10） 式（13-10）在工程中可用来判断泵或风机变转速运行时工况是否相似。式（13-10）又可写成： （13-11） 令 则 将式（13-11）绘成曲线，是一条从原点出发的二次抛物线，在这条线上，任意两点之间满足式（13-10）相似工况的判别条件，称为泵（或风机）变转速运行的相似工况曲线。图 13-21 变速调节工况分析 （a）广义特性曲线管网；（b）狭义特性曲线管网 变速调节的工况分析如图13-21所示。图中曲线为转数时泵（或风机）的性能曲线。曲线为管网特性曲线，图（a）为广义特性曲线管网，图（b）为狭义特性曲线管网，。和的交点A就是转数为n时的工作点。转数减小为n时，泵（或风机）的性能曲线为，与管网特性曲线交于B点。 对于图（a）中广义管网特性曲线，有，不满足相似条件，A、B两点不是相似工作点。过B点作相似工况曲线，其中，,与转数为的性能曲线交于C点，C点与B点是相似工作点，满足相似工况性能参数换算公式。 图（b）中所示的狭义管网特性曲线，由管网特性曲线方程和相似工况曲线方程式（13-11）可知，此时管网特性曲线与变转速的相似工况曲线重合，A点与B点是相似工况点，满足相似工况性能参数换算公式。 通过以上的分析，可以得出以下有重要结论：(1) 具有狭义管网特性曲线的管网，当其特性（阻抗）不变时，泵（或风机）在不同转速运行时的工况点是相似工况点，流量比值与转速比值成正比，全压或扬程比值与转速比值的平方成正比，功率比值与转速比值三次方成正比。若变转速的同时，S值也发生变化，则不同转速的工况不是相似工况，上述关系不成立；对于具有广义特性曲线的管网，上述关系亦不成立。(2) 降低转速来调小流量，节能效果非常显著；增加转速来增大流量，能耗增加剧烈。理论上可以用增加转数的方法来提高流量，但转数增加后，使叶轮圆周速度增大，因而可能增大振动和噪声，且可能发生机械强度和电机超载问题，所以一般不采用增速方法来调节工况。 改变泵（或风机）转速有以下几种方法：1) 改变电机转速 以电机拖动的泵（或风机），电动机的转速与交流电的频率和电动机的极对数有如下关系： （r/min） （13-12）式中 电动机运行的转差率。因此，改变电机的p或s以及频率均可调节转速。其中，改变s调速方法效率低，属能耗型调速；变极调速虽然节能效率高，初投资小，但调速档数只有几档，调速范围有限，应用范围受限制。而通过改变电机输入电流的频率来改变电机转数即变频调速的方法是目前最为常用的。它不仅调速范围宽、效率高，而且变频装置体积小，便于安装。2) 调换皮带轮改变泵（或风机）或电机皮带轮的大小，可以在一定范围内调节转数。这种方法的优点是不增加额外的能量损失，缺点是调速范围有限，并且要停机更换。3) 采用液力联轴器 液力联轴器是安装在电机与泵（或风机）之间的传动设备。它和一般联轴器不同之处在于通过液体（如油）来传递转矩，从而在电机转数恒定的情况下，改变泵（或风机）的转数。2、进口导流器调节图 13-22 进口导流器简图（a）轴向导流器； （b）径向导流器离心式通风机常采用进口导流器进行调节。常用的导流器有轴向导流器与径向导流器，如图13-22所示。导流器的作用是使气流进入叶轮之前产生预旋。由欧拉方程可知，。当导流器全开时，气流无旋进入叶轮，此时叶轮进口切向速度，所得全风压最大。向旋转方向转动导流器叶片，气流产生预旋，使切向分速加大，从而全风压降低。导流器叶片转动角度越大，产生预旋越强烈，全风压越低。图 13-23 进口导流器调节图13-23是采用导流器调节方法的工况分析图。导流叶片角度为0°、30°、60°，风机的性能曲线为、，与管路性能曲线交于A、B、C三点，是三种情况下的工作点，流量分别为。采用导流器调节方法，增加了进口的撞击损失，从节能角度看，不如变速调节，但比阀门调节消耗功率小，也是一种比较经济的调节方法。此外，导流器结构比较简单，可用装在外壳上的手柄进行调节，在不停机的情况下进行，操作方便灵活。3、切削叶轮调节 泵（或风机）的叶轮经过切削，外径改变，其性能随之改变。泵（或风机）的性能曲线改变，则工作点移动，系统的流量和扬程（或全压）改变，达到节能的目的。 叶轮经过切削与原来叶轮不符合几何相似条件，切削前后性能参数不符合相似律。由于切削量不大，可近似认为切削前后的出口安装角不变。叶轮直径变为，圆周速度变为。由于不变，速度三角形相似，见图13-24。图 13-24 切削叶轮及速度图叶轮切削前后的速度比为： 叶轮切削前后的性能参数之间关系如下（近似认为容积效率、排挤系数、流动效率、涡流系数相等，即、）：(1) 对于低比转数的泵（或风机），叶轮切削后出口宽度变化不大，可以认为，则性能参数关系为： （13-13） （13-13）式称为第一切削定律。(2) 对于中、高比转数的泵（或风机），叶轮切削前后可以认为出口面积不变，性能参数关系为： （13-14）上式称为第二切削定律。图 13-25削叶轮调节的工况分析切削叶轮进行调节的工况分析如图13-25所示。图中曲线是叶轮直径为的泵（或风机）的性能曲线，曲线是管网性能曲线，交点A是工作点。欲将工作点调至管网特性曲线上的B点，通过B点泵（或风机）的性能曲线，叶轮直径为。为了求出，需要找出曲线上与B点运动相似的工作点，因为切削定律是由运动相似推导出来的，为此需求出运动相似的切削曲线。由于有两个切削定律，切削曲线也有两条。对于低比转数的泵与风机，由式（13-13），有：则 （13-15） 将B点的代入计算，得出的切削曲线是一条直线，见图13-25中曲线，与叶轮切削前的性能曲线交于C点，C点与B点满足运动相似条件。应用第一切削定律，得 (13-16)对于中、高比转数的泵（或风机），由式（13-14），有则： （13-17）将代入计算，得切削曲线是一条二次抛物线，见图13-25中曲线，与叶轮切削前的性能曲线交于D点。D点与B点满足相似条件，应用第二切削定律，得 （13-18） 切削叶轮的调节方法，其切削量不能太大，否则效率明显下降。水泵的最大切削量与比转数有关，如表13-1所示。 叶轮最大切削量 表13-1泵的比转数60120200300350350以上允许最大切削量20%15%11%9%7%0%效率下降值每切削10%下降1%每切削4%下降1%对于水泵，制造厂通常对同一型号的泵，除标准叶轮以外，还提供几种经过切削的叶轮供选用。如2BA-6型泵，标准叶轮直径为163mm。切削一次为2BA-6A型，叶轮直径为148mm。切削两次为2BA-6B型，叶轮直径为132mm。切削后的叶轮使用时仍装于原机壳内，调节时只需换用叶轮即可。切削叶轮的调节方法，不增加额外的能量损失，设备的效率下降很少，是一种节能的调节方法。缺点是需要停机换装叶轮，常用于水泵的季节性调节。【例13-1】 已知水泵性能曲线如下图。管网阻抗mH2O（m3/s）2,静扬程m,转速r/min。试求：图13-26 例13-1图（1）水泵的流量、扬程、效率及轴功率；（2）用阀门调节方法使流量减少25%，求此时水泵的流量、扬程、轴功率和阀门消耗的功率。（3）用变速调节方法使流量减少25%，转速应调至多少？ 【解 】（1）由管网特性曲线方程 ,计算得：Q (10-3m3/s)0246810(m)1919.3020.22221.7423.8616.60管网特性曲线与泵的曲线交与点。m3/s m kW(2)阀门调节m3/s,查图 kW由点做垂直线与管路性能曲线交与点m m阀门消耗的功率 kW (3)变速调节将工况点调至点，相似工况曲线的特性曲线方程其中 : mH2O(m3/s)2(10-3m3/s)66.3878(m)19.5522.0926.6134.75相似工况曲线与泵的曲线交与点m3/s, 由得 r/min【例13-2】 上题中水泵的直径mm,如果用切削叶轮方法使流量减少25%，问应切削多少？图13-27 例13-2图【解 】首先计算水泵的比转数。效率最高点，m3/s,m属于低比转数的水泵，采用第一切削定律，切削曲线是直线。当m3/s时，m.两点即可画出切削曲线，与泵的曲线交与点，m3/smm切削率 在允许范围内。第三节 泵与风机的安装位置一、泵的气穴与气蚀现象 液体在某个温度下，如果压力低于该温度对应的饱和蒸汽压力，即会汽化。水在不同温度下的饱和蒸汽压见表13-2，压力越低，温度越高，水越容易发生汽化。水泵工作时，叶片背面靠近吸入口处的压力达到最低值（以表示）。泵中最低压力如果降低到工作温度下的饱和蒸汽压（以表示）时，液体就会大量汽化，溶解在液体里的气体也自动逸出，出现“冷沸”现象，形成大量汽泡。汽泡随液体进入叶轮的高压区域时，汽泡突然被四周水压压破，液体因惯性以高速冲向汽泡中心，在汽泡核心产生强烈的局部水锤现象，其瞬间的局部压力，可以达到数十兆帕。此时可以听到汽泡冲破时的炸裂噪声，这种现象成为气穴。水的饱和蒸汽压力 （） 表13-2水温（）05102030405060708090100饱和蒸汽压力（kPa）0.60.91.22.44.37.512.520.231.748.271.4103.3 气穴区域一般位于叶片进口的壁面处，金属表面承受着局部水锤作用，其频率可达2000030000次/s之多。经过一段时间后，金属会产生疲劳，其表面开始呈蜂窝状；随之，应力更为集中，叶片出现裂缝和剥落。当流体为水时，水和蜂窝表面间接触，蜂窝的侧壁与底板间产生电位差，引起电化学腐蚀，使裂缝加宽。最后，几条裂缝相互贯穿，达到完全蚀坏的程度。泵在