《水工艺设备基础》_第三章(1)教程
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水工艺设备理论基础
§3.1 容器应力理论 半椭球母线
§3.1 容器应力理论
四、锥形壳 锥形壳一般用于容器的封头或变径段，如图所示。 锥形壳的薄膜应力表达式如下：
式中s：m p=--2介pdr 质? c的o1s内a 压力，sqM=Papd；r ?
1 cosa
α--锥壳的半顶角；
δ--锥壳的壁厚;
r--计算点所在平行圆的半径，即该点距回转轴的距离；
§3.1 容器应力理论
(a)
(b)
r2
=
rc
sinf
dQ＝2πr p dL cosφ dQ＝2πrpdr
(c)
Q′＝2πrcδ σm sinφ=
(d) prc2 p
? Q = 2pp rc 0
rdr = prc2 p
§3.1 容器应力理论
§3.1.3回转薄壳的薄膜应力 回转薄壳承受内压后，在经线方向和纬线方向都要产生伸长变形 ，所以，在经线方向将会产生经向应力σm，在纬线方向会产生环 向应力σm 。由于轴对称，故同一纬线上各点的经向应力σm 和环向 应力σm 均相等。由于我们涉及的壳体为薄壳，可以认为σm 和σm 在 壳壁厚度上均匀分布。 （1）经向薄膜应力--（壳体平衡方程） 用一个与回转壳体中间面正交的圆锤面切割一承受内压的壳体， 取截面以下的分离体进行研究。该分离体上作用着介质的内压力p 和经向应力σm（图b、c），二者在轴方向应互相平衡（即作用力 和反作用力的关系）。从这种观点出发，推导出计算经向应力σm 的公式。 在分离体COC1取一宽度为dL的环带（图b），其上作用的气体压 力在轴线方向的合力是dQ，其值为 dQ＝2πr p dL cosφ
式s中m ：= a2p-d-半a椭2 球y b2 壳+2 b长4 x轴2 的一半s q；=
水工艺设备基础课件
塑性变形而成为所需形状的过程。 （5）热处理性能：热处理是以改善钢材的某些性能为目的，将钢材
加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以不同的 速度冷却下来的一种操作。
15
§1.1 金属材料
三、耐蚀金属材料及性能 金属材料的化学性能最主要的是指它的耐腐蚀性。材料抵抗周围 介质对腐蚀破坏的能力称为材料的耐腐蚀性能。耐蚀性不是材料 固有不变的特性，它随材料的工作条件而改变。
优质钢
S、P均应≤0.04%；
高级优质钢 S≤0.03%；P≤0.035%
（3）按用途分类
根据钢的用途主要可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。这类钢一般属于 低碳或中碳的碳素钢或合金钢。
工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢一般属于高 碳钢或高碳合金钢。
1、碳钢和普通铸铁的耐蚀性 （1）耐蚀性能 *在淡水、大气、土壤、海水等中性介质中都不耐蚀； *在各类干燥气体和有机溶剂等介质中耐蚀性良好； *在低浓度碱溶液及浓硫酸、浓氢氟酸等介质中，碳钢和普通铸铁表
面能生成稳定的膜，因而是耐蚀的。 （2）影响耐蚀性的因素： 介质组成；铁碳合金的成分和组织；钢铁热处理条件差异。
8
§1.1 金属材料
（3）磷（P） 也是一种有害元素。磷能全部溶于铁素体中，使强度和硬度增加， 会导致塑性和冲击韧性的显著降低。在低温变脆，产生“冷脆” 现象。在某些特殊用途钢中，如含磷的铜钢，可以提高在大气中 的耐蚀性。 （4）锰（Mn） 一种有益的元素。锰是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。 由于锰可以和硫形成高熔点(1600℃)的硫化锰，能减轻硫的有害 作用，并能提高钢的强度和硬度，是低合金钢中的常见元素。 （5）硅（Si） 一种有益的元素。作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。能使钢的 强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。硅作为合金元素， 可以提高钢的耐蚀性和耐热性，但过量的硅会恶化钢的热加工工 艺性能。
加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，然后以不同的 速度冷却下来的一种操作。
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§1.1 金属材料
三、耐蚀金属材料及性能 金属材料的化学性能最主要的是指它的耐腐蚀性。材料抵抗周围 介质对腐蚀破坏的能力称为材料的耐腐蚀性能。耐蚀性不是材料 固有不变的特性，它随材料的工作条件而改变。
优质钢
S、P均应≤0.04%；
高级优质钢 S≤0.03%；P≤0.035%
（3）按用途分类
根据钢的用途主要可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。这类钢一般属于 低碳或中碳的碳素钢或合金钢。
工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢一般属于高 碳钢或高碳合金钢。
1、碳钢和普通铸铁的耐蚀性 （1）耐蚀性能 *在淡水、大气、土壤、海水等中性介质中都不耐蚀； *在各类干燥气体和有机溶剂等介质中耐蚀性良好； *在低浓度碱溶液及浓硫酸、浓氢氟酸等介质中，碳钢和普通铸铁表
面能生成稳定的膜，因而是耐蚀的。 （2）影响耐蚀性的因素： 介质组成；铁碳合金的成分和组织；钢铁热处理条件差异。
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§1.1 金属材料
（3）磷（P） 也是一种有害元素。磷能全部溶于铁素体中，使强度和硬度增加， 会导致塑性和冲击韧性的显著降低。在低温变脆，产生“冷脆” 现象。在某些特殊用途钢中，如含磷的铜钢，可以提高在大气中 的耐蚀性。 （4）锰（Mn） 一种有益的元素。锰是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。 由于锰可以和硫形成高熔点(1600℃)的硫化锰，能减轻硫的有害 作用，并能提高钢的强度和硬度，是低合金钢中的常见元素。 （5）硅（Si） 一种有益的元素。作为脱氧剂和合金元素加入钢中的。能使钢的 强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。硅作为合金元素， 可以提高钢的耐蚀性和耐热性，但过量的硅会恶化钢的热加工工 艺性能。
水工艺设备理论基础
4
P
p——内压
D1——内径
[σ]——许用应力
φ——焊缝系数
封头的名义厚度δn
C1—腐蚀裕量
C2—钢板负偏差
Δ—圆整值
（3 - 25）
n c1 c2 （3.28）
2)半椭球形封头——
理论计算厚度δ——
标准的椭球形封头，
ma D 2 b 2h1
2
pD1
0.5P
特点：制造复杂，不便于安装内部构件，但承压能力 好，制造相同容积容器时材料最节省
容器设计基本要求
工艺要求： 尺寸、形状、填料种类、壁厚
机械设计要求
强度——容器抵抗外力不被破坏的能力 刚度——容器抵抗外力不发生变形的能力 稳定性——在外力作用下容器维持原有形状能力 严密性 抗腐蚀和抗冲刷 经济 加工、安装、维修方便等
m
pD
4
pD
4
(3 5) (3 6)
结论：
1.球壳上各点应力相等； 2.环向应力=径向应力； 3.球壳上的薄膜应力只有同直径同壁厚圆柱壳的环向应力
的一半。
3、椭球壳薄膜应力
径向应力 环向应力
m
p
2
a4 y2 b4x2 b2
(3 7)
p
a4 y2 b4x2
a4b2
b2
1
2
a
(3 11) (3 12)
容器应力计算例题（p94）
已知：上封头为半球壳，下封头为椭球壳 （a/b=2）的圆筒形容器，内径D1＝600mm， 壁厚δ＝8mm，内压p＝0.5MPa
求：容器及上、下封头的薄膜应力
解：
1）圆筒的应力：
（3.3）（3.4）
2）上封头应力：
m
pD 4
P
p——内压
D1——内径
[σ]——许用应力
φ——焊缝系数
封头的名义厚度δn
C1—腐蚀裕量
C2—钢板负偏差
Δ—圆整值
（3 - 25）
n c1 c2 （3.28）
2)半椭球形封头——
理论计算厚度δ——
标准的椭球形封头，
ma D 2 b 2h1
2
pD1
0.5P
特点：制造复杂，不便于安装内部构件，但承压能力 好，制造相同容积容器时材料最节省
容器设计基本要求
工艺要求： 尺寸、形状、填料种类、壁厚
机械设计要求
强度——容器抵抗外力不被破坏的能力 刚度——容器抵抗外力不发生变形的能力 稳定性——在外力作用下容器维持原有形状能力 严密性 抗腐蚀和抗冲刷 经济 加工、安装、维修方便等
m
pD
4
pD
4
(3 5) (3 6)
结论：
1.球壳上各点应力相等； 2.环向应力=径向应力； 3.球壳上的薄膜应力只有同直径同壁厚圆柱壳的环向应力
的一半。
3、椭球壳薄膜应力
径向应力 环向应力
m
p
2
a4 y2 b4x2 b2
(3 7)
p
a4 y2 b4x2
a4b2
b2
1
2
a
(3 11) (3 12)
容器应力计算例题（p94）
已知：上封头为半球壳，下封头为椭球壳 （a/b=2）的圆筒形容器，内径D1＝600mm， 壁厚δ＝8mm，内压p＝0.5MPa
求：容器及上、下封头的薄膜应力
解：
1）圆筒的应力：
（3.3）（3.4）
2）上封头应力：
m
pD 4
《水工艺设备基础》 第三章(1)
3.4.2 对流换热
对流换热定义和性质
定义： 定义：对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间
的热量传递现象。 的热量传递现象。
性质：
*对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基 对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热； 本传热方式 传热的另一种基本方式，依靠流体的运 传热的另一种基本方式，
3.4.2.1 影响对流换热的因素
流体流动的起因 流体的相变 流体的流动状态 换热表面的几何因素 流体的物理性质
3.4.4 辐射换热
3.4.4.1 辐射换热的本质和特点
特点
(1)不需冷热物体直接接触及任何中间介质就能进 (1)不需冷热物体直接接触及任何中间介质就能进 行热量传递。如阳光能够穿越低温太空向地面 辐射。 (2)辐射换热过程伴随能量转化， (2)辐射换热过程伴随能量转化， 即物体部分内能→电磁波能→另一物体内能 即物体部分内能→电磁波能→另一物体内能 (3)温度高于绝对零度的一切物体，不论温度高低， (3)温度高于绝对零度的一切物体，不论温度高低， 都会不断地发射热射线。总效果为高温物体把 能量传给低温物体。
3.1.2 回转曲面与回转薄壳 *回转曲面：以一条’ 回转轴： 回转轴：OO 直线或平面曲线作 母线，绕其同平面 母线，绕其同平面 的轴线旋转一周形 的轴线旋转一周形 成的曲面叫回转曲 面。
3.1.3 回转薄壳的薄膜应力
薄膜应力：薄膜是回转薄壳的简称。在内压作用 薄膜应力：薄膜是回转薄壳的简称。在内压作用 下，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体 在内压作用下的主要内力是拉力，假定这种拉力 沿厚度方向均匀分布，称为薄膜应力。
3.1.8 内压封头设计
封头分为三类
凸形封头
半球形封头 半椭球形封头 带折边球形封头 无折边球形封头
第3章水工艺设备理论基础
第3章水工艺设备理论基础
圆柱形筒体按其结构可分为：
n 单层式: 筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构 成，即器壁只有一层（为防止内部介质腐蚀， 衬上的防腐层不包括在内）。 单层筒体按制造方式又分为单层卷焊式、整 体锻造式、锻焊式等几种。 组合式: 筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上 互不连续的材料构成。 组合式筒体按结构和制造方式又可分为多层 式和缠绕式两大类:
第3章水工艺设备理论基础
3.1.5.2 内压圆筒壁厚的确定
(1)理论计算壁厚和设计厚度 中径为D，壁厚为δ的圆筒体，在承受介质 的内压为p时，其经向薄膜应力和环向薄膜 应力分别是
第3章水工艺设备理论基础
3.1.5.2 内压圆筒壁厚的确定
n 环向薄膜应力是经向薄膜应力的两倍， 若钢板在设计温度下的许用应力为[σ]
n 焊接结构设计涉及 到接头的形式（如 对接、搭接、角 接），以及接头的 坡口形式、几何尺 寸等。
第3章水工艺设备理论基础
3.1 容器应力理论
3.1.1.1 容器的结构
– 筒体(又称筒身)、 – 封头(又称端盖)、 – 法兰、 – 支座、 – 进出管 – 人孔(或手孔)、 – 视镜等组成
第3章水工艺设备理论基础
•球形封头 •椭圆封头
第3章水工艺设备理论•球基础冠形封头
密封装置
n 螺栓法兰连接（简 称法兰连接）是一 种应用最广的密封 装置，它的作用是 通过螺栓连接，并 通过拧紧螺栓使密 封元件压紧而保证 密封。 法兰按其所连接的 部件分为容器法兰 和管道法兰。
第3章水工艺设备理论基础
开孔与接管：
n 由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒 体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人 孔、手孔、 视镜孔、物料进出口接管，以及安 装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开 孔。
圆柱形筒体按其结构可分为：
n 单层式: 筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构 成，即器壁只有一层（为防止内部介质腐蚀， 衬上的防腐层不包括在内）。 单层筒体按制造方式又分为单层卷焊式、整 体锻造式、锻焊式等几种。 组合式: 筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上 互不连续的材料构成。 组合式筒体按结构和制造方式又可分为多层 式和缠绕式两大类:
第3章水工艺设备理论基础
3.1.5.2 内压圆筒壁厚的确定
(1)理论计算壁厚和设计厚度 中径为D，壁厚为δ的圆筒体，在承受介质 的内压为p时，其经向薄膜应力和环向薄膜 应力分别是
第3章水工艺设备理论基础
3.1.5.2 内压圆筒壁厚的确定
n 环向薄膜应力是经向薄膜应力的两倍， 若钢板在设计温度下的许用应力为[σ]
n 焊接结构设计涉及 到接头的形式（如 对接、搭接、角 接），以及接头的 坡口形式、几何尺 寸等。
第3章水工艺设备理论基础
3.1 容器应力理论
3.1.1.1 容器的结构
– 筒体(又称筒身)、 – 封头(又称端盖)、 – 法兰、 – 支座、 – 进出管 – 人孔(或手孔)、 – 视镜等组成
第3章水工艺设备理论基础
•球形封头 •椭圆封头
第3章水工艺设备理论•球基础冠形封头
密封装置
n 螺栓法兰连接（简 称法兰连接）是一 种应用最广的密封 装置，它的作用是 通过螺栓连接，并 通过拧紧螺栓使密 封元件压紧而保证 密封。 法兰按其所连接的 部件分为容器法兰 和管道法兰。
第3章水工艺设备理论基础
开孔与接管：
n 由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒 体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人 孔、手孔、 视镜孔、物料进出口接管，以及安 装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开 孔。
水工艺设备基础课后习题答案
第1章水工艺设备常用材料1. 金属材料的基本性能包括哪几个方面的内容？你认为水工艺设备对金属材料的哪些性能要求更高？怎样才能满足这些要求？答：使用性能：1 化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性。
2 物理性能：密度，熔点，热膨胀系数，导热性以及弹性模量等。
3 机械性能：弹性，塑性，强度和韧性。
工艺性能：可焊性，可锻性，切削加工性，成型工艺性，热处理性能。
我觉得水工艺设备对金属材料的强度，刚度和抗腐蚀性的性能要求更高。
按照实际的工程需要，通过不同材料间的比较，从中选出较优的材料。
2．钢的分类与编号如何？答：分类：按化学成分分类：碳钢和合金钢。
分别又分为低中高。
按质量分类：普通钢，优质钢，高级优质钢（硫磷的含量区分）用途分类：结构钢，工具钢和特殊性能钢。
编号：（1）普通碳素结构钢:Q+数字表示。
Q275表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢。
（2）优质碳素结构钢：采用两位数字表示钢中平均含碳量为万分之几。
含碳为0.45%的编号为45钢。
(3)碳素工具钢：以“T”开头，后面标以数字表示含碳量的千分之几。
高级就在最后加以“A”。
（4）合金结构钢：两位数字+元素符号+数字来表示。
两位数字表示含碳量的万分之几，元素符号表示所含的合金元素，数字表示该元素的百分之几。
（5）合金工具钢：和合金结构钢类似。
含碳量大于或等于1%时不予标出，小于的话用千分之几表示。
3. 影响钢材性能的因素主要有哪些？答：碳是决定钢材的主要元素，随含碳量增加，钢的强度和硬度将不断提高，而塑性和韧性则会随之下降。
硫是一种有害元素，产生“热脆”现象。
磷也是一种有害元素，产生“冷脆”现象。
锰是一种有益元素，作为脱氧剂和合金元素，减轻硫的有害作用，提高钢的强度和硬度。
硅是一种有益元素，作为脱氧剂和合金元素，提高强度，硬度，弹性，降低塑性和韧性。
氧，氮：未除尽的氧氮大部分以化合物形式存在，降低强度，冷弯性能和焊接性能。
氧增加热脆，氮增加冷脆。
钛，钒，铌：钢的强脱氧剂和合金元素，改善韧性，提高强度。
《水工艺设备基础》课程教学大纲
《水工艺设备基础》课程教学大纲英文名称： Equipments for Water Process课程编码： 080720118总学时：24 实验学时：0 学分：1.5适用对象：给排水科学与工程专业先修课程：水力学、建筑力学、普通化学、物理化学大纲主撰人：大纲审核人：一、课程性质、目的和任务本课程是给水排水工程专业的一门主干专业课程。
其主要目的是介绍与水工艺设备的制造、设计、工艺特点、适用条件等有关的基本知识。
本课程的任务是使学生系统的掌握与水工艺设备的制造、设计、运行管理等有关的基础知识，了解常用工艺设备的基本结构、工作原理和工艺性能，使学生初步具备水工艺设备开发、设计、选型和运行管理的素质与能力。
二、教学内容及要求第1章水工艺设备常用材料授课学时： 41.1 金属材料1.2 无机非金属材料1.3 高分子材料1.4 复合材料重点：使学生掌握水工艺设备常用材料的基本性能与特点。
难点：如何根据材料的性能、特点和水工艺设备要求，确定不同材料的适用条件和范围。
第2章材料设备的腐蚀、防护与保温授课学时： 22.1 材料设备的腐蚀与防护2.2 设备的保温重点：材料设备的腐蚀、防护及保温知识。
第3章水工艺设备理论基础授课学时： 43.1 容器应力理论3.2 机械传动理论3.3 机械制造工艺3.4 热量传递与交换理论重点：掌握与水工艺设备设计、制造有关的容器应力理论、机械传动方式及设备制造工艺方法与适用条件。
难点：容器应力理论及热量传递与交换理论。
第4章水工艺设备的分类授课学时： 14.1 通用机械设备4.2 专用设备重点：掌握水工艺设备的分类。
第5章容器（塔）设备授课学时：35.1 压力容器法兰5.2 管法兰5.3 支座5.4 安全泄放装置5.5 填料及其支承装置5.6 布水（气、汽）装置重点：安全泄放装置知识第6章搅拌设备授课学时：26.1 搅拌设备的用途及分类6.2 机械搅拌设备结构及其工作原理6.3 水处理工艺中常用的机械搅拌设备重点：熟悉和掌握搅拌设备结构、组成、工作原理及适用条件等。
水工艺设备基础
Mn
硫形成高熔点（1600 ℃）硫化锰，减轻硫的有害
作用，提高钢的强度和硬度。
Si
能使钢的强度、硬度和弹性提高，而塑性、韧性降低。 作为合金元素，可以提高钢的耐热、耐蚀性。
（二）物理性能
密度
熔点 热膨胀系数 导热性
导电性 弹性模量
线膨胀系数：材料在温度变化1℃时单位长度的伸缩变化值。 弹性模量：材料在弹性极限内应力与应变的比值。
工具钢 ：主要用于制造各种刀具、量具、模具属于高碳钢 或高碳合金钢。
特殊性能钢：具有特殊物理性能或化学性能的钢，如不 锈钢、耐热钢、耐磨钢等，属于高合金钢）
钢材料
（二）钢的编号
1、普通碳素结构钢
牌号表示：这类钢主要保证机械性能，故用Q+数字表示，其中 “Q”为“屈”字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值 例如： Q275表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢 Q195，Q215，Q255，Q275等牌号 若牌号后面标注A，B，C，D，则表示钢材质量等级不同，其中 A级最低，D级最高。若在牌号后标注字母“F”则为沸腾钢，未 加标注的为镇静钢。 例如：Q235－A•F 表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢
如T8A，T13A
4.合金结构钢
编号方法：“两位数字（钢中平均含碳量的万分之几） ＋元素符号（钢中所含的合金元素）＋数字（该合金 元素平均含量的百分之几）” 如果合金平均含量低于1.5%，则不标明含量； 如果合金平均含量大于1.5%，2.5%，3.5%.....， 则相应的以2、3、4…….表示。
金属中自由电子易吸收光能并以光发射的形式 重新放出，因而金属对光具有良好的反射性能。
第一节 金属材料
一、金属材料的分类 （一）钢的分类
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工艺、结构力学、传热学等方面的基本知识；
重点与难点：回转薄壳的薄膜应力的计算、内压薄壁容器
的应力计算、机械传动的主要方式、主要机械制造工艺。
3.1 容器应力理论
3.1.1 容器概述
容器定义：设备外部壳体的总称。 3.1.1.1 容器结构
筒体(又称筒身) 封头(又称端盖) 法兰 支座 进出管 人孔(或手孔) 视镜等 通用零部件，设计时 可直接选用。
目
录
一、水泵的定义及分类 二、叶片式水泵 三、离心泵
1、离心泵组成 2、离心泵工作原理 3、离心泵的分类 4、动力部分：电动机 5、传动部分：泵 轴、联轴器、轴 承 6、做功部分：叶 轮 四、水泵效率曲线及影响因素
一、水泵定义及分类
1、水泵的定义：水泵是输送和提升液体的 机器，它把原动机的机械能转化为被输送 液体的能量，使液体获得压能（动能或势 能）。
3.1.8 内压封头设计
封头分为三类
凸形封头
半球形封头 半椭球形封头 带折边球形封头 无折边球形封头 无折边锥形封头 带折边锥形封头
锥形封头
强度计算均以薄膜应力 理论为基础，
平板形封头
强度计算则应以平板弯 曲理论为依据
3.2 机械传动理论
3.2.1 机械传动概述
机械(Machinery) :机构(Mechanism)和机器 (Machine) 的总称。 3.2.1.1 机构 机构：由多种实物(如齿轮、螺丝、连杆、叶片等机 械零件)组合而成，各实物间具有确定的相对运动 (如水泵的叶片与外壳间，内燃机的活塞与气缸间 等)。 3.2.1.2 机器 机器:根据某种使用要求而设计制造的一种能执行某 种机械运动的装置。在接受外界输入能量时，能 够变换或传递能量、物料和信息。
三、离心泵
4.2、异步电动机
是属于交流电机， 由于三相异步电机 的转子与定子旋转 磁场以相同的方向、 不同的转速成旋转， 存在转差率，所以 叫三相异步电机
三、离心泵
特点是： 优点：结构简单， 制造方便，运行性能 好，并可节省材料， 价格便宜。 缺点：功率因数滞 后，轻载功率因数低， 调速性能稍差。
3.4 热量传递与交换理论
传热过程：系统内由于温度差异使热量从高
温向低温转移的过程称之为热量传递过程， 简称传热过程。
热量传递基本方式：热传导、热对流、 热辐射 热量传递起因：由于物体内或系统内两部分
之间存在温度差。 热量传递结果：传热可依靠其中一种方式或 几种方式同时进行，净的热流方向总是从高 温处向低温处流动。
3.1.2 回转曲面与回转薄壳 *回转曲面：以一条’ 回转轴：OO 直线或平面曲线作 母线，绕其同平面 的轴线旋转一周形 成的曲面叫回转曲 面。
3.1.3 回转薄壳的薄膜应力
薄膜应力：薄膜是回转薄壳的简称。在内压作用 下，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体 在内压作用下的主要内力是拉力，假定这种拉力 沿厚度方向均匀分布，称为薄膜应力。
三、离心泵
5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承 轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑 动轴承两种，滚动轴承使用牛油作为润滑剂，滑动轴承使 用的是透明油作为润滑剂。
三、离心泵
5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承
内 容 类 别
滑动轴承
滚动轴承缺 点源自1、承受冲击载荷能力较差； 1、非液体摩擦滑动轴承，摩擦损失 2、高速重载荷情况下轴承寿命较 大； 低； 2、设计、制造、润滑及维护要求较 3、振动及噪声较大； 高； 4、径向尺寸比滑动轴承大； 1、寿命长，适用于高速运行； 1、同尺寸轴径，滚动轴承的宽度 2、能承受冲击和振动载荷； 比滑动轴承小； 3、运转稳定，工作平衡，无噪音； 2、消耗润滑剂少，便于密封，易 4、结构简单，装拆方便； 于维护； 5、承载力大，可用于重载场合； 3、运转精度高；
三、离心泵
3、离心泵的分类 以泵内叶轮数量分： （1）、泵的压头由单个叶轮产生，则称之为单级泵。 （2）、有两个或者多个叶轮串联运转，且所有叶轮都 装在一个泵体内的，称之为多级泵。
以水泵吸水方式分：
（1）、针对叶轮而言，单面进水的离心泵称为单吸泵。 （2）、双面进水，即两个吸水室的离心泵称为双吸泵。
二、叶片式水泵
3、按叶轮进水方式分：
（1）、单吸泵：单面进水式 离心泵 （2）、双吸泵：液体从两侧对称 进水的离心泵
二、叶片式水泵
其中：以叶片式水泵结构简单，维修方便，在实际应用 中最为 广泛。
水泵特点比较表
特
点 性 能
类 别
离心泵 小
混流泵
介于二者之间
轴流泵 大
流量
扬程
高
介于二者之间
低
二、叶片式水泵
3.2.1.3 机械应满足的基本要求
(1)必须达到预定的使用功能，工作可靠，机构精 简。 (2)经济合理，安全可靠，生产率高，效率高，能 耗少，原材料和辅助材料节省，管理和维修费用低。 (3)操作方便，操作方式符合人们的心理和习惯， 尽量降低噪声，有害介质渗漏，机身美观等。 (4)对不同用途和不同使用环境的适应性要强(如容 易卸、装等)。
水 工 艺 设 备 基 础
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第3章 水工艺设备理论基础
主要内容： 3.1 容器应力理论 3.2 机械传动理论 3.3 机械制造工艺 3.4 热量传递与交换理论
要求：掌握与水工艺设备设计制造有关的机械传动与制造
精度调整。
三、离心泵
4、动力部分：电动机
水泵 电机类型
按水泵 类型分
按安装 方式分
按电机 结构分
普通 电动机
潜水 电动机
防爆 电动机
卧式 安装
立式 安装
同步 电动机
异步 电机
三、离心泵
4.1、同步电动机
是属于交流电机，定子绕组与异步电机相 同，它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋 转磁场的速度是一样的，所以称为同步电机。
3.2.1.4 机械传动的概念
机械传动：利用构件和机构把运动和动力从 机器的一部分传递到另一部分的中间环节 称为机械传动。即按执行机构作业的特定 要求，把原动机的运动和动力传递给执行 机构。
3.2.2 机械传动的主要方式
齿轮传动 带传动 链传动
3.3 机械制造工艺
制造金属机件的基本工艺方法
铸造 压力加工 焊接 切削加工 热处理
电能
机械能
压能
一、水泵定义及分类
水泵的分类：
按作用原理分：
（1）叶片式水泵：它对液体的压送是靠装有叶片的叶轮 高速旋转而完成的。属于这一类的有离心泵、轴流泵、混 流泵。 （2）容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室容 积的改变来完成的。一般使工作室容积改变的方式有往复 运动和旋转运动两种，如喷雾器等。 （3）其他类型水泵：这类泵是指除叶片式水泵和容积 式水泵以外的特殊泵。属于这一类螺旋泵、射流泵、水锤 泵、水轮泵以及气升泵。
3.4.2.1 影响对流换热的因素
流体流动的起因
流体的相变
流体的流动状态
换热表面的几何因素
流体的物理性质
3.4.4 辐射换热
3.4.4.1 辐射换热的本质和特点
特点
(1)不需冷热物体直接接触及任何中间介质就能进 行热量传递。如阳光能够穿越低温太空向地面 辐射。 (2)辐射换热过程伴随能量转化， 即物体部分内能→电磁波能→另一物体内能 (3)温度高于绝对零度的一切物体，不论温度高低， 都会不断地发射热射线。总效果为高温物体把 能量传给低温物体。
三、离心泵
特点是：
稳态运行时，转子的转速和电 网频率之间有不变的关系 n=ns=60f/p，ns称为同步转速。 若电网的频率不变，则稳态时 同步电机的转速恒为常数而与 负载的大小无关。转子转速与 定子旋转磁场的转速相同的交 流电动机。其转子转速n与磁极 对数p、电源频率f之间满足 n=f/p。转速n决定于电源频率f， 故电源频率一定时，转速不变， 且与负载无关。
三、离心泵
以水泵的安装方式分： （1）、潜入在水泵的吸入供给源中运转的泵，称之为湿式 安装型。 （2）、露天运转，且通过接管将输送液体引入并从水泵中 排出，则称之为干式安装型。 以电动机和泵头的位置分： （1）、电动机与泵头自下而上叠加连接，且为整体连接， 称为立式泵。 （2）、卧式泵电动机和泵头横卧于底座上，安装后需进行
定义：对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间
的热量传递现象。
性质：
*对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基 本传热方式 对流换热实例：1)暖气管道; 2)电子器件冷却；3)电风扇
对流换热特点 1）必须有流体的宏观运动，必须有温差； 2）对流换热既有热对流，也有热传导； 3）流体与壁面必须有直接接触； 4）没有热量形式之间的转化； 5）由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影 响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的 边界层。
三、离心泵
4.3、电机相关参数。
号
型 性 能
2级电动机
1对磁极 3000r/min | 大 小 Y系列 JSJ系列 TD系列 Y系列 2960r/min
4级电动机
2对磁极 1500r/min | 1450r/min 小 大 JSJ系列 TD系列
磁极对数 电机转数 启动电流 电 机 扭 矩 适 用 型 号
二、叶片式水泵
1、叶片式水泵的定义：是依靠叶轮的高速旋转以完成其能 量的转换。 2、叶片式水泵分类： 根据叶轮出水的水流方向可将叶片式水泵分为径向流、 轴向流和斜向流3种； 拥有径向流叶轮的泵称为离心泵，液体质点在叶轮中流 动时主要受到的是离心力作用。 拥有轴向流叶轮的泵称为轴流泵，液体质点在叶轮中流 动时主要受到的是轴向升力的作用。 拥有斜向流叶轮称为混流泵，它是上述两种叶轮的过渡 形式，液体质点在这种水泵叶轮中流动时即受离心力的作 用，又有轴向升力的作用。
重点与难点：回转薄壳的薄膜应力的计算、内压薄壁容器
的应力计算、机械传动的主要方式、主要机械制造工艺。
3.1 容器应力理论
3.1.1 容器概述
容器定义：设备外部壳体的总称。 3.1.1.1 容器结构
筒体(又称筒身) 封头(又称端盖) 法兰 支座 进出管 人孔(或手孔) 视镜等 通用零部件，设计时 可直接选用。
目
录
一、水泵的定义及分类 二、叶片式水泵 三、离心泵
1、离心泵组成 2、离心泵工作原理 3、离心泵的分类 4、动力部分：电动机 5、传动部分：泵 轴、联轴器、轴 承 6、做功部分：叶 轮 四、水泵效率曲线及影响因素
一、水泵定义及分类
1、水泵的定义：水泵是输送和提升液体的 机器，它把原动机的机械能转化为被输送 液体的能量，使液体获得压能（动能或势 能）。
3.1.8 内压封头设计
封头分为三类
凸形封头
半球形封头 半椭球形封头 带折边球形封头 无折边球形封头 无折边锥形封头 带折边锥形封头
锥形封头
强度计算均以薄膜应力 理论为基础，
平板形封头
强度计算则应以平板弯 曲理论为依据
3.2 机械传动理论
3.2.1 机械传动概述
机械(Machinery) :机构(Mechanism)和机器 (Machine) 的总称。 3.2.1.1 机构 机构：由多种实物(如齿轮、螺丝、连杆、叶片等机 械零件)组合而成，各实物间具有确定的相对运动 (如水泵的叶片与外壳间，内燃机的活塞与气缸间 等)。 3.2.1.2 机器 机器:根据某种使用要求而设计制造的一种能执行某 种机械运动的装置。在接受外界输入能量时，能 够变换或传递能量、物料和信息。
三、离心泵
4.2、异步电动机
是属于交流电机， 由于三相异步电机 的转子与定子旋转 磁场以相同的方向、 不同的转速成旋转， 存在转差率，所以 叫三相异步电机
三、离心泵
特点是： 优点：结构简单， 制造方便，运行性能 好，并可节省材料， 价格便宜。 缺点：功率因数滞 后，轻载功率因数低， 调速性能稍差。
3.4 热量传递与交换理论
传热过程：系统内由于温度差异使热量从高
温向低温转移的过程称之为热量传递过程， 简称传热过程。
热量传递基本方式：热传导、热对流、 热辐射 热量传递起因：由于物体内或系统内两部分
之间存在温度差。 热量传递结果：传热可依靠其中一种方式或 几种方式同时进行，净的热流方向总是从高 温处向低温处流动。
3.1.2 回转曲面与回转薄壳 *回转曲面：以一条’ 回转轴：OO 直线或平面曲线作 母线，绕其同平面 的轴线旋转一周形 成的曲面叫回转曲 面。
3.1.3 回转薄壳的薄膜应力
薄膜应力：薄膜是回转薄壳的简称。在内压作用 下，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体 在内压作用下的主要内力是拉力，假定这种拉力 沿厚度方向均匀分布，称为薄膜应力。
三、离心泵
5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承 轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑 动轴承两种，滚动轴承使用牛油作为润滑剂，滑动轴承使 用的是透明油作为润滑剂。
三、离心泵
5、传动部分：泵轴、联轴器、轴承
内 容 类 别
滑动轴承
滚动轴承缺 点源自1、承受冲击载荷能力较差； 1、非液体摩擦滑动轴承，摩擦损失 2、高速重载荷情况下轴承寿命较 大； 低； 2、设计、制造、润滑及维护要求较 3、振动及噪声较大； 高； 4、径向尺寸比滑动轴承大； 1、寿命长，适用于高速运行； 1、同尺寸轴径，滚动轴承的宽度 2、能承受冲击和振动载荷； 比滑动轴承小； 3、运转稳定，工作平衡，无噪音； 2、消耗润滑剂少，便于密封，易 4、结构简单，装拆方便； 于维护； 5、承载力大，可用于重载场合； 3、运转精度高；
三、离心泵
3、离心泵的分类 以泵内叶轮数量分： （1）、泵的压头由单个叶轮产生，则称之为单级泵。 （2）、有两个或者多个叶轮串联运转，且所有叶轮都 装在一个泵体内的，称之为多级泵。
以水泵吸水方式分：
（1）、针对叶轮而言，单面进水的离心泵称为单吸泵。 （2）、双面进水，即两个吸水室的离心泵称为双吸泵。
二、叶片式水泵
3、按叶轮进水方式分：
（1）、单吸泵：单面进水式 离心泵 （2）、双吸泵：液体从两侧对称 进水的离心泵
二、叶片式水泵
其中：以叶片式水泵结构简单，维修方便，在实际应用 中最为 广泛。
水泵特点比较表
特
点 性 能
类 别
离心泵 小
混流泵
介于二者之间
轴流泵 大
流量
扬程
高
介于二者之间
低
二、叶片式水泵
3.2.1.3 机械应满足的基本要求
(1)必须达到预定的使用功能，工作可靠，机构精 简。 (2)经济合理，安全可靠，生产率高，效率高，能 耗少，原材料和辅助材料节省，管理和维修费用低。 (3)操作方便，操作方式符合人们的心理和习惯， 尽量降低噪声，有害介质渗漏，机身美观等。 (4)对不同用途和不同使用环境的适应性要强(如容 易卸、装等)。
水 工 艺 设 备 基 础
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第3章 水工艺设备理论基础
主要内容： 3.1 容器应力理论 3.2 机械传动理论 3.3 机械制造工艺 3.4 热量传递与交换理论
要求：掌握与水工艺设备设计制造有关的机械传动与制造
精度调整。
三、离心泵
4、动力部分：电动机
水泵 电机类型
按水泵 类型分
按安装 方式分
按电机 结构分
普通 电动机
潜水 电动机
防爆 电动机
卧式 安装
立式 安装
同步 电动机
异步 电机
三、离心泵
4.1、同步电动机
是属于交流电机，定子绕组与异步电机相 同，它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋 转磁场的速度是一样的，所以称为同步电机。
3.2.1.4 机械传动的概念
机械传动：利用构件和机构把运动和动力从 机器的一部分传递到另一部分的中间环节 称为机械传动。即按执行机构作业的特定 要求，把原动机的运动和动力传递给执行 机构。
3.2.2 机械传动的主要方式
齿轮传动 带传动 链传动
3.3 机械制造工艺
制造金属机件的基本工艺方法
铸造 压力加工 焊接 切削加工 热处理
电能
机械能
压能
一、水泵定义及分类
水泵的分类：
按作用原理分：
（1）叶片式水泵：它对液体的压送是靠装有叶片的叶轮 高速旋转而完成的。属于这一类的有离心泵、轴流泵、混 流泵。 （2）容积式水泵：它对液体的压送是靠泵体工作室容 积的改变来完成的。一般使工作室容积改变的方式有往复 运动和旋转运动两种，如喷雾器等。 （3）其他类型水泵：这类泵是指除叶片式水泵和容积 式水泵以外的特殊泵。属于这一类螺旋泵、射流泵、水锤 泵、水轮泵以及气升泵。
3.4.2.1 影响对流换热的因素
流体流动的起因
流体的相变
流体的流动状态
换热表面的几何因素
流体的物理性质
3.4.4 辐射换热
3.4.4.1 辐射换热的本质和特点
特点
(1)不需冷热物体直接接触及任何中间介质就能进 行热量传递。如阳光能够穿越低温太空向地面 辐射。 (2)辐射换热过程伴随能量转化， 即物体部分内能→电磁波能→另一物体内能 (3)温度高于绝对零度的一切物体，不论温度高低， 都会不断地发射热射线。总效果为高温物体把 能量传给低温物体。
三、离心泵
特点是：
稳态运行时，转子的转速和电 网频率之间有不变的关系 n=ns=60f/p，ns称为同步转速。 若电网的频率不变，则稳态时 同步电机的转速恒为常数而与 负载的大小无关。转子转速与 定子旋转磁场的转速相同的交 流电动机。其转子转速n与磁极 对数p、电源频率f之间满足 n=f/p。转速n决定于电源频率f， 故电源频率一定时，转速不变， 且与负载无关。
三、离心泵
以水泵的安装方式分： （1）、潜入在水泵的吸入供给源中运转的泵，称之为湿式 安装型。 （2）、露天运转，且通过接管将输送液体引入并从水泵中 排出，则称之为干式安装型。 以电动机和泵头的位置分： （1）、电动机与泵头自下而上叠加连接，且为整体连接， 称为立式泵。 （2）、卧式泵电动机和泵头横卧于底座上，安装后需进行
定义：对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间
的热量传递现象。
性质：
*对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基 本传热方式 对流换热实例：1)暖气管道; 2)电子器件冷却；3)电风扇
对流换热特点 1）必须有流体的宏观运动，必须有温差； 2）对流换热既有热对流，也有热传导； 3）流体与壁面必须有直接接触； 4）没有热量形式之间的转化； 5）由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影 响，紧贴壁面处会形成速度梯度很大的 边界层。
三、离心泵
4.3、电机相关参数。
号
型 性 能
2级电动机
1对磁极 3000r/min | 大 小 Y系列 JSJ系列 TD系列 Y系列 2960r/min
4级电动机
2对磁极 1500r/min | 1450r/min 小 大 JSJ系列 TD系列
磁极对数 电机转数 启动电流 电 机 扭 矩 适 用 型 号
二、叶片式水泵
1、叶片式水泵的定义：是依靠叶轮的高速旋转以完成其能 量的转换。 2、叶片式水泵分类： 根据叶轮出水的水流方向可将叶片式水泵分为径向流、 轴向流和斜向流3种； 拥有径向流叶轮的泵称为离心泵，液体质点在叶轮中流 动时主要受到的是离心力作用。 拥有轴向流叶轮的泵称为轴流泵，液体质点在叶轮中流 动时主要受到的是轴向升力的作用。 拥有斜向流叶轮称为混流泵，它是上述两种叶轮的过渡 形式，液体质点在这种水泵叶轮中流动时即受离心力的作 用，又有轴向升力的作用。