各类水泵与风机的工程应用

流体输送设备（通用机械）：

液体输送设备—泵；

气体输送设备—通风机、鼓风机、压缩机或真空泵；

作用：向系统输入能量，补充所需机械能；用于流体的输送或加压。

根据泵的工作原理和结构分类：

离心泵外形：

工作原理：

(a)排出阶段：叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）→流体流入涡壳(动能→静压能)→流向输出管路。

(b)吸入阶段：液体自叶轮中心甩向外缘→叶轮中心形成低压区→贮槽液面与泵入口形成压差→液体吸入泵内。

气缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。

说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。

(c)主要部件作用：

泵壳：动能→静压能，提高液体压力，能量转换装置。

叶轮：把原动机(电机)的机械能，传递给液体，提高液体的动能和静压能。

叶轮形式：叶轮由6～12片叶片组成。

按叶片两侧有无盖板：敞式、半蔽式、蔽式。

蔽式叶轮：适用于输送清洁液体。

敞式和半蔽式叶轮：流道不易堵塞，适用于输送含有固体颗粒的液体悬浮液，效率低。

按吸液方式：单吸式、双吸式。

单吸式：结构简单，液体从叶轮一侧被吸入。

双吸式：吸液能力大，基本上消除轴向推力。

离心泵的性能参数：

离心泵的特性曲线：

（1）离心泵的特性曲线：

说明：

（a）由厂家提供标准测定条件：常压、20℃清水为工质；

（b）曲线与叶轮转数有关，故图中应标明转数。

（c）H-qV曲线，选泵时常用，qV↑，H↓；

（d）P-qV曲线：

封闭启动 (关出口阀启动）。

目的：防止电机过载，烧坏。

（e）η-qV曲线

设计点：最高效率点，对应的参数值称为最佳工况参数；高效区范围：

选用离心泵，尽可能在高效区内工作。

（2）离心泵性能曲线实验测定：

③绘制特性曲线。

（3）液体物性对离心泵特性曲线的影响

① 密度对泵特性曲线的影响

（4）叶轮直径对特性曲线的影响

切削法：同一型号的泵，可通过切削叶轮直径，而维持其余尺寸（包括叶轮出口截面积）不变的方法来改变泵的特性曲线的方法。在叶轮直径变化不大（不超过10~20%），近似认为叶轮出口的速度三角形及泵的效率基本不变的前提下：

切削定律：

适用：叶轮切削量小于10%-20%。

（5）叶轮转数对特性曲线的影响

同一台离心泵，转速改变，特性曲线也发生变化。

若转速改变后，叶轮出口速度三角形、泵的效率近似 保持不变，则有：

比例定律：

适用：叶轮转数变化不超过20%。

离心泵的汽蚀现象和安装高度：

(1) 离心泵的汽蚀现象

① 汽蚀现象（空蚀）

吸入管段：无外加机械能，液体靠势能差，吸入离心泵。

至泵内压力最低点K处，若

② 泵汽蚀时的特征：泵体振动、噪声大；泵流量、压头、效率都显著下降。

③ 主要危害：造成叶片损坏，离心泵不能正常操作。

④ 汽蚀发生的位置：叶轮内压力最低处 (叶轮内缘， 叶片背面 K处)。

⑤ 衡量泵抗汽蚀能力的参数：汽蚀余量、吸上真空高度。

(2) 离心泵的汽蚀余量

① 汽蚀余量，列1-1(泵入口)及K-K间的机械能衡算式：

关于NPSH（Net Positive Suction Head）

泵抗汽蚀能力的参数

NPSH↓，则泵抗汽蚀能力↑。

NPSH=f(泵结构、流体种类、流量)

流量↑，则NPSH↑，泵抗汽蚀能力↓

由泵样本提供，工程上常用。

(a) 必须汽蚀余量 (NPSHr)厂家提供，泵样本中给出。实验条件：常压，20℃的清水校正：

(b) 装置汽蚀余量(NPSHa)

指：根据装置实际情况计算的汽蚀余量，列0-0及K-K间机械能衡算式：

(e) 其它汽蚀参数

吸上真空度 Hs，换算：

汽蚀比转数，吸入比转数；

(3) 离心泵的安装高度

安装高度：泵入口与吸入液面间的垂直距离。

① 最大安装高度zmax

在0-0，k-k 截面间列机械能衡算方程：

说明：为保证泵不发生汽蚀；

离心泵在管路中的工况

（1）管路特性与泵的工作点

管路特性：流体流经管路系统时，需要的压头和流量之间的关系，反映管路对泵的要求。

离心泵的工作点： 泵工作时的 qV、H、P、η。

说明：泵工作点受到泵性能、管路特性制约。

离心泵的流量调节，实质：对工作点的调整；

方法：改变泵或管路特性曲线。

① 节流调节（阀门调节）；

方法：改变泵出口阀门开度。

实质：改变管路特性曲线 (阀门上阻力损失变化)，泵特性曲线不变。节流，多消耗在阀门上能量：

优点：迅速方便,连续调节；代价：阀门阻力损失↑；

适用：流量调节幅度不大，须经常调节的地方。

泵出口阀：两套(手动阀和自动阀)。

② 调节离心泵转速或改变叶轮直径

实质：改变泵特性曲线，管路特性不变。

优点：不因调节流量而损失能量。

适用：流量变化幅度大的场合。

离心泵的组合运转工况分析：

组合方式：并联和串联。

目的：提高泵输出的流量或压头。

(1) 并联操作

泵型号相同，吸入管路相同，出口阀开度相同。

①泵合成特性曲线改变：在相同压头下，流量加倍。

(3) 两种组合方式的比较及选择：

① 截距A > He单max

应采用串联操作，原因：并联泵压头不够大。

② 串、并联都满足时，应根据管路特性选择，对于低阻管路(B较小)，宜采用并联操作；对于高阻管路(B较大)，宜采用串联操作；

(4) 组合泵的流量调节

方法：同单泵；注意：确定组合泵的工作点时，应使用泵的合成特性曲线和管路特性曲线。

离心泵的类型与选用：

(1) 离心泵的类型：按输送液体的性质或泵结构分类，用英语或汉语拼音为系列代号。

① 清水泵

B型：单级单吸式，系列扬程范围 8~ 98m，流量范围：4.5~360m3/h，属常用型。

D型：多级离心泵(一般2~9级)。

系列扬程范围：14~351m，流量范围：10.8~850m3/h，适用：压头高，而流量不大的场合。

S 型：双吸式离心泵。系列扬程范围：9~140m；

流量范围：120~1250m3/h；

适用：压头要求不高，流量较大的场合。

② 油泵：Y型

要求密封性能好，一般具有冷却措施。

流量：6.5~500 m3/h，压头：60~603m。

③ 其它类型泵：耐腐蚀泵(F型)：密封性能好(常用机械密封)，杂质泵(P型)：不易堵，耐磨，叶轮：敞式或半闭式。

屏蔽泵：机泵一体，用于输送易燃、易爆液体。

液下泵(EY型)：无泄漏问题，化工常用泵。

(2) 离心泵的选用：

原则：①确定泵的类型；依据：

a）输送流体的性质→清水泵、油泵、耐腐蚀泵等；

b）现场安装条件→卧式泵、立式泵等；

c）流量大小→单吸泵、双吸泵等；

d）扬程大小→单级泵、多级泵等。

② 选择泵的具体型号

a）由管路所需压头、流量，确定泵压头、流量。

工程观点：选择时，有一定生产裕度。

b）抗汽蚀性能好

c）经济性好：泵的操作点应处于高效区内。

③ 校核和最终选型：

效率高、汽蚀余量小、重量轻、价格低。

容积式泵(正位移泵)：

往复泵：

(1) 结构和工作原理

① 结构：泵缸、活塞、阀门。

冲程：活塞在两端点间移动的距离。

冲程容积：活塞往复一次的容积排量。

② 工作原理：活塞右移时，排出阀关闭， 吸液阀开启，开始吸液，当活塞移至右端点时，吸液行程结束；

活塞由右端点向左移时，吸液阀关闭，排出阀开启，开始排液，当活塞移至左端点时，排液行程结束。

③ 往复泵的输液量

单缸单作用泵：

双动泵：

b）压头与流量无关，取决于管路需要理论上，往复泵压头可按系统需要无限增大。

实际上，受泵体强度及泵原动机限制。

注意：这一点不同于离心泵。

(2) 往复泵的流量调节：

① 改变活塞冲程；

② 改变活塞往复次数；

④ 旁(支)路调节，不能封闭启动。

(3) 往复泵的安装：

① 有自吸能力，不需灌泵。

② 有允许安装高度限制。

影响安装高度的因素：液面上方压力、流体饱和蒸汽压、吸入管路情况。

(4)适用场合

适用于：流量小，扬程高，粘度大的流体。

不适用：腐蚀性介质或含有固体颗粒的流体。

离心泵、往复泵、转子泵比较：

各类泵的比较与选择：

(1)原则：应考虑各种泵的不同特性和适宜的使用范围，根据生产要求具体分析，选择适当种类和类型的泵。

离心泵是应首先考虑采用的一种泵。

往复泵易于获得高压头而难以获得大流量。

转子泵只适用于流量小，而压头较高的场合，对高粘度料液尤其适宜。

(2)参考步骤：泵类型的选择框图：

通风机、鼓风机、压缩机和真空泵：

属于气体输送设备。

(1) 分类：

按出口压力分类：

通风机：终压不大于1.471×104Pa (表压)，压缩比<1.15；

鼓风机：终压不大于1.471~29.2×104Pa (表压) ，压缩比<4；

压缩机：终压> 29.2×104Pa (表压) ，压缩比> 4；

真空泵：终压接近于0，压缩比由真空度决定；从设备中抽出气体，使设备中产生负压。

说明：

风机主要用于：气体输送；

压缩机主要用于：压缩气体。

(3)气、液体输送设备区别：

① 能量衡算基准不同

② 气体压缩时，产生热效应，需设冷却装置。

离心式通风机

型式：离心式—多用于气体输送；

轴流式—一般用于通风换气。

(1) 离心式通风机结构及工作原理

① 结构：

主要部件：叶轮、蜗壳；

叶片形式：低压风机—叶片平直；中、高压风机— 叶片弯曲。

② 工作原理 ：同离心泵

(2) 离心通风机的性能参数与特性曲线

① 风量qV：以进气口体积流量计，m3/s、m3/h；

② 全风压HT：单位体积的气体流过风机时所获得的能量，Pa；

风机内压力变化小，气体可视为不可压缩流体，对风机进、出口截面作能量衡算：

鼓风机：

类型：离心式、罗茨式；

（1）离心式鼓风机（透平鼓风机）

主要结构和工作原理与离心通风机类似，为产生较高的风压，采用多级。出口表压力一般不超过294×103Pa。

（2）罗茨鼓风机

① 结构：

② 工作原理：同齿轮泵

说明：

①为正位移型，风量与转速成正比，而与出口压力无关；

② 流量采用旁路调节；

③ 出口阀不能完全关闭；

④ 操作温度不超过85℃。

压缩机

类型：离心式、往复式

(1) 离心式压缩机（透平压缩机）

作用原理与离心鼓风机相同，为达到较高的出口压力，采用多级数，大叶轮直径，高转数 (一般在5000rpm以上)。

说明：压缩比高，温升过高，故压缩机分为几段。段间设冷却器，各段温度大致相等。叶轮直径逐段减小，叶轮宽度逐级略有减小。

优点：与往复压缩机相比，离心压缩机具有机体体积较小，流量大，供气均匀，运动平稳，易损部件少和维修较方便等。

缺点：离心式压缩机的制造精度要求极高，否则，在高转速情况下将会产生很大的噪音和振动。

注意：当离心式压缩机进气量减小到允许的最小值，压缩机会发生喘振。因此，压缩机必须在比喘振流量大5%~10%的范围内操作。

多级压缩：一般地，压缩比> 8时，应采用多级压缩。

原因：存在压缩极限；温度过高；机械结构不合理。

增加气缸—减小压缩比，减少余隙的影响；

中间冷却器—降低气体温度，降低压缩机功耗。

（a）多级压缩与单级压缩所需轴功的比较

分三级绝热压缩所需的轴功<一级绝热压缩所需轴功。

常用的级数：2 ~ 6级。

压缩机的分类和构造：

分类方法：

（a） 吸、排气体方式：单动、复动；

（b） 压缩级数：单级（压缩比2～8）；

两级（压缩比8～50）；

多级（压缩比100～1000）。

（c） 终压 ：低压（10.133×105Pa）；

中压（10.133~101.33×105Pa）；

高压（101.33~1013.3×105Pa）。

（d） 生产能力：小型（10m3／min以下）；

中型（10～30m3／min）；

大型（30m3／min以上）。

（e）压缩气体的种类：空气压缩机、氨气压缩机、石油气压缩机等；

（f）气缸在空间的位置:立式（气缸垂直放置）；

卧式（气缸水平放置）；

角式（气缸互相配置成V型、W型、L型）。

⑦ 选用与操作

a）选定压缩机的种类，依据：所处理的气体

b）选定结构形式，依据：操作环境

c）定出压缩机的规格

依据：生产中所要求的排气量与排气压力。

真空泵：将气体由大气压以下的低压气体经过压缩而排向大气的设备，实际上，也是一种压缩机。

（1）与一般压缩机的区别：

① 进气压力与排气压力之差最多也只是1.0133×105Pa，但随着进气压力逐渐趋于真空，压缩比将要变得很高。

② 随着真空度的提高，设备中的液体及其蒸气也将越来越容易地与气体同时被抽吸进来，其结果是使可以达到的真空度下降。

③ 因为所处理的气体的密度很小，所以气缸容积和功率对比就要大一些。在一般的多级压缩中，是越到高压级气缸直径就越小，但在多级真空泵中，则通常是做成同一尺寸的气缸。

（2）真空泵的主要性能参数

① 极限真空度或残余压力：真空泵所能达到的最高真空度；

② 抽气速率：单位时间内真空泵在残余压力和温度条件下所能吸入的气体体积，即真空泵的生产能力，以m3／h或l/s计量。

（3）真空泵的型式

化工厂中常用的几种有：往复真空泵、旋转真空泵、喷射泵。

① 往复真空泵

构造和作用原理虽与往复压缩机的基本相同；

吸入和排出阀门必须更加轻巧而灵活；

气缸左右两端之间设有平衡气道。

② 旋转真空泵

（a）液环真空泵：常用的有水环真空泵、纳西泵。

特点：属于湿式真空泵，最高真空度可达85％；

结构简单、紧凑、没有活门、经久耐用；为了维护泵内液封以及冷却泵体，运转时常需要不断向泵内充水。

液环真空泵的特点：

抽出的气体不与泵壳直接接触，因此，在抽吸腐蚀性气体时只要叶轮采用耐腐蚀材料制造即可。

泵内所注入的液体必须不与气体起化学反应。

（b）滑片真空泵

③ 喷射泵

原理：利用流体流动时，静压能与动压能相互转换的原理来吸送流体的。它可用于吸送气体，也可吸送液体。

工作流体：蒸气（蒸气喷射泵）、水（水喷射泵）或其它流体。

优点：构造简单，制造容易，可用各种耐腐材料制成，不需传动设备。

缺点：产生的压头小，效率低而外，其所输送的流体还与工作流体混合，从而使其应用范围受到限制。

用途：一般多用作抽真空，而不作输送用。蒸气喷射泵也常用于小型锅炉的注水操作。

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