第 6 章 泵、风机与管网系统的匹配

1. 第6章泵、风机与管网系统的匹配 6.1 泵、风机在管网系统中的工作状态点 6.2 泵、风机的工况调节 6.3 泵、风机的安装位置 6.4 泵、风机的选用

2. 6.1 泵、风机在管网系统中的工作状态点 6.1.1 管网特性曲线 1 阻力特性 管道中流体的流到阻力与流量之间的关系： △P=SL2 S ——总阻抗，与管网几何尺寸、摩擦阻力系数， 流体密度有关 2 管网特性曲线 能量方程：

3. 定义： 反映管网压能与阻力特点的方程,称为管网特性方程.

4. 1）广义的管网特性 H=Hst+SL2 适应于开式系统 2）狭义的管网特性 H=SL2 适应于闭式系统 网特性方程中压头与流量之间的特定关系，可由管网水力特性曲线表示。 广义的管网水力特性曲线 狭义的管网水力特性曲线 讨论：1）闭式、开式是相对的 2）当重力作用不能忽略时，闭式管网的特性也是广义的。

5. 返回

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7. 6.1.2管网特性曲线的影响因素 管网是由许多管段、管件（包括三通、弯头、阀门等）及某些设备组成的。 管网中在管径不变的某两截面之间的管路阻力由下式定量计算： 其中：

8. 结论： • 管网水力特性曲线的主要影响因素： S=f（l，di，k，Σζ，ρ） • 当管网内达到某一流量值时，管网阻力的高低取决于阻抗S的大小； • 当管网的压头一定时，管网系统中流量的大小亦取决于阻抗S的大小。 • 调整管路布置形式,改变某管路的长度和选择管径的大小，能达到调整管网水力特性。 • 在管网的运行中，通过调节阀门的开度（即改变Σζ值）也能达到改变管网水力特性的效果，以使之适应用户对管网流量或压力分布的需要。

9. 6.1.3 管网系统对泵、风机运行曲线的影响 • 泵、风机工作点不仅取决于泵、风机本身，也与管网的连接和特性有关。 • 系统效应：指泵、风机进出口与管网系统连接方式对泵、风机的性能特性产生的影响。 • 泵、风机的性能曲线，是标准实验状态下。 • 入口的连接方式不同，流向和速度分布与标准实验不同 • 内部能量损失发生变化，泵、风机的性能下降。

10. （1）入口的系统效应 系统效应影响风机性能示意图。 进口风箱 圆形弯管 方形弯管

11. 泵、风机性能改变后的性能曲线可以称之为泵、风机在管网中的实际运行曲线泵、风机性能改变后的性能曲线可以称之为泵、风机在管网中的实际运行曲线 • 当风机接有吸入管，造成入口P降低，ρ减小，作功能力下降，引性能曲线发生变化。

12. （2）出口系统效应的影响 • 效应管道长度，自风机出口截面不规则的速度分布，到管道内气流速度规则分布的截面之间管段长度 • 避免能量损失，不在此段安装管件或设备。即在效应长度内断面的任何改变，均导致风机性能的降低。

13. 系统效应曲线 返回

14. 返回

15. 不同出口管道形式的系统效应曲线 返回 继续

16. 7.1.2泵、风机与管网系统匹配的工作状态点 1. 泵或风机的运行工况点 • 泵、风机与管网系统运行的平衡点 • 泵、风机与管网系统的合理匹配。流量和压力匹配 • 泵、风机在其特性曲线上稳定工作的点称之为工况点。

17. 2. 泵、风机的稳定工作区和非稳定工作区 • 稳定工作区，P-Q曲线是平缓的 • 非稳定工作区，P-Q曲线是驼峰形的，E点不稳定，D点稳定 • 驼峰形P-Q曲线应使工作点在下降段 非稳定工作区 稳定工作区

18. 3.喘振及其防止方法 • 定义 在非稳定工作区运行时，离心泵、风机出现一会输出流体，一会流体倒流的现象，称为“喘振” 。 • 危害 喘振发生，设备运行声音发生突变，Q、P急剧波动，发生强烈振动。不及时停机或消除，将会造成机器严重破坏。 • 喘振的防治方法 ①应尽量避免设备在非稳定区工作； ②采用旁通或放空法； ③减速节流法。

19. 喘振发生的条件： • 出口接有管网，且具有一定压力 • 出口流量变小，达到不稳定区，管网压力大于泵出口压力 返回

20. 在实际中，入口损失很大，可高达45%，注意进入口的合理设计在实际中，入口损失很大，可高达45%，注意进入口的合理设计 4. 系统效应的影响 • 原因是进口连接方式与实验状态不同 • 泵、风机的进口系统效性能损失值需由实验确定

21. 6.1.5 管网系统中泵、风机的联合运行 联合运行：两台或两台以上泵或风机在同一管路中工作。 联合方式：并联、串联两种情况 目 的：并联增加流量，串联增加压头。 1.泵或风机的并联工作 （l）泵、风机并联工作的特点 各台设备压头相同，而总流量等于各台设备流量之和。 • 并联一般应用于以下情况： ① 流量大，大流量泵或风机制造困难或造价太高； ② 流量变化大，开停台数调节； ③ 检修及事故备用。

22. （2）联合运行曲线绘制方法 a.在Q－H坐标系上绘各台泵、风机的Q－H性能曲线； b. 在y轴上取不同 Hi，做水平线，与各泵、风机性能曲线相交得到QI，j，Q2,j，…Qi,j，…，Qn,j； c. 取 Q0,j＝ Q1,j＋ Q1,j＋…＋ Qn,j 按（Hj，Q0,j）在Q－H坐标系上的点连线，得N台并联泵、风机的联合运行曲线。 （3）两台相同的泵或风机的并联

23. （4）多台相同泵或风机的并联 （5）不同性能的泵或风机并联 返回 继续

24. 讨论： • 并联单台设备流量减少 • 管路特性曲线较陡，不宜采用并联工作 • 随并联台数增多，单台设备流量减少越多，并联效果越差 • 两台性能不同的设备并联，压头小的设备输出流量小

25. 2．泵或风机的串联工作 串联工作的特点 • 各台设备的流量相同 • 总压头为各台压头的和 • 串联用于以下情况： ① 高压泵或风机制造困难或造价太高时； ② 改扩建时，管道阻力加大，需要压头提高时。 • 两台相同的泵或风机串联工作时，工况分析如图。

26. 讨论： • 串联单台设备压头减少，流量增加 • 串联台数增多，后面设备压强增大 • 管路特性曲线较陡，串联工作效果好

27. 6.2泵与风机的工况调节 工作点：泵与风机性能曲线与管网特性曲线平衡点 6.2.1调节管网系统性能 • 改变管网中阀门的开度可改变管网特性曲线。 • 1.液体管网系统的性能调节 • 曲线2为管网初始性能曲线 • 关小阀门，性能曲线1，增加的压力损失为HB－HD，多消耗的功率为：ΔN=QBΔH/ηB • 开大阀门，性能曲线3 • 液体管路，泵的调节阀通常装在出口管，防止气蚀。

28. 2．气体管网系统的性能调节 • 风机出口设调节阀，经济性较差 • 较为经济方式是在进口设调节阀 • 入口节流改变风机性能曲线，适应流量或压力的特定要求。 • 该调节方式既节能又可避免产生喘振。

29. 调节方式：非变速调节、变速调节 • 非变速调节：入口节流调节，离心式和轴流式风机的前导叶片调节、切削叶轮调节等； • 变速调节，变频调速是目前最为经济的。 • *1.变速调节 • 改变泵或风机的转数，改变泵或风机的性能曲线，使工况点移动，流量随之改变。泵与风机的性能参数变化如下： 6.2.2调节泵、风机性能

30. 变速调节的工况分析 • 工况点：两线交点A。 • 变转速将工况点调节B点 • A、B两点不满足运动相似，不是相似点 • B、C两点才是相似点。 n/n’=QC/QB =SQ2

31. 改变转数的方法： （1）改变电机转数 • 在电机的转子电路中串接变阻器改变转数 • 改变电机的极数，价格较高，调速跳跃，范围有限 • 变频调速，范围宽、效率高，体积小，易安装。 （2）调换皮带轮 改变皮带轮的大小，在一定范围内调节转数。优点不增加额外的能量损失，缺点调速范围有限，停机换轮。 （3）液力联轴器 不采用增速方法来调节工况。

32. 00 300 600 2．进口导流器调节 导流器：轴向导流器 径向导流器 • 导流器使气流进入叶轮之前产生预旋，切向分速加大，降低风压。 • 导流器叶片转动角度越大，产生预旋越强烈，风压P越低。 • 导流叶片安装角度 • 比较经济

33. 3．切削叶轮调节 叶轮经过切削，性能改变，工况点移动，流量和压头改变，达到节能的目的。 叶轮经过切削与原来叶轮不符合几何相似条件，切削前后性能参数不符合相似率。

34. Cu2 切削量不大，认为β不变，D2变为D2’，U2变为U2’。速度相似，满足运动相似。切削前后的速度比为： 叶轮切削前后的性能参数之间关系如下： （1）低比转数的设备，叶轮切削后，认为b2=b2′，则性能参数关系称为第一切削定律：

35. （2）中、高比转数，叶轮切削后，πd2b2≈πd2′b2 ′，性能参数关系称为第二切削定律： • 图中，D2的性能曲线Ⅰ，管路性能曲线Ⅱ， A是交点。 • 将工况点调至B点，通过B点D2′的性能曲线Ⅲ。 • 求D2′，找出曲线Ⅰ上与B点运动相似的点，根据两个切削定律，切削曲线也有两条。

36. 对于低比转数的泵与风机有： 对于中高比转数的泵与风机：

37. 切削叶轮的调节方法，其切削量不能太大，否则效率明显下降。切削叶轮的调节方法，其切削量不能太大，否则效率明显下降。 • 最大切削量与比转数ns有关，如下表所示：

38. 例6-1：已知水泵性能曲线如图。阻抗S＝76000s2／m5，静扬程Hst= 19m，转数n＝ 2900r／min。 试求:(1)泵的Q，H、η及轴功率N；（2）阀门调节，Q减少25％，求泵的Q、H、轴功率N和阀门消耗的功率。 （3）变速调节，Q减少 25％，转数应调至多少？ 解（1） （2） （3） =2570r/min

39. ［例6－2］上题中的水泵直径D2＝ 200mm，如果用切削叶轮方法使流量减少 25％，问应切削多少？ [解] 比转数 低比转数 切削率符合要求

40. 6.3泵与风机的安装位置 • 6.3.1 水泵的气穴和气蚀现象 • 泵中最低压力Pk如果降低到被吸液体工作温度下的饱和蒸汽压力Pv时，泵壳内即发生气穴和气蚀现象。 • 气穴—泵中最低压力Pk如果降低到被吸液体工作温度下的饱和蒸汽压力Pv时，液体就大量气化，溶解在液体里的气体也自动逸出，出现“冷沸”现象，形成的气泡随流体进入叶轮压力升高区时，气泡突然被四周水压破，流体因惯性力以高速冲向气泡中心，产生局部水锤现象，局部压力可达数十兆帕。此时，可以听到气泡冲破时爆裂声。

41. 气蚀—在离心泵中，一般气穴区域发生在叶片进口的壁面，局部水锤作用频率高达2—3万次/秒，金属表面先产生蜂蜗状损坏，然后叶片出现裂缝和剥落，最后达到完全损坏的程度气蚀—在离心泵中，一般气穴区域发生在叶片进口的壁面，局部水锤作用频率高达2—3万次/秒，金属表面先产生蜂蜗状损坏，然后叶片出现裂缝和剥落，最后达到完全损坏的程度

42. 最常见的吸水泵，以水的饱和蒸汽压力为防止水汽化的最小压力，其值与水温的关系见下表 。

43. 由图6-3-1 列能量方程表示成如下形式： • 当K点的液体压强PK等于该温度下的气化压强Pv时，液体就开始发生气化，该状态称为临界状态，液体压强PK 要留一定富余量。 • 实际工程中用允许吸上高度或气蚀余量来控制气蚀余量

44. 离心泵的吸水性能通常是用允许吸上真空高度 [ Hs]值来衡量， [ Hs] 值越大，说明水泵吸水性能越好。 • 目前对泵内流体的气穴现象的理论研究或计算，大多数还是以液体气化压强作为发生气穴的临界压力。 • 为避免发生气穴现象，至少应该使泵内液体的最低压强Pmin大于液体在该温度时的气化压强Pv。

45. 6.3.2 吸入式泵的安装高度 泵的最大允许安装高度，即泵吸入口轴线与吸液池的最低液面的高差，对于管网系统的正常可靠运行及经济性都具有重要的意义，如图。 列0－0和l－1两断面水流的能量方程： 返回 继续

46. 返回1 返回

47. 泵的吸上真空度Hs将随安装高度HSS的增加而增加。泵的吸上真空度Hs将随安装高度HSS的增加而增加。 • 为避免发生气蚀，各种泵都给定一个允许的吸上真空高度，用[Hs]表示。 • 在允许吸上真空高度的条件下，可计算出泵的允许安装高度，也称最大安装高度．以[Hss] 表示。 • 实际泵安装高度应遵守HSS＜[HSS] 返回 继续

48. *在实际应用中，[HS]的确定应注意如下两点： （1）为防止气蚀发生，[Hs]应随流量增加而有所降低。水泵厂一般在产品样本中，用 Q－Hs曲线来表示该水泵的吸水性能。 （2）泵的产品样本给出的Q－[Hs]曲线是标准状态清水条件下试验得出的。当泵的使用条件与上述条件不相符时，应对[Hs]值按下式进行修正： 返回 继续

49. 6.3.2灌注式泵安装的最低液面高度 • 如果管网中某处压力分布低于该液体温度下的汽化压力，就会妨碍系统的正常运行。 • 其对应给水温度下的汽化压力为PV，给水泵气蚀余量为[Δh]。应有： 返回 继续

50. 当水箱中液面压强P0等于液体温度对应条件下的汽化压力Pv时，则有：当水箱中液面压强P0等于液体温度对应条件下的汽化压力Pv时，则有： 显然Hg＞0，即说明此时泵必须安装于液面下使之成为灌注式才可保证泵不会发生气蚀。 返回 继续