第二章泵与风机基本理论new(精品).ppt

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1、第二章第二章 泵与风机的基本理论泵与风机的基本理论第一节离心式泵与风机的基第一节离心式泵与风机的基本理论本理论第二节轴流式风机的基本理第二节轴流式风机的基本理论论第三节泵与风机的相似理论第三节泵与风机的相似理论1第一节第一节 离心式泵与风机的基本理论离心式泵与风机的基本理论v流体质点在叶轮中的运动流体质点在叶轮中的运动速度三角形；速度三角形；v流体流经叶轮时的能量交换流体流经叶轮时的能量交换 欧拉方程；欧拉方程；v离心叶轮中的能量损失；离心叶轮中的能量损失；2第一节第一节 离心式泵与风机的基本理论离心式泵与风机的基本理论一、速度三角形一、速度三角形叶轮的主要几何尺寸叶轮的主要几何尺寸12叶轮叶

2、轮入口入口叶片叶片入口入口叶轮及叶叶轮及叶片出口片出口3第一节第一节 离心式泵与风机的基本理论离心式泵与风机的基本理论一、速度三角形一、速度三角形流体质点在叶轮中的运动流体质点在叶轮中的运动v绝对坐标系绝对坐标系固结在大地上的坐标系，在绝对坐固结在大地上的坐标系，在绝对坐标系中观察到的流体质点的运动称为标系中观察到的流体质点的运动称为绝对运动绝对运动，；，；v相对坐标系相对坐标系固结在叶轮上，并随叶轮同步运动固结在叶轮上，并随叶轮同步运动的坐标系，这一运动称为的坐标系，这一运动称为牵连运动，牵连运动，在相对坐标，在相对坐标系中观察到的流体质点的运动称为系中观察到的流体质点的运动称为相对运动，相

3、对运动，；4第一节第一节 离心式泵与风机的基本理论离心式泵与风机的基本理论一、速度三角形一、速度三角形流体质点在叶轮中的运动流体质点在叶轮中的运动v绝对坐标系绝对坐标系固结在大地上的坐标系，在绝对坐固结在大地上的坐标系，在绝对坐标系中观察到的流体质点的运动称为标系中观察到的流体质点的运动称为绝对运动绝对运动，；，；c15第一节第一节 离心式泵与风机的基本理论离心式泵与风机的基本理论一、速度三角形一、速度三角形流体质点在叶轮中的运动流体质点在叶轮中的运动v相对坐标系相对坐标系固结在叶轮上，并随叶轮同步运动固结在叶轮上，并随叶轮同步运动的坐标系，这一运动称为的坐标系，这一运动称为牵连运动，牵连运动

4、，在相对坐标，在相对坐标系中观察到的流体质点的运动称为系中观察到的流体质点的运动称为相对运动，相对运动，；设叶片数无限多、无限薄，这一叶轮称为理想叶轮设叶片数无限多、无限薄，这一叶轮称为理想叶轮w2w1c16一、速度三角形一、速度三角形7一、速度三角形一、速度三角形8二、离心式泵与风机的基本方程式二、离心式泵与风机的基本方程式1.理论流量：不考虑泄漏时的流量。理论流量：不考虑泄漏时的流量。叶片排挤系数，表示叶轮出叶片排挤系数，表示叶轮出 口处实际出口截面积与不计口处实际出口截面积与不计 叶片厚度的出口截面积之比叶片厚度的出口截面积之比 值；值；D2叶轮外径；叶轮外径；b2叶片出口宽度；叶片出口

5、宽度；C2r叶轮出口处的径向速度。叶轮出口处的径向速度。C2r92叶片无限多时的理论压头基本方程叶片无限多时的理论压头基本方程 流体在叶轮内的流动十分复杂，用数学方法准确流体在叶轮内的流动十分复杂，用数学方法准确求出其压头是很困难的，只能采用近似方法，在推导求出其压头是很困难的，只能采用近似方法，在推导中，我们假定：中，我们假定：（1）流过叶轮的流体是理想流体，不考虑能量损）流过叶轮的流体是理想流体，不考虑能量损失；失；（2）叶轮是理想叶轮，即叶轮的叶片数为无限多，）叶轮是理想叶轮，即叶轮的叶片数为无限多，叶片无限薄；叶片无限薄；（3）流体不可压缩且流动是定常的。）流体不可压缩且流动是定常的。

6、102叶片无限多时的理论压头基本方程叶片无限多时的理论压头基本方程 单位重量流体所获得的能量，仅与流体在叶片进口单位重量流体所获得的能量，仅与流体在叶片进口及出口处的速度有关，而与流动过程无关。及出口处的速度有关，而与流动过程无关。单位重量流体所获得的能量与被输送流体的种类无单位重量流体所获得的能量与被输送流体的种类无关。也就是说，无论是被输送的流体是液体还是气体，关。也就是说，无论是被输送的流体是液体还是气体，只要叶片进口和出口处的速度三角形相同，都可以得到只要叶片进口和出口处的速度三角形相同，都可以得到相同的压头。相同的压头。单位重量流体所获得的能量与叶轮外缘圆周速度单位重量流体所获得的能

7、量与叶轮外缘圆周速度u2成正比，而成正比，而u2=nD2/60。所以，当其他条件相同时，。所以，当其他条件相同时，叶轮外径叶轮外径D2越大，转速越大，转速n越高，压头就越高。越高，压头就越高。113基本方程的分析和讨论基本方程的分析和讨论动能动能压力能压力能124叶片出口安装角对压头分配的影响叶片出口安装角对压头分配的影响为了讨论方便，令进口切向为了讨论方便，令进口切向速度为零（以后均按此条件进行速度为零（以后均按此条件进行讨论）即讨论）即134叶片出口安装角对压头分配的影响叶片出口安装角对压头分配的影响在离心式泵和风机的设计中，通常设计成叶轮进口截面在离心式泵和风机的设计中，通常设计成叶轮进

8、口截面积与出口截面积相等，则由连续方程知：积与出口截面积相等，则由连续方程知：设设145无限多叶片时的理论压头特性无限多叶片时的理论压头特性无限多叶片的理论压头与理论流量的关系式称为理无限多叶片的理论压头与理论流量的关系式称为理论压头特性方程式，即论压头特性方程式，即HT=f(QT)。而对应的曲线称。而对应的曲线称理理论压头特性曲线论压头特性曲线。现仍令。现仍令c1u=0来讨论。来讨论。156叶片无限多时的理论功率特性叶片无限多时的理论功率特性在没有能量损失的情况下，流体获得的理论功在没有能量损失的情况下，流体获得的理论功率为：率为：167叶片数目有限多时的修正叶片数目有限多时的修正 理论压头

9、线是在叶轮叶片数目为无限多时，水流理论压头线是在叶轮叶片数目为无限多时，水流过叶轮而无能量损失的理想情况下得到的。实际上，过叶轮而无能量损失的理想情况下得到的。实际上，叶轮叶片的数目是有限的，水流过叶轮时有种种能量叶轮叶片的数目是有限的，水流过叶轮时有种种能量损失。损失。在叶片数目有限的情况下，由叶片组成的流道必在叶片数目有限的情况下，由叶片组成的流道必然是由叶轮入口向出口逐渐加宽。当叶轮转动时，各然是由叶轮入口向出口逐渐加宽。当叶轮转动时，各流道内的水，除有沿流道从内向外的正常流动外，还流道内的水，除有沿流道从内向外的正常流动外，还有环流的存在。有环流的存在。177叶片数目有限多时的修正叶片

10、数目有限多时的修正,对于对于c1u=0的叶轮的叶轮，设，设K=HT/HT187叶片数目有限多时的修正叶片数目有限多时的修正对于离心式水泵有对于离心式风机有19例21某离心式水泵的转速n1450 rmin，通过叶轮的理论流量 QT180 m3/h。叶轮外径 D2=320mm，叶片入口直径 D1120 mm。叶片出口宽度b215 mm，叶片出口排挤系数0.93。叶片的出口安装角222.5，叶片数Z7。试计算理论压头HT，并绘出叶轮出口速度三角形。假定液体无旋转地径向进入叶片（即c1u=0).2=22.50D2=320mmD1=120mmb2=15mm202=22.50D2=320mmD1=120m

11、mb2=15mm212=22.50D2=320mmD1=180mmb2=15mm22例例212=22.50u2c2uc2w2c2rw2c223 8离心式泵与风机的能量损失和效率离心式泵与风机的能量损失和效率离心式泵或风机工作时有各种损离心式泵或风机工作时有各种损失。按其产生原因不同可分为水力损失。按其产生原因不同可分为水力损失、容积损失和机械损失三种。失、容积损失和机械损失三种。（1）水力损失：）水力损失：摩擦损失摩擦损失Hf冲冲击损失击损失Hd实际压头：水力效率：24 8离心式泵与风机的能量损失和效率(2)容积损失容积损失 从叶轮获得能量的流体发从叶轮获得能量的流体发生泄漏而引起的能量损失。

12、生泄漏而引起的能量损失。容积效率：25 8离心式泵与风机的能量损失和效率3）机械损失）机械损失 泵或风机的机械损失包括轴承和轴封的摩擦损失以泵或风机的机械损失包括轴承和轴封的摩擦损失以及叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发生的所谓圆及叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发生的所谓圆盘摩擦损失。这些损失使原动机传给泵与风机的输入盘摩擦损失。这些损失使原动机传给泵与风机的输入功率减少，即轴功率不能全部通过叶轮传给流体。功率减少，即轴功率不能全部通过叶轮传给流体。机械效率：机械效率：传给流体所需的理论功率，轴功率26 8离心式泵与风机的能量损失和效率（4）泵与风机的全效率）泵与风机的全效率279泵与风机的

13、实际特性曲线泵与风机的实际特性曲线QHqqQTQT-q289泵与风机的实际特性曲线泵与风机的实际特性曲线29第二节第二节 轴流风机的基本理论轴流风机的基本理论柱柱面面流流动动假假设设平平面面直直列列叶叶栅栅30叶型和叶栅的空气动力特性叶型和叶栅的空气动力特性31一、速度三角形一、速度三角形绝对运动轨迹相对运动轨迹32第二节 轴流风机的基本理论二、轴流风机的基本方程式二、轴流风机的基本方程式假定：假定：1.流体为不可压缩且流动是定常的；流体为不可压缩且流动是定常的；2.流过流过叶轮的流体是理想流体，即旋转叶片的机械能将毫无保叶轮的流体是理想流体，即旋转叶片的机械能将毫无保留地传给流体；留地传给流

14、体；轴流风机离心风机33第二节 轴流风机的基本理论二、轴流风机的基本方程式二、轴流风机的基本方程式34第二节 轴流风机的基本理论二、轴流风机的基本方程式二、轴流风机的基本方程式令令c1u=0，则有，则有 当其它参数不随当其它参数不随r变化变化时，时，PT与随与随r的增加而增大，的增加而增大，这对提高风机的效率是不这对提高风机的效率是不利的，所以同时使利的，所以同时使2随随r变变化，从而使化，从而使PT沿沿r不变，这不变，这就造成了叶片的扭曲。就造成了叶片的扭曲。35第二节 轴流风机的基本理论三、轴流通风机的特性曲线三、轴流通风机的特性曲线1全压与流量（全压与流量（PQ）的特性曲线）的特性曲线3

15、6第二节 轴流风机的基本理论三、轴流通风机的特性曲线三、轴流通风机的特性曲线1全压与流量（全压与流量（PQ）的特性曲线）的特性曲线37第二节 轴流风机的基本理论三、轴流通风机的特性曲线三、轴流通风机的特性曲线2功率与流量（功率与流量（NQ）特性曲线）特性曲线38第二节 轴流风机的基本理论第三节第三节 泵与风机的相似理论泵与风机的相似理论 根据模型实验的结果，进行新型泵或风机的设计，根据模型实验的结果，进行新型泵或风机的设计，或者利用已有泵和风机的参数作为设计的依据，扩展系或者利用已有泵和风机的参数作为设计的依据，扩展系列；列；根据已知泵或风机的实验性能曲线推算与该泵或根据已知泵或风机的实验性能

16、曲线推算与该泵或风机相似的泵或风机的性能曲线；风机相似的泵或风机的性能曲线；根据一台泵或风机在某一状态下的工作参数，换根据一台泵或风机在某一状态下的工作参数，换算成其他工作状态的工作参数（如改变转速）。算成其他工作状态的工作参数（如改变转速）。一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 根据相似原理，要使泵或风机中的流动相似，应满根据相似原理，要使泵或风机中的流动相似，应满足几何相似和动力相似三个相似条件。足几何相似和动力相似三个相似条件。39第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 1几何相似几何相似 几何相似是指相似的泵或风机的各种通流部几何相似是指相似的泵

17、或风机的各种通流部件对应的线性尺寸间的比值为一常数，对应的角件对应的线性尺寸间的比值为一常数，对应的角度相等。度相等。40第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 2运动相似运动相似 运动相似指两相似的泵或风机对应点上流体运动相似指两相似的泵或风机对应点上流体的同名速度大小比值为一常数，方向相同。也就的同名速度大小比值为一常数，方向相同。也就是说，每一对应点上的速度三角形相似。是说，每一对应点上的速度三角形相似。41第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 3动力相似动力相似 动力相似指两几何相似的泵或风机运转时对动力相似指两几何相似

18、的泵或风机运转时对应点的同名力大小比值为一常数，方向相同，有应点的同名力大小比值为一常数，方向相同，有同名的相似准则，且数值相等。同名的相似准则，且数值相等。综上所述，泵或风机的相似条件是：综上所述，泵或风机的相似条件是：模型模型和实物几何相似；和实物几何相似；速度场相似；速度场相似；Re105。42第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 4相似定律相似定律 （1）压头）压头43第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 4相似定律相似定律 （2）流流量量44第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 4相

19、似定律相似定律 （3）功功率率45第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律 4相似定律相似定律46第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律47第三节 泵与风机的相似理论一、相似条件和相似定律一、相似条件和相似定律48第三节 泵与风机的相似理论二二比例定律比例定律对工作介质不变的同一风机或水泵有对工作介质不变的同一风机或水泵有D=Dm，=m比比例例定定律律49第三节 泵与风机的相似理论二二比例定律比例定律由上面可知，对于同一台水泵，当转速改变时，在相由上面可知，对于同一台水泵，当转速改变时，在相应工况下，其流量之比等于转速之比，扬程之比

20、等于应工况下，其流量之比等于转速之比，扬程之比等于转速之比的平方，功率之比等于转速之比的三次方。转速之比的平方，功率之比等于转速之比的三次方。这三个公式称为比例定律。这三个公式称为比例定律。利用比例定律，可以方便地由水泵在某一转速下的特利用比例定律，可以方便地由水泵在某一转速下的特性，推算出在另一转速下的特性，从而扩大水泵的使性，推算出在另一转速下的特性，从而扩大水泵的使用范围用范围50二二比例定律比例定律51第三节 泵与风机的相似理论三、比转数三、比转数相似定律只说明相似泵或风机在相似工况点的性能参相似定律只说明相似泵或风机在相似工况点的性能参数间的关系。由于各种类型泵或风机叶轮形状各异，数

21、间的关系。由于各种类型泵或风机叶轮形状各异，都有自己的性能曲线，这就需要一综合性参数来对泵都有自己的性能曲线，这就需要一综合性参数来对泵和风机进行分类。这个参数就是比转数。和风机进行分类。这个参数就是比转数。52三、比转数三、比转数 当输送介质当输送介质相同时，相同时，m对于对于水泵水泵对于对于风机风机53第三节 泵与风机的相似理论三、比转数三、比转数水泵比转数水泵比转数通风机比转数通风机比转数54第三节 泵与风机的相似理论三、比转数三、比转数 很显然，将两台相似水泵，在相应工况下的性能很显然，将两台相似水泵，在相应工况下的性能参数带入上式，所得结果是相同的。当工况变化时，参数带入上式，所得结

22、果是相同的。当工况变化时，其值也相应变化。习惯上把处于额定工况（最高效率其值也相应变化。习惯上把处于额定工况（最高效率点）下的这个数值，称为该水泵的比转数，用点）下的这个数值，称为该水泵的比转数，用ns 表示。由于相似水泵的额定工况是相似工况，所以，表示。由于相似水泵的额定工况是相似工况，所以，如将同一类型的水泵额定工况下所对应的流量、扬程如将同一类型的水泵额定工况下所对应的流量、扬程和转速代人公式，所得的和转速代人公式，所得的ns 必然相等；而不同系列的必然相等；而不同系列的水泵，水泵，ns 值不同。因此，可以将比转数值不同。因此，可以将比转数ns 作为判断水作为判断水泵是否相似的准则数泵是否相似的准则数55第三节 泵与风机的相似理论