流体输配管网习题答案第5章(1_17题).pdf

第第5 5章章 泵与风机的理论基础泵与风机的理论基础第第1 1题题- -第第1717题题5-15-1 离心式泵与风机的基本结构由哪几部分组成？每部分的基本功能是什么？离心式泵与风机的基本结构由哪几部分组成？每部分的基本功能是什么？答： 〔1离心式风机的基本结构组成及其基本功能：1叶轮一般由前盘、中〔后盘、叶片、轴盘组成,其基本功能是吸入流体,对流体加压并改变流体流动方向由涡壳、进风口和风舌等部件组成蜗壳的作用是收集从叶轮出来的气体 ,并引导到蜗壳的出口,经过出风口把气体输送到管道中或排到大气中去进风口又称集风器,它保证气流能均匀地充满叶轮进口,使气流流动损失最小3进气箱进气箱一般只使用在大型的或双吸的离心式风机上 ,其主要作用是使轴承装于风机的机壳外边,便于安装与检修,对改善锅炉引风机的轴承工作条件更为有利对进风口直接装有弯管的风机 ,在进风口前装上进气箱,能减少因气流不均匀进入叶轮产生的流动损失4前导器一般在大型离心式风机或要求特性能调节的风机的进风口或进风口的流道内装置前导器改变前导器叶片的角度,能扩大风机性能、使用范围和提高调节的经济性大型风机或要求性能调节风机用 ,扩大风机性能,使用范围和提高调节的经济性。

〔2离心式水泵的基本结构组成及其基本功能：1叶轮吸入流体,对流体加压汇集引导流体流动,泵壳上螺孔有充水和排气的作用用于固定泵,联接泵与基座4轴封装置用于密封泵壳上的轴承穿孔,防止水泄漏或大气渗入泵内5-25-2离心式泵与风机的工作原理是什么？主要性能参数有哪些？离心式泵与风机的工作原理是什么？主要性能参数有哪些？答： 离心式泵与风机的工作原理是： 当泵与风机的叶轮随原动机的轴旋转时,处在叶轮叶片间的流体也随叶轮高速旋转,此时流体受到离心力的作用,经叶片间出口被甩出叶轮这些被甩出的流体挤入机〔泵壳后,机〔泵壳内流体压强增高,最后被导向泵或风机的出口排出与此同时,叶轮中心由于流体被甩出而形成真空,外界的流体沿泵或风机的进口被吸入叶轮,如此源源不断地输送流体泵〔风机不断将电机电能转变的机械能,传递给流体,传递中有能量损失主要性能参数有：扬程〔全压、流量、有效功率、轴功率、转速、效率等5-35-3欧拉方程的理论依据和基本假定是什么？实际的泵与风机不能满足基本假定时欧拉方程的理论依据和基本假定是什么？实际的泵与风机不能满足基本假定时, ,会产生什么影响？会产生什么影响？答：欧拉方程的理论依据是动量矩定理,即质点系对某一转轴的动量对时间的变化率等于作用于该质点系的所有外力对该轴的合力矩。

欧拉方程的4点基本假定是：〔1流动为恒定流；〔2流体为不可压缩流体；1 / 7.〔3叶轮的叶片数目为无限多,叶片厚度为无限薄；〔4流动为理想过程,泵和风机工作时没有任何能量损失上述假定中的第〔1点只要原动机转速不变是基本上可以保证的,第〔2点对泵是完全成立的,对建筑环境与设备工程专业常用的风机也是近似成立的第〔3点在实际的泵或风机中不能满足叶道中存在轴向涡流,导致扬程或全压降低,且电机能耗增加,效率下降；第〔4点也不能满足,流动过程中存在各种损失,其结果是流量减小,扬程或全压降低,流体所获得的能量小于电机耗能量,泵与风机的效率下降5-55-5写出由出口安装角写出由出口安装角表示的理论曲线方程表示的理论曲线方程 H HT T=f=f1 1 >, ,N NT T=f=f2 2 >,η,ηT T=f=f3 3 >；；分析前向、分析前向、径向和后叶型的性能特径向和后叶型的性能特点需要高扬程点需要高扬程, ,小流量时宜选什么叶型？当需要低扬程、大流量时不宜选什么叶型？小流量时宜选什么叶型？当需要低扬程、大流量时不宜选什么叶型？答：其中,其中,,,,为叶片排挤系数,它反映了叶片厚度对流道过流面积的遮挡程度；几种叶型的性能特点分析比较：〔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,而径向中轮直径稍次,后向叶轮直径最大。

〔4从工艺观点看,直叶片制造最简单当需要高扬程,小流量时宜选前向型叶片；需低扬程、大流量时宜选后向型叶片5-65-6简述不同叶型对风机性能的影响简述不同叶型对风机性能的影响, ,并说明前向叶型的风机为何容易超载？并说明前向叶型的风机为何容易超载？答：通常所说的叶片型式,一般是按叶片出口安装角度向型叶片；的大小来区分的叶片> 90,为前向型叶片；< 90,为后,为径向型叶片 从流体所获得的全压看,前向叶片最大,径向叶片稍次,后向叶片最小； 从效率观点看,后向叶片最高,径向叶片居中,前向叶片最低；从叶轮的结构尺寸看,在流量和转速一定时,达到相同压力的前提下,前向叶轮直径最小,而径向中轮直径稍次,后向叶轮直径最大在理想条件下,有效功率就是轴功率,即,当输送某种流体时,常数,将与的关系代入,可得：根据上式,前向、径向、后向三种叶型的理论轴功率与流量之间的变化关系如习题5-6解答图所示习题5-6解答图定性地说明了不同叶型的风机轴功率与流量之间的变化关系从图中的- -曲线可以看出,前向叶型的风机所需的轴2 / 7.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。

习题5-6解答图三种叶型的 NT-QT曲线5-75-7影响泵或风机性能的能量损失有哪几种？简单地讨论造成这些损失的原因影响泵或风机性能的能量损失有哪几种？简单地讨论造成这些损失的原因答：以离心式泵与风机为例,它们的能量损失大致可分为流动损失、泄漏损失、轮阻损失和机械损失等〔1流动损失流动损失的根本原因在于流体具有粘滞性泵与风机的通流部分从进口到出口由许多不同形状的流道组成首先,流体流经叶轮时由轴向转变为径向,流体在叶片入口之前,由于叶轮与流体间的旋转效应存在,发生先期预旋现象,改变了叶片传给流体的理论功,并且使进口相对速度的大小和方向改变,使理论扬程下降；其次,因种种原因泵与风机往往不能在设计工况下运转,当工作流量不等于设计流量时,进入叶轮叶片流体的相对速度的方向就不再同叶片进口安装角的切线相一致,从而对叶片发生冲击作用,形成撞击损失；此外,在整个流动过程中一方面存在着从叶轮进口、叶道、叶片扩压器到蜗壳及出口扩压器沿程摩擦损失,另一方面还因边界层分离,产生涡流损失〔2泄漏损失泵与风机静止元件和转动部件间必然存在一定的间隙 ,流体会从泵与风机转轴与蜗壳之间的间隙处泄漏,称为外泄漏离心式泵与风机的外泄漏损失很小,一般可略去不计。

但当叶轮工作时,机内存在着高压区和低压区,蜗壳靠前盘的流体,经过叶轮进口与进气口之间的间隙,流回到叶轮进口的低压区而引起的损失,称为内泄漏损失此外,对离心泵来说为平衡轴向推力常设置平衡孔 ,同样引起内泄漏损失由于泄漏的存在 ,既导致出口流量降低,又无益地耗功〔3轮阻损失因为流体具有粘性,当叶轮旋转时引起了流体与叶轮前、后盘外侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失 ,称为轮阻损失〔4机械传动损失这是由于泵与风机的轴承与轴封之间的摩擦造成的5-85-8利用电机拖动的离心式泵或风机利用电机拖动的离心式泵或风机, ,常关闭阀门常关闭阀门, ,在零流量下启动在零流量下启动, ,试说明其理由使泵或风机在零流量下运行试说明其理由使泵或风机在零流量下运行, ,这时轴这时轴功率并不等于零功率并不等于零, ,为什么？是否可以使风机或泵长时期在零流量下工作？原因何在？为什么？是否可以使风机或泵长时期在零流量下工作？原因何在？答： 〔1对于离心式泵或风机,从它们的功率启动的要求,从它们的全压随流量随流量的变化关系曲线看,在零流量时的轴功率最小,符合电动机轻载的变化关系曲线看,获得的全压最大,因此一般采用关闭压水〔气管上的阀门,即采用所谓"闭闸启动"。

待电机运转正常后,压力表达到预定的数值时,再逐步开启阀门〔2水泵或风机在零流量下运行,由于还存在轮阻摩擦及轴承与轴之间的各种机械摩擦损失,因此轴功率并不等于零,而是有设计轴功率的30%~40%左右〔3零流量工作时的轴功率消耗于各种机械损失上,其结果将使泵〔机壳内流体温度上升,泵〔机壳发热,严重时还会导致泵〔机壳、轴承等构件发生热力变形,因此一般只允许短时间内在零流量下运行5-95-9简述相似律与比转数的含义和用途简述相似律与比转数的含义和用途, ,指出两者的区别指出两者的区别3 / 7.答：相似律是指：当几何相似的两台泵〔或风机的工况,满足流量系数相等〔即表明速度三角形相似,以及雷诺数相等〔或处于雷诺自模区的条件时,它们的流动过程相似,对应的运行工况称为相似工况在相似工况下,它们的全压系数、功率系数与效率彼此相等,性能参数之间存在如下相似换算关系全压换算：流量换算：功率换算：相似律的用途主要是进行几何相似的泵〔或风机相似工况之间的性能换算；可以用无因次性能曲线反映一系列进行几何相似的泵〔或风机的性能两个几何相似的泵与风机,它们在最高效率点的性能参数风机的比转数相等比转数的用途有：、、 组成的综合特性参数称为比转数,相似泵 〔或比转数反映了某系列泵或风机的性能特点。

比转数大,表明其流量大而压头小,比转数小则表明其流量小而压头大比转数反映了某系列泵或风机的结构特点 比转数越大,流量系数越大,叶轮的出口宽度 b2与其直径 D2之比就越大,比转数越小,流量系数越小,则相应叶轮的出口宽度b2与其直径 D2之比就越小比转数可以反映性能曲线的变化趋势低比转数的泵或风机的随流量增大上升较快；而较快,曲线比较平坦,曲线较陡,即机器的轴功率曲线较陡,曲线甚至随随增大下降曲线则较平坦低比转数的泵与风机则与此相反曲线会出现 S 形状,上升较缓,当比转数大到一定程度时,增大而下降比转数可用于泵或风机的相似设计比转数还可用于指导泵与风机的选型当已知泵或风机所需的流量和压头时 ,可以组合原动机的转速计算需要的比转数,从而初步确定泵或风机的型号5-105-10无因次性能曲线何以能概括大小不同、工况各异的同一系列泵或风机的性能？应用无因次性能曲线要注意哪些问无因次性能曲线何以能概括大小不同、工况各异的同一系列泵或风机的性能？应用无因次性能曲线要注意哪些问题？题？答：同一系列泵或风机是指一系列几何相似的泵或风机它们在一定的转速范围内,如果流量系数相等,则入口速度三角形相似,即这一系列泵或风机在该流量系数下的工况是相似工况,各泵〔或风机的性能参数满足相似律换算关系,它们的全压系数、功率系数--、 〔、 〔-、效率相等,在以流量系数、 〔为横坐标、、、为纵坐标的图上,各台泵〔或风机的参数点〔无因次性能曲线〔-、 〔-重合。

按此对各台泵〔或风机的性能曲线进行无因次化,它们的为横坐标图上将会重合因此,无因此性能曲线能够概括-在以流量系数4 / 7.同一系列泵或风机的性能应用无因此性能曲线时应注意,一是在推导泵与风机的相似律时忽略了一些次要因素,如内表面粗糙度不完全相似、轮阻损失和泄漏损失不完全相似等 ,对于同一系列的泵与风机 ,如果尺寸大小相差过分悬殊 ,则会引起较大误差如4-72-11NO.5型和4-72-11NO.20型风机,就不能应用相同的无因次性能曲线另外,根据无因次性能曲线查出的是无因次量,并不能直接使用,在实际应用时,应根据泵或风机的实际尺寸、转速,将其换算成有因次量5-115-11离心式泵或风机相似的条件是什么？什么是相似工况？两台水泵〔风机达到相似工况的条件是什么？离心式泵或风机相似的条件是什么？什么是相似工况？两台水泵〔风机达到相似工况的条件是什么？答：离心式泵与风机相似的条件是：1几何相似即一系列的泵〔或风机的各过流部件相应的线尺寸〔同名尺寸间的比值相等,相应的角度也相等2动力相似在泵与风机内部,主要考虑惯性力和粘性力的影响,故要求对应点的惯性力与粘性力的比值相等,即雷诺数相等而当雷诺数很大,对应的流动状况均处于自模区时,则不要求雷诺数相等。

3运动相似对于几何相似的泵〔或风机,如果雷诺数相等或流动处于雷诺自模区,则在叶片入口速度三角形相似,也即流量系数相等时,流动过程相似当两泵〔或风机的流动过程相似时,对应的工况为相似工况在上述条件下,不同的泵〔或风机的工况为相似工况,性能参数之间满足相似律关系式5-125-12应用相似律应满足什么条件？应用相似律应满足什么条件？" "相似风机不论在何种工况下运行相似风机不论在何种工况下运行, ,都满足相似律都满足相似律""""同一台泵或风机在同一个转速同一台泵或风机在同一个转速下运转时下运转时, ,各工况〔即一条性能曲线上的多个点满足相似律各工况〔即一条性能曲线上的多个点满足相似律" "这些说法是否正确？这些说法是否正确？答：应用相似律应满足的条件是泵〔或风机的工况为相似工况即要求泵〔或风机几何相似、流动状态的雷诺数相等〔或流动均处于雷诺自模区、流量系数相等根据相似律应用的条件 ,"相似风机不论在何种工况下运行,都满足相似律"这种说法显然是错误的,"同一台泵或风机在同一个转速下运转时,各工况〔即一条性能曲线上的多个点满足相似律"的说法也不正确因为一条性能曲线上的多个工况点之间无法达到流量系数相等,即叶片入口速度三角形不相似,流动过程不相似。

5-135-13离心式泵与风机的无因次性能曲线和有因次性能曲线有何区别和共性？离心式泵与风机的无因次性能曲线和有因次性能曲线有何区别和共性？答：共性：1均反映了泵〔或风机的各主要参数之间的变化关系；2无因次的-、-、-性能曲线与有因次的、、性能曲线趋势相似区别：1应用对象及范围不同无因次性能曲线应用于大小不同、转速不等的同一系列泵或风机；有因次性能曲线应用于一定转速,一定尺寸的泵〔或风机,对单体泵、风机的不同运行工况适用2无因次性能曲线上查得的性能参数不能直接使用,需要根据泵〔或风机的转速、尺寸换算成有因次量之后才能使用5-145-14怎样获取泵与风机的实际性能曲线？怎样获取泵与风机的实际性能曲线？答：泵或风机的实际性能曲线应通过实验获得即在专门的实验装置上 ,按照规定的实验步骤进行实验获得这些实验装置和实验步骤有国家规定的统一标准,其目的是尽量避免泵或风机运行的外部条件对其性能参数造成影响,而主要反5 / 7.映泵或风机本身的性能实验中,主要通过改变运行流量,测定相应的扬程或全压、功率,同时测定流体的密度,从而获得扬程或全压、功率、效率等参数随流量的变化关系5-155-15为什么风机性能实验要求在风机进口前保证一定的直管长度为什么风机性能实验要求在风机进口前保证一定的直管长度, ,并设置阻尼网、蜂窝器等整流装置？如果没有足够的并设置阻尼网、蜂窝器等整流装置？如果没有足够的直管长度和整流装置直管长度和整流装置, ,测出的性能会发生怎样的变化？测出的性能会发生怎样的变化？答：风机性能实验要求在风机进口前保证一定的直管长度〔大于6倍风机进口直径,并设置阻尼网的主要作用是使进口气流均匀、稳定,设置蜂窝器的作用可以将气流中的大旋涡变成小旋涡,还可对气流进行梳直导向。

这样可以减小进口流动条件对风机性能的影响如果没有足够的直管长度和整流装置,在相同流量下测出的风机全压将会降低,风机有效功率下降,效率也会降低5-165-16简述其他常用的泵与风机的性能特点与适用条件简述其他常用的泵与风机的性能特点与适用条件答： 〔1轴流式风机它们的性能特点是：1Q-P 曲线大都属于陡峭降型曲线； 2Q-N 曲线在流量为零时 N 最大,当 Q 增大时,P 下降数快,致使轴流风机在零流量下启动时N 最大,轴流风机所配电机要有足够的余量； 3Q-η曲线在η最高点附近迅速下降轴流式风机应用于大型电站、大型隧道、矿井等通风、引风装置 ,还用于厂房、建筑物的通风换气、空气调节、冷却塔通风、锅炉鼓风引风、化工、风洞风源等〔2惯流式风机它们的性能特点是：1叶轮转子细长、薄、通过叶轮转子长度可控制改变Q；2出口动压 Pd较高,气流不乱,可获扁平而高速的气流,且气流到达距离较长；3全压较大,Q-P 曲线驼峰型,η较低〔30~50%贯流式风机广泛应用在低压通风换气、空调、车辆和家庭电器等设备上 〔3混〔斜流式风机它们的性能特点是： 1气流偏转角 Δβ较大；2V2m>V1m； 3静压项比轴流风机多4气流出口动压 Pd大；5动叶本身不能调整,需借助于叶轮前的可调前导叶调整。

混〔斜流式风机应用于风量最大、风压较高的送排风系统〔4真空泵与空压机经常用于真空或气力输送系统中保持管路一定的真空度,或用于有吸升式吸入管段的大型泵装置中,在启动时用来抽气补水真空泵在工作时不断补充水,用来保证形成水环带走摩擦引起的热量〔5往复式泵属于容积式泵,在压头变化较大时能够维持比较稳定的流量往复泵多用于小流量、高扬程的情况下输送粘性最大的液体,也常用在锅炉房中常用作补水泵〔6深井泵与潜水泵深井泵是立式多级泵,潜水泵将电机与水泵装置在一起沉入液体里工作,省去了泵座及传动轴该类水泵一般运用于深井下和作为水下工作泵〔7旋涡泵具有小流量、高扬程、低效率的特点,且只需在第一次运转前充液,大多应用于小型锅炉给水及输送无腐蚀性、无固体杂质的液体5-175-17叶轮进口直径叶轮进口直径 D D1 1=200mm=200mm, ,安装角安装角, ,流体相对于叶片的流速流体相对于叶片的流速5m/s5m/s；叶轮出口直径；叶轮出口直径 D D2 2=800mm=800mm, ,叶片安装角叶片安装角, ,流体相对于叶片的速度是流体相对于叶片的速度是10m/s10m/s；； 叶轮转速叶轮转速900r/min900r/min。

作出叶轮进出口速度三角形作出叶轮进出口速度三角形 若叶轮出口宽度为若叶轮出口宽度为150mm150mm, ,6 / 7.计算叶轮流量计算叶轮流量 入口工作角的多少时入口工作角的多少时, ,理论扬程最大？本题的叶轮运行条件怎样改进才能实现该工作角角度？排挤系数理论扬程最大？本题的叶轮运行条件怎样改进才能实现该工作角角度？排挤系数近似为近似为1 1解：m/sm/s出口速度三角形如图习题5-17图习题5-17图由三角关系计算m/sºm/sm3/s或者直接由m3/sm3/h由理论扬程计算公式m3/h当时,时才能实现,此时,此时理论扬程最大因为和,需要满足,根据入口速度三角形,只有,可使方向重合,气流平行于入口叶片,因此调整7 / 7。