第2章 流体输送机械
2.1 复习笔记
【知识框架】
【概念汇总】
表2-1-1 本章重点概念
【重点归纳】
一、概述
1管路特性方程
管路特性方程为
其中，
从此式可以得到管路特性曲线，如图2-1-1。
图2-1-1 管路特性曲线
【注意】曲线1表示低阻管路系统的特性曲线；曲线2表示高阻管路的特性曲线。
管路特性方程系数K为
【注意】K由管路特性决定。当流动进入阻力平方区时，K与流量值无关，是一个常数。
2流体输送机械的主要技术指标
流体输送机械的主要技术指标：压头和流量。
3输送机械的分类
输送机械根据不同的需求，依据不同的原理，大致可以分为三类：
（1）动力式（叶轮式）：例如离心式、轴流式等。
（2）容积式（正位移式）：例如往复式、旋转式等。
（3）其他：以上都不满足的类型，例如喷射式等。
二、离心泵
1离心泵的工作原理
（1）离心泵的主要构件——叶轮和蜗壳
离心泵的主要工作部件是叶轮和泵壳（如图2-1-2所示）。其中叶轮可直接对液体做功。
【扩展】离心泵的结构特点是在一个蜗壳形的泵壳内，安装了一个可以快速旋转的叶轮，在叶轮上有4～8片叶片。泵壳上有两个接口，通向叶轮中心的是进口，与吸入管路相接；与泵壳的切线方向相同的是出口，与排出管路相连接。
图2-1-2 离心泵装置简图
（2）工作原理
离心泵工作原理如图2-1-3所示。
离心泵工作时，叶轮高速旋转，迫使叶片间的液体也跟着旋转，使得液体获得了离心力，从而获得能量，则叶轮中心处低势能、低动能的液体在叶轮外缘变成了高势能、高动能的液体。液体进入蜗壳后，部分动能转化为势能，继而从压出管道排出。
液体是因为吸液口和叶轮中心处的势能差才不断被吸入叶轮的。
【注意】液体在叶轮中心形成的是低压。
图2-1-3 离心泵工作原理图
【扩展】离心泵启动前，要先将泵壳与吸入管路内灌满液体。如果泵的位置处于吸入液面之下，液体可自动进入泵内，则无须灌泵。
（3）离心力场中的机械能守恒
叶轮进、出口截面列出机械能守恒式如下
（4）离心泵的理论压头
泵的理论压头为
（5）流量对理论压头的影响
泵的理论压头HT和泵的流量之间的关系为
（6）叶片形状对理论压头的影响
表2-1-2 叶片形状分类及不同类型叶片流量与理论压头的关系
【注意】β2为叶片出口端倾角。
如图2-1-4所示，叶片形状不同，离心泵的理论压头HT与流量qV的关系也不同。
图2-1-4 离心泵的HT-qV关系
【叶片类型选择】离心泵一般采用后弯叶片，提高能量利用率。
（7）液体密度的影响
理论压头与液体密度无关。也就是说，对于同一离心泵，无论输送何种液体，理论压头均不变。
（8）气缚现象
若管路及轴封密封不良，会导致空气漏入，使得泵内流体平均密度下降，下降严重时泵会产生气缚现象。
2离心泵的特性曲线
（1）泵的有效功率及效率
泵的有效功率
Pe＝ρgqVHe
其中，He表示泵的有效压头，单位m；qV表示泵的实际流量，单位m3/s；ρ表示液体密度，单位kg/m3；Pe表示泵的有效功率，单位W。
泵的（总）效率
η＝Pe/Pa
其中，Pa表示泵的轴功率，是由电机输入离心泵的功率，单位W。
（2）离心泵的主要能量损失
表2-1-3 离心泵的主要能量损失
（3）离心泵的特性曲线
离心泵特性曲线主要分为三种，分别是He-qV、η-qV、Pa-qV，如图2-1-5。
图2-1-5 离心泵的特性曲线
（4）液体黏度对特性曲线的影响
在实际工作中，黏度会影响特性曲线，因此要根据实际情况修正。工厂提供的特性曲线是在常温下用清水测定的。
（5）比例定律
表2-1-4 比例定律
3离心泵的流量调节和组合操作
（1）离心泵的工作点
管路特性方程：H＝f（qV）。
泵的特性方程：He＝φ（qV）。
当管路内的流动处于阻力平方区时，离心泵的工作点（扬程和流量）必同时满足以上两个方程。离心泵的工作点是管路特性曲线和泵特性曲线的交点，如图2-1-6所示。
图2-1-6 离心泵的工作点
（2）流量调节
表2-1-5 流量调节的方法及其特点
（3）离心泵的组合方式及其选择
表2-1-6 离心泵的组合方式及其选择
【组合目的】为了较大的增大流量或者压头。
图2-1-7 离心泵的并联操作
图2-1-8 离心泵的串联操作
【注意】总流量和总压头由两图中的a点决定。
4离心泵的安装高度
（1）汽蚀现象
泵安装的位置太高会发生汽蚀现象，因此泵的安装位置不宜太高。
（2）汽蚀余量
表2-1-7 汽蚀余量对比表
【重要知识点】
①当p1＝p1，min，pK＝pv时，离心泵将会发生汽蚀现象；
②NPSH必须大于（NPSH）c一定的量；
③为了保证离心泵正常工作，规定NPSH必须要比（NPSH）r大0.5m以上；
④流量一定，且流动在阻力平方区时，（NPSH）c只与泵的结构尺寸有关；
⑤qV越大，（NPSH）r越大，因此必须用可能达到的最大流量计算允许安装高度。
5离心泵的类型与选用
（1）常用离心泵
包括：①清水泵；②耐腐蚀泵；③油泵；④液下泵；⑤屏蔽泵。
（2）离心泵的选用
离心泵的选用主要从以下两个方面入手：
①输送液体的性质和操作条件；
②不同管路对泵提出的流量和压头要求。
三、往复泵
1作用原理
原理：活柱的往复运动，导致压强能直接转化为液体动能。
2往复泵的类型
表2-1-8 往复泵的分类
3往复泵的流量调节
往复泵是正位移泵，流量与管路特性无关，不用出口阀门调节。若用阀门调节，一旦阀门关闭，泵内的压强会急剧上升，会破坏机件和烧毁电机。
其调节方式见表2-1-9：
表2-1-9 往复泵的流量调节方式
图2-1-9 往复泵旁路调节流量示意图
四、各类化工用泵比较
各类化工用泵的详细比较如表2-1-10所示。
表2-1-10 各类化工用泵比较
五、气体输送机械
1气体输送机械分类
按照气体输送机产生的进、出口压强差或压强比分类，见表2-1-11。
表2-1-11 气体输送机分类
2通风机
（1）轴流通风机
①优点：轴流通风机排送量大。
②缺点：产生的风压甚小。
③适用范围：一般用来通风换气，不用来输送气体。
（2）离心通风机
①原理：与离心泵完全相同，其构造与离心泵也差不多。
②分类：按照所产生的全压大小的不同，离心式通风机可分为低压、中压、高压离心通风机三类。
③参数：离心式通风机的主要参数包括，流量（风量）、全压（风压）、功率和效率。其中风压与气体密度成正比。
以1m3气体为基准，对通风机进口截面（用下标1表示）、出口截面（下标2表示）作能量衡算，可得通风机的全压为
忽略（z2－z1）ρg不计，忽略u1不计（当空气直接由大气进入通风机时），上式可简化为
其中，pS为静风压，pK为动风压，由上式可知通风机的性能参数比离心泵多了一个动风压pK。
④特性曲线
通风机在出厂前，必须测定其特性曲线，如图2-1-10所示。
试验介质：压强为1atm、20℃的空气（ρ′＝1.2kg/m3）。
图2-1-10 离心式通风机的特性曲线
实际上输送的气体密度与试验介质有一定差距，因此需要对实际全压进行换算，换算公式为
其中，ρ为实际输送气体的密度。
3鼓风机
常用鼓风机包括：①罗茨鼓风机；②离心鼓风机。
4压缩机
（1）往复式压缩机
①压缩过程分类
表2-1-12 压缩过程的分类
不考虑余隙的影响，则多变过程出口气温T2和所消耗的功率Pe分别为
其中，qV1为吸入体积流量，k为多变指数，γ为绝热指数；1＜k＜γ。
②往复式压缩机分类
为适应不同需求，往复压缩机主要分为：空气压缩机、氨气压缩机、氢气压缩机、石油气压缩机等。
③选用依据
【主要依据】
生产能力和排出压强（或压缩比）。生产能力用吸入常压空气来测定，以m3/min表示。
【选用步骤】
a．先根据输送气体的特殊性质，决定压缩机的类型；
b．再根据生产能力和排出压强，选用适用的压缩机。
（2）离心式压缩机（透平压缩机）
①原理：工作原理与离心鼓风机完全相同。离心式压缩机产生高压强是因为级数较多，且采用高转速。
②优缺点：与往复式压缩机相比，离心式压缩机的优缺点见表2-1-13。
表2-1-13 离心式压缩机的优缺点
5真空泵
（1）真空泵的分类
真空泵主要分为五类：①往复式真空泵；②水环真空泵；③液环真空泵；④旋片真空泵；⑤喷射真空泵。
（2）真空泵的主要特性
表2-1-14 真空泵的主要特性
【注意】抽率是在吸入口的温度和压强（极限真空）条件下所测的体积流量。