低温等离子体物理基础 王友年 大连理工大学物理与光电工程学院 Plasma Simulations and Experiments Group
第一章 流体力学基础 —— 离心风机
19
1 第 第 第 第第第第 一 体 ——第第第第 第第第第第第第 西 第 第第第第第 体
description
第一章 流体力学基础 —— 离心风机. 西安建筑科技大学 粉体工程研究所. 1. 1.9 离心风机. 把一定流量的流体沿管路系统从一处送到另一处，常采用流体输送机械来实现。. . 输送机械向流体传递的能量，用来克服管路系统的能量损失，提高流体位能，满足工艺对压力的要求。. . 1.9 离心风机. 风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。. . 1862 年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为 40 ％左右，主要用于矿山通风。. . - PowerPoint PPT Presentation
Transcript of 第一章 流体力学基础 —— 离心风机
1
第一章 流体力学基础——离心风机
西安建筑科技大学
粉体工程研究所
2
1.9 离心风机
把一定流量的流体沿管路系统从一处送到另一处，常采用流体输送机械来实现。
输送机械向流体传递的能量，用来克服管路系统的能量损失，提高流体位能，满足工艺对压力的要求。
3
1.9 离心风机
风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。 1862 年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为 40 ％左右，主要用于矿山通风。
4
1.9.1 离心风机的基本结构和工作原理
基本结构：离心式风机的基本部件是由叶轮和固定的机壳组成。
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 ( 风舌 ) ； 8- 支架
5
1.9.1 离心风机的基本结构和工作原理
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 ( 风舌 ) ； 8- 支架
工作原理：叶轮随转轴旋转时，叶片间的气体也随叶轮旋转而获得惯性离心力，并使气体从叶片间的出口甩出。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。气体被甩出后，叶轮中心部分的压强降低。外界气体就能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸入，源源不断地输送气体。
6
1.9.2 离心风机的性能参数与性能曲线
性能曲线来表示。主要性能参数：流量、压头、效率、轴功率等，它们之间的关系用
选择标准：安全高效运行
(1) 流量 Q ：单位时间内风机所输送的流体量，常用体积流量表示， 单位 m3/s 或 m3/ h ，与风机的结构、尺寸和转速有关。
(2) 压头 p ：风机对单位体积流量所提供的有效能量，单位为pa 。(3) 效率 η ：风机在实际运转中，由于存在各种能量损失，致使
其实际 ( 有效 ) 压头和流量均低于理论值，而输入的功率比理论值为高。反映能量损失大小的参数称为效率。效率与风机的类型、尺寸、加工精度、气体流量和性质等因素有关。通常，小风机效率为 50 ％～ 70 ％，而大型风机可达 90% 。
7
(4) 轴功率 N 与有效功率 Ne ：由电动机输入风机轴的功率。单位为W 或 kW 。离心风机的有效功率是指气体在单位时间内从叶轮获得的能量，则有
(5) 转速 n: 风机与风机叶轮每分钟的转数即“ r/min” 。
eN Qp
QpN
N e
离心风机的性能参数
离心风机的压头 p 、轴功率 N 及效率均随流量而变，它们之间的关系可用离心风机工作性能曲线表示。 风机的性能曲线
1.9.2 离心风机的性能参数与性能曲线
8
离心风机的工作性能曲线离心风机的压头 p 、轴功率 N 及效率均随流量而变，它们之间的关系可用离心风机工作性能曲线表示。
风机的性能曲线
1.9.2 离心风机的性能参数与性能曲线
风机设计点，最佳工况参数Qs,Ps,Ns
•离心风机的轴功率随流量的增大而上升。在启动离心风机时，应关闭风机的出口阀门，以减少启动电流，保护电机； •离心风机铭牌性能参数——最佳工况参数。
•离心风机应尽可能在高效区（在最高效率的 92 ％范围内）工作。
注 意 ： 测 定 标 准 条 件 大 气 压 强 为101.325kpa 、空气温度为 20°C 。
9
1.9.3 离心式风机性能参数的换算当气体性质（温度、压强）、风机的结构尺寸、风机的转速等参数任一个发生变化时，都会改变风机的性能，此时需要对风机的性能参数或性能曲线进行换算。(1) 气体密度的影响
当输送介质的温度和压强改变时，风机的性能参数也发生相应的改变。
0
0
273
101.325 273
tp B
p t
，且 0 0Q Q
0
0
273
101.325 273
tN B
N t
B ：当地大气压强，单位为 kPa ； t ：被输送气体的温度，℃。
(2) 离心风机转速 n 的影响当气体的粘度不大，效率变化不明显时，不同转速下风机的流量，压头和功率与转速的关系可近似表达成如下各式，即
10
1 1
2 2
Q n
Q n
2
2
1
2
1
n
n
p
p3
2
1
2
1
n
n
N
N
、 、 －转速为 n1 时风机的体积流量、压头和轴功率 ; 1Q 1p 1N
、 、 －转速为 n2 时风机的体积流量、压头和轴功率。 2Q 2p 2N
离心风机比例定律
(3) 离心风机叶轮直径的影响当离心风机的转速一定时，流量、压头与叶轮直径有关 ，它们之间的近似关系为：
3''2
2
DQ
Q D
2
2
'2
'
D
D
p
p5
2
'2
'
D
D
N
N
离心风机切割定律
适用条件：离心风机的转速变化不大于 ±20 ％。
、 、 —叶轮直径为 时风机的性能； Q pN '2D
、 、 —叶轮直径为 时风机的性能。 Q p N 2D
适用条件：固定转速下，叶轮直径的车削不大于 20 ％ D2 。
11
1.9.4 离心式风机的工作点及流量调节
(1) 管路特性曲线一般情况下，维持流体在管路中流动消耗的能量，用于补偿管路两端的高压容器与低压容器的压强差 和克服气体在管路中的流动阻力及由管道排出时的动压头。
p2
pp p S Q
－管路两端的压差， ；p ap
－管路中流体的体积流量， ；Q 3 /m s
－管路在流量时需要提供的总压头， ； p ap
— 阻抗，与管路系统的沿程阻力与局部阻力以及几何形状有关， 。7/kg mpS
管路特性方程式
12
离心风机的工作点
安装于管路中的离心风机必须同时满足管路特性方程与风机的特性方程，即
管路特性方程：
2pP p S Q
风机的 P － Q 线性能方程：
( )P f Q
联解上述两方程即可得到两条曲线的交点；如图中所示的点 M 。
管路特性曲线与风机的工作点
对所选定的风机以一定转速在此管路系统操作时，只能在此点工作。在此点， ， 。 eP P eQ Q
13
离心风机的流量调节(1) 改变管路特性曲线—改变风机出口阀开度
改变阀门开度时工作点变化
开大阀门，使值变小，管路特性曲线变平坦，使流量增大，如图中曲线 2 所示；反之，关小阀门，流量变小，如图中曲线 1 所示。
优点：采用阀门调节流量快速简便，流量可连续变化，因而应用广泛。
缺点：阀门关小时，不仅增大了管路系统流动阻力，而且使风机的效率下降，经济上不太合理。
1.9.4 离心式风机的工作点及流量调节
14
(2) 改变风机的性能曲线根据比例定律和切割定律，改变风机的转速，车削叶轮直径均可改变风机的性能曲线，从而达到调节流量 ( 同时改变压头 ) 的目的。
改变风机转速时的工作点变化
说明： 1 2n n n 优点：在一定范围内能保持风机在高效区工作，能量利用较合适； 缺点：改变风机的转速需配置变速装置或价格昂贵的变速电机，车削叶轮又不太方便，生产上很少采用。
已知：某管路系统风量为 500m3/h 时，系统阻力为 300Pa ，预选一个风机的性能曲线如图所示。
风机工况
求：（ 1 ）风机实际工作点； （ 2 ）当系统阻力增加 50 ％时的工作点。
15
解：（ 1 ）先绘出管路特性曲线。 2
2
3000.0012
500
p SQ
S
3500 / , 300Q m h p Pa 3750 / , 675Q m h p Pa
3250 / , 75Q m h p Pa 可绘出管路特性曲线 1-1 。由曲线 1-1 与风机性能曲线交点（工作点）得出： 3550 , 690 /p Pa Q m h 时
（ 2 ）当阻力增加 50 ％时，管路特性曲线将有所改变。
2
300 1.50.0018
500S
3500 / , 450Q m h p Pa 3750 / , 1012Q m h p Pa
3250 / , 112Q m h p Pa 可绘出管路特性曲线 2-2 。由曲线 2-2 与风机性能曲线交点（工作点）得出： 3610 , 570 /Pa Q m h时
总结：当压力增加 50 ％时，风量减少 ，即压力急剧增加，风机风量相应降低，但不与压力增加成比例。计算结果与所要求的风量不等。调整：（ 1 ）减少管道的阻力损失；（ 2 ）更换风机；（ 3 ）改变风机转数。
690 570100% 17%
690
16
1.9.5 离心式风机的并联和串联操作
当单台风机不能满足输送任务要求时，可采用离心风机的并联或串联操作。 1.9.5.1 离心风机的并联并联风机的性能曲线可以这样得到：依据图上单台风机特性曲线 1 上一系列坐标点，保持压头不变，而将流量加倍，连接一系列加倍横标值的点便可得到两台风机并联操作的合成特性曲线 2 。并联风机的工作点由并联性能曲线与管路特性曲线的交点决定。由图可见，由于流量加大使管路流动阻力加大。因此，并联后的总流量必低于单台风机流量的两倍，而并联压头略高于单台风机的压头。并联风机的总效率与单台的效率相同。
离心风机的并联
P
P
并
P
Pe - Qe
17
1.9.5.2 离心风机的串联串联风机的合成性能曲线可用图上单台风机特性曲线保持流量不变，压头加倍的方法合成曲线 2 。同样，串联风机的工作点由合成特性曲线与管路特性曲线交点来决定。由图可见，两台风机串联操作的总压头必低于单台风机压头的两倍，流量大于单台风机的，串联风机效率为 Q 串下单台风机的效率。
离心风机的串联 1.9.5.3 离心风机组合方式的选择 组合方式选择原则：
(1) 如果单台风机所能提供的最大压头小于管路要求提供的压头值，则只能采用风机的串联操作。
P
P 串
P
Pe - Qe
18
(2) 对于管路特性曲线较平坦的低阻型管路 ( 如图中的曲线 l 所示 ) ，采用并联组合方式可获得较串联组合为高的流量和压头；反之，对于管路特性曲线较陡的高阻型管路，则宜采用串联组合方式( 如图中曲线 2 所示 ) 。
离心风机的组合方式的选择
1.9.6 离心式风机的并联和串联操作
离心风机的选择原则 ：(1)根据被输送气体的性质和操作条件，确定风机的类型；(2)根据工程计算获得管路系统对风机提出的流量 Q 和压头 p 的要求，从风机的样本、产品目录或系列特性曲线选出合适的型号； (3)核定风机的轴功率。若输送介质的密度与空气的密度相差较大，
则要核算风机的轴功率。
单串
并
Q
P 2
1
19
已知：某地大气压为 98.07kPa ，输送温度为 70°C 的空气，风量为11500m3/h ，管道阻力为 200mmH2O 。
解：将输送风量增加 10 ％作为选用时的依据。由于风管系统压头不高，风压也只增加 10 ％作为选用时的依据，即：
问题：试选用风机、应配套的电机。
31.1 11500 12650 /Q m h
21.1 200 220p mmH O
换算 0
101.325 273 70
98.07 273 20p p
2
343220 1.033 266.2
293mmH O
30 12650 /Q Q m h
从离心风机样本的 4-72-11型风机性能与选用件表中选用 4-72-11No.5A 高效离心风机。该机性能表中序号 6 工况点参数为 :
2900 / minn r 0 2268p mmH O 30 12780 /Q m h
序号中还列出轴功率 :
配用电机型号 :
N0 ＝ 10.5kW
JO2-52-2(D2/T2) ， 13kW 。
