水泵站第二章.ppt

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1、第二章 叶片式流体机械能量转换2-3 流体在叶轮中的运动分析2-4 叶片式流体机械的基本方程2-5 安装角对叶轮性能的影响 2-4 离心泵的特性曲线2-5 离心泵装置的总扬程2-6 流体机械内的能量平衡2-7 流体机械的效率 2-8 有限叶片数的影响2-9 反作用度 2-1 流体在叶轮中的运动分析一、几个概念及进出口边符号确定二、叶轮中的介质运动 1速度的合成与分解 2.绝对运动和相对运动三、几个基本概念 1流面 2.轴面流线 3.过流断面一、几个概念及进出口边符号确定流体机械叶片表面一般是空间曲面，为了研究流体质点在叶轮中的运动规律，必须描述叶片。叶片在柱坐标下是一曲面方程，但解析式一般不可

2、能获得。工程上借助几个面来研究：1 平面投影：平面投影是将叶片按工程图的做法投影到与转轴垂直的面上。2 轴面（子午面）：通过转轮上的一点和转轮轴线构成平面：（一个转轮有无数个轴面，但是每个轴面相同）3 轴面投影：它是将叶片上每一点绕轴线旋转一定角度投影到同一轴面上的投影，叫轴面投影。如图22。4 流线如图24。5 迹线6 轴面流线如图24。进出边符号确定：P-代表高压边 S-代表低压边P对风机，泵，压缩机，一般出口边对水轮机进口边S对风机，泵，压缩机，一般是进口边，对水轮机是出口边对泵而言：2-代表高压出口边 1-代表低压进口边二、叶轮中的介质运动 1速度的合成与分解 2.绝对运动和相对运动

3、1速度的合成与分解 流体机械的叶片表面是空间曲面，而转轮又是绕定轴旋转的，故通常用圆柱坐标系来描述叶片形式及流体介质在转轮中的运动。在柱坐标中，空间速度矢量式可分解为圆周，径向，轴向三个分量。将Cz,Cr合成得Cm,Cm位于轴面内（和圆周方向垂直的面），故又叫轴面速度。如图23所示.2.绝对运动和相对运动 在流体机械的叶轮中，叶片旋转，而流体质点又有相对转轮的运动，这样根据理论力学知识质：叶轮的旋转是牵连运动。流体质点相对于叶轮的运动叫相对运动，其速度叫相对速度，这样，流体质点的绝对速度为 这两速度的合成，即 其中 是叶轮内所研究的流体质点的牵连速度。绝对速度和相对速度 如图2-7,14,15

4、所示.三、几个基本概念流面：在叶轮机械中，空间流线绕轴线旋一周形成的回转面叫流面。对于一个叶轮又无数个流面。径流式：流面可以近似看成一个平面。轴流式：流面可以近似看成一个圆柱面，展开后是平面。混流式：流面是一个曲锥面，不可展开。有时为了研究方便，近似看成一个圆锥面。圆锥可以展开。轴面流线：流面与轴面的交线叫轴面流线。（一个转轮有无数条轴面流线）过流断面（过流断面面积）在轴面上作一曲线与轴面流线正交，该曲线绕轴线旋转一周而形成的回转面称轴面流动的过流断面。该断面面积决定了轴面速度的平均值。过流断面面积：2-2 叶片式流体机械的基本方程一、进出口速度三角形 (一)工作机的进出口速度三角形 (二)原

5、动机的进出口速度三角形二、欧拉方程式三、基本方程式的其它形式四、基本方程式的讨论五、叶片式流体机械设计理论概述(一)工作机的进出口速度三角形 从水头、扬程等定义看，要研究叶片与介质的能量交换，研究叶片进出口的流动非常重要。以纯径向叶轮为例来研究。已知：n,qv。1.进口速度三角形 进口速度三角形计算步骤 2.出口速度三角形 出口速度三角形计算步骤 进口速度三角形计算步骤 进口处轴面液流过流断面面积 由于叶片存在阻塞。排挤系数：于是真实 Cu1和 1的确定 若无导流器，对于直锥形，弯管形，环形吸入室，Cu1=0。对于有导流器及半螺旋形吸入室，Cu1的值依吸入室尺寸或导流叶片的角度定。一般取流体进

6、入叶片无冲击，称无冲击入口（进口）。出口速度三角形计算步骤 圆周速度 出口轴面速度 出口流动角 一般认为，在叶片数无限多假定下介质流动的相对速度方向一定于叶片相切，但在叶片数有限情况下，如何画呢？目前难以确定，得求助于其他条件。(二)原动机的进出口速度三角形以水轮机为例说明：反击式水轮机：进口速度三角形及出口速度三角形 冲击式水轮机：进口速度三角形及出口速度三角形反击型水轮机进口速度三角形1已知（依导水机构，活动导叶工作情况定）出口速度三角形当 ，这时的出口情况叫法向出口。这种水轮机，在一定流量下，法向出口流速小（），带走的能量小，水轮机效率高。冲击式水轮机特点：冲击式水轮，水流不充满叶间流道

7、，具有一个自由表面，故轴面速度和Cm和流道尺寸无直接关系。进口速度三角形 ,为喷嘴出口面积 此时速度三角形退化为一条直线。出口速度三角形 二、欧拉方程式欧拉方程推导的假设：叶片上的叶片数无穷多，叶片无限薄；叶轮内流动是轴对称的，相对流动是定常的；流体无粘性。欧拉方程式推导过程。解释：应用动量矩定量推导，取控制体如虚线所示。单位时间流出控制面的流体动量矩为流入的动量矩为由于流动定常，控制面内的动量矩不变，因此，依动量矩定理有：若不考虑叶轮内的水力损失：即叶片后流体的功率 三、基本方程式的其它形式推导势扬程动扬程四、基本方程式的讨论1.适用于一切叶片泵2.与过流介质物性无关3.如何提高扬程:n,r

8、24.垂直入流时：5.基本方程式的修正（1）有限叶片数的影响 滑移轴向漩涡（2）流体粘性的影响水力效率2.5安装角对叶轮性能的影响1.进口安放角结论：随着进口安放角减小：2.出口安放角结论：随着进口安放角增加：（1）叶轮型式的变化：后弯径向前弯（2）流道形状的变化：后弯：流道平缓，弯度小，水力损失小，效率高前弯：流道有两个方向的弯曲，弯度大，水力损失大，效率低径向：介于上述两者之间（3）势、动扬程的变化（板析）板析）后弯：势扬程最大，动扬程最小前弯：势扬程最小，动扬程最大小径向：介于上述两者之间2.6 离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线水泵的性能参数，水泵的性能参数，标志着水泵的性能标志着水泵的

9、性能。水泵各个性能参数之。水泵各个性能参数之间的关系和变化规律，可以用一组性能曲线来表达。对每间的关系和变化规律，可以用一组性能曲线来表达。对每一一台水泵台水泵而言，当水泵的而言，当水泵的转速一定转速一定时，通过试验的方法，可以时，通过试验的方法，可以绘制出相应的一组性能曲线，即水泵的基本性能曲线。绘制出相应的一组性能曲线，即水泵的基本性能曲线。一般以流量一般以流量Q为横坐标，用扬程为横坐标，用扬程H、功率、功率N、效率、效率和允许和允许吸上真空度吸上真空度HsHs为纵坐标，绘为纵坐标，绘Q QH H、Q QN N、Q Q、Q Q HsHs曲线。曲线。结论：结论：Q QH H曲线是下降的曲线，

10、即随流量曲线是下降的曲线，即随流量Q Q的增大，的增大，扬程扬程H H逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率点点10%10%左右）左右）一、流量和扬程曲线一、流量和扬程曲线结论：结论：Q QH H曲线是下降的曲线，即随流量曲线是下降的曲线，即随流量Q Q的增大，的增大，扬程扬程H H逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵逐渐减少。相应与效率最高值的点的参数，即水泵铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（不低于最高效率铭牌上所列的各数据。水泵的高效段（

11、不低于最高效率点点10%10%左右）左右）二、流量与轴功率曲线二、流量与轴功率曲线离心泵的轴功率随流量增加而逐渐增加，曲线有上升的离心泵的轴功率随流量增加而逐渐增加，曲线有上升的特点。特点。当流量为零时（闸阀关闭），轴功率最小。因此，为便当流量为零时（闸阀关闭），轴功率最小。因此，为便于离心泵的启动和防止动力机超载，启动时，应将出水于离心泵的启动和防止动力机超载，启动时，应将出水管路上的闸阀关闭，启动后，再将闸阀逐渐打开，即水管路上的闸阀关闭，启动后，再将闸阀逐渐打开，即水泵的闭阀启动。泵的闭阀启动。轴流泵与离心泵相反。轴流泵与离心泵相反。一、流量和扬程曲线一、流量和扬程曲线效率曲线为从最高点

12、向两侧下降的变化趋势。效率曲线为从最高点向两侧下降的变化趋势。四、流量与允许吸上真空度曲线四、流量与允许吸上真空度曲线离心泵流量与允许吸上真空度曲线是一条下降的曲线。离心泵流量与允许吸上真空度曲线是一条下降的曲线。而离心泵流量与汽蚀余量而离心泵流量与汽蚀余量(H(HSVSV或或h)h)曲线是一条上升的曲曲线是一条上升的曲线。线。三、流量效率曲线三、流量效率曲线离心泵的试验性能曲线离心泵的试验性能曲线:在一定的转速下测定水泵扬程、轴功率、效率在一定的转速下测定水泵扬程、轴功率、效率与流量之间的关系，并绘出完整的性能曲线。与流量之间的关系，并绘出完整的性能曲线。水泵样本或产品目录中除了以性能曲线表

13、示水泵的性能外，还以表格水泵样本或产品目录中除了以性能曲线表示水泵的性能外，还以表格的形式给出水泵的性能。的形式给出水泵的性能。12SH-612SH-6型泵性能表型泵性能表水泵型号流量Q扬 程H (m)转 速n (r/min)功 率 P(KW)效 率(%)允许吸上真空度(m)叶轮直径D(mm)重量(kg)12SH-6m3/sL/s轴功率配套功率590164981450213300745.45408477922209025077.54.593626082279753.5离心泵的试验性能曲线离心泵的试验性能曲线离心泵的通用性能曲线离心泵的通用性能曲线:水泵在水泵在不同转速下不同转速下的性能曲线用的

14、性能曲线用同一个比例尺，绘在同一个比例尺，绘在同一坐标内同一坐标内而得到的性能曲线。而得到的性能曲线。H=KQ2 （相似工况抛物线或等效率线）（相似工况抛物线或等效率线）离心泵的通用性能曲线离心泵的通用性能曲线离心泵的通用性能曲线图离心泵的通用性能曲线图水泵的系列型谱图水泵的系列型谱图离心泵的综合性能图：离心泵的综合性能图：把一种或多种泵型不同规格的一系列把一种或多种泵型不同规格的一系列泵的泵的QH性能曲线工作范围段综合绘入一张对数坐标图性能曲线工作范围段综合绘入一张对数坐标图内，即成为水泵的综合性能曲线图（水泵的系列内，即成为水泵的综合性能曲线图（水泵的系列型谱图型谱图）。）。这不仅扩大该泵

15、的适用范围，而且在选用水泵使需要的这不仅扩大该泵的适用范围，而且在选用水泵使需要的工作点落在该区域内，则所选定的水泵型号是经济合理工作点落在该区域内，则所选定的水泵型号是经济合理的。的。图为图为 BA 型泵的综合性能图型泵的综合性能图图中每个注有型号和转速的四边形，代表一种泵图中每个注有型号和转速的四边形，代表一种泵在其叶轮外径允许车削范围内的在其叶轮外径允许车削范围内的Q 一一H，用单线，用单线者表示叶轮外径未经车削，图中有三条线者，则者表示叶轮外径未经车削，图中有三条线者，则表示该泵还有两种叶轮外径的规格表示该泵还有两种叶轮外径的规格IS型单级单吸泵的综合性能图泵的综合性能图BA 型泵的综

16、合性能图型泵的综合性能图本课教学内容基本要求本课教学内容基本要求 1.离心泵装置的总扬程：离心泵装置的总扬程：“装置装置”的的含义，扬程公式的形式、导出、适用条含义，扬程公式的形式、导出、适用条件。件。2.离心泵的基本性能曲线、通用性能曲离心泵的基本性能曲线、通用性能曲线、综合性能曲线图概念及意义。线、综合性能曲线图概念及意义。2.7 离心泵装置的总扬程离心泵装置的总扬程 离心泵基本方程式揭示了决定离心泵基本方程式揭示了决定水泵本身扬程水泵本身扬程的一些的一些内在内在因因素。这对于水泵的设计、选型以及深入分析各个因素对泵性素。这对于水泵的设计、选型以及深入分析各个因素对泵性能的影响是很有用处的

17、。然而，在水泵实际应用必然要与能的影响是很有用处的。然而，在水泵实际应用必然要与管管路系统路系统以及许多以及许多外界条件外界条件(如江河水位、水塔高度、管网压力如江河水位、水塔高度、管网压力等等)联系在一起的。在下面的讨论中，把水泵配上管路以及一联系在一起的。在下面的讨论中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为切附件后的系统称为“装置装置”。水泵水泵+动力机、传动设备动力机、传动设备水泵机组水泵机组 +管道及附件管道及附件 水泵装置水泵装置 离离心心泵泵装装置置总总扬扬程程图图离心泵装置总扬程的确定离心泵装置总扬程的确定以吸水面以吸水面0-0为基准面，列出进水断面为基准面，列出进水断面11及

18、出水断及出水断面面22的能量方程式。则扬程为的能量方程式。则扬程为其中其中:p1=pa-pvp2=pa+pdpa-大气压力（MPA）PV-真空表读数（MPA）Pd-压力表读数（MPA）因此，可以把正在运行中的水泵装置的真空表和压力表的读数相加，就可得该水泵的工作扬程。列基准面列基准面00和断面和断面11的能量方程式：的能量方程式：列断面列断面22和断面和断面33的能量方程式：的能量方程式：Hss水泵的吸水高度；Had水泵的压水高度；则：H=HV+Hd=Hss+Hsd+hs+hd=HsT+h HsT 水泵的静扬程例岸边取水泵房，如图，已知下列数据，求水泵扬程水泵流量Q=120L/S，吸水管路L1

19、=20m，压吸水管路L2=300m（铸铁管），吸水管径Ds=350m，压水管径Dd=300m，吸水井水面标高58.0m，泵轴标高60.0m，水厂混合池水面标高90.0m。吸水进口采用无底阀的滤水网，90弯头一个，DN350X300渐缩管一个。解 水泵的静扬程：HST90-58=32m 吸水管路中沿程损失：h1il (i可查给水排水设计手册)，h1 0.0065X200.13mDN=350mm时，管中流速v11.25m/s DN=300mm时，管中流速v2 1.70m/s吸水管路中局部损失(h2)：图混合池混合池混合池思考算题1，如图所示的水泵装置。水泵从一个密闭水箱抽水，输入另一密闭水箱，水箱

20、内的水面与泵轴齐平，试问：(1)该水泵装置的静扬程HsT?(m)(2)水泵的吸水地形高度Hss?(m)(3)水泵的压水地形高度Hsd?(m)图作业P21-22123要求：星期五上课前必须完成，并在课堂上抽查。2-6 流体机械内的能量平衡（一）流体机械内的损失类型1.机械损失：轴承、轴封处的摩擦引起的损失（认为和水力参数无关）a)摩擦损失；b)圆盘损失：转轮克服盖板的摩擦阻力 2.容积损失:容积损失是由于通过间隙的泄漏而引起的流量损失。这些容积损失：在水轮机中，是水流流过水轮机，但没经过转轮，故水流对转轮没做功。在泵、风机中：流量 在内部不断循环，不断从叶片获得能量，消耗在节流损失上；流量是从叶

21、轮中能量汇流到外面，所获得能量也就损失掉了。3.流动损失（水力损失）:指具有粘性的介质在流过流体机械中引起的损失。流动损失包括：a)摩擦损失；b)分离损失（或扩散损失）；c)冲击损失；d)二次流损失；e)其它损失。（二）流动损失分析 1.摩擦损失 流体机械腔体内的流动规律腔体内压力分布：圆盘摩擦损失的计算 是轮盖地密封部分从高压区泄漏到低压区 是体积流量泄露到外部 应指出 并没有完全损失,在开式腔体的流体机械中,能回收一部分能量.因在开式腔中,离心力使一部分高能液体(靠近壁面)的微团进入压水室,提高泵的扬程,回收了一部分能量,故泵一般设计成开式泵腔。由于泄漏时扬程改变。有泄漏时：不考虑时:可见

22、,由于泄漏存在,扬程降低,这也说明,泄漏液从叶轮 中得到能量并没有全部损失,其中部分能量用减小理论扬程及水力功率形式回收了。2.流动损失 a)磨擦损失是Re和(管壁相对粗糙度)的函数，当ReRecr 时,只是 的函数,流体机械一般流动ReRecr,所以减小 对提高 影响不大。R,水力半径，设计尽量使水力半径大，即湿润周边长。b)分离损失主要发生在沿流动方向压力升高(逆向压力梯度)的情况下。发生于泵，风机，压缩机的扩压元件中,水轮机的压水管。减小分离损失,要控制扩散的扩散程度.可压缩介质 60-70对扩散角要求 当是圆形 不可压介质 Recr(气流和阻力平方区分界）阻力系数不随雷诺数变化，仅是相对粗糙度的函数。叶片式流体机械一般有ReRecr。故Re对流动损失影响不大。对可压介质，应考虑Ma对流动损失的影响，Ma的定义是流动速度与当地音速之比，即图282 反作用度与速度三角形的关系图283 径向叶轮的情况图284 反作用度与叶轮尺寸的关系