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1、一、离心式泵与风机的工作原理 封闭叶轮中的流体微团叶轮旋转带动流体旋转离心力作用使流体获得能量第1页/共38页第2页/共38页对不可压缩流体，积分当叶轮不封闭时：流体将流出叶轮，并在入口产生真空吸入流体，形成连续流动。第3页/共38页4气缚现象离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。流体在封闭的叶轮中所获得的能（静压能）：（14）第4页/共38页5二、流体在二、流体在离心式离心式叶轮内的运动及速度三角形叶轮内的运动及速度三角形两点假设：1）叶
2、片无限多，且无限薄 2）无粘性流体平面投影图平面投影图轴面投影图轴面投影图叶片出口宽度叶片出口宽度叶片出口直径叶片出口直径D1第5页/共38页6 流体在叶轮中的运动矢量法如图(a)所示，称为圆周速度u，其方向与圆周切线方向一致，大小与所在半径及转速有关。流体沿叶轮流道的运动，如图(b)所示，称相对速度w，其方向为叶片的切线方向，大小与流量及流道形状有关。相对静止机壳的运动，如图(c)所示，称绝对速度V。D2211w1c1u1w2c2u2D12牵连运动 相对运动 绝对运动 第6页/共38页二、流体在叶轮中的运动及速度三角形流动角流动角 流动角流动角 如果流体沿着叶片切向运动时，用下标l和2表示叶
3、片进口和出口处的参数，表示无限多无限薄叶片时的参数。第7页/共38页 什么叫安装角？8 a a 叶片安装角叶片安装角第8页/共38页9（二）叶轮流道内任意点速度的计算1 圆周速度u 2 轴面速度 圆周上的厚度 排挤系数第9页/共38页103相对速度的方向及流动角 无穷多叶片：a重点重点速度三角形的绘制。由轴面速速度三角形的绘制。由轴面速度、圆周速度、流动角即可画度、圆周速度、流动角即可画出速度三角形。出速度三角形。意义意义1 1、推导能量方程、推导能量方程2 2、为水泵设计提供理论依据、为水泵设计提供理论依据第10页/共38页11三、能量方程及其分析 1、前提条件 叶片为“”,=0,=cons
4、t.,=const.，轴对称。相对坐标系相对坐标系控控制体制体 2 2 速度矩速度矩2、控制体和坐标系（相对）第11页/共38页12动量矩定理：动量矩的变化率应等于所有外力对转轴的动量矩的变化率应等于所有外力对转轴的力矩力矩M MMM表示叶轮旋转时传递给流体的功率，由于假设不计能量损表示叶轮旋转时传递给流体的功率，由于假设不计能量损失，失，MM应该等于流体获得的功率应该等于流体获得的功率gqgqVTVTH HTT。P=M=gqP=M=gqVTVTH HTT按照动量矩定理，动量矩的变化率应等于所有外力对转轴的力矩M流进：流出：叶轮进、出口处流体动量矩的变化为：第12页/共38页13泵与风机的基本
5、方程：欧拉方程 由于u2=r2、u1=r1、2u=2cos2、1u=1cos1，代入上式得：P=qVT(u22u-u11u)（PaPa）pT=gHT=(u22u-u11u)而单位体积流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头 pT 为：则单位重力流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头 HT 为：（mm）第13页/共38页14能量方程分析(1)(1)单位重量和单位体积的理想流体流过无限多叶片叶轮时所单位重量和单位体积的理想流体流过无限多叶片叶轮时所获得获得的能量的能量仅与流体在叶片进口及出口处的运动速度有关仅与流体在叶片进口及出口处的运动速度有关，而，而与在流道与在流道中
6、的流动过程和流体性质无关中的流动过程和流体性质无关。如果泵与风机的叶轮尺寸相同。如果泵与风机的叶轮尺寸相同,转转速相同速相同,流量相等时，则流体所获得的流量相等时，则流体所获得的理论能头相等，即泵所产生理论能头相等，即泵所产生的液柱与风机产生的气柱高度相等的液柱与风机产生的气柱高度相等。而全风压与流体密度有关。因此，而全风压与流体密度有关。因此，不同密度的流体所产生的不同密度的流体所产生的压力是压力是不同不同的的。(2)(2)当当1 19090时，则时，则v v1u1u0 0，流体，流体径向流入叶轮径向流入叶轮时，获得最大的时，获得最大的理论扬程。理论扬程。H HTT=u=u2 2v v2u2
7、u/g/g (3)(3)增加转速增加转速n n，叶轮外径，叶轮外径D D2 2和绝对速度在圆周的分量和绝对速度在圆周的分量V V2u2u，均可提，均可提高理论能头高理论能头H HTT，但加大，但加大D D2 2会使损失增加，降低泵的效率。提高转会使损失增加，降低泵的效率。提高转速则受材料强度及汽蚀的限制。比较之下，用速则受材料强度及汽蚀的限制。比较之下，用提高转速来提高理论提高转速来提高理论能头能头，仍是当前普遍采用的主要方法。，仍是当前普遍采用的主要方法。HT=(u2v2u-u1v1u)/g第14页/共38页15由叶轮叶片进、出口速度三角形，由余弦定理可知：其中i=1或 i=2，将上式代入理
8、论扬程HT 的表达式，得：（二）能量方程式的分析（4）能量方程式的第二形式：表示流体流经叶轮时动动压压头头的增加值的增加值。共同表示了流体流经叶轮时静静压头的增加值压头的增加值。动扬程动扬程静扬程静扬程能量方程分析HT=(u2v2u-u1v1u)/g第15页/共38页16四、离心式叶轮叶片型式的分析(a)2a90，前弯式叶片第16页/共38页17当119090时，能量方程式为而有HT=(u2v2u-u1v1u)/g第17页/共38页18最小出口安装角2amin 2a=90 最大出口安装角2amaxV2u=2u2 第18页/共38页（一）（一）叶片出口安装角对理论扬程的影响1 2a90（前弯式叶
9、片）19第19页/共38页反作用度v2m v1m,径向流入v1u=0（二）出口安装角对静扬程和动扬程的影响20第20页/共38页不同叶片型式的反作用度 1 后弯式 2a 2amin，v2u=0 =1，动静扬程均为0 后弯式叶片：11/22 径向式 2a90,v2u=u2 =1/2，动静扬程各占一半 3 前弯式 2a 2amax，v2u=2u2 =0，只有动扬程，没有静扬程 前弯式叶片：01/2第21页/共38页不同叶片型式的分析后弯式叶片后弯式叶片 流道长，出口绝对速度小流道长，出口绝对速度小 能量损失小、效率高、噪声低能量损失小、效率高、噪声低 总扬程较小，需较大叶轮和较高转速总扬程较小，需
10、较大叶轮和较高转速 离心泵离心泵2a2a 20203030,离心风机离心风机2a2a 40406060径向式叶片径向式叶片 流道短，通畅，流动损失较小流道短，通畅，流动损失较小 出口绝对速度高，能量损失较大，效率低于后弯式、噪声较高出口绝对速度高，能量损失较大，效率低于后弯式、噪声较高 总扬程较高，制造简单，不易染尘总扬程较高，制造简单，不易染尘 通风机或排尘风机通风机或排尘风机2a2a 9090前弯式叶片前弯式叶片 流道短，叶片弯曲大流道短，叶片弯曲大 能量损失大、效率低、噪声低能量损失大、效率低、噪声低 总扬程较高，需较小叶轮和较低转速总扬程较高，需较小叶轮和较低转速 低压通风机低压通风机
11、2a2a 9090155155第22页/共38页23五 有限叶片叶轮中流体的运动动分析可知，相对速度ww=wm(1-n/Rs)+2n第23页/共38页24轴向旋涡试验1 1、用一个充满理想流体的圆形容器，、用一个充满理想流体的圆形容器，在流体上悬浮一箭头在流体上悬浮一箭头S S，当容器以角，当容器以角速度速度w w绕中心绕中心O O作顺时针方向旋转时，作顺时针方向旋转时，因为没有摩擦力，所以流体不转动，因为没有摩擦力，所以流体不转动，此时箭头的方向未变，这说明此时箭头的方向未变，这说明流体流体由于本身的惯性保持原有的状态由于本身的惯性保持原有的状态。2 2、若容器依据某给定回转半径顺时、若容器
12、依据某给定回转半径顺时针旋转，流体相对于容器也有一个针旋转，流体相对于容器也有一个旋转运动，其方向却于容器旋转旋转运动，其方向却于容器旋转方方向相反，角速度则相等向相反，角速度则相等。这种旋转运动具有自己的轴心，相当于绕轴旋涡，称为轴向涡流。AAAA A第24页/共38页25五 有限叶片叶轮中流体的运动无限叶片数轴向涡流轴向涡流无限叶片数无限叶片数有限叶片数有限叶片数 p p p形成阻力矩；1、第25页/共38页26轴向涡流对速度三角形的影响2、流线和速度三角形发生变化，分布不均；出流角2小于出口安装角2a。相对速度产生滑移，造成流体出口的旋转不足，致使扬程下降。第26页/共38页27当当Wm
13、Wm进一步降低时，进一步降低时，W1W1逐渐变为逐渐变为0 0而后变为负值，意味着流道内而后变为负值，意味着流道内可能出现逆流，因此选择合理的叶片数很重要。可能出现逆流，因此选择合理的叶片数很重要。第27页/共38页六、滑移系数和环流系数滑移量w2u与滑移速度v2u环流系数滑移系数第28页/共38页用滑移系数和环流系数求扬程（1）已知K（2）已知 由前面的推导有不是由损失造成的；不是由损失造成的；流体惯性流体惯性有限叶片有限叶片轴向滑移；轴向滑移；K K为滑移系数为滑移系数粗略计算时，离心泵K值可取0.81.0，离心风机的K值可取0.80.850也可查表获得。第29页/共38页七、流体进入叶轮
14、前的预旋1 强制预旋 结构原因导致流体不能以90o的绝对速度角进入叶轮，存在结构上的强制预旋。正预旋：10，扬程变小 与叶轮转动相同方向预旋，有利于消除旋涡 相对速度变小，提高抗汽蚀性能，损失减小，效率提高 负预旋：190o v1u0，扬程变大 相对速度变大，抗汽蚀性能下降，损失增大，效率降低 HT=(u2v2u-u1v1u)/g第30页/共38页2 自由预旋 产生原因：由于流量改变导致的预旋 与结构无关 斯梯瓦特的试验结果 设计流量下，无预旋 小于设计流量，正预旋 大于设计流量，负预旋第31页/共38页斯捷潘诺夫分析 最小阻力原理：流体总是企图选择阻力最小的路线进入叶轮 表现为以接近设计流量
15、下的流动角1进入 正预旋 负预旋第32页/共38页临界流量理论 临界流量：产生预旋的流量 小于设计流量 预旋与叶轮有关 流量越小，预旋越大第33页/共38页预旋系数一般取0.30.5多级离心泵：次级叶轮：0.30.5 首级不预旋，或取0.2 涅维里松试验表明:风机预旋较大第34页/共38页例题 1蜗壳式离心泵 n=1450r/min,qvT=0.09m3/s,D2=400mm,D1=140mm,b2=20mm 2a=25o,z=7,v1u=0 求:HT和HT求解思路 先求得 通过经验公式得到环流系数K 最后求 第35页/共38页 解：第36页/共38页（1）根据斯托道拉公式（2）根据普弗列德尔公式第37页/共38页38感谢您的观看！第38页/共38页