泵与风机的叶轮理论与性能

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第二节泵与风机的叶轮理论一、离心式泵与风机的叶轮理论    离心式泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片就对流体做功，从而使流体获得压能及动能。因此，叶轮是实现机械能转换为流体能量的主要部件。(1)离心式叶轮叶片型式对HT∞的影响    一般叶片的型式有以下三种：    叶片的弯曲方向与叶抡的旋转方向相反，称为后弯式叶片。    叶片的出口方向为径向，称径向叶片。    叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向相同，称为前弯式叶片。    前弯式叶片产生的能头最大，径向式次之，后弯式最小。    对流体所获得的能量中动能和压能所占比例的大小比较可知：后弯式叶片时，流体所获得的能量中，压能所占的比例大于动能；径向式叶片做功时，压能和动能各占总能的一般；前弯式叶片做功时,总能量中动能所占的比例大于压能。    那么，对离心泵而言，为什么一般均采用后弯式叶片，而对风机则可根据不同情况采用三种不同的叶片形式，其原因如下：    在转速n、叶轮外径、流量及入口条件均相同的条件下，前弯式叶片产生的绝对速度比后弯式叶片大，而液体的流动损失与速度的平方成正比。因此，当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时，其能量损失比后弯叶片大。同时为把部分动能转换为压能，在能量转换过程中，必然又伴随较大的能量损失，因而其效率远低于后弯式叶片。反之，前弯式叶片有以下优点：当其和后弯式叶片的转速、流量及产生的能头相同时，可以减小叶轮外径。因此，可以减小风机的尺寸，缩小体积，减轻质量。又因风机输送的流体为气体，气体的密度远小于液体，且摩擦阻力正比于密度，所以风机损失的能量远小于泵。鉴于以上原因，在低压风机中可采用前弯式叶片。二、轴流式泵与风机的叶轮理论（一）、概述    轴流式和离心式的泵与风机同属叶片式，但从性能及结构上两者有所不同。轴流式泵与风机的性能特点是流量大，扬程(全压)低，比转数大，流体沿轴向流入、流出叶轮。其结构特点是：结构简单，重量相对较轻。因有较大的轮毂动叶片角度可以作成可调的。动叶片可调的轴流式泵与风机，由于动叶片角度可随外界负荷变化而改变，因而变工况时调节性能好，可保持较宽的高效工作区。鉴于以上特点，目前国外大型制冷系统中普遍采用轴流式风机作为锅炉的送引风机、轴流式水泵作为循环水泵。今后随着容量的提高，其应用范围将会日益广泛。(二)、轴流式泵与风机的叶轮理论1、翼型和叶栅的概念    由于轴流式泵与风机的叶轮没有前后盖板，流体在叶轮中的流动，类似飞机飞行时，机翼与空气的作用。因此，对轴流式泵与风机在研究叶片与流体之间的能量转换关系时，采用了机翼理论。为此下面介绍翼型，叶栅及其主要的几何参数。翼型机翼型叶片的横截面称为翼型，它具有一定的几何型线，和一定的空气动力特性。翼型见图： 叶栅由相同翼型等距排列的翼型系列称为叶栅。这种叶栅称为平面直列叶栅。第三节泵与风机的性能一、泵与风机的主要性能参数    风机、泵的主要性能参数有下列几个：（一）、流量(flowguantity)单位时间内输送的流体数量。可以用体积流量qv表示，也可以用质量流量qm表示。（二）、压力、扬程（pressure，head）1、通风机全压    单位体积的气体在通风机内所获得总能量叫通风机全压。单位为：毫米水柱，牛／米2。2、离心泵扬程    单位重量的液体在泵内所获得总能量叫泵的扬程。单位为：米液柱。（三）、转速(rotaryrate)        叶轮每分钟旋转周数叫转速。单位为：转／分。（四）、功率和效率(powerandefficiency)    通风机和泵之功率有铀功率、有效功率和原动机效率之分。1、轴功率P    原动机传给通风机、泵轴上的功率，叫通风机、泵的轴功率，又称输入功率，通常用P表示。单位：千瓦。2、有效功率Pe    有效功率是指单位时间内通过泵与风机的流体获得的功率，即泵与风机的输出功率，用符号Pe表示，单位为KW。3、原动机功率Pg    原动机的输出功率即为原动机功率，用Pg表示，单位为KW。轴功率和有效功率之差是泵与风机内部损失功率。泵与风机的效率为有效功率和轴功率之比。由于原动机机轴与泵与风机的轴连接存在机械损失，用传动效率ηtm表示，所以通常原动机功率比轴功率大。二、泵与风机的性能曲线    泵与风机的主要的性能参数有流量qV、扬程H或全压p、功率P和效率η0，对泵而言，还有汽蚀余量△h。这些参数变化关系的曲线，称为性能曲线（performancecurve）。性能曲线通常是指在一定转速下，以流量为基本变量，其他各参数随流量改变而改变的曲线。因此，通常的性能曲线为qv－H(p)、qv－P、qv－η、qv－△h等曲线。该曲线直观的反映了泵与风机的总体性能。性能曲线对泵与风机的选型，经济合理的运行都起着非常重要的作用。（一）离心式泵与风机的性能曲线     1、流量与扬程（qv－H）性能曲线当叶片无限多且无限薄并为理想流体时，qv－H是一直线方程。随qV呈直线关系变化，来决定。（1）后弯式叶轮，qVT增加时，逐渐减小，如图2－30（a）所示；（2）径向式叶片，qVT增加时，恒定，如图2－30（b）所示；（3）前弯式叶片，qVT增加时，逐渐增大，如图2－30（c）所示；    以上的直线为理论的－qVT性能曲线。由于考虑到有限叶片数和粘性流体的影响，需对上述曲线进行修正。现以β2a∞>90o的后弯式叶片为例，分析曲线的变化。    考虑实际流体粘性的影响，并减去因摩擦、扩散和冲击而损失的扬程。除此之外，还需考虑容积损失对性能曲线的影响，因此，还需减去相应的泄漏量q，即得到实际扬程和流量的性能曲线qv-H，如图2－31中e线所示。对风机的性能曲线qv－p分析和泵的qv－H分析相同。2、流量和功率（qv－P）性能曲线以后弯式叶轮为例，在流量与流动功率(qVT-Ph)曲线上加一等值的(实际上qV大时△Pm稍小些)机械损失功率△Pm再考虑到泄漏量的影响即得到qV-P性能曲线。当qVT=0时，轴功率不为零，由此，将流量为零的这一工况称为空载工况，此时的功率就等于泵与风机在空转时的机械损失功率△Pm和容积损失功率△PV之和。3、流量与效率（qv－η）性能曲线    泵与风机的效率等于有效功率与轴功率之比，即η＝Pｅ/P＝ρｇqvＨ/1000P由上式可见，效率η有两次为零的点，即当qv＝0时，η＝0，当H=0时，η=0。因此，qv-η曲线是一条通过坐标原点与横坐标轴相交于qv＝qvmax点的曲线。这是理论分析的结果，实际上qv－H性能曲线不可能下降到与横坐标轴相交，因而qv－η曲线也不可能与横坐标轴相交。如图2-34所示，实际的qv－η性能曲线位于理论曲线的下方。曲线上最高效率ηvmax点，即为泵与风机的设计工况点。性能曲线是制造厂通过实验得到的。载入泵与风机样本，供用户使用。以风机为例，实际使用中，为方便起见，一般将上述曲线按同一比例画在一张图中，如右图所示，不同型号的风机，其性能曲线也不同。从图中可以看出，在转速不变的情况下，当风量发生改变时，风压随风量的增大而减小；功率随风量的增大而增大；风机效率存在一个最高值。相应于最高效率下的风量、风压和轴功率称为通风机的最佳工况。在选择风机或风机运行时，应使其实际运转效率不低于最高效率的90％。这也就确定了一台风机其风量的允许调节范围。4、离心泵与风机性能曲线的分析    （1）当阀门全关时，工况为空转状态。这时候，空载功率Po主要消耗在机械损失上，而这会导致局部水温迅速升高以致汽化。因此，为防止汽化，一般不允许在空转状态下运行（除特殊注明允许的外）。     （2）离心泵与风机，在空转状态时，轴功率最小，一般为设计轴功率的百分之三十左右，为避免启动电流过大，原动机过载，所以离心式的泵与风机要在阀门全关的状态下启动，待运转正常后，在开大出口管路上的调节阀门，使泵与风机投入正常的运行。    （3）由qv－P性能曲线可见，后弯式叶轮和前弯式叶轮有着明显的差别。后弯式叶轮的qv－P性能曲线，随着流量的增加功率变化缓慢，而前弯式叶轮随着流量的增加，功率急剧上升，因此原动机容易超载。所以，对前弯式叶轮的风机在选用原动机时，容量富余系数应取的大些。    （4）前弯式叶轮效率远低于后弯式。所以一般现在的风机为了节能大多采用高效率的后弯式叶片。    （5）前弯式叶轮的实际qv－H性能曲线是一具有较宽不稳定工作段的驼峰形曲线，如果风机在不稳定工作段工作，将导致喘振。因此，不允许在此段工作。（二）、轴流式泵与风机的性能曲线    在一定的转速下，对叶片安装角固定的轴流式泵与风机，试验所测得的典型性能曲线如图2-35所示，和离心式泵与风机性能曲线相比有显著的区别。qv－H(P)曲线，随流量qv减小，扬程(全压)先是上升，当减小到qvc时，扬程(全压)开始下降，流量再减小到qvb时，扬程(全压)又开始上升直到流量为零时的最大值。轴流式泵与风机性能曲线归结起来有以下特点：(1)qv－H(P)性能曲线，在小流量区域内出现驼峰形状，在c点的左边为不稳定工作区段，一般不允许泵与风机在此区域工作。(2)轴功率P在空转状态（qv=0）时最大，随流量的增加随之减少，为避免原动机过载，对轴流式泵与风机要在阀门全开状态下启动。如果叶片安装角是可调的，在叶片安装角小时，轴功率也小，所以对可调叶片的轴流式泵与风机可在小安装角时启动。(3)轴流式泵与风机高效区窄。但如果采用可调叶片，则可使在很大的流量变化范围内保持高效率。这就是可调叶片轴流式泵与风机较为突出的优点。一个工程大气压相于10米水柱，1mmH20(g)=9.80665Pa约等于10Pa,(g)表示的是表压。