第二章流體輸送機械

第一節概述第二節離心泵第三節往復泵第四節其他化工用泵第五節氣力輸送機械流體在流動過程中將損失部分機械能，只能由高能位向低能位處流動。但在多數情況下需將流體由低能位向高能位處輸送，因而為完成輸送任務必須依靠輸送機械向流體補加足夠的機械能。用以輸送液體的機械通稱為泵輸送氣體的機械按不同的情況稱為通風機，

鼓風機，壓縮機，真空泵等。本章主要介紹常用輸送機械的工作原理和特性，以便選擇與使用。第一節概述一、離心泵作用向流體提供能量：用于提高流體勢能（低能位向高能位輸送流體）和克服管路的阻力損失。銘牌:二、輸送流體所需能量

1、管路特性曲線方程H：單位重量流體需補加的能量K由管路特性決定管路特性方程該式表明了管路中流體的流量與需補加能量的關系一般情況下，動能差一項可忽略管路特性曲線低阻管路高阻管路Hqv122、壓頭（揚程）與流量是輸送機械的主要技術指標

壓頭He：指輸送機械向單位重量流體提供的有效能量，J/N輸送機械向流體提供的能量He應與管路所需補加能量H相等流體輸送機械在不同流量下壓頭也不同，壓頭與流量的關系由輸送機械本身特性決定，是流體輸送機械的主要技術指標，討論He～qV關系，即確立泵的特性方程是本章的主要內容。

He=H三、流體輸送機械分類

按流體性質輸送液體—泵：離心泵、往復泵輸送氣體—機：通風機、鼓風機、壓縮機按工作原理

容積式（正位移式）：壓縮機、旋轉泵動力式（葉輪式）：離心泵、軸流泵1、泵結構第二節離心泵

葉輪(1、2、3、4）

向流體做功泵殼使動能→勢能，是能量轉化裝置一、離心泵工作原理2、旋轉流體的考察方法第一章中只是介紹了流體在重力場中的能量守恒及轉換流體質點的考察方法：拉格朗日法及歐拉法旋轉流體的考察方法：靜止坐標參照系旋轉坐標參照系3、離心力場中的機械能守恒

（1）液體在葉片間的運動

—切向速度（流體隨葉輪旋轉具有的速度）

—相對速度（流體沿葉輪間通道流動，相對于葉輪的速度）C—絕對速度（與的向量和）c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）離心泵流量：

注：出口截面積徑向管口流速三者關系：

（余弦定理）

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1r2b2u2c2w2旋轉坐標系：葉輪水平放置，葉輪進出口截面列柏氏方程：為總勢能，包括常規勢能和離心力場勢能以相對速度計的動能

（3）機械能守恒——假定：理想流體無阻力損失、定態流動12說明：

葉輪通道內，切向速度u與半徑有關相對速度w與葉片間流道有關，外緣流道寬，相對速度w小。12靜止坐標系：離心泵理論壓頭（1）、（2）式表明：離心泵以勢能和動能兩種形式向流體提供能量。對于常用的后彎葉片葉輪，，而且w1>w2，說明提供能量中勢能所占比例更大。離心泵設計:為使HT大，cosα1=0，因此使流體從徑向進入葉輪，此時α1=90ο消去其中w1、w2，得：故：離心泵理論壓頭c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（1）流量對壓頭的影響

由圖可知：

3、離心泵理論壓頭的影響因素

c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1二式代入上式中：所以離心泵理論HT-qV圖c2w2u2r2β2c1w1u112α2

α1

β1（2）葉輪形狀對理論壓頭的影響

(a)(b)(c)為什么采用后彎葉片？后彎可獲得較高能量利用率理論壓頭=勢能+動能前彎C2大，動能雖大，但流體動能經蝸殼部分轉化為勢能過程中，阻力損失也大。為獲得較高的能量利用率，采用后彎葉片。(a)（3）液體密度對壓頭的影響

但是在同一壓頭下，泵進出口的壓差與ρ成正比對1—1及2—2截面間用柏努利方程

根據：

同一臺泵提供的理論壓頭相同，HT與ρ無關，12氣縛：由于沒有灌泵，或泵體密封不嚴，使得泵內存氣，啟動泵后發生吸不上液體的現象。這一現象稱氣縛，氣縛現象發生后，泵無液體排出，無噪音、振動。為避免氣縛應灌泵或檢查泵體的密封性。

離心泵啟動時為什么要先灌泵？1、泵的有效功率和效率機械損失：軸承機械摩擦

有效壓頭，低于

qv

實際流量Pe

有效功率

Pa軸功率，由電機輸入

泵總效率

水力損失：流體沖擊形成旋渦，管道沿程阻力

容積損失：出口液體因縫隙泄漏返回入口

二、離心泵特性曲線小型水泵：一般為5070%，大型泵：可達90%以上離心泵理論HT-qV圖a理論壓頭b環流損失d沖擊損失c阻力損失HTqV離心泵有效He-qV圖有效壓頭泵的理論壓頭與有效壓頭的關系2、離心泵的特性曲線前面討論的管路特性曲線，表明的是管路中流體流量與所需補加能量的關系管路特性方程高勢能低勢能流動V1低阻力管路系2高阻力管路系統0有效壓頭與流量的關系He～qV效率與流量的關系η～qV軸功率與流量的關系Pa～qV通過實驗測定

具體測定方法見p74.例2-1離心泵特性曲線：離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線離心泵的He、η、Pa

都與離心泵的qV有關，它們之間的關系由確定離心泵壓頭的實驗來測定，實驗測出的一組關系曲線：He~qV、η~qV、Pa~qV——離心泵的特性曲線注意：特性曲線隨轉速而變。各種型號的離心泵都有本身獨自的特性曲線，但形狀基本相似，具有共同的特點離心泵在一定轉速下有一最高效率點。離心泵在與最高效率點相對應的流量及壓頭下工作最為經濟。與最高效率點所對應的qV、He、Pa值稱為最佳工況參數。離心泵的銘牌上標明的就是指該泵在運行時最高效率點的狀態參數。離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線思考：1、離心泵啟動和關閉時出口閥門應關閉還是打開，why？離心泵啟動時，應關閉出口閥，使啟動電流最小，以保護電機。停泵前關閉泵的出口閥門是為了防止高壓液體倒流，對泵造成損害。2、離心泵啟動時，出口閥門應關閉，此時qV＝0時，Pa=0？離心泵的軸功率隨流量的增加而上升，流量為零時軸功率最小。離心泵n＝2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0He/mPakWqV

/(m3/h)離心泵的特性曲線3、離心泵特性曲線的影響因素

1）液體性質的影響

密度離心泵的流量

與液體密度無關。

離心泵的壓頭

與液體的密度無關

He～qV曲線不因輸送液體的密度而發生變化，泵的效率η不隨輸送液體的密度而變。

離心泵的軸功率與輸送液體密度有關。粘度當輸送液體粘度大于常溫（20℃）清水的粘度時，↑，阻力損失↑，He－qV下降急劇。最高效率點處：qV、He、均，Pa。此時泵的特性曲線發生改變，選泵時應根據原特性曲線進行修正。實驗表明，當輸送液體粘度<常溫（20℃）清水的黏度時，對特性曲線的影響很小，可忽略不計。（2）轉速的影響——按比例換算

轉速改變，離心泵的特性曲線不同。換算條件：設轉速改變前后流體離開葉輪的速度三角形相似，泵效率相等流量之比揚程之比：軸功率之比：流量之比據此可從某一轉速下的特性曲線換算出另一轉速下的特性曲線。三、離心泵的流量調節和組合操作

離心泵的實際工作狀況（流量、壓頭）是由泵特性和管路特性共同決定的。（1）離心泵的工作點（即操作點）兩曲線的交點

He=H聯立求解管路特性方程泵的特性方程1、離心泵的流量調節

OqV1qVHeH1離心泵的工作點A（2）離心泵流量調節

◎

改變管路特性曲線

調節閥門開度OqV2qV1H2HA2關小閥門改變泵的工作點A1qV(m3/h)η◎

改變泵的特性曲線

a、改變轉速

若把泵的轉速n’降低到n：則He~qV線下移，工作點由A1’移至A1，流量由qV1’降為到qV1；則He、Pa均減小。優點：流量隨轉速下降而減小，動力消耗也相應降低；缺點：需要變速裝置或價格昂貴的變速電動機，難以做到流量連續調節，適用于大功率泵。OH(m)調節轉速nA1qV(m3/h)qV1nn’b、車削葉輪

調節不夠方便（1）并聯泵單臺泵不能滿足輸送任務要求可采用多臺泵的并聯和串聯，增大流量或者壓頭。兩泵型號相同，吸入管路相同在同一壓頭下，兩臺并聯泵的流量等于單臺泵的兩倍2、泵的組合操作

將單臺泵特性曲線A的橫坐標加倍，縱坐標保持不變便可得到兩臺并聯泵的合成特性曲線B。A線泵特性曲線C線管路特性曲線B線組合操作曲線

并聯泵的合成特性曲線按同一壓頭下兩臺并聯泵流量是單泵兩倍的原則取點。由圖可見：合成曲線B與管路曲線C交于新工作點2qV單H1CqV并H并AB2（2）串聯泵

在同一流量下，兩臺串聯泵的壓頭為單臺泵的兩倍串聯泵的合成特性曲線按同一流量下兩臺串聯泵的壓頭是單泵兩倍的原則取點的坐標12H單MM’qV串H串HqVOqV單（3）組合方式選擇低阻輸送管道，，并聯優于串聯高阻輸送管道，，串聯優于并聯02468101214161820051015202530354045H/mqV低阻12高阻例題1.教材p95.習題第2-7題某臺離心泵特性曲線可用方程He=20-2qV2表示，式中He為泵的揚程，m；qv為流量：m3/min。現該泵用于兩敞口容器間送液，已知單泵流量為1m3/min，欲使流量增加50%，試問應該將相同的兩臺泵并聯還是串聯使用？兩容器的液面位差為10m。解：管路H=泵He因為Z=10，qV=1，聯立上兩式得K=8單泵可提供壓頭即當管路所需壓頭并聯？串聯？流量已定并聯：同一壓頭，流量加倍串聯，同一流量，壓頭加倍解法2：作圖法—列表、作曲線，找交點坐標作業：P94：1、3、4并聯或串聯，管路方程不變四、離心泵的安裝高度1、汽蝕現象當P1=P1,min時，Pk=PV（液體的飽和蒸汽壓），部分液體會發生汽化，發生汽蝕。Hgp0K1離心泵的安裝高度0葉片進口處K-K是泵中壓強最低處，是最易汽化之處。若發生汽化時（汽蝕），含氣泡的液體過K點進入葉輪后，因葉輪對流體施加壓能后壓強升高，使氣泡凝聚、破碎后產生局部真空，周圍液體高速補充，對葉片造成沖擊和振動；此外，氣泡中挾帶的氧氣對金屬產生化學腐蝕，其結果導致葉片過早損壞，這種現象為泵的汽蝕。汽蝕產生的后果：葉片表面產生蜂窩狀腐蝕；泵體震動，并發出噪音；流量、壓頭、效率都明顯下降；嚴重時甚至吸不上液體。汽蝕現象發生時，流量qV、揚程（壓頭）He

和效率η都明顯下降，嚴重時甚至吸不上液體。因此汽蝕現象是有害的，必須加以避免。那么，如何避免汽蝕現象的產生呢？從前面的分析可知，為避免汽蝕現象的發生：①泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處壓強高于被輸送液體的飽和蒸汽壓PV；②可采取P0↑；③∑hf(0-1)↓；④流體降溫，使流體的飽和蒸汽壓PV↓

。Hgp0K10汽蝕—泵的安裝高度太高，使得部分液體汽化引起；—可以輸液但損壞泵，嚴重時無法工作。氣縛—由于沒有灌泵或泵體密封不良，使泵內存氣造成；—不能輸液汽蝕與氣縛比較：Hgp0K10我國的離心泵規格中采用下述兩種指標——必需汽蝕余量（有的教材給出允許汽蝕余量）和最大允許安裝高度來表示泵的吸上性能，下面簡述這兩種指標的意義，并說明如何利用它們來確定泵的安裝高度不至于發生汽蝕現象。2、臨界汽蝕余量[NPSH]C與必需汽蝕余量[NPSH]r1－1截面與K—K截面：Hgp0K10流量一定，流動進入阻力平方區時（通常均可滿足），[NPSH]C只與泵的結構尺寸有關，由泵廠實驗測定給出。為確保泵正常工作須使P1>P1min，保證PK>PV不發生汽蝕，因此引入實際汽蝕余量NPSH和必需汽蝕余量[NPSH]r[NPSH]r—與流量有關，流量越大，[NPSH]r也越大。按使用過程中可能的最大流量計算。NPSH≥[NPSH]r+0.5米

3、最大安裝高度Hg,max與最大允許安裝高度[Hg]

當泵的安裝位置達到某一極限高度時，剛好發生汽蝕現象，這一極限高度稱為泵的最大安裝高度。0—0及K—K截面間列機械能衡算式

已知求算泵廠提供Hgp0K10討論：影響Hg的因素Hg越大越有利于使用壓差要大—p0↑，

pV↓；流體降溫則PV↓↑Hg阻力損失要小—∑Hf0-1↓，一般d吸＞d出，以減小進口管直租hf，泵進口管路盡量少用管件閥門以減小進口管路局阻hf

。Hgp0K10例題2.教材p96.習題第2-10題.(習題2-9附圖改為習題2-10附圖）

故不能正常，應將泵下移1.6m或塔上升1.6m作業：P96頁：10五、離心泵的類型與選用離心泵的類型清水泵

IS（單級單吸）

D（多級）Sh（雙吸）耐腐蝕泵F油泵YYS（雙吸）液下泵FY（工作原理）屏蔽泵電機葉輪聯為整體，無泄漏泵，也叫無密封泵離心泵的選用（選效率最高的）(1)根據被輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型(2)根據具體管路對泵提出的流量和壓頭要求確定泵的型號第三節往復泵一、往復泵的基本結構與作用原理通過活塞的往復運動直接以壓強能的形式向液體提供能量。泵缸，活塞，活門。曲柄連桿機構帶動圖a單缸單動往復泵的流量曲線圖b單缸雙動往復泵的流量曲線Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

三缸單動往復泵的流量曲線流量不均勻性多缸壓縮空氣室二、往復泵的流量調節單動泵1，2：

雙動泵1，2：—泵缸數目—活塞往復頻率1/min—行程m—活塞截面積—活塞桿截面積—活塞往復一次壓出體積參考P83圖2-26往復泵的流量計算：流量調節

往復泵理論流量僅由活塞掃過的體積決定，與管路情況無關，而提供的壓頭只取決于管路情況正位移特性

注：往復泵壓頭與流量無關，離心泵壓頭與流量有關，二者存在不同之處。特性方程=常數，與管路無關。往復泵的工作點離心泵流量調節可通過出口閥門開度大小調節，實質是調節管路特性。而往復泵流量與管路特性無關，不可安裝調節閥，否則可能造成危險（壓強升高）：機件破損或電機燒毀調節：（1）旁路調節，1：總流量不變，主管與旁路之間流量分配改變，不經濟。（2）改變曲柄轉速和活塞行程（改變泵的特性曲線），常用且經濟第四節其它化工用泵

一、非正位移泵

1、軸流泵：適于壓頭較小，輸液量大。一般不設出口閥，通過改變泵特性曲線調節流量。2、漩渦泵：適于高壓頭，小流量，效率低

二、正位移泵

1、隔膜泵，1

輸送腐蝕性液體或懸浮液，工作狀態2、計量泵

精確輸送流量恒定的液體或比例輸送幾種液體3、齒輪泵

高壓頭，流量小，用以輸送粘稠液體

4、螺桿泵，1

高粘度液體，效率高于齒輪泵隔膜泵計量泵齒輪泵螺桿泵第五節氣體輸送機械

●

通風機●

鼓風機●

壓縮機●

真空泵（1）體積流量大（2）流速大、阻力損失大一、氣體輸送的特點：輸送管路阻力損失:氣體是液體10~100倍則相差100倍對氣體輸送機械的要求：（1）高壓頭（阻力損失大造成）離心式或軸流式：流量大，但是壓頭不夠（2）大流量（氣體密度小體積大，體積流量大）

氣體輸送機械結構與原理：與流體輸送機械基本相同正位移式：高壓頭，但流量通常小，需大設備二、氣體輸送機械分類：

一般以出口壓強大小進行分類，或壓縮比（進出口壓強比）（1）通風機：出口壓強<15Kpa（表壓），壓縮比1~1.15（2）鼓風機：出口壓強15Kpa~0.3Mpa（表壓），壓縮比<4（3）壓縮機：出口壓強>0.3Mpa（表壓），壓縮比>4（4）真空泵：用于減壓，出口壓力0.1Mpa（表壓）壓縮比由真空度決定。1、通風機

（1）分類

軸流式：排送量大，風壓甚小，用以通風換氣，不用于輸送氣體（風扇）離心式：工作原理同離心泵，結構也相同。（2）離心通風機主要參數：流量qV（風量），全壓PT（風壓），功率和效率

說明：離心泵壓頭以單位重量流體為基準，因次為[L],[m]通風機壓頭以單位體積氣體為基準，因次為[ML-1T-2],[Pa]（壓強單位因次）因出口氣速大，動風壓（動能差）不能忽略，不同于離心泵進出口動能差很小，可忽略靜風壓+動風壓則換算：注：

通風機特性曲線測定：0.1Mpa，20℃空氣（）（3）選型

1>求所需風壓PT

2>換算成測試條件下風壓PT’3>求所需流量qV

4>根據風壓和所需流量查風機樣品確定型號2、鼓風機

（1）分類旋轉式羅茨鼓風機離心式離心鼓風機（2）羅茨鼓風機

工作原理：同齒輪泵，屬正位移型，風量與轉速成正比，與出口壓強無關。（3）離