《过程流体机械第二版》思考题参考解答(《过程流体机械》教材2-3-4章)

V 容积系数λV （最重要系数）λV ＝1－α（n 1ε－1）＝1－⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛110n s dS p p V V（2-12）式中：α ——相对余隙容积，α ＝V 0（余隙容积）/ V s （行程容积）；α ＝0.07～0.12（低压），0.09～0.14（中压），0.11～0.16（高压），＞0.2(超高压)。

ε ——名义压力比（进排气管口可测点参数），ε ＝p d / p s ＝p 2 / p 1 ，一般单级ε ＝3～4；n ——膨胀过程指数，一般n ≤m （压缩过程指数）。

☆思考题2.4 多级压缩的好处是什么？---优点：①.节省功耗（有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程）；②.降低排气温度（单级压力比小）；③.增加容积流量（排气量，吸气量）（单级压力比ε降低，一级容积系数λV 提高）；④.降低活塞力（单级活塞面积减少，活塞表面压力降低）。

缺点：需要冷却设备（否则无法省功）、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等）。

2.6 动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法，以两级压缩机为例，分析一级切断进气，对机器排气温度，压力比等的影响。

两级压缩机分析：1级切断进气→节流（实际ε1↑）→停止进气排气→2级节流（实际ε2↑）→（短暂）排气温度T 2↑→（逐渐）停止进气排气（级间存气）；活塞力↑（ε↑），阻力矩变化。

3 离心压缩机☆思考题3.1 何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？级典型结构（图3-2）：叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管）、中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳）；叶轮：唯一做功元件。

闭式、半开式、双吸式（双面进气）；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压），无叶（片）型、叶片（有叶）型。

3.2 离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？22φ2r 的数值应在何范围之内？连续方程：质量守恒（流经任意截面流量）q m ＝ρi q Vi ＝ρin q Vin ＝ρ2 q V 2＝ρ2 c 2r f 2 ＝const （3-1）式中：q m 为质量流量，kg/s ；q V 为容积流量，m 3/s ；ρ为气流密度；f 为截面面积；c 为法向流速；q m ＝ρ2 q V 2＝ρ22222D D b πτ2 φ2r u 2 ＝ρ222D b φ2r 322260u n ⎪⎭⎫ ⎝⎛πτ （3-2）式中：D 2为叶轮外径；b 2 为叶轮出口轴向宽度；b 2 / D 2为叶轮出口相对宽度（0.025～0.065）；φ2r 为流量系数（径向叶轮0.24～0.40，后弯叶轮0.18～0.32，β2A ≤30º强后弯叶轮0.10～0.20）；τ2 为叶轮出口通流系数。

3.4 何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。

欧拉方程：（叶轮机械基本方程）理论和实用表达式 L th ＝H th ＝c 2u u 2－c 1u u 1＝22122u u -＋22122c c -＋22221w w - （3-4、5）式中：L th 为叶轮输出欧拉功；H th 为理论能量头（接受能量/单位重流体），kJ/kg ；物理意义：3部分能量，（离心力做功转静压能）+（动能增量）+（w 减速转静压能）。

3.7 试说明级内有哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？ 级内流动损失（1）摩阻损失H f ∝2Vq （2mc 平均气速）；（2）分离损失：边界层（c →0）分离（回流），控制通道扩张角（锥度、扩压度，图3-8）；（3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析）；叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A ，3.9 试分析说明级数与圆周速度和气体分子量的关系。

级数与叶轮圆周速度u 2和气体分子量μ的关系u 2↑，单级L th ↑→级数↓，但叶轮材料强度、气流马赫数M w 1和M c 2、叶轮为防喘振可采取哪些措施？ 喘振工况现象：流量↓→个别叶道产生漩涡（边界层分离）→“旋转脱离”（叶道漩涡区逆向转动）→流量↓↓→大部叶道堵塞（旋转脱离漩涡团）→出口压力p ↓→管网气流倒流→出口压力p ↑→管网正流供气→流量↓反复倒流正流→喘振工况；危害：强烈振动、噪声、性能（p 、η）下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞→机器严重破坏；特点：旋转脱离频率↑、振幅↓、影响叶片，管网影响较小；喘振频率↓、振幅↑、机组管网影响极大；防喘振措施：出口降压（放空、旁路回流），调节（变速、预旋(导叶)、气量↑、停机），监测（q Vin 、p ）； 子轴向窜动，对轴向推力及轴承有什么要求？轴向力：叶轮两侧压差、流体轴向动量差，方向指向叶轮入口；轴向力平衡措施：叶轮对排（对称平衡）、双吸（双面进气）叶轮、叶轮背叶片（背压↓）、平衡盘（末级叶轮后，盘前高压，盘后引入口低压，反向平衡力）；防轴向串动要求：止推轴承、保留（3000～8000 N ）轴向力、（设置轴向）位移限制器、监测（轴向）位移。

3.23 何谓滑动轴承的动态特性？何谓油膜振荡？哪几种滑动轴承具有抑振特性？滑动轴承特性：静态特性，轴颈中心稳定（偏心距e 和偏位角θ不变），（油压、油量、承载、阻力、温升）；动态特性，轴颈中心涡动（e 和θ变化，径向速度dt de e= 和涡动角速度dtd θθ=）；半速涡动：涡动角速度ω涡＜≈1/2ω（转子角速度），同方向持续，振幅较小；①.收敛（阻尼力＞推动力）；②.稳定（等功，轴心椭圆轨迹）；③.发散（阻尼力＜推动力）；油膜振荡：（涡动角速度）ω涡＝n c 1（1阶临界转速），频率保持，振幅极大；（油膜振荡）防止方法：转子（转子刚度↑、n c 1↑、n 工作↓，n 工作＜2n c 1），轴承（抑振轴承）；抑振轴承：原理（双多油楔、自调整、动压收敛）（图3-41）椭圆轴承、多油叶（不对称三油叶Three Lobe ）轴承、多油楔（四油楔）轴承、可倾瓦Tilting Pad （活支五瓦块）轴承、垫块式止推轴承等。

3.24 有哪几种轴端密封？试简述它们的密封原理和特点。

机械密封：动静环，径向间隙（轴面）密封→轴向间隙（端面）密封，效果、寿命好，成本高，替代填料；液膜（浮环）密封：浮动径向间隙密封（液体润滑）＋双端面密封，封液（＞气压）强制向内外输送（回收）；干气（气膜）密封：动静环→动环开槽→(旋转)气体动压→端面间隙→气封（润滑），启动、装配、振动问题；离心压缩机：状态监测＋干气密封→工业实用保证（解决重大技术问题）。

4 泵4.3 简述汽蚀现象，并说明汽蚀的危害。

汽蚀Cavitation ：空化、空蚀，（来源）空洞、空泡、气泡；水力机械特有的，在一定条件下因流体与气体相互转化引起的破坏现象。

汽蚀发生机理：p K ↓→局部p K ＜p V →液体汽化→气泡逸出体积↑→叶轮做功p ↑→气泡凝结溃灭体积↓↓→空穴形成，液体合围→撞击、冲击流道（高压数百at 、高温300℃、高频3000 Hz ）→剥蚀表面、扩展裂纹、电化学腐蚀；（液体汽化、凝结、冲击、破坏）。

严重后果：部件损坏（过流表面剥蚀、麻点、蜂窝、裂纹、穿孔）；性能下降（流量q V 扬程H 效率η↓）；噪声振动（气泡溃灭、液体撞击）；机器失效（抽空断流，气泡堵塞流道）；机器破坏（叶轮损坏、共振破坏）。

易汽蚀泵：高温泵(锅炉给水泵)、轻油泵(夏季高温储运鹤管)，p V ↑。

4.4 何谓有效汽蚀余量？何谓泵必需的汽蚀余量？并写出它们的表达式。

有效汽蚀余量NPSH a （泵装置）：液流自吸液罐（池）经吸入管路到泵入口，高出汽化压力p V 所富余的能量头（4-15、4-17式等）；NPSH a ＝γSp ―γVp ＋gc S 22＝γap ―γVp ＋g c S 22―H S ＝γA p ―γVp ―ΔH A-S ―H g m泵必需汽蚀余量NPSH r （泵本身）：液流自泵入口到泵叶轮内压力最低p K处所消耗的能量头（静压能量头降低值）；NPSH r ＝λ1gc 220＋λ2gw 220 m （4-18）式中：λ1＝1.05～1.3（流速及流动损失），λ2＝0.2～0.4（流体绕流叶片压降）。

4.5 试写出泵汽蚀基本方程式。

如何根据该方程式判断泵是否发生汽蚀及严重汽蚀？汽蚀基本方程式（发生汽蚀判别式）NPSH a ＝NPSH r ，即γSp ＋g c S 22―γV p ＝λ1gc 220＋λ2gw 220 （4-19）汽蚀条件：＝泵开始发生，＜严重汽蚀。

4.6 提高离心泵抗汽蚀性能应采取哪些措施？试举例说明之。

根据汽蚀安全条件（4-17）、（4-18）式NPSH a ＝γA p ―γVp ―ΔH A-S ―H g ＞λ1gc 220＋λ2gw 220＝NPSH r抗汽蚀措施： ①．三方面措施：NPSH a ↑、NPSH r ↓、改进叶轮材料；②．p A ↑：吸液罐增压↑、叶轮入口诱导轮（叶轮前增压）；③．p V ↓：降温t ↓（p V ＝f (t )）、吸液罐冷却（夏季轻油品输送）；④．ΔH A-S ↓：改善吸入特性，阻力损失↓；流量q V ↓、转速n ↓、管径d ↑、管长l ↓、阀门弯头管件数量↓、局部阻力损失↓，阀门开度↑；⑤．H g ↓：泵安装位置Z S ↓、吸液罐位置Z A ↑（灌注头）；⑥．λ1、λ2↓：改进叶轮入口（图4-9，阻力损失↓，流线型，缓慢绕流），微正冲角（i ＝β1A ―β1）；⑦．c 0、w 0↓：叶轮入口D 0↑、轮毂直径d h ↓、叶轮入口宽度b 1↑、双吸叶轮；⑧．叶轮材料：强度↑、硬度↑、韧性↑、化学稳定性↑、表面光洁度↑，抗腐蚀、抗疲劳、抗剥落；不锈钢2Cr13、稀土合金铸铁、高镍铬NiCr 合金、铝铁AlFe 青铜9-4等。

4.9 改变泵的运行工况，可采取哪些调节措施？哪种调节措施比较好？离心泵运行调节方法：①．变泵特性；②．变装置（管路）特性；③．同离心泵正确安全操作：执行操作规范、安全制度，岗位培训等；认为盘车、关阀重要。

4.12 试写出泵的相似定律表达式和叶轮切割定律表达式，并说明它们的用途。

比例定律（尺寸、液体相同，转速不同）n n q q V V'='，2⎪⎭⎫ ⎝⎛'='n n H H ，3⎪⎭⎫⎝⎛'='n n N N ，ηη='（4-31,32,33,相似条件）式中：λl 为尺寸比例系数（模型缩放比）。

叶轮切割定律（相似定律简化特例）问题：现场需要同类型泵系列流量范围（小范围），无变速条件，变尺寸（成套叶轮）成本↑；简单方法：切割叶轮外径（同叶轮不同外径D 2）。