第一章 流体力学基础
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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。. .

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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。


1 9 1
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。

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

离心式风机主要结构分解示意图


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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。


1.9.2 离心风机的性能参数与性能曲线

选择标准:安全高效运行

主要性能参数:流量、压头、效率、轴功率等,它们之间的关系用

性能曲线来表示。

(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%。


4 n ne w kw
(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

1.9.2 离心风机的性能参数与性能曲线

(5)转速n:风机与风机叶轮每分钟的转数即“r/min”。

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

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。

风机的性能曲线


1 9 3

,且

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。

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


、 、 -转速为n1时风机的体积流量、压头和轴功率;

N

1

、 、 -转速为n2时风机的体积流量、压头和轴功率。

、 、 —叶轮直径为 时风机的性能;

、 、 —叶轮直径为 时风机的性能。

离心风机比例定律

适用条件:离心风机的转速变化不大于±20%。

(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:

离心风机切割定律

适用条件:固定转速下,叶轮直径的车削不大于20%D2。


1 9 4

-管路在流量时需要提供的总压头, ;

p

a

—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, 。

-管路两端的压差, ;

-管路中流体的体积流量, ;

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。

管路特性方程式


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, , 。

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:

风机的P-Q线性能方程:

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


1.9.4 , 。 离心式风机的工作点及流量调节

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

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。

改变阀门开度时工作点变化


说明 , 。 :

(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。

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。

改变风机转速时的工作点变化

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。

求:(1)风机实际工作点;

(2)当系统阻力增加50%时的工作点。

风机工况


, 。 :(1)先绘出管路特性曲线。

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:

(2)当阻力增加50%时,管路特性曲线将有所改变。

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:

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。


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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。

P

P并

P

Pe - Qe

离心风机的并联


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。

P

P串

P

Pe - Qe

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。


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1.9.6 , 。 离心式风机的并联和串联操作

(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

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。


换算 , 。

序号中还列出轴功率 :

N0=10.5kW

配用电机型号 :

JO2-52-2(D2/T2),13kW。

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。

问题:试选用风机、应配套的电机。

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:

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:


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