第三章泵与风机的复习要点及例题docx.docx
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第三章泵与风机的复习要点及例题docx
第三章离,《式泵与风机的性矣邑
対泵与风机性能的掌握是至关重耍的,因为泵与风机性能的好坏直接影响着它能否满足生产过程的需要,以及生产过程的安全性、可靠性和经济性。
性能参数和性能曲线是泵与风机性能的具体体现。
本章讨论的是离心式泵与风机的性能。
一、重点、难点提示
1.重点
(1)功率、效率和损失
(2)性能曲线
(3)相似定律和比例定律
(4)比转速
(5)汽蚀
2•难点
(1)三种损失的产生原因、影响因素和减少损失的主要措施
(2)如何rti理论流量与理论扬程(或理论全压)性能躺线定性分析得到实际性能曲线
(3)相似定律(特别是比例定律)的应用
(4)比转速的概念和计算
(5)汽蚀性能参数Z间的关系和计算
3.考核目标
(1)熟知有效功率、轴功率和原动机功率的概念及计算公式,能熟练进行计算。
(2)能画出泵与风机能量平衡图,并能标示出各损失、相应效率和功率。
(3)理解三种损失产生的原因,知道各损失的人小主要与哪些因索有关,知道提高各相应效率的主要措施。
(4)知道离心式泵与风机性能曲线的典型形状和特点,知道热力发电厂主要的泵对qv-H曲线形状的要求。
(5)知道三个相似条件的含义,熟记相似定律公式,明确相似定律的使用条件,能熟练地应用比例定律进行计算,能止确地画出不同转速下的性能曲线,知道通用性能曲线的绘制方法和示意形状。
(6)理解比转速的含义,熟记比转速的计算公式,记住对比转速计算的儿点说明,了解比转速的主要用途。
(7)了解风机无因次性能曲线的作用,掌握风机无因次性能参数与冇因次性能参数Z间的转换关系,拿握风机无因次性能曲线与有因次性能曲线Z间的转换关系,能根据风机无因次性能曲线计算、选择风机的型号。
(8)理解泵发生汽蚀的主要原因,掌握泵发生汽蚀时的主要特征与危害,掌握有关汽蚀性能参数的基本概念、计算关系式,能根据泵的汽蚀性能参数计算确立泵的几何安装高度,记住泵发生汽蚀的判别式,能根据泵的汽蚀性能参数和泵的运行情况计算判断是否发生汽蚀,熟悉热力发电厂中主耍泵的抗汽蚀措施。
二、知识点精析
1.功率、效率和损失
(1)功率
功率是比较熟悉的物理参数,泵与风机的功率分冇效功率、轴功率、原动机功率等,没有明确指明时,泵与风机的功率一般是指泵与风机的轴功率。
有效功率是指单位时间内流经泵与风机的流体实际得到的能量。
轴功率是指由原动机传递到泵与风机轴上的功率,它是泵与风机的输入功率。
原动机功率乂分原动机输出功率和输入功率,没冇明确指明时,原动机功率是指原动机输出功率,热力发电厂中泵与风机的原动机主耍是电动机,大容量机组的锅炉给水泵常采用小型汽轮机作为原动机。
泵与风机各种功率的计算式汇总如衣3-1所示。
表3-1泵与风机各种功率计算公式汇总表
参数名称
符号
单位
计算式
泵
有效功率
Pe
kW
pgq^H
1000
轴功率
P
kW
pgqvH_Pe
1000?
777
原动机输出功率
Pg
kW
PSQvH_P
100077%叽
原动机输入功率
Pg'
kW
pgqE_Pg
1000〃7収r?
g
风机
有效功率
Pe
kW
qw
1000
轴功率
P
kW
久P_Pe
1OOO7777
原动机输出功率
Pg
kW
QvP_P
1000〃%%
原动机输入功率
Pg'
kW
QvP_Pg
1000〃%%仏
上述公式中流量%的单位均为rn^/s,风机全压P的单位均为Pa,计算时应注意流量和风
机全压的单位。
上述公式虽然较多,但是理解了泵与风机的流量、扬程(全压)和各种功率的概念后,记忆非常简单。
在解题计算时,经常冇人把泵功率计算式屮的分子pgqvH与风机功率计算式中的分子
的“混为一谈,虽然计算结果多数是止确的,但是这属于有关概念不淸建,因为泵没有全
压p这个性能参数,风机也没有扬程H这个性能参数。
【例题3—1】某台IR125-100-315型热水离心泵的流量为240m3/h,扬程为120m,泵效率为77%,热水温度为80°C,密度为970kg/m3,试计算该泵有效功率和轴功率的人小。
解:
970x9.81x0.06667x120*…、
=/O.1(kW)
该泵轴功率为:
尸=空=西丄=98.9(kW)
770.77
【例题3-2]某台离心通风机的额定参数为:
流量44090n?
/h,105mmH2O,风
机效率0&。
采用联轴器克联传动,nlm=0.98,収电动机容量富余系数k=1.15,问该风机应选用多人容量的电动机?
解:
=44090=1225(m3/s)
3600
p=105x9.797=1029(Pa)
电动机的容量应为:
p=kqvP=1.15x—=16.8(kW)
&10007777,,,,1000x0.88x0.98
说明:
电动机的容量一般是指电动机的铭牌额定输出功率,在工程实际屮,进行了上述计算后,应查阅冇关电动机产品系列,选用容量等级等于或略大于16.8kW的电动机,对于本题可选用容量为18.5kW的电动机。
风机全压单位换算是1mmHzO等于9.797P/,工程计算时可取10Pao
【例题3-3]某电厂循环水泵的电动机输入功率为1720kW,电动机效率为0.90,直联传动效率为0.98,泵的扬程为20m,循环水的密度为1000kg/m\问该循环水泵的流量为多少立方米/小时(取泵的效率为0.78)?
解:
由公式出=嘶丹得:
(3-1)
'10°0皿皿
nh
p-比厂申-闵二c
p-△匕—典p-△匕—典
(3-3)
(对于风机时为-匕)
Pt
P-△匕-掘
P一△匕
(3-2)
Qvt
_1000他久C
—
pgH
=21712(m7h)
(2)损失与效率
=1000x0.78x0.98x0.90x1720=6()31(点)
1000x9.81x20
泵与风机的损失按其性质可以分为机械损失、容积损失和流动损失三种,损失的大小可以用损失掉的功率和和应的效率來衡量,三种损失与三种效率的关系可以用下列一组公式來农示,根据容积效率和流动效率的含义,式中述列出了容积效率与泄漏流量、流动效率与扬程(或全压)的关系。
(3-4)
机械损失包括•两部分:
一部分是轴承和轴封处的机械摩擦损失△P“】,主耍耳轴承、轴封的结构形式以及流休密度有关;另一部分是叶轮的圆盘摩擦损失APm.2,其大小与叶轮直径的五次方、转速的三次方成正比,与叶轮腔室的具体结构也有关系。
这两种损失都有一个共同的特点,就是它们的大小与泵(或风机)的流量和扬程(或全压)无关。
由于泵与风机动静部件乙间存在着一定的间隙,从叶轮那巴得到能量的流体会从间隙的高压侧流向低压侧,并把部分能屋消耗在克服流经间隙时的摩擦阻力,从而导致的能量损失称为容积损失。
容积损失主要与泄漏流量有关,而泄漏流量主要与间隙大小、长度等结构形式以及间隙两侧的压差有关。
发生泄漏的主要部位是叶轮入口密封环处和轴向推力平衡装.置处(对于风机由于轴向推力较小,多采用轴向推力轴承平衡轴向推力,因此一般没有这方面的泄漏),对于多级泵的级间泄漏,应注意分析泄漏流体的流经线路,只有当泄漏流体流经叶轮内部时,这股泄漏才属于容积损失,否则属于圆盘摩擦损失。
流动损失包括三部分:
①流体在流经泵与风机时,流体必然与各部分流道的壁面发生摩擦,由此而产生的流动療擦损失;②由于泵与风机流道断而的变化和转弯,使得流体速度分布不均匀,局部区域产生漩涡和二次冋流,由此而产生的扩散损失;③当流体在叶片入口处的流动角B1与叶片进口女装角B2不等时而产生的冲击损火(在多级泵的导叶小也会存在冲击损失)。
前两部分可以归并成他/,即与流量的平方成正比,k3与流道结构有关;最片—部分可以写成心(弘-务/,其中弘d为无冲击工况流量,J主要与叶片头部的形状有关。
各流动损失与流量的关系见教材中的图3—7。
圆盘摩擦损失、容积损失和流动损失与比转速的关系如图3—1所示。
对图3—1可以这样理解:
随着比转速的增人,泵与风机在型式上逐渐由离心式过渡到轴流式,叶轮流道形状逐渐由窄长过渡到短而宽,叶轮轮盘相对地在逐渐减小,一方面会使圆盘摩擦损失逐渐减小,另一方面会使叶轮产牛的流体压升降低,即泄漏间隙两侧的压降会降低,因而容积损失逐渐减小。
比转速较小时,由于叶轮流道窄长而H弯曲度较人,因此流动损失较人;比转速较人时,由于叶轮流道短而宽,叶片对流体的作用力变弱,流体流动容易紊乱,因此流动损失也较人,屮等比转速的泵与风机才具有较低的流动损失。
从图3-1可以看出很低比转速的泵与风机其效率一般很低。
【例题3—4】单项选择题[在下列四个备选的答案中选择一个止确答案填入()内]
(1)某台水泵在运行过程中,出现了轴承润滑不良,轴承处的机械摩擦比较严重,转速没有明显变化,这时相应地会出现()o
A.流量减小、扬程降低、电动机功率增大;
B.流量减小、扬程降低、电动机功率减小;
C.流量减小、扬程降低、电动机功率变化不明显;
D.流量和扬程不变、电动机功率增人。
E.
(2)qVtd为无冲击工况的流量,下列叙述哪一个是正确的():
答案:
(1)D,因为机械损失的大小与泵(或风机)的流量和扬程(或全压)无关,即泵的冇效功率不变,容积损火和流动损失也不变,轴承摩擦引起的机械损失增加必然引起轴功率的增加,因此电动机功率增大。
(2)C,教材中有该题说明。
类似这方而的问题不应死记硬背,应充分理解基本概念:
流动角Bi、安装角Bz冲击角a,再结介不同流量时进口速度三角形和教材屮的图3—6。
2.离心式泵与风机的性能曲线
泵与风机的性能曲线一般是指一定转速卜(多为额定转速)其它性能参数随流量弘变化的关系曲线。
对于泵,这些曲线主要有:
qv-H线、qv-PHU线、qv-11曲线以及
汽蚀性能参数与流量的关系曲线;对于风机,这些曲线主耍有:
qv~p^\线、化丫曲线、qv—P曲线、g#—〃曲线和(jv—〃$/曲线。
其中qv—H曲线、qv—p曲线和qv—pst曲线是最主要的性能曲线,它反映着泵与风机能否满足生产过程的需要;qv-P曲线、qv-T]曲线和%―入曲线反映着泵与风机的工作效率和经济性;泵的汽蚀性能曲线反映着泵是否会发生汽蚀,是衡量泵运行可靠性的一种性能曲线。
应非常熟悉离心式泵与风机性能1111线的典型形状,这样才能在实际工作中分析其运行特性。
Ch-H曲线和qv-p曲线的典型形状如教材图3-16所示,教材中还说明了各种形状曲线的特点;教材中的图3-12定性地画出了离心式泵与风机(后弯式叶片)的qv-P曲线,由于图屮流量坐标范围很人,图屮1川线有下降段,泵与风机的实际运行范围一般处在该曲线的上升段内,因此离心式泵与风机的轴功率通常随流量增大而增大,空载状态轴功率最小,须空载启动(即关阀丿』动,但不能长时间在关阀状态下运行)。
教材图6—4画出了qv_pHU线和务-/儿曲线,图中阴影部分代表风机动压“八教材中附了很多泵与风机性能曲线图,请多看以增加感性认识。
【例题3—5】为什么电厂锅炉给水泵的qv-H曲线应是平坦型的?
分析:
我们已经知道平坦型qv-H曲线的特点是:
当流量变化较大时,扬程变化较小。
那为什么电厂锅炉给水泵必须具有这种特点呢?
这就涉及到热力发电厂的专业知识,不是纯粹的泵与风机问题。
答:
给水泵的作用是把除氧器水箱的给水泵送到锅炉汽包。
汽轮发电机组的负荷为适应外界电力盂求会经常发生较大变化,相应地给水流量会发生较大变化。
为了提高机组的经济性,主蒸汽压力应保持在额定值附近(即使机组滑压运行,主蒸汽压力的变化幅度也不大),因此汽纽压力-•般变化不大,除氧器压力一般随负荷变化很小,这就耍求给水泵扬程变化较小。
而平坦型qv-HIlli线的水泵正好具有流量变化较人时,扬程变化较小的特点,所以,电厂锅炉给水泵的如-H曲线应是平坦型的。
说明:
可以按照上述思路冋答凝结水泵、循环水泵等对qv-H曲线形状要求。
【例题3-6]为什么前弯式叶片的风机容易出现电动机超载?
答:
对于前弯式叶片的风机,其流动功率Ph与理论流量qv・T的关系曲线是一条连续上升的抛物线,如图3—2所示的曲线1,机械损失△Pg不随流量变化,曲线1向上平移△Pm得到轴功率P与理论流量qv.T的关系Illi线,如图屮Illi线2,再考虑到容积损失的影响,可以得到轴功率P1J实际流量qv的关系曲线,如图中曲线3,可见前弯式叶片风机的介一P曲线仍是一
图3-2前弯式叶片风机功率与流量的关系曲线
说明:
该问题类似的提法有:
前弯式叶片风机在选择原动机时应注意什么问题?
轴功率大小相同时,为什么前弯式叶片风机要比后弯式叶片风机选配更大容量的电动机?
3.相似理论及和似理论在泵与风机中的应用
相似理论在泵与风机中的应用主要是:
①利用模型试验结果进行新产品的设计和试制,以减小制造费用和试验费用;②在现有效率高、性能良好、结构简单的泵与风机屮,选出合适的作为模型,按照相似关系设计出新的泵与风机,这种设计方法简单可靠;③运用相似理论可以换算出不同转速、不同几何尺寸及不同流体密度时的性能参数和曲线。
対丁•电厂热能动力工程专业,主耍耍求掌握相似理论的最后一项作用,以指导泵与风机运行和选型。
(1)相似条件
本节的基础是相似条件,为保证泵与风机流动相似,严格地说,必须具备儿何相似、运动相似和动力相似三个条件。
儿何相似是指相似对象的双方(一个可称Z为模型,另一个nJ称Z为原型)各对应点的几何尺寸成比例R比值札(等,各对应几何角、叶片数和等。
几何和似容易理解和接受。
运动相似是指模型和原型各对应点的各相应的速度方向相同,人小成比例且比值相等,对应流动角相等,可以简单地理解为流道各对应点的速度三角形是相似三角形,」I.各相似三角形的相似比相等。
几何相似是运动相似的必要条件,即运动相似必然几何相似。
动力相似是指模型和原型各对应点的各相应的力方向相同,大小成比例H比值相等。
但是,对于泵与风机,由于其中的流速较高,流动在阻力平方区,即进入了自模化区,自动满足了动力相似的要求,这方面的知识可复习一下《工程流体力学》的有关章节。
可见,在保证泵与风机流动相似的三个相似条件中,动力相似己口动满足,关键是要求儿何相似和运动相似。
在工程实际中要严格满足这两种相似是很困难的,因此如果这两种相似能基木满足,可以运川相似理论的结论(如后述的相似定律及其特例)來近似解决。
(2)相似定律及其特例
相似理论在泵与风机中的应用并不是直接利用儿何相似和运动相似,而是在这两个相似的基础上推导出相似立律,以相似立律为核心來解决问题。
满足流动相似的工况(即已经满足几何相似和运动相似)称之为相似工况。
相似定律是指相似工况之间泵与风机主要性能参数间的关系。
相似定律及其特例的公式汇总见教材表3—2,这些公式要牢记。
表中下标m代表“模型”,其中Um是指模型效率,而不是指前而的机械效率。
【例题3-7]某一转速为n的水泵,其qv-H曲线如图3—3中的曲线1所示,水的
密度不变,试根据比例定律画出0.5n时的%-H1111线。
解:
由比例定律知道,如果工况1与工况2相似,则有:
Qv2料
式中卜•标1、2分别代表工况1和工况2。
在曲线1中取一点A,对应的流量和扬程分别为qVtA和兀,当转速由n变到0.5n时,与工况A相似的工况设为A',由上述公式可计算出工况A'的流量和扬程分别为0.5qVfA和0.25H,在图中标II!
Az点;同理,在曲线1中取B点,可以得到其相似工况点B',rhe点可得到c‘,rhD点可得到D'……。
将a'b'c'd'……光滑连起来就是该泵在0.5n时的%-H曲线(如图3-3中的曲线2所示)。
说明:
儿何尺寸相同是儿何相似的特例,因此可以用相似定律来分析同一台泵与风机相似工况之间性能参数问的关系。
本题是比例定律的一个应用实例,用于分析泵与风机变速后的性能。
题中只要求画出了转速变化厉的的gv~H1111线,按照同样的思路还可以画出Qy—PlW线、qv~7]ih线,对于风机也是-•样。
解题时在1111线上均匀分布取4〜5点就可以了,在实际工程计算时,上图中的坐标均有具体数值,可根据具体情况酌情考虑点数。
【例题3-8]某台风机在输送50°C空气时的轴功率性能曲线%-P如图3-4屮的1111线1,风机转速不变,试根据相似定律画出风机在输送100°C空气时的qv-P|1!
|线。
图3-4例题3-8附图
P\P\
式中下标1、2分别代表工况1和工况2。
设5(rc空气的密度为门,rh气体密度与温度成反比可知,ioo°c空气的密度为o.5°。
在曲线1中取一点A,対应的流量和轴功率分别为g”,人和匕,当密度由门变到0.50时,与工况A相似的工况设为A',由上述两公式可计算出工况A'的流量和轴功率分别为%人和0.5卩八,在图中标出A'点;同理,在劇线1中取B点,可以得到其相似工况点B1,由C点可得到C',由D点可得到D'……o将A'B‘C‘D'……光滑连起來就是该风机在输送10CTC空气时的%—P曲线(如图3-4中的曲线2所示)。
说明:
本题是相似定律的一个应用实例,用于分析泵与风机输送的流体密度发生变化后的性能。
题中只耍求画出了密度变化后的qv-Pdll线,按照同样的思路还可以画出风机的qv-p曲线、eg_耳曲线,对于泵也一样。
当只有密度变化时,由于密度变化时相似工况点流量相等、泵扬程相等、效率相等,所以,密度变化前后泵的%-H曲线和泵与风机的%-〃曲线不变。
【例题3—9】某机号为25的风机,其qv-7;HU线如图3-5中的劇线1,试根据相似
尬律画出按同样模型制造出的机号为No?
.5的风机qv-7;曲线。
(注:
两台风机转速相同,输送的气体密度相等)
分析:
-般来说,风机机号25、27.5分別是指风机的叶轮外径D2为0.5m、0.75m。
由于两台风机是按同样模型制造出的,所以两台风机几何和似,所以通流尺寸的比值均为1:
1.5o题目中己经注明两台风机转速相同,输送的气休密度相等,因此本题是要解决只有几何尺寸变化时风机性能曲线的变化。
解:
由相似定律知道,如果只冇几何尺寸变化,工况1与工况2相似时,则冇:
Clv\_(^21)“I=]
Qv2l»22丿“2
式中D2为叶轮外径,下标1、2分别代表工况1和工况2。
在曲线1中取一点A,对应的流量和效率分别为qv,A和当风机机号由Nq5增大到No7.5时,与工况A相似的工况设为A',由上述两公式可计算出工况A'的流量和效率分别为3.375如宀和%,在图中标出A'点;同理,在曲线1中取B点,可以得到其相似工况点B',由C点可得到C‘,IIID点可得到D'……o将A'B'C‘D'……光滑连起来就是机号为No7.5风机的qv-曲线(如图3-5中的曲线2所示)。
说明:
本题是和似定律的一个应用实例,用于分析同型号泵与风机不同几何尺寸的性能差别。
题中只要求画出了几何尺寸变化后的的%-〃曲线,按照同样的思路还可以画出其它性能1山线。
教材相似定律公式中的D2是泵与风机通流尺寸的一个代表,并不一定必须是外径D?
也可以是D|或b|或b2等等,因为几何相似是指对应的几何尺寸都成比例FL比值相等,见教材中的公式(3-29)o
【例题3-10】某电厂有一冷凝泵,在转速为1450r/min时,有一工况点的参数为:
流量qv=35m3/h.扬程H=60m、轴功率P=7.5kWo
当转速提高到多少时,与该点相似的工况其流最为70m3//?
?
相应的扬程和轴功
率各为多少?
解:
由比例定律知,当转速提高到=1450x—=1450x2=2900r/min时,Qva35
厂2900丫
J450丿
=7.5x8=60
(kW)
=7.5x
与原工况相似的工况流量为70m3//?
此时,相应的扬程和轴功率为:
说明:
根据题意知道是同一台水泵,几何尺寸和同,题中没有提到密度变化,说明水的密度不变,因此本题只需要计算转速变化后的相似工况参数。
注意本题与【例题6-4]的题意差别,两题的已知数据基本相同,但计算结果不等。
(3)比例曲线和通用性能曲线
比例曲线是指只有转速变化时,相似T况点在qv-H(泵)、qv-p(风机)坐标图中的连线。
比例曲线是根据比例定律画出的,是一簇通过坐标原点的抛物线,也称相似抛物线。
比例Illi线图可见教材图3-18+的虚线,在同一条比例Illi线上的工况点都是相似工况点,可以应用比例定律公式进行性能参数的换算;反z,不在同一•条比例曲线上的两点就不是相似工况点,就不能应用比例定律公式进行性能参数的换算。
通用性能曲线是指在同一张图上反映出不同转速下的泵与风机的性能曲线,它主要是根据比例定律画出的。
通用性能曲线可见教材中图3-18,通常它包禽两纟R曲线,一组是qv-H曲线(泵)或qv-p曲线(风机),另一组是等效曲线,等效曲线为什么在某些区段与比例曲线不重合,教材中已有说明。
变速运行的泵为风机多采用通用性能曲线,这样非常便于指导运行,例如,己知一台变速泵的流量和扬程,在其通用性能曲线中就对以很方便查出泵的运行转速和效率,而轴功率可用流量、扬程和效率计算得到。
有时也把泵与风机的等轴功率线画在通用性能|]||线图屮。
【例题3-11]某电厂的一台HPTmk200—320—6S/28型锅炉给水泵的通用性能曲线如图3-6所示,现已知该泵的转速为5000r/min,泵的流量为700m3/h,问此时泵的效率和轴功率大约为多少(设水的密度为900kg/m3)?
图3-6HPTmk200-320-6S/28型锅炉给水泵的通用性能|11|线
见(《电站配套设备产品手册第四册泵组、风机、消音器、隔音器》
能源部电力机械局水利电力出版社1991」0P61图8-2
注:
原图中的横坐标Q改为%)
解:
当转速为5000r/min,流量为700m'/h时,根据泵的通用性能曲线查得:
泵的扬程约为1990m,效率约为84%,轴功率为:
1000〃
900x9.81x700/3600x1990小“小“、
==4067(kW)
1000x0.84
(4)比转速
比转速是泵与风机的一个重耍概念,我们知道流量、扬程(或全压)、轴功率、转速、效率等只是反映泵与风机在某一个方面的性能,在理论研究和实际应用中,需要一个能反映泵与风机综合性能的参数,经过长期实践,人们得到“比转速”这个参数。
对比转速有以下儿点说明:
1)比转速是应用泵与风机相似定律推导得到的。
比转速最初是用在水轮机上,受此启发,延用到泵与风机上,推导过程和延用历史可以不掌握)。
在推导过程中得到多种形式的比转速(如运动比转速、动力比转速和无因次比转速等),目前应用的主要是动力比转速。
2)由于各国所采用的参数量纲不同(即冇关参数的单位不同),各国比转速的计算公式也有所不同,我国
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