2 第二章 离心泵与风机的基本理论
离心泵与风机的工作原理
离心泵与风机的工作原理
离心泵和风机啊，那可真是了不起的存在！就好像是大力士和飞毛腿一样，为我们的生活提供着强大的动力。
你看那离心泵，它就像是一个不知疲倦的勇士，拼命地把液体从一个地方抽到另一个地方。
它的工作原理其实很简单啦，就是通过叶轮的高速旋转，产生离心力，把液体给甩出去。
这就好像我们扔东西一样，用力一甩，东西就飞出去了。
离心泵不也是这样嘛，叶轮一转，液体就被快速地甩出去啦，然后就顺着管道去到它该去的地方。
这多神奇啊！
再说说风机，它简直就是空气的推动者。
它的原理呢，和离心泵有点类似，也是通过旋转来产生力量。
风机的叶轮一转起来，那风就呼呼地吹起来啦。
想象一下，要是没有风机，我们的很多设备怎么散热呢？我们的通风系统怎么工作呢？它就像是一个默默无闻的英雄，一直在背后为我们服务着。
离心泵和风机在我们生活中的应用可太多啦！在工厂里，它们帮助输送各种液体和气体；在建筑中，它们保证了通风和空调系统的正常运行；在农业上，它们可以用来灌溉农田。
它们真的是无处不在，不可或缺啊！
难道不是吗？它们就像是我们生活中的好伙伴，默默地为我们付出。
它们不需要太多的关注和照顾，只要给它们通上电，它们就会全力以赴地工作。
我们真应该好好珍惜它们，好好利用它们的力量。
总之，离心泵和风机虽然看起来很普通，但它们的作用却是无比巨大的。
它们让我们的生活变得更加便捷，更加美好。
我们真的要感谢这些伟大的发明，感谢它们为我们所做的一切。
《泵与风机》第二章—泵与风机的性能
1）摩擦损失：沿程阻力损失； h f K q
2）涡流损失： 摩擦损失+涡流损失：
2 h j K2qV
2 1 V
hf hj K q4 (qV qVd )
2
总流动损失：
hh h f h j hs
最 小 流 动 损 失
无 冲 击 损 失 hh hf+hj hs
P
qV p PM K K tm g 1000 tm g P
K: 原动机的容量富裕系数
二. 损失和效率
机械损失ΔPm
与叶轮转动相关
容积损失ΔPV
经过叶轮与流体泄露 量相关
流动损失ΔPh
经过叶轮与流体流量 相关
Pe P Pm P Ph V
（一）机械损失ΔPm和机械效率ηm
qV p 对风机而言， P 1000
η: 泵和风机的总效率
kW
一. 功率
3)原动机功率Pg 对泵而言，
原动机的输出功率。
对风机而言,
ηtm: 传动效率
gqV H Pg 1000tm qV p Pg 1000tm
传动效率 1.00 0.98 0.95
kW
kW
传动方式 电动机直连传动 联轴器直连传动 三角皮带传动（滚动轴承
( P Pm ) P V V ( P Pm ) qV g (qV q) H T qV q
q: 泄露流量，m3/s ≈4%～10%qVT
gqV H T
1) 叶轮入口与外壳密封环之间间隙中的泄露
泄漏量的计算
μ1－流量系数； △H1－间隙两侧的能头差，m； A1=πDwb－间隙的环形面积，m2；
'
u22 u2 cot 2 K( qV ,T ) g g D2b2
泵与风机第二章
偏离设计流量引起的冲击损失
1．摩擦损失和扩散损失
hf
l • v2
4R 2g
hj K2qV2
2．冲击损失
hs K4 (qv qv,d )2
正冲角产生的损失比负冲角小，发生在吸力面
分析结论： 影响泵与风机效率的最主要的因素是流动损失。 流动损失的最小点在设计流量的左边
（四）泵与风机的总效率
Pe P
hmv
对风机而言为总效率——全压效率
风机总效率分为动压效率和静压效率
静压效率：
st
qv pst P
内功率：
气体从叶轮获得的功率与流动损失功率、圆盘损失功 率和泄漏损失功率之和。
内功率反映叶轮的功耗
轴功率反映了整台风机的功耗
静压内效率： st,i
qv pst Pi
h
第二节 泵与风机的性能曲线
试验步骤： 转速不变 1.第一个点： qV 0
压力表、功率表、真空表及 转速表的读数
2.开启阀门7，增加流量，待稳定后开始记录该工况下的各种数据。 3.绘制该流量下所对应的各种性能曲线
2．性能参数的测量及计算 （1）流量的测量及计算
测量计： 孔板流量计
文丘里管流量计
喷嘴流量计
孔板流量计的工作原理:
机械效率：
m
P
Pm P
（二）容积损失和容积效率
成因：压差使流体从间隙中回流，造成损失
发生位置： 1.发生在叶轮入口处 密封环两侧 2 发生在平衡轴向力装置处
容积效率：
v
qv qv q
（三）流动损失和流动效率 吸入室、叶轮流道、导叶、壳体与流体的摩擦损失 流道转弯、断面变化处边界层分离，产生二次流而引起扩散损失
g
流体力学与流体机械习题参考答案
高等学校教学用书流体力学与流体机械习题参考答案主讲：陈庆光中国矿业大学出版社张景松编.流体力学与流体机械, 徐州：中国矿业大学出版社，2001.6（2005.1重印）删掉的题目：1-14、2-6、2-9、2-11、2-17、3-10、3-19、4-5、4-13《流体力学与流体机械之流体力学》第一章 流体及其物理性质1-8 1.53m 的容器中装满了油。
已知油的重量为12591N 。
求油的重度γ和密度ρ。
解：312591856.5kg/m 9.8 1.5m V ρ===⨯；38394N/m g γρ== 1-11 面积20.5m A =的平板水平放在厚度10mm h =的油膜上。
用 4.8N F =的水平力拉它以0.8m/s U =速度移动（图1-6）。
若油的密度3856kg/m ρ=。
求油的动力粘度和运动粘度。
解：29.6N/m F A τ==，Uh τμ=， 所以，0.12Pa s hU τμ==，42/0.12/856 1.410m /s νμρ-===⨯1-12 重量20N G =、面积20.12m A =的平板置于斜面上。
其间充满粘度0.65Pa s μ=的油液（图1-7）。
当油液厚度8mm h =时。
问匀速下滑时平板的速度是多少。
解：sin 20 6.84F G N ==，57Pa s FAτ==， 因为Uhτμ=，所以570.0080.7m/s 0.65h U τμ⨯=== 1-13 直径50mm d =的轴颈同心地在50.1mm D =的轴承中转动（图1-8）。
间隙中润滑油的粘度0.45Pa s μ=。
当转速950r/min n =时，求因油膜摩擦而附加的阻力矩M 。
解：将接触面沿圆柱展开，可得接触面的面积为：20.050.10.016m A dL ππ==⨯⨯=接触面上的相对速度为：2 2.49m/s 2260d d nu πω=== 接触面间的距离为：0.05mm 2D dδ-==接触面之间的作用力：358.44N du F AA dy uδμμ=== 则油膜的附加阻力矩为：8.9N m 2dM F== 1-14 直径为D 的圆盘水平地放在厚度为h 的油膜上。
第二章-泵与风机
有效汽蚀余量是指泵吸入口处单位重量液体所具
有高出饱和蒸汽压力的富余能量，我国以前常用
ha表示，国际上大多以NPSHa（又称为有效净正
吸入压头Net Positive Suction Head）表示。
NPSH a
ps
g
cs2 2g
pt
g
泵的吸入装置
如图所示，以吸液池液面为基准，从吸入液面到泵入口两截面
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第二章 泵与风机
泵与风机是用途广泛的流体机械。它们的作用是将原动机的机 械能转换为流体的能量，并克服阻力，达到输送流体的目的。 其中泵用于输送水或其它液体，风机用于输送空气或其它气体。
2.1 泵与风机的主要性能参数
➢风机的性能参数是指用以表征泵与风机工作性能的参数，主 要有流量、能头、功率、效率及转速等。
NPSHr的大小在一定程度上表示一台泵本身抗汽蚀性能的标志，也 是离心泵的一个重要性能参数，NPSHr越小表示该泵的耐汽蚀性能 越好。NPSHr由离心泵试验测得，随流量的增加，NPSHr也增加。 在实际应用中为安全起见，通常采用的是许用汽蚀余量[NPSH]， 一般取许用汽蚀余量的值为:[NPSH]= NPSHrK
（2）离心泵的分类
①按叶轮数目分，可分为单级泵和多级泵。 泵内只有一个叶轮的称为单级泵。单级泵所产生的压力不高，一 般不超过1.5MPa。 液体经过一个叶轮所提高的扬程不能满足要求时，就用几个串联 的叶轮，使液体依次进入几个叶轮来连续提高其扬程。这种在同 一根泵轴上装有串联的两个以上叶轮的离心泵称为多级泵。
Hs
pa
g
ps
g
NPSH a
ps
g
c
2 s
第二章 离心泵与风机的基本理论
（3）克服液体流动时的阻力损失 hw=Σhf+Σhj， hf为沿程阻力损失， hj为局部阻力损失。 所以选样泵时所需要的扬程，至少为
p p H Hp hw g
若流体为气体，则选择风机时计算风机所需的最小全压p为：
p ( p p) ghw
二、运转中泵与风机所提供的扬程
p2 p1 v2 v1 H E2 E1 g 2g
2 2
p1 ( pamb pm ) 34350 Pa p2 ( pamb pB ) gh 329820 Pa 4 qv qv v 3(m / s ) v2 4.32 (m / s ) 1 2 D D ( p )2
q VT v2 r2 cos 2
根据动量矩方程 M qVT (v2 r2 cos 2 v1 r1 cos1 ) 理想情况下，叶轮旋转时传递给流体的功率与流体获得的能量 相同，即功率P不变。 P M gqVT HT 所以泵的扬程为
H T 1 1 (v2u2 cos 2 v1u1 cos1 ) (u2v2u u1v1u ) g g
p ( p2 pamb )
3、定义 通风机静压
2
2
通风机动压
通风机全压
v2 pd pd 2 2
v1 pst p2 ( p1 ) 2 2
p pst pd
例：某泵装置中，进口管路直径D＝150mm，其上真空表读 数 pm＝6.665×104Pa，出口管路直径Dp＝125mm，压力表 读数 p＝0.22MPa，压力表位置比真空表高1m，输送介质密 度ρ＝900kg/m3。已知泵流量qv＝0.053m3/s，试求泵的扬程。 解：泵的扬程H为：
第三节 离心泵与风机的基本方程式
《泵与风机》课件(第2章)
四．动点的选择原则： 一般选择主动件与从动件的连接点，它是对两个坐标系都有 运动的点。 五．动系的选择原则： 动点对动系有相对运动，且相对运动的轨迹是已知的， 或者能直接看出的。 下面举例说明以上各概念： 动点：AB杆上A点 动系：固结于凸轮Ｏ'上 静系：固结在地面上
绝对运动： 直线
相对运动： 曲线（圆弧）
在速度三角形中，绝对速度和圆周速度的夹角称 为进流角，用α 表示；相对速度和圆周速度的反方向的 夹角称为流动角，用β 表示；而把叶片切线与圆周速度 反方向的夹角称为叶片安装角，用 β y 表示。 当流体沿着叶片的型线流动时，流动角等于安装 角，即 β ＝ β y
为了计算方便，常将绝对速度分解成两个相互垂 直的速度分量：一个是在直径方向上的投影，用 vr 表 v 示，r v sin ，称为轴面分速度；一个是在圆周切线 方向上的投影，用 vu 表示， vu v cos ，称为圆周分速 度。
b
a
b1
多点要素（线、面） 旋转时，不能改变它们 之间的相互位置，旋转 要遵循“三同”原则： 同轴、同方向、同角度。
b′
o′
b1′
a′ x b o′
a1′ a1
e
保证线段AB绕铅垂线旋转时， 两端点相互位置不变的作图
e1
a
o
b1
例1 求AB的实长及对V面的倾角β 。
a′
分析：
1. 将线段AB绕正垂线 旋转到水平线位置。 2. 把B 点设在轴上，仅 转A点即可解题。
一、流体在离心式叶轮内的流动分析
1.叶轮流道投影图 离心式叶轮的形状用通常的机械制图方法在图纸上 是表示不清的。 设有一离心式叶轮，如图2-1所示，用通常的投影方 法能表示出叶轮前后盖板的形状，但不能表示出叶片曲 面的形状。
离心式泵与风机的工作原理和特点
离心式泵与风机的工作原理和特点？
离心式泵与风机的工作原理：启动前进口处需充满流体，流体进入叶轮后，通过电机带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，通过排出口排出，进口处的流体
轴承油位过高或过低有什么危害？
总体来讲油位过高或过低都会造成轴承问题升高，但是造成温度身高的原理不一样：油位过高会使油环因运动阻力而打滑或脱落，油分子之间的相互摩擦会使轴承温度升高。
同时还会使间隙大的地方漏油量增大，油位过低会使轴承因润滑不良而发热，严重可能会把轴承烧坏。
风机喘振
风机喘振是指风机在不稳定区工作时，产生的压力和流量呈现时大时小的脉动现象。
当风机发生喘振时，风机的流量和压力呈现这种周期性的反复变化，会使气流发生猛烈的碰撞，会使风机产生剧烈的振动和噪声，这种振动可能导致风机和轴承的损坏，从而影响生产的运行。
为什么离心泵要空负荷启动，轴流泵要带负荷启动？
因为根据离心泵的性能曲线，可以看出离心泵的功率最小发生在空负荷状态，为了防止在启动时的启动电流过大而烧坏电机，所以离心泵在启动时要关闭出水阀门，。
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原动机 ： 轴 ＋ 叶轮旋转
离心力
叶片间液体: 中心
外围 — 液体被做功
高速离开叶轮 动能 蜗壳 静压能
3.气缚现象
如果离心泵在启动前壳内 充满的是气体，则启动后叶轮 中心气体被抛时不能在该处形 成足够大的真空度，这样槽内
调节阀
排出管 排出口
吸入口 吸入管
叶轮
泵 泵轴 壳
液体便不能被吸上。这一现象
第二章：离心泵与风机的基本理论
Hg p0
0
1
K
1
K
0
压力表
z2
真空表
z1
第一节：离 心 泵与风机 的 工 作 原 理
1. 离心泵结构简介： 高速旋转的叶轮和固定的泵壳，叶轮上装有若干叶
片，叶轮将输入的轴功提供给液体。
离心式水泵 1－叶轮 2－泵壳 3－泵轴 4－吸入管路 5－底阀 6－压出管路
离心泵结构简介
状流动。
v1~cos1
注意：凡下角标有 者，均表示叶片数为无穷多叶轮的参数
动量矩方程：在定常流动中，单位时间内流体动量矩的
变化，等于作用在流体上的外力矩。（类似于动量定律）
以叶轮进口及叶轮出口为控制面，则在单位时间内叶轮叶
片进口处流入的流体动量矩为：
qVvT1r1co1s
mv力臂
mv=Ft
单位时间内叶轮叶片出口处流出的流体动量矩为：
请见教材 P14
同理可得离心风机的全压： P T (u 2 v2 u u 1 v 1 u )
a 2r
离心力dF作用在面积dA上
dArbd dpr2dr
P2gP1u2 22gu12
2(r22r12)
2g
叶轮出口与进口处的压力差
第二节：流体在叶轮中的运动——速度三角形
绝对运动＝牵连 运动＋相对 运动
数学表达式： vu
牵连运动——叶轮带着流体一起旋转运动。 相对运动——流体沿叶轮流道的运动。 绝对运动——叶轮中的流体相对于地面的运动。
vm
qVT A
qVT ——流体经过叶轮的流量，它等于泵或风机实际输送的
流量加上流体在泵 或风机中的泄漏量，m3/s；
A ——与轴面速度垂直的过流断面面积，m2。
过流断面：是一个回转曲面，与所有在此曲面上的流体 轴面速度相垂直。
过流断面按照下式计算：
ADb
D ——任意点处的直径（进出口直径）
b ——叶片的宽度
考虑叶片厚度时，则过流断面为：
ADb Zb
Z ——叶片数
——叶片在圆周方向上的厚度
AD(1 bZD )D
DZ D
称为排挤系数：叶片厚度对过流断面的排挤程度。
3. 绘制进出口速度三角形
（1）叶轮进口速度三角形
圆周分速 与叶轮前吸入室的形状、大小有关。 对于直锥形管吸入室有
v1u0,v1mv1, 190
第三节：离心泵与风机的基本方程式
流体在泵或风机中到底得到多少能量？
——离心泵与风机的基本方程（欧拉方程） 总能(总 量功率）g为 qvH：
单位重量得到的能： 量H为 （扬程）
假设：
（1）泵与风机内流动的流体为无粘性流体。（可不 计粘性能量损失）
（2）叶轮上叶片厚度无限薄，叶片数无穷多，所以
流道的宽度无限小，那么流体完全沿着叶片的弯曲形
➢叶轮
叶轮
✓轴
✓ 6~12片叶片
➢机壳等。 机壳
蜗牛形通道； 叶轮偏心放； 可减少能耗，有利于动 能转化为静压能。
底阀(防止“气缚”)
滤网(阻拦 固体杂质)
2.离心泵工作原理
液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外 缘运动，速度增加、机械能提高。液体离开叶轮进入 蜗壳，叶轮内形成真空，蜗壳流道逐渐扩大、 流体速 度减慢，液体动能转换为静压能，压强不断升高，最 后沿切向流出蜗壳通过排出导管输入管路系统。
即绝对速度垂直于圆周速度，流体径向进入叶轮，根据绝 对速度和相对速度的方向、圆周速度的大小、方向，便可 作出叶轮进口速度三角形
叶片进口安装角的方向
（2）叶轮出口速度三角形
➢ 叶片出口处的相对速度的方向，由于受到叶片的约束而与 叶片相切，亦即叶片出口处的相对速度的方向为叶片出口安 装角的方向。
➢根据圆周速度、轴面速度的大小和方向及相对速度的方向，
速度三角形（教材P11）
➢叶轮叶片进出口处的轴
面速度： v1m v1 sin1
v2m v2 sin2
1. 圆周速度
叶轮内任意点的圆周速度方向与所在点的圆周相切， 其值由下式计算：
u Dn
60
n——叶轮轴的转速，r/min
D ——所求点的直径，m
2. 轴面速度 P11
根据连续性方程，轴面速度为：
➢下角标“1”表示叶轮叶片进口处。
➢下角标“2”表示叶轮叶片出口处。
➢绝对速度在圆周方向上的分量，称为圆周分速；绝对速
度在轴面上的投影，称为轴面速度。绝对速度与圆周速度
的夹角用 表示；相对速度与圆周速度反方向的夹角用
表示。
➢叶轮叶片进出口处的圆
周分速：v1u v1 cos1
v2u v2 cos2
qVv T2r2co2 s
则作用在流体上的外力矩M为：
M q V ( v T 2 r 2 co 2 v s 1 r 1 co 1 )s
推导基本方程式图－见教材P14
倘若叶轮的旋转角速度为
表示叶轮旋转时传递给
则有：
流体的功率
M q V ( v T 2 u 2 co 2 v 1 s u 1 co 1 )s
对于无粘性流体运动时，叶轮传递给流体的功率，应该 等于流体在叶轮中所获得的功率，即：
M gV qT HT
H T 表示为单位重量无粘性的流体，通过叶片数为无穷多
的工作轮时所获得的能量，称为无粘性流体、叶片数无穷
多时泵的扬程。
于是： H T1 g(v2 u2co2 sv1 u1co1 s)
1g(u2v2uu1v1u)
便可作出叶轮出口速度三角形。
vmqVT AFra bibliotek（3）变工况时的速度三角形的变化 泵与风机工作时，工况如发生变化，可以用速度三角形 来表达叶轮中流体速度变化的情况
相对速度方 向不变
变流量（叶片出口速度三角形）
花点时间做做教材P12【例题2－1】
1）弄清进出口宽度的变化 2）理解进出口直径的大小 3）理解进出口安装角大小 4）理解叶轮中的流量 5）熟练画进出口处的速度三角形
称为气缚。
水的密度是空气密度的700多倍
底
课堂讨论：如何克服离心泵启
阀
动前的气缚现象？
滤
网
答案：泵内灌满液体
4.进出口理论离心压力差
在叶轮流道内任意半径r处，取一宽为b，厚为dr的 流体微团。见教材P9图2－3
dmrbdrd？
叶轮以 旋转时产生的离心力为
dF r 2 b 2 d dr
F ma