第三章 离心式泵与风机的性能
泵与风机性能
第三章 泵与风机的性能(1)泵与风机实际H-Q 特性曲线及其主要影响因素 ①叶轮叶片出口角β2∞变化时的影响。
②叶轮叶片出口外径 D 2 变化时的影响。
③叶轮叶片出口宽度 b 2 变化时的影响。
④叶轮转速n 变化时的影响。
⑤实际叶轮为有限叶片数(Z ≠∞)的影响。
⑥实际流体具有粘性而产生摩擦损失的影响。
⑦偏离额定工况而产生冲击损失的影响。
⑧实际流道的泄露而产生容积损失的影响。
⑨泵与风机的实际Ｈ－Ｑ特性曲线的形式。
首先，根据Euler 方程讨论泵与风机实际性能曲线的主要影响因素为提高理论扬程通常取叶片入口角α1=90°，则额定工况下，流体沿径向进入叶轮，即V 1u ∞=0，代入Euler 方程:又由出口速度三角形得到：式中：显然对于已给定参数的叶轮来说，理论扬程 H T ∞ 与理论流量 Q T 之间呈线性关系。
直线的斜率为： ，直线的截距为：由上述Euler 方程，我们可以讨论各个因素的影响。
① 叶轮叶片出口角β2∞的影响根据前面所得到的结果可知：叶轮叶片出口角β2∞的变化只影响斜率，而不影响其截矩。
我们可对以下三种情况讨论：a) β2∞＜ 90°(后向))(11122V u V u H u u T g ∞∞∞-=β∞∞∞-=222,2ctgVu V m u FQ b D Q VTTm 2222==∞πb D u g ctg 2222πβ∞-g u 2202222<-∞bD u g ctgπβb) β2∞＝90°(径向)c) β2∞＞ 90°(前向)②叶轮外径D 2的影响∵斜率:∴斜率与叶轮外径D 2无关。
又∵截矩：∴截矩与叶轮外径D 2的平方成正比。
③叶轮出口宽度b 2的影响∵斜率:∴斜率的绝对值与叶轮出口宽度 b 2 的大小成反比。
又∵截矩：∴截矩与叶轮出口宽度 b 2 无关。
④转速 n 的影响 ∵斜率：∴斜率的绝对值与叶轮转速 n 的大小成正比。
第三章 泵与风机的叶轮理论
g
(u 2 u1 ) 2g
说明
式中 u 1 u 2----叶轮叶片进口、出口处的圆周速度 上式表明：当离心式泵与风机旋转叶轮外缘封闭， 即相当于出口阀门关闭，流体在流道内不流动时，单 位重量流体在叶轮出口与进口处的压力能差与叶轮旋 转角速度的平方成正比，与叶轮内、外直径有关。 即叶轮尺寸一定，旋转角速度增大，或叶轮内径 一定，外径增大，叶轮出口与进口处的流体压力能差 也增大。
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第五节 轴流式泵与风机的叶轮理论 特点（与离心式相比较） 翼型及叶栅 翼型及叶栅的空气动力特性 能量方程式
特点（与离心式相比较）
性能：流量大、扬程（全压）低。多用于大 型机组的循环水泵、送风机、引风机等。 调节：采用动叶调节，变工况由叶片对流体 作用的升力对流体做功。 流动方向：流体沿轴向进入并流出叶轮。 结构：结构简单，尺寸小，重量轻。
轴流叶轮中由于流体沿相同半径的流面流动所以流面进出口的圆周速度相同u叶轮进出口过流断面面积相等对不可压缩流体进出口的轴向速度相同能量方程式叶片式式泵与风机的能量方程式也适用于轴流式所不同的是叶轮进出口处圆周速度轴面速度相cotcotcotcotu故流体在轴流叶轮中获得的能量远小于离心式这就是轴流式泵与风机的扬程全压远低于离心式的原因
制作者：赵小燕
第三章 泵与风机的叶轮理论
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 流体在离心式封闭叶轮中获能分析 流体在叶轮中的运动及速度三角形 叶片式泵与风机的基本方程式 离心式叶轮的叶片型式 轴流式泵与风机的叶轮理论
第一节 流体在封闭式叶轮中的获能分析
泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片对流 体做功，从而使流体获得压力能及动能。因此，叶轮是 实现机械能转换为流体能量的主要部件。
离心式泵与风机的理论性能曲线
2.5离心式泵与风机的理论性能曲线本节研究泵或风机所具备的技术性能的表达方式。
泵与风机的扬程、流量、功率、效率和转速等性能是互相影响的，当一个参数变化时，其他的都随之变化，这种函数关系用曲线表示，就是泵与风机的性能曲线。
通常用以下三种形式来表示这些性能之间的关系：(1)泵或风机所提供的流量和扬程之间的关系，用）（Q H 1f =来表示：(2)泵或风机所提供的流量和所需外加轴功率之间的关系，用）（Q N 2f =来表示；(3)泵或风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用）（T T Q H 1f =及）（T T Q N 2f =来表示。
理论性能曲线是从欧拉方程出发，研究无损失流动这一理想条件下及的关系。
如叶轮出口前盘与后盘之间的轮宽为b 2,则叶轮在工作时所排出的理论流量应为：222r T v b D Q επ=(2-15)式中符号同前。
将式(2-15)变换后代入(2-13)可得：对于大小一定的泵或风机来说，转速不变时，上式中u 2，g ，ε，D 2及B 2均为定值，故上式可改写为：(2-16)式中gu 22=A ，222b επD 1g u B ∙=均为常数，而cot β2代表叶型种类，也是常量。
此时说明在固定转速下，不论叶型如何，泵或风机理论上的流量与扬程关系是线形的。
同时还可以看出，当Q T ＝0时，H T ＝gu 22=A 。
图2-8为3种不同叶型的泵和风机理论上的流量-扬程曲线。
显然由所代表的曲线斜率是不同的，因而3种叶型具有各自的曲线倾向。
下面研究理论上的流量与外加功率的关系。
在无损失流动条件下，理论上的有效功率就是轴功率，可按式(1-4)计算，即：当输送某种流体时=常数。
用式(2-16)代人此式可得：(2-17)可见对于不同的值具有不同形状的曲线。
但当Q T =0时，3种叶型的理论轴功率都等于零，3条曲线同相交于原点(见图2-9)。
图2-83种不同叶型的泵图2-93种不同叶型的泵和风机理论上的流量-扬程曲线和风机理论上的流量-功率曲线对于具有径向叶型的叶轮来说=90°，，功率曲线为一条直线。
3第三章 泵与风机的叶片理论
离心力
压力增加
第一节 流体在离心式封闭叶轮中的获能分析
2. 单位重力作用下流体的动能增量
第二节 流体在叶轮中的运动及速度三角形
一、流体在离心式叶轮中的运动分析
3. 单位重力作用下流体的总能头
讨论：流体获能与旋转速度、叶轮内直径、外直径 的关系？
流体在叶轮内的运动是一种 流体 在叶轮内的运动是一种复合运动 复合运动，即 ，即： ： uw
第四节 离心式叶轮的叶片形式
第四节 离心式叶轮的叶片形式
离心泵，一般采用后弯式 （1）从流体所获得的扬程看，前向叶片最大， 径向叶片稍次，后向叶片最小。 （2）从效率观点看，后向叶片最高，径向叶片 从效率观点看 后向叶片最高 径向叶片 居中，前向叶片最低。 （3）从结构尺寸看，在流量和转速一定时，达 到相同的压力前提下，前向叶轮直径最小，而 径向叶轮直径稍次，后向叶轮直径最大。 （4）从工艺观点看，直叶片制造最简单。 流动液体，功率大，为提高效率，降低轴功率。 离 风机 离心风机，三种叶型都有。 种叶型都有 要求高效低噪，采用后弯； 要求总风压高，前弯； 要求不易积灰，径向，如排粉机。
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
三、基本方程式分析 1. 预旋的存在及其对理论扬程的影响： 进入叶轮前的旋转运动称为预旋 分为正预旋（ α1∞为锐角），负预旋（ α1∞为钝角） 预旋发生的原因很复杂，至今无定论 预旋发生的原因很复杂 至今无定论 预旋可以改善流体流动，但会影响理论扬程
绝对速度角 相对流动角
对于水泵：ψ1 =0.75~0.88 ψ2 =0.85~0.95
当流体径向进入叶轮，通 常选用α1为佳
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
基本方程式（欧拉方程）
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
《泵与风机》第三章—相似理论在泵与风机中的应用
3.4 比转速 3.5 无因次性能曲线 3.6 通用性能曲线
3.1 相似条件
一. 几何相似
几何尺寸成比例且比值相等；
b1 p b1m b2 p b2m D1 p D1m D2 p D2m Dp Dm const
对应角度、叶片数相等
1 p 1m
2 p 2m
雷诺数Re：惯性力和黏性力的准则数 且Re＞105时 自模化状态 泵与风机的流动满足自模化条件，则动力相似 自动满足。
3.2 相似定律—性能参数间的相似关系
一. 流量相似关系
qv A2v2mv D2b2 2v2mv
qVp qVm
如几何相似 如运动相似
D2 pb2 p 2 p v2 mpVp D2mb2m 2mv2mmVm
qV p qVm ( D2 p D2 m )
3
p qVp H pmmVmhm Pm m qVm H mmpVphp
Pp
n p vp nm vm
2
hp ( ) ( ) Hm D2m nm hm
Hp D2 p np
2
p D2 p Pm m D2 m
Pp
5
n p mm n m mp
3
几何尺寸比的五次方，转速比的三次方，密度比的一次 方成正比，机械效率比的一次方成反比
几何相似， 运行工况相似
qVp qVm
Hp
容积效率和流动效率相等； 转速相差不大时（比值为1～2） 机械效率相等。
qV qV D 3n D 3n const 2 p 2 m
泵与风机
Pump and Air-blower
上海电力学院 能源与环境工程学院 工程热物理学科
泵与风机思考题1
绪论思考题5离心式泵与风机有哪些主要部件？各有何作用？ 答：离心泵叶轮：将原动机的机械能传递给流体，使流体获得压力能和动能。
吸入室：以最小的阻力损失引导液体平稳的进入叶轮，并使叶轮进口处的液体流速分布均匀。
压出室：收集从叶轮流出的高速流体，然后以最小的阻力损失引入压水管或次级叶轮进口，同时还将液体的部分动能转变为压力能。
导叶：汇集前一级叶轮流出的液体，并在损失最小的条件下引入次级叶轮的进口或压出室，同时在导叶内把部分动能转化为压力能。
密封装置：密封环：防止高压流体通过叶轮进口与泵壳之间的间隙泄露至吸入口。
轴端密封：防止高压流体从泵内通过转动部件与静止部件之间的间隙泄漏到泵外。
离心风机叶轮：将原动机的机械能传递给流体，使流体获得压力能和动能蜗壳：汇集从叶轮流出的气体并引向风机的出口，同时将气体的部分动能转化为压力能。
集流器：以最小的阻力损失引导气流均匀的充满叶轮入口。
进气箱：改善气流的进气条件，减少气流分布不均而引起的阻力损失。
6轴流式泵与风机有哪些主要部件？各有何作用？答：叶轮：把原动机的机械能转化为流体的压力能和动能的主要部件。
导叶：使通过叶轮的前后的流体具有一定的流动方向，并使其阻力损失最小。
吸入室（泵）：以最小的阻力损失引导液体平稳的进入叶轮，并使叶轮进口处的液体流速分布均匀。
集流器（风机）：以最小的阻力损失引导气流均匀的充满叶轮入口。
扩压筒：将后导叶流出气流的动能转化为压力能。
7 轴端密封的方式有几种？各有何特点？用在哪种场合？答：填料密封：结构简单，工作可靠，但使用寿命短，广泛应用于中低压水泵上。
机械密封：使用寿命长，密封效果好，摩擦耗功小，但其结构复杂，制造精度与安装技术要求高，造价贵。
适用于高温高压泵。
浮动环密封：相对与机械密封结构较简单，运行可靠，密封效果好，多用于高温高压锅炉给水泵上。
第一章思考题1． 试简述离心式与轴流式泵与风机的工作原理。
答：离心式：叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压能和动能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。
泵和风机课件第三章
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04
CATALOGUE
选型与安装使用注意事项
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选型原则及步骤
选型原则：根据实际需求，综合考虑 性能、效率、可靠性、价格等因素，
选择最适合的泵或风机型号。
选型步骤
确定所需流量和扬程（或压力）；
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根据介质特性选择合适的材质；
根据工作环境和条件选择合适的驱动 方式；
泵和风机课件第三章
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CATALOGUE
目 录
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• 泵与风机的分类及工作原理 • 泵与风机的结构特点及零部件 • 泵与风机的运行调节与维护保养 • 选型与安装使用注意事项 • 实验操作与数据分析处理 • 课程总结与展望
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01
CATALOGUE
泵与风机的分类及工作原理
泵壳
汇集液体，与叶轮共同构成过流部件 。
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泵的结构特点及零部件
轴
传递扭矩，支撑叶轮旋转。
轴承和密封件
支撑轴并防止泄漏。
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11
风机的结构特点及零部件
高效气动设计
风机叶片形状和角度经过优化，以提高气动效率。
噪音控制
通过改进叶片形状、采用消音器等措施降低噪音。
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容积式风机
依靠工作容积的周期性变 化来输送气体，如往复式 风机、回转式风机等。
2024/1/25
叶轮式风机
依靠旋转的叶轮对气体的 动力作用来输送气体，如 离心式风机、轴流式风机 等。
其他类型风机
如喷射风机、真空风机等 ，利用特殊的工作原理来 输送气体。
5
第三章 离心泵与风机的主要部件与整体结构
平直前盘制造简单， 效率较低，而弧形前 盘气流进口后分离损 失较小，效率较高。
图3－36 前盘型式 (a)平直前盘；(b)锥形前盘；(c)弧形前盘
二、集流器 装置在叶轮前，它应使气流能均匀地充满叶轮的入口截 面，并且气流通过它时的阻力损失应该最小。
图3－37 集流器型式 (a)圆筒形；(b)圆锥形；(c)弧形； （d）锥筒形；(e)锥弧形
第三节 离心式风机的主要部件
一、叶轮
叶轮是离心风机传递能量 的主要部件，由前盘、后 盘、叶片及轮毂组成。 叶轮后弯式叶片有机翼型、 直板型及弯板型等三种； 机翼型效率最高。
图3－34 离心风机叶轮 1－前盘；2－后盘；3－叶片；4－轮毂
图3－35 后弯叶片形状 （a）机翼型；（b）直板型；（c）弯板型
由于泄漏原因叶轮两侧充有液体，液流压力不同，轴向力的 方向指向吸入口。
2、轴向力的平衡
（1）双吸式叶轮
单级泵可采用 双吸叶轮
（2）叶轮对称布置 多级泵采用对称排列的方式，叶轮 数为奇数时首级叶轮采用双吸式。
（3）平衡孔 单吸单级泵，可在叶轮后盖板上 开一圈小孔——平衡孔。 缺点：增加了泄漏，效率降低， 适用于单级泵或小型多级泵上。
第三章离心泵与风机的主要部件与整体结构第一节离心泵主要部件第二节离心泵整体结构第三节离心风机主要部件第四节离心风机整体结构第一节离心泵主要部件一叶轮1叶轮是将原动机输入的机械能传递给液体提高液体能量的核心部件
第三章 离心泵与风机的主要部件与整体结构
第一节 第二节 第三节 第四节 离心泵主要部件 离心泵整体结构 离心风机主要部件 离心风机整体结构
二、单级双吸泵
特点：S型泵，流量变大适 用于工厂、矿山、城市的 给水，亦可用作中、小型 火力发电厂循环水泵。
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无因次性能曲线及通用性能曲线
• 泵与风机主要性能参数的数值大小，不仅与泵与 风机的结构形状有关，而且与几何尺寸、转速和 流体密度等有关，这样就不便于比较不同型式泵 与风机的性能差别，为此，把性能参数中几何尺 寸、转速和流体密度的影响消去，就形成了无因 次性能参数，用无因次性能参数绘制出的曲线称 为无因次性能曲线，同一种结构形状（即同一种 型式、或同一系列）的泵与风机，仅用同一组无 因次性能曲线来表示，无因次性能曲线在风机中 得到广泛应用。
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
8
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 流动摩擦损失；②由于泵与风机流道断面的变化 和转弯，使得流体速度分布不均匀，局部区域产 生漩涡和二次回流，由此而产生的扩散损失；③ 当流体在叶片入口处的流动角β1与叶片进口安装 角β1e不等时而产生的冲击损失
• 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。
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• 对于风机，这些曲线主要有： q-p曲线、 q-p曲线、q-P曲 线、 q-η曲线和q-η曲线
• 曲线、曲线和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。 • 熟悉离心式泵与风机性能曲线的典型形状，这样才能在实
际工作中分析其运行特性。
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第一节 功率
• 泵与风机的功率分有效功率、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。 注意：（1）在公式中流量的单位均为m3/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。
（2）电动机的容量一般是指电动机的铭牌额定 输出功率，在工程实际中，进行计算后，应查阅 有关电动机产品系列，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18.5 kW的电动机。
第三章 离心式泵与风机的性 能
对泵与风机性能的掌握是至关重要 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。
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第一节 功率、效率和损失
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• 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， 大小成比例且比值相等。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。
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相似定律及其特例
• 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。
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相似条件
• 几何相似是指相似对象的双方（一个可称之为模型，另一 个可称之为原型）各对应点的几何尺寸成比例且比值相等， 各对应几何角、叶片数相等。几何相似容易理解和接受。
• 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，大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，且各 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。
• 前两部分可以归并成,即与流量的平方成正比，k3 与流道结构有关；最后一部分可以写成，其中为 无冲击工况流量，k4主要与叶片头部的形状有关。
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第二节 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下（多为额定转速） 其它性能参数随流量变化的关系曲线。
• 对于泵，这些曲线主要有：q-H曲线、q-P曲线、q-η曲线 以及汽蚀性能参数与流量的关系曲线；
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第三节 相似理论及相似理论在泵与 风机中的应用
• 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 构简单的泵与风机中，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。
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离心式泵与风机性能曲线的分析
• 最佳工况点与经济工作区 • 离心泵在空载情况下防止汽化 • 空载条件下启动 • 后弯式叶轮流量与扬程性能曲线的三种基
本形状 • 前弯式叶轮的某些特点
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离心式风机的性能曲线分析
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• （2）另一部分是叶轮的圆盘摩擦损失ΔPm，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。
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容积损失
• 由于泵与风机动静部件之间存在着一定的间隙， 从叶轮那里得到能量的流体会从间隙的高压侧流 向低压侧，并把部分能量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。
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第二节 损失和效率
• 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相应的 效率来衡量
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6机械损失• 来自括两部分：• （1）一部分是轴承和轴封处的机械摩擦损失 ΔPm，1，主要与轴承、轴封的结构形式以及流 体密度有关；