流体输配管网(516页完整课件).ppt

高等学校教材高等学校教材流体输配管网流体输配管网主主 编编 龚荣耀龚荣耀主主 审审 陈在康陈在康 第第1 1章章 流体输配根底流体输配根底 建筑流体输配管网按照目的和用途来划分，建筑流体输配管网按照目的和用途来划分，大致可分为下述大致可分为下述4 4类：类：1.1.满足建筑环境控制生产工艺或满足建筑环境控制生产工艺或生活所需要的环境目标的管网系统；生活所需要的环境目标的管网系统；2.2.满足生产工艺及生活需要的用水，用满足生产工艺及生活需要的用水，用气管网系统；气管网系统；3.3.平安消防；平安消防；4.4.其它，如制冷机组各元件零部件其它，如制冷机组各元件零部件之间的连接管道、空压管道等。之间的连接管道、空压管道等。满足建筑环境控制目标的管网系统又可满足建筑环境控制目标的管网系统又可分为下述管道系统：分为下述管道系统：1 1、蒸汽供暖系统、蒸汽供暖系统 2 2、民用建筑空调通风系统、民用建筑空调通风系统 3 3、工业通风及环境控制系统、工业通风及环境控制系统 4 4、空调冷冻水系统、冷却水系统、空调冷冻水系统、冷却水系统 5 5、热水采暖系统、热水采暖系统 6 6、城市集中供热管网系统又属市政之一、城市集中供热管网系统又属市政之一 统称暖通空调系统。统称暖通空调系统。满足生产工艺与生活需要的用水，用气系满足生产工艺与生活需要的用水，用气系统大致为：统大致为：1 1、建筑给水系统、建筑给水系统 2 2、建筑排水系统、建筑排水系统 3 3、室内煤气燃气系统、室内煤气燃气系统 4 4、城市燃气系统也属于市政工程专业的、城市燃气系统也属于市政工程专业的内容之一内容之一 而城市供、排水管网系统均属市政工程而城市供、排水管网系统均属市政工程城市道路也可属市政。城市道路也可属市政。平安消防可以理解为环境控制需要的一平安消防可以理解为环境控制需要的一种延伸，即可以归入一种种延伸，即可以归入一种“广义的可满足环广义的可满足环境控制目标需要的管网系统有：境控制目标需要的管网系统有：1 1、消防给水系统给排水、消防给水系统给排水 2 2、防排烟系统暖通空调、防排烟系统暖通空调 其它，如制冷工质在制冷机组各元件零其它，如制冷工质在制冷机组各元件零部件之间的连接管道内部的流动，空气压缩部件之间的连接管道内部的流动，空气压缩管道等。管道等。按照流体力学特性，管道又可分为简单管按照流体力学特性，管道又可分为简单管路、复杂管路。路、复杂管路。复杂管路是简单管路、串联管路与并联管复杂管路是简单管路、串联管路与并联管路的组合，一般可分为枝状管网和环状管网。路的组合，一般可分为枝状管网和环状管网。1.1 1.1 有压管网水力计算根底有压管网水力计算根底1.1.1 1.1.1 枝状管网与环状管网枝状管网与环状管网 流体输配管网根本任务：流体输配管网根本任务：一、流体物质的转运与分配一、流体物质的转运与分配 二、能量的转运与分配二、能量的转运与分配 在流体物质、能量的转运与分配过程在流体物质、能量的转运与分配过程中，存在流体的机械能损失。中，存在流体的机械能损失。1.1.1.1 1.1.1.1 枝状管网枝状管网 枝状管网是指输送流体的管道通过串联与枝状管网是指输送流体的管道通过串联与并联的组合呈树枝状排列的管道系统管网。并联的组合呈树枝状排列的管道系统管网。图1-1 枝状管网 根据并、串联管路的计算原那么，可得到根据并、串联管路的计算原那么，可得到该风机应具有的压头为该风机应具有的压头为 1-11-1 风机应具有的风量为风机应具有的风量为 1-21-2 图1-2 均匀泄流管路 管段每单位长度上泄出的流量均相同即等于qV，这种管路称为均匀泄流管路 1-3 1-4 近似写作 1-5 引入计算流量qVc1-6 1-7 流量qVz=0 1-8 环状管网遵循串联和并联管路的计算原那么，环状管网遵循串联和并联管路的计算原那么，根据其特点，并存在以下两个条件：根据其特点，并存在以下两个条件：1 1任一节点如点流入和流出的流量相任一节点如点流入和流出的流量相等。等。2 2任一闭合环路中，如规定顺时针方向流任一闭合环路中，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，那么各管段阻力动的阻力损失为正，反之为负，那么各管段阻力损失的代数和必等于零。损失的代数和必等于零。1 1哈迪哈迪克罗斯克罗斯Hardy-CrossHardy-Cross方法方法 图1-4 环路划分1.1.1.2 1.1.1.2 环状管网环状管网1 1、Hardy-CrossHardy-Cross方法方法 环状管网是指管道通过串联与并联的组合环状管网是指管道通过串联与并联的组合存在一个以上闭合环路的管道系统管网。存在一个以上闭合环路的管道系统管网。图图1-3 1-3 计算程序如下：计算程序如下：计算程序如下：计算程序如下：将管网分成假设干环路如图将管网分成假设干环路如图将管网分成假设干环路如图将管网分成假设干环路如图1-41-41-41-4上分成上分成上分成上分成、三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限定流速定流速定流速定流速 ，定出管径，定出管径，定出管径，定出管径D D D D。按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。求出每一环路的总损失。求出每一环路的总损失。求出每一环路的总损失。根据上面给定的流量，假设计算出来的不为零，根据上面给定的流量，假设计算出来的不为零，根据上面给定的流量，假设计算出来的不为零，根据上面给定的流量，假设计算出来的不为零，那么每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损那么每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损那么每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损那么每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损失修正值为。失修正值为。失修正值为。失修正值为。用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，第三次校正后的流量第三次校正后的流量第三次校正后的流量第三次校正后的流量，直至满足工程精度要求为，直至满足工程精度要求为，直至满足工程精度要求为，直至满足工程精度要求为止。止。止。止。图 1-5环网计算图2 2燃气环状管网水力计算方法燃气环状管网水力计算方法手工表格法步骤：手工表格法步骤：布置管网，绘制管网平面示意图。布置管网，绘制管网平面示意图。计算管网各管段的途泄流量。计算管网各管段的途泄流量。假定各管段的气流方向并选择零速点。假定各管段的气流方向并选择零速点。求管网各管段的计算流量。求管网各管段的计算流量。选择管径。选择管径。进行初步计算。进行初步计算。进行校正计算，即水力平差计算。进行校正计算，即水力平差计算。例1-2 有一低压环网，环网中管段的长度及环内建筑用地面积均如图1-6所示，人口密度每公顷为500人，每人每小时的平均用气量为0.08m3，在2、6、9节点处有三个集中用户，用气量如下图。现供给该管网的是城市焦炉燃气，燃气对空气相对密度为500Pa，求管网中各段的管径。图1-6 燃气环网计算图1.1.2 1.1.2 小密度差管流流动小密度差管流流动图 1-7热水采暖示意图 对对1-11-1，2-22-2两个截面，其伯努利方程两个截面，其伯努利方程 1-201-20 式式1-201-20考虑的是浮力密度差对流考虑的是浮力密度差对流动过程的影响，称之为小密度差管流能量方程。动过程的影响，称之为小密度差管流能量方程。热水自然循环热水自然循环 1-211-21 在工程中的许多场合，我们往往可以认为管道在工程中的许多场合，我们往往可以认为管道中流体的密度变化是集中在某处或某个断面发生的，中流体的密度变化是集中在某处或某个断面发生的，例如热水采暖系统中高温热水通过散热器时流体密度例如热水采暖系统中高温热水通过散热器时流体密度突然发生了变化，这种变化所产生的附加压头可由前突然发生了变化，这种变化所产生的附加压头可由前述之自然循环系统的作用力计算公式得到。述之自然循环系统的作用力计算公式得到。还有一类典型的流动亦可归结为小密度差管流流还有一类典型的流动亦可归结为小密度差管流流动，即管内流体与管外流体存在的密度差所导致的流动，即管内流体与管外流体存在的密度差所导致的流动，这一类也存在两种场合：一是密度与空气不同的动，这一类也存在两种场合：一是密度与空气不同的其它气体流动，如燃气流动，其密度大多轻于空气；其它气体流动，如燃气流动，其密度大多轻于空气；另一个场合是高温烟气流动，烟气密度一般也低于当另一个场合是高温烟气流动，烟气密度一般也低于当地空气的密度。地空气的密度。对于恒定气流流动，其能量方程可表示为：对于恒定气流流动，其能量方程可表示为：1-231-23 是断面是断面1 1、2 2的相对压强，专业上习惯称的相对压强，专业上习惯称为静为静 压。压。习惯称为动压。习惯称为动压。是容重差与高程差的乘积，称为位是容重差与高程差的乘积，称为位压，表压，表 示管内外流体密度差的作用示管内外流体密度差的作用 当气流方向向上或向下与实际作用力重力或浮力方向相同时，位压为正。当二者方向相反时，位压为负。应当注意，气流在有效浮力作用下，位置升高，位压减小；位置降低，位压增大。这与气流在有效重力作用下，位置升高，位压增大；位置降低，位压减小正好相反。是是1 1，2 2两断面间的压强损失。两断面间的压强损失。静压和位压相加，称为势压，以静压和位压相加，称为势压，以 表示。表示。势压与管中水流的测压管水头相对应。势压与管中水流的测压管水头相对应。静压和动压之和，称为全压，以静压和动压之和，称为全压，以 表示。表示。静压，动压和位压三项之和以静压，动压和位压三项之和以 表示，称表示，称 为总压，与管中水流的总水头线相对应。为总压，与管中水流的总水头线相对应。存在位压时，总压等于位压加全压。位压存在位压时，总压等于位压加全压。位压 为零时，总压就等于全压。为零时，总压就等于全压。位压位压 实际上就表示了管内实际上就表示了管内 外流体存在密度差时所具有的附加压头。外流体存在密度差时所具有的附加压头。烟气流动烟气流动 图图1-91-9 对对1-11-1断面处烟囱内外之流体可分别写出断面处烟囱内外之流体可分别写出 其静力学根本方程：其静力学根本方程：1-251-25 1-261-26 假设假设 在在1-11-1断面处烟囱内外两侧压差大小为：断面处烟囱内外两侧压差大小为：1-271-27 1.2 1.2 无压流动根底无压流动根底明渠均匀流明渠均匀流1.2.1 1.2.1 概述概述 明渠是一种具有自由外表水流的渠道。明渠是一种具有自由外表水流的渠道。可分为可分为 天然明渠，如天然河道。天然明渠，如天然河道。人工明渠，如人工渠道输水渠、排水人工明渠，如人工渠道输水渠、排水 渠等、运河及未充满水流渠等、运河及未充满水流 的管道等。的管道等。明渠水流与有压管流不同，它具有自由外明渠水流与有压管流不同，它具有自由外表，外表上各点受大气压强作用，其相对压强表，外表上各点受大气压强作用，其相对压强为零，故又称为无压流动或重力流动。为零，故又称为无压流动或重力流动。1.2.1.1 1.2.1.1 明渠的分类明渠的分类 由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，故明渠一般分为以下类渠水流运动有重要影响，故明渠一般分为以下类型：型：1.1.棱柱形渠道与非棱柱形渠道棱柱形渠道与非棱柱形渠道:但凡断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，但凡断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否那么为非棱柱形渠道。称为棱柱形渠道，否那么为非棱柱形渠道。图 1-10 常见渠道断面形状2.2.顺坡、平坡和逆坡渠道顺坡、平坡和逆坡渠道:明渠底一般是个斜面，在纵剖面上，渠底明渠底一般是个斜面，在纵剖面上，渠底便成一条斜直线，这一斜线就是渠道底线的坡便成一条斜直线，这一斜线就是渠道底线的坡度便是渠道底坡，它单位流程上渠底高程降低度便是渠道底坡，它单位流程上渠底高程降低值。值。一般规定：一般规定：渠底沿程降低的底坡为称为顺坡；渠底水渠底沿程降低的底坡为称为顺坡；渠底水平时，称为平坡；渠底沿程升高时，称为逆坡。平时，称为平坡；渠底沿程升高时，称为逆坡。图1-11 渠道底坡类型1.2.1.2 明渠均匀流的条件与特征 均匀流是一种渐变流的极限情况，即流线是绝对平行无弯曲的流动。明渠均匀流的水流具有如下特征：断面平均流速沿程不变；水深也沿程不变；而且总能线即总水头线，水面及渠底相互平行，也就是说，其总水头线坡度水力坡度，测管水头线坡度水面坡度和渠道底坡彼此相等图1-13，亦即 图1-13 明渠均匀流1.2.2 1.2.2 明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式 明渠水流一般属于紊流阻力平方区即第明渠水流一般属于紊流阻力平方区即第二自模区。明渠均匀流水力计算中的流速公二自模区。明渠均匀流水力计算中的流速公式，长期以来一般表示为如下形式：式，长期以来一般表示为如下形式：1-311-31 1.1.谢才公式谢才公式 1769 1769年，法国工程师谢才年，法国工程师谢才Antoine Antoine ChezyChezy提出了明渠均匀流的计算公式即谢提出了明渠均匀流的计算公式即谢才公式才公式 1-321-32 2.2.流量模数与正常水深流量模数与正常水深 根据谢才公式可得流量计算式根据谢才公式可得流量计算式 (1-34)(1-34)3.3.曼宁公式与巴甫洛夫斯基公式曼宁公式与巴甫洛夫斯基公式 爱尔兰工程师曼宁爱尔兰工程师曼宁Robert ManningRobert Manning18891889年亦提出了一个明渠均匀流公式。年亦提出了一个明渠均匀流公式。1-371-37 将谢才公式与曼宁公式相比较，便得将谢才公式与曼宁公式相比较，便得 1-381-38 此式说明了谢才系数与曼宁粗糙系数之间此式说明了谢才系数与曼宁粗糙系数之间的重要关系，称之为曼宁公式。的重要关系，称之为曼宁公式。4.粗糙系数n 粗糙系数值的大小综合反映渠道壁面包括渠底对水流阻力的作用，它不仅与渠道外表材料有关，同时和水位上下即流量大小以及运行管理的好坏有关。因此，正确地选择渠道壁面的粗糙系数对于渠道水力计算成果和工程造价的影响颇大。1.2.3 1.2.3 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速 1.1.水力最优断面水力最优断面 明渠均匀流输水能力的大小取决于渠道底明渠均匀流输水能力的大小取决于渠道底坡、粗糙系数以及过水断面的形状和尺寸。在坡、粗糙系数以及过水断面的形状和尺寸。在设计渠道时，底坡一般随地形条件而定，粗糙设计渠道时，底坡一般随地形条件而定，粗糙系数取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力系数取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力只取决于断面大小和形状。只取决于断面大小和形状。当当i i、n n及及A A大小一定，使渠道所通过的流大小一定，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。量最大的那种断面形状称为水力最优断面。梯形断面的水力最优条件梯形断面的水力最优条件 设明渠梯形过水断面图设明渠梯形过水断面图1-10a1-10a的底为的底为b b，水深为水深为h h，边坡系数为，边坡系数为m m，水力最优条件为，水力最优条件为 2.2.渠道的允许流速渠道的允许流速 式中式中 是免遭冲刷的最大允许流速，简称不是免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；冲允许流速；是免受淤积的最小允许流速，简称不是免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。淤允许流速。1.2.4 1.2.4 明渠均匀流水力计算的根本问题明渠均匀流水力计算的根本问题 明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种根本问题，现以最常用的梯形断面渠道为例分根本问题，现以最常用的梯形断面渠道为例分述如下：述如下：1.1.验算渠道的输水能力验算渠道的输水能力 这类问题主要是对已成渠道进行校核性的这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算其输水能力问题。水力计算，特别是验算其输水能力问题。2.2.决定渠道底坡决定渠道底坡 设计渠道底坡时，一般土壤或护面材料、设计渠道底坡时，一般土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即设计流量以及断面的几何尺寸，即n n、qVqV和和m m、b b、h0h0各量，求所需要的底坡各量，求所需要的底坡i i。3.3.决定渠道断面尺寸决定渠道断面尺寸 在设计一条新渠道时，一般流量在设计一条新渠道时，一般流量qV qV、渠道、渠道底坡底坡i i、边坡系数、边坡系数m m及粗糙系数及粗糙系数n n，求渠道断面尺，求渠道断面尺寸寸b b和和h h。1.2.5 1.2.5 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算1.2.5.1.1.2.5.1.无压圆管均匀流的水力特征无压圆管均匀流的水力特征 1 1、水力特征、水力特征 1 1明渠均匀流动，对于比较长的无压圆明渠均匀流动，对于比较长的无压圆管来说，直径不变的顺直段，其水流状态与明管来说，直径不变的顺直段，其水流状态与明渠均匀流相同，它的水力坡度、水面坡度以及渠均匀流相同，它的水力坡度、水面坡度以及底坡彼此相等。底坡彼此相等。2 2无压圆管道均匀流之流速和流量分别无压圆管道均匀流之流速和流量分别在水流为满流之前，到达其最大值。在水流为满流之前，到达其最大值。水流在无压圆管中的充满程度可用水深对水流在无压圆管中的充满程度可用水深对直径的比值即充满度来表示。其输水性能最优直径的比值即充满度来表示。其输水性能最优时的水流充满度可根据水力最优条件导出。时的水流充满度可根据水力最优条件导出。2 2、无压圆管均匀流过水断面水力要素、无压圆管均匀流过水断面水力要素、1.2.5.2 1.2.5.2 无压圆管的计算问题无压圆管的计算问题 无压管道水力计算的根本问题分为下述三类。无压管道水力计算的根本问题分为下述三类。1 1检验过水能力，即管径、充满度、管壁检验过水能力，即管径、充满度、管壁粗糙系数及底坡，求流量。粗糙系数及底坡，求流量。2 2通过流量及管径、充满度和管壁粗糙系通过流量及管径、充满度和管壁粗糙系数，要求设计管底的坡度。数，要求设计管底的坡度。3 3通过流量及充满度、管壁粗糙系数和底通过流量及充满度、管壁粗糙系数和底坡，要求决定管径。坡，要求决定管径。第第2 2章章 泵与风机的理论根底泵与风机的理论根底2.1 2.1 泵与风机的分类及性能参数泵与风机的分类及性能参数2.1.1 2.1.1 常用泵与风机的分类常用泵与风机的分类 泵与风机是利用外加能量输送流体的流泵与风机是利用外加能量输送流体的流体机械。体机械。2.1.1.1 2.1.1.1 容积式容积式 容积式泵与风机在运转时，机械内部的容积式泵与风机在运转时，机械内部的工作容积体积不断发生变化，从而吸入工作容积体积不断发生变化，从而吸入或排出流体。或排出流体。又可分为又可分为:1.1.往复式往复式 这种机械借活塞在汽缸内的往复作用使这种机械借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体，如缸内容积反复变化，以吸入和排出流体，如蒸汽活塞泵等；蒸汽活塞泵等；2.2.回转式回转式 机壳内的转子或转动部件旋转时，转子机壳内的转子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入和排出流体，如齿轮泵、罗茨鼓风机、滑板和排出流体，如齿轮泵、罗茨鼓风机、滑板泵等。泵等。2.1.1.2 2.1.1.2 叶片式叶片式 叶片式泵与风机的主要结构是可旋转的、叶片式泵与风机的主要结构是可旋转的、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮的旋转带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮的旋转对流体做功，从而使流体获得能量。对流体做功，从而使流体获得能量。根据流体的流动情况，可将它们再分为以根据流体的流动情况，可将它们再分为以下数种：下数种：1.1.离心式泵与风机；离心式泵与风机；2.2.轴流式泵与风机；轴流式泵与风机；3.3.混流式泵与风机；混流式泵与风机；4.4.贯流式风机。贯流式风机。2.1.1.3 2.1.1.3 其它类型的泵与风机其它类型的泵与风机 如引射器、旋涡泵、真空泵等。如引射器、旋涡泵、真空泵等。图2-1离心式风机主要结构分解示意图1吸入口；2叶轮前盘；3叶片；4后盘；5机壳；6出口；7截流板，即风舌；8支架 工作原理工作原理 当叶轮随轴旋转时，叶片间的气体也随叶当叶轮随轴旋转时，叶片间的气体也随叶轮旋转而获得离心力，并使气体从叶片之间的轮旋转而获得离心力，并使气体从叶片之间的出口处甩出。被甩出的气体挤入机壳，于是机出口处甩出。被甩出的气体挤入机壳，于是机壳内的气体压强增高，最后被导向出口排出。壳内的气体压强增高，最后被导向出口排出。气体被甩出后，叶轮中心局部的压强降低；外气体被甩出后，叶轮中心局部的压强降低；外界气体即能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央界气体即能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸人，源源不断地输送气体。的孔口吸人，源源不断地输送气体。作为向流体提供能量的设备，描述其作为向流体提供能量的设备，描述其性能的常用参数有性能的常用参数有 扬程、流量、功率、效率及转速等。扬程、流量、功率、效率及转速等。2.1.2.1 2.1.2.1 泵的扬程与风机的全压和静压泵的扬程与风机的全压和静压 1.1.泵的扬程：泵的扬程：泵所输送的单位重量流量泵所输送的单位重量流量的流体从进口至出口的能量增值即为扬程；也的流体从进口至出口的能量增值即为扬程；也即单位重量流量的流体通过泵所获得的有效能即单位重量流量的流体通过泵所获得的有效能量，单位是量，单位是m m。2.2.风机的压头风机的压头(全压全压)与静压与静压 1 1风机的压头风机的压头(全压全压)：单位体积气体通：单位体积气体通过风机所获得的能量增量即全压，单位为过风机所获得的能量增量即全压，单位为PaPa。2 2风机的静压：风机全压减去风机出口风机的静压：风机全压减去风机出口动压即风机静压动压即风机静压.3.3.流量：单位时间内泵或风机所输送的流量：单位时间内泵或风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量表示，单位为流体量称为流量。常用体积流量表示，单位为“m3/s“m3/s或或“m3/h“m3/h。2.1.2.2 2.1.2.2 功率及效率功率及效率 1.1.有效功率有效功率:在单位时间内通过泵的流体在单位时间内通过泵的流体总流所获得的总能量叫有效功率，以符号总流所获得的总能量叫有效功率，以符号PePe表示表示 对水泵，有对水泵，有 对风机，有对风机，有 2.2.全效率效率：表示输入的轴功率全效率效率：表示输入的轴功率P P被流体所利用的程度，用泵或风机的全效率被流体所利用的程度，用泵或风机的全效率简称效率简称效率 来计量。来计量。3 3 转速转速n n它指泵或风机叶轮每分钟的转数即它指泵或风机叶轮每分钟的转数即“r/min“r/min。2.2 离心式泵与风机的根本方程欧拉方程图2-2 泵或风机工作时能量的转换与迁移过程示意图2.2.2 2.2.2 理想叶轮理想叶轮 速度三角形速度三角形2.2.2.1 2.2.2.1 理想叶轮理想叶轮 1.1.假设流体通过叶轮的流动是恒定的，假设流体通过叶轮的流动是恒定的，且可看成是无数层垂直于转动轴线的流面之总且可看成是无数层垂直于转动轴线的流面之总和，在层与层的流面之间其流动互不干扰。和，在层与层的流面之间其流动互不干扰。2.2.假设叶轮具有无限多的叶片，叶片厚假设叶轮具有无限多的叶片，叶片厚度无限薄，流体流过时无惯性冲击。即流体在度无限薄，流体流过时无惯性冲击。即流体在叶片间流道作相对流动时，其流线与叶片形状叶片间流道作相对流动时，其流线与叶片形状一致，且当流体进、出叶片流道时，与叶片进、一致，且当流体进、出叶片流道时，与叶片进、出口的几何安装角、一致，即流体出口的几何安装角、一致，即流体“进入和流进入和流出时无冲击。出时无冲击。3.3.假设流经叶轮的流体是理想不可压缩假设流经叶轮的流体是理想不可压缩流体，即在流动过程中，不计能量损失。流体，即在流动过程中，不计能量损失。图2-3 流体在叶轮流道中的流动(a)风机的叶轮；(b)流体在叶轮中的速度1叶轮前盘；2叶片；3后盘；4轴；5机壳2.2.2.2 2.2.2.2 速度三角形速度三角形图2-4叶片进口和出口处流体速度图 图2-5流体在叶轮中运动的 速度三角形 1进口；2出口；u圆周速度；w相对速度；v绝对速度2.2.3 2.2.3 理想叶轮流量计算理想叶轮流量计算从理论力学可知，流体的圆周速度为：从理论力学可知，流体的圆周速度为：2.2.3 2.2.3 理想叶轮欧拉方程理想叶轮欧拉方程 特点：特点：1.1.用动量矩定理推导根本能量方程时，用动量矩定理推导根本能量方程时，并未分析流体在叶轮流道内的运动过程，于是，并未分析流体在叶轮流道内的运动过程，于是，流体所获得的理论扬程，仅与流体在叶片进、流体所获得的理论扬程，仅与流体在叶片进、出口处的运动速度有关，而与流动过程无关；出口处的运动速度有关，而与流动过程无关；2.2.流体所获得的理论扬程，与被输送流流体所获得的理论扬程，与被输送流体的种类无关。也就是说无论被输送的流体是体的种类无关。也就是说无论被输送的流体是水或是空气，乃至其它密度不同的流体；只要水或是空气，乃至其它密度不同的流体；只要叶片进、出口处的速度三角形相同，都可以得叶片进、出口处的速度三角形相同，都可以得到相同的流体柱液柱或气柱高度扬程。到相同的流体柱液柱或气柱高度扬程。2.2.4 2.2.4 实际叶轮欧拉方程实际叶轮欧拉方程实际叶轮的理论扬程方程式或实际叶轮实际叶轮的理论扬程方程式或实际叶轮欧拉方程欧拉方程 2.2.5 2.2.5 理论扬程理论扬程H HT T之组成之组成 总扬程系由以下三局部组成：总扬程系由以下三局部组成：1.1.式第三项是单位重量流体的动能增量，式第三项是单位重量流体的动能增量，也叫动压水头增量，也叫动压水头增量，2.2.式的第一项为哪一项单位重量流体在式的第一项为哪一项单位重量流体在叶轮旋转时所产生的离心力所作的功叶轮旋转时所产生的离心力所作的功W W，使流，使流体自进口体自进口(r1(r1处处)到出口到出口(r2(r2处处)产生一个向外的产生一个向外的压能压能(静压水头静压水头)增量。增量。3.3.式的第二项是由于叶片间流道展宽，式的第二项是由于叶片间流道展宽，以致相对速度有所降低而获得的静压水头增量，以致相对速度有所降低而获得的静压水头增量，它代表着流体经过叶轮时动能转化为压能的份它代表着流体经过叶轮时动能转化为压能的份量。量。2.32.3实际叶轮的理实际叶轮的理论性能曲线论性能曲线2.3.1 2.3.1 叶型及其对性能的影响叶型及其对性能的影响 图2-7 叶轮叶型与出口安装角(a)后向叶型，；(b)径向叶型，；(c)前向叶型 实践证明实践证明,动压水头成分大，流体在蜗动压水头成分大，流体在蜗壳及扩压器中的流速大，从而动静压转换壳及扩压器中的流速大，从而动静压转换损失必然较大。损失必然较大。其它条件相同时，尽管前向叶型的泵其它条件相同时，尽管前向叶型的泵和风机的总的扬程较大，但能量损失也大，和风机的总的扬程较大，但能量损失也大，效率较低。效率较低。离心式泵全都采用后向叶轮。在大型风机离心式泵全都采用后向叶轮。在大型风机中，为了增加效率或降低噪声水平，也几乎都中，为了增加效率或降低噪声水平，也几乎都采用后向叶型。采用后向叶型。叶轮是前向叶型的风机，在相同的压头下，叶轮是前向叶型的风机，在相同的压头下，轮径和外形可以做得较小轮径和外形可以做得较小,中小型风机效率不中小型风机效率不是主要考虑因素是主要考虑因素,采用前向叶型。采用前向叶型。在微型风机中，大都采用前向叶型的多叶在微型风机中，大都采用前向叶型的多叶叶轮。叶轮。2.3.2 实际叶轮的理论流量压头曲线与流量功率曲线 泵和风机的扬程、流量以及所需的功率等性能是互相影响的，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，用来表示。上述三种关系常以曲线形式绘在以流量qV为横坐标的图上。这些曲线叫做性能曲线。从曲线可以看出，前向叶型的风机所需的轴功率随流量的增加而增长得很快。因此，这种风机在运行中增加流量时，原动机超载的可能性要比径向叶型风机的大得多，而后向叶型的风机几乎不会发生原动机超载的现象。2.4 2.4 泵与风机的实际性能曲线泵与风机的实际性能曲线 2.4.1 水力损失 机内阻力损失发生于下述几个局部。一，进口损失H1.二，撞击损失H2.三，叶轮中的水力损失H3。它包括：叶轮中的摩擦损失和流道中流体速度大小、方向变化及离开叶片出口等局部阻力损失.四，动压转换和机壳出口损失H4。图2-11 撞击损失、其它水力损失与流量的关系图2-12机内流体泄漏回流图 2.4.2 2.4.2 容积损失容积损失通过间隙的泄漏流量可由下式估算：通过间隙的泄漏流量可由下式估算：q=减少回流量可以采取以下两方面的措施。减少回流量可以采取以下两方面的措施。一是尽可能增加密封装置的阻力，例如将一是尽可能增加密封装置的阻力，例如将密封环的间隙做得较小，且可做成曲折形状密封环的间隙做得较小，且可做成曲折形状.二是密封环的直径尽可能缩小，从而降低二是密封环的直径尽可能缩小，从而降低其周长使流通面积减少。其周长使流通面积减少。2.4.3 2.4.3 机械损失机械损失泵的圆盘摩擦损失的功率泵的圆盘摩擦损失的功率P P2 2可表示为：可表示为：P2P2还可用下式近似计算还可用下式近似计算 2.4.4 2.4.4 泵与风机的全效率泵与风机的全效率 泵和风机的全效率等于容积效率，水泵和风机的全效率等于容积效率，水力效率及机械效率的乘积。力效率及机械效率的乘积。2.4.5 2.4.5 泵与风机的性能曲线泵与风机的性能曲线 qV qVH H、qVNqVN和和qVqV一三条曲线是泵或风一三条曲线是泵或风机在一定转速下的根本性能曲线。机在一定转速下的根本性能曲线。其中最重要的是其中最重要的是qVHqVH曲线，因为它揭曲线，因为它揭示了泵或风机的两个最重要、最有实用意义示了泵或风机的两个最重要、最有实用意义的性能参数之间的关系。的性能参数之间的关系。通常按照通常按照qVHqVH曲线的大致倾向可将曲线的大致倾向可将其分为以下三种：其分为以下三种：(1)(1)平坦型，平坦型，(2)(2)陡降型，陡降型，(3)(3)驼峰型。驼峰型。图2-14三种不同的qVH曲线1平坦型；2陡降型；3驼峰型2.5 2.5 相似律与比转数相似律与比转数 2.5.1 2.5.1 泵与风机的相似律泵与风机的相似律2.5.1.1 2.5.1.1 相似条件相似条件 泵或风机的相似同样须满足几何、运泵或风机的相似同样须满足几何、运动及动力相似三个条件动及动力相似三个条件,相似工况：当原型性能曲线上某一工相似工况：当原型性能曲线上某一工况点况点A A与模型性能曲线上工况点与模型性能曲线上工况点A A 所对应所对应的流体运动相似，也就是相应的速度三角的流体运动相似，也就是相应的速度三角形相似，那么形相似，那么A A与与A A 两个工况为相似工况两个工况为相似工况,2.5.1.1 2.5.1.1 相似律相似律 1 1流量关系：流量关系：2 2扬程关系：扬程关系：3 3功率关系：功率关系：2.5.2 2.5.2 风机的无因次性能曲线风机的无因次性能曲线图2-174-72-11型风机的无因次性能曲线 2.5.3 2.5.3 比转数比转数 同一同一“系列的诸多相似机既然可用一条系列的诸多相似机既然可用一条无因次性能曲线来表述，那么，视在此曲线上无因次性能曲线来表述，那么，视在此曲线上所取的工况点之不同，就会有许多组值。所取的工况点之不同，就会有许多组值。如果我们指定效率最高点即最正确工况如果我们指定效率最高点即最正确工况点的一组值，作为这个点的一组值，作为这个“系列的代表值，系列的代表值，这样，就把表征这样，就把表征“系列的手段由一条无因次系列的手段由一条无因次曲线简化成两个参数值，作为这个系列的代表曲线简化成两个参数值，作为这个系列的代表值。从而找到了非相似泵或风机即不同系列机值。从而找到了非相似泵或风机即不同系列机器的比较根底器的比较根底比转数。比转数。实际上的比转数定义为：实际上的比转数定义为：比转数的实用意义如下：比转数的实用意义如下：一比转数反映了某系列泵或风机性能上一比转数反映了某系列泵或风机性能上的特点。的特点。二比转数可以反映该系列泵或风机在结二比转数可以反映该系列泵或风机在结构上的特点。构上的特点。三比转数可以反映性能曲线变化的趋三比转数可以反映性能曲线变化的趋势。势。图2-18 风机比转数，叶轮形状图2-19 泵的比转数、叶轮形状和性能曲线形状图2-20 比转数对性能曲线变化趋势影响(a)比转数较低的机器；(b)比转数较高的机器 2.6.1 2.6.1 轴流式风机轴流式风机 轴流式泵与风机能满足大流量和低压轴流式泵与风机能满足大流量和低压头要求。头要求。轴流机原理：按流体力学关于轴流机原理：按流体力学关于“绕流绕流阻力和升力的相关原理，绕流物体阻力和升力的相关原理，绕流物体这里指叶片，在垂直于流动方向存在着升这里指叶片，在垂直于流动方向存在着升力力L L，平行于流动方向产生阻力，平行于流动方向产生阻力D D。根据作。根据作用力和反作用力关系原理，叶片对流体和用力和反作用力关系原理，叶片对流体和升力和阻力的合理利用，就是叶片形状设升力和阻力的合理利用，就是叶片形状设计的目的。计的目的。图2-22气流质点通过叶栅的运动情况 轴流式风机与离心式风机具有同轴流式风机与离心式风机具有同样的理论压头方程式：样的理论压头方程式：图图2-232-233030E-11NE-11No o.36.36型轴流风机性能曲线型轴流风机性能曲线 轴流风机在性能曲线方面的特点可以归纳轴流风机在性能曲线方面的特点可以归纳为如下三点：为如下三点：一一qVHqVH曲线大都属于陡降型曲线。曲线大都属于陡降型曲线。二二qVPqVP曲线在流量为零时曲线在流量为零时N N最大，当最大，当流量增大时，流量增大时，H H下降很快，轴功率也有所降低，下降很快，轴功率也有所降低，这样往往使轴流式风机在零流量下启动的轴这样往往使轴流式风机在零流量下启动的轴功率为最大。功率为最大。三三 qV qV曲线在最高效率点附近迅速曲线在最高效率点附近迅速下降，由于流量不在设计工况下气流情况迅下降，由于流量不在设计工况下气流情况迅速变坏，以致效率下降很快。所以轴流式风速变坏，以致效率下降很快。所以轴流式风机的最正确工作范围较窄。机的最正确工作范围较窄。图2-24 贯流式风机示意图1叶片；2封闭端面(a)贯流式风机叶轮结构示意图；(b)贯流式风机中的气流 2.6.2 2.6.2 贯流式风机贯流式风机的主要特点贯流式风机贯流式风机的主要特点 1.1.叶轮一般是多叶式前向叶型，但两个叶轮一般是多叶式前向叶型，但两个端面是封闭的。端面是封闭的。2.2.叶轮的宽度叶轮的宽度b b没有限制，当宽度加大时，没有限制，当宽度加大时，流量也增加。流量也增加。3.3.贯流式风机不像离心式风机是在机壳贯流式风机不像离心式风机是在机壳侧板上开口使气流轴向进入风机，而是将机侧板上开口使气流轴向进入风机，而是将机壳局部地敞开使气流直接径向进入风机。壳局部地敞开使气流直接径向进入风机。4.4.在性能上，贯流式风机的全压系数较在性能上，贯流式风机的全压系数较大，曲线是驼峰型的，效率较低，一般约为大，曲线是驼峰型的，效率较低，一般约为30305050。5.5.进风口与出风口都是矩形的，易与建进风口与出风口