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1、流体力学泵与风机讲义绪论一、本课程的性质及学习的目的和任务泵与风机是将原动机（如电动机、汽轮机等）提供的机械能转换成流体的机械能，以达到输送流体或造成流体循环流动等目的的机械。通常，把提高液体机械能的机械称为泵，把提高气体机械能的机械称为风机。流体力学泵与风机是电厂热能动力装置、集控运行、城市热能应用等专业的一门重要的专业基础课，一是一门核心技术课。流体力学是研究流体的机械运动规律及其在生产实践中应用的一门学科。其内容精深，应用广泛。本课程仅根据高等职业技术学院热动类专业培养目标的需要，研究流体力学的基础知识及泵与风机的基本原理、设备结构、运行调节。流体力学部分主要内容是将以水为代表的不可压缩
2、流体（简称液体）选作研究对象，介绍表示液体机械运动规律和流体流动阻力损失规律的各种数学公式；讨论这些公式的形式、意义及适用条件；研究它们在分析和解决工程实际问题中，使用的方法、步骤和注意事项。泵与风机部分的主要内容是结合火力发电厂常用的泵与风机，介绍泵与风机的分类构造、工作原理和基本性能参数等基本知识；着重讨论泵与风机性能曲线及其变换原理、工作点和调节原理等基本理论；研究泵与风机结构图的识读、性能曲线的分析比较和变换、工作点和调节方法的确定以及运行维护等基本应用知识。流体和泵与风机是国民经济各个部门都广泛应用的工作介质和通用机械。例如，航空航天事业中的卫星上天、火箭升空和超音速飞机的翱翔蓝天；
3、农业中的排涝、灌溉；石油工业中的输油和注水；化学工业中高温、腐蚀性流体的排送；其他工业和人们日常生活中的采暖、通风、给水、排水等都离不开流体和泵与风机。据统计，在全国的总用电量中，有30%左右是泵与风机耗用的，其中泵的耗电占21%左右。由此可见，流体和泵与风机在我国国民经济建设中所占的重要地位和作用。热力发电厂更离不开流体和泵与风机。其电能的生产是依靠汽（气）、水、油等流体介质在泵与风机同其他热力设备用管道连接组成的系统（如热力系统和一些辅助生产系统）中流动，进而安全经济地实现热功的转换，为发电机提供足够的机械能，实现机械能与电能间的转换。在热力发电厂中，泵与风机起着全厂水、气输送的作用。图0
4、1是热力发电厂的系统简图。然力发电厂系统斯图1一副妒汽包J24H.3一汽轮机I4发电机,5-M6敬精水祟17除站装亶8升旗鬃；9低值加的U,IO除MSh”一鲂水最,12高H1.加热簿,13_容炮器：】4礴环木第15射水抽气H16射水泵I17一就水量：18朴蛤水Ih19生水鬃,20牛水收然*21化学水处理役得，22MttKI23-4M*Ms24港票25工业水泰，26送网机；27一措粉风机I28-引风机I29烟囱由图。一1看出，向锅炉送水有给水泵；向汽轮机凝汽器送冷却水有循环水泵；排送凝汽器中凝结水有凝结水泵；排送热力系统中各处疏水有疏水泵；为了补充管路系统的汽水损失，又设有补给水泵；排除锅炉燃烧
5、后的灰渣设有灰渣泵和冲灰水泵；另外，还要供给汽轮机各轴承润滑用油的润滑油泵；供各水泵、风机轴承冷却用水的工业水泵等。此外，炉膛燃烧需要煤粉和空气，为此设有排粉风机、送风机，为排除锅炉燃烧后的烟气，设有引风机。由上述泵与风机中不难看出，用泵输送的介质有给水、凝结水、冷却水、润滑油等；用风机输送的介质有空气、烟气以及煤粉与空气的混合物和水与灰渣的混和物等。虽然都是泵与风机，但各有不同的工作条件和要求，如给水泵需要输送压力为几个甚至几十MPa,温度可高达200C以上的高温给水，循环水泵则要输送每小时高达几万吨的大流量冷却水，引风机要输送100200C的高温烟气，灰渣泵、排粉风机则要输送含有固体颗粒的
6、流体。因此，需要满足各种工作条件和要求而具有不同结构型式的多种泵与风机。在发电厂的电力生产过程中，由于泵与风机发生故障而引起停机、停炉，发不出电的例子很多，并由此造成巨大的经济损失。实践证明，提高泵和风机的安全可靠性是尤为重要的。特别是当今，机组向大容量、单元制方向发展，对泵与风机的安全可靠性与主机具有等同的要求。如有两台循环水泵的汽轮机，其中一台循环水泵发生故障，汽轮发电机就要降低出力。又如现代的大型锅炉，容量大、汽包的水容积相对较小，如果锅炉给水泵发生故障而中断给水，则汽包在极短的时间内“干锅”迫使停炉，甚至停机。由此表明，泵与风机的安全经济运行是与电厂的安全经济运行密切相关的。另外，泵与
7、风机在电厂中耗电量很大，各类泵与风机总耗电约占整个厂用电的70%80%,整个厂用电约占发电量的12%左右。由此可见，提高泵与风机的效率，降低耗电量，是减少电厂厂用电，提高发电厂供电能力，降低成本的一个重要途径。假如这些泵与风机的效率从80%降到70%,则它们将多消耗7-H.4MW的电量。由此可见，减小流体在系统内的流动阻力损失，合理地调节运行工况，提高泵与风机的效率，降低耗电量，是减少厂用电、降低发电成本及提高电厂经济效益的关键之一。因此，从事电厂热力设备运行专业各工种的运行人员，必须具有流体力学和泵与风机知识，掌握流体在系统中的流动规律和泵与风机等热力设备的性能特点，在实践中不断提高自身运行
8、分析和操作技能，这样才能确保系统及有关热力设备在安全经济的状态下运行。另外，本课程的内容也为学习汽轮机设备、锅炉设备、热力设备试验、单元机组运行、热力发电厂等后续课程提供了必备的基本理论知识。由此可知，对热动类专业的学生而言，学好本课程是极为重要的。二、流体力学和泵与风机的发展概况流体力学、泵与风机和其他学科一样，也是人类在生产实践过程中建立和发展起来的，今后还将随着生产力水平的提高而更加成熟和完善。在古代，人类为了生存，在向洪水作斗争、向自然要动力的过程中，积累了丰富的实用水力学和简单流体机械的知识。例如我国公元前两千多年前的大禹治水，春秋战国和秦朝时修建的都江堰、郑国堰和灵渠三大古老水利工
9、程，隋朝时开通的闻名中外、全长为1782klll的京杭大运河，在生产和生活中使用的序斗、吊杆、辘护、水车、风箱等简单流体机械，以及古希腊学者阿基米德在公元前250年撰写的论浮体论文都是古人在流体力学、泵与风机学科中留下的宝贵历史遗产。但是，流体力学作为一门独立的学科是从18世纪开始的，经过欧拉、伯努利、拉格朗日，拉普拉斯等科学家的研究，从建立流体力学模型开始，以严格的数学分析为工具逐步建成了古典理论流体力学。由于这种理论在建立模型时，常常忽略或简化流体勃性等性质，因此，所得结论与复杂的实际流动总是存在一定的误差。于是人们为了解决生产实践中的问题，又通过大量的试验和观察，以经验公式和系数的形式总
10、结流体运动规律，建立了实用水力学。在这方面，达西、威斯巴赫、雷诺等学者做出了杰出的贡献。由于这种试验性的科学忽视理论而无力概括与分析大量试验的数据，因而它的应用受到较大的限制。此后，到19世纪，经过纳维尔、柯西、波阿松、斯托克斯等科学家的研究，建立了纳维尔斯托克斯方程，并在本世纪又融入了儒可夫斯基研究的机翼理论、普朗特提出的附面层理论以及我国著名工程热物理学家吴仲华教授发表的“轴流、离心及混流透平机械内亚声速与超声速三元流体一般理论”等，使理论流体力学与实用水力学走向结合，形成了一门比较完善的应用学科工程流体力学,随着计算机水平的迅速提高，这门学科在解决工程中流体力学和流体机械的实际问题时发挥
11、着越来越大的作用。泵与风机的快速发展始于18世纪，由于蒸汽机的发明和采矿、钢铁工业的需要，出现了一种比较完善的以蒸汽机为动力的往复式泵与风机。之后又发明了离心式和轴流式泵与风机。与此同时欧拉和儒可夫斯基分别研究出叶片式泵与风机的基本方程式和升力公式，为泵与风机的设计提供了理论根据。到19世纪末，由于电动机的发明，泵与风机在工农业生产中得到了广泛的应用。本世纪50年代初，我国吴仲华教授的三元流动一般理论，又使流体机械的设计理论上升到一个新的高度，对流体机械的高速发展作出了很大的贡献。随着科学技术的不断进步，泵与风机正向着大容量、高转速、高效率及自动化等方向发展。1 .大容量50年代，50MW的发
12、电机组被看做是一个重大的技术成就，而今天，这一动力只能用来驱动一台1300MW大型机组的给水泵。近年来，国内200MW、300MW机组不断增多，国产300MW机组配套的两台DG500240型离心式锅炉给水泵，驱动功率每台为5500kWo而目前大型锅炉给水泵的驱动功率已接近6000kWo给水泵的压力也从超高压13.715.7MPa,亚临界压力17.720MPa,已发展到超临界压力25.629.4MPa,近年来，有压力更高达50MPa以上的产品。风机方面，300MW机组原配套0.7-11N923型送风机，已用引进西德T1.T公司的FAF20-10-1型动叶可调轴流式风机代替；原配套的O.711N9
13、29型引风机，己用引进丹麦诺迪斯克公司的ASN3000/200ON动叶可调轴流风机所代替。日本袖浦100OMW机组的轴流式送风机，其驱动功率为8000kW,美国阿姆斯电厂1300MW机组的离心式送风机、驱动功率为6700kW,这些都是目前世界上热力发电厂的最大的辅助设备。但是泵与风机发展到大容量后，所采用的型式是不同的，由于对泵要求的压力高，因此采用高速离心式。而风机并不要求把风压提高，所以向轴流式发展。2 .高速化随着单元机组容量的增大，泵与风机容量迅速增加，尤其是给水泵压力快速增长，导致转速也很快提高。60年代，给水泵转速一般为3000rmin,近年来已提高到7500r/min,泵的单级扬
14、程由20Om左右增加到1150m以上，如美国660MW机组配套的给水泵，转速为6500rmin,总扬程达2317m；因而级数从5级减少到2级，相应的轴的长度大大缩短，趋向于采用短而粗的刚性轴。由于转速的提高，泵的外形尺寸大为减小，重量减少，节省了材料，搬运维修都更方便，由此带来的经济效益是十分显著的。3 .高效率泵与风机是耗能大户，泵的电能消耗占全国电能消耗的21%,风机占10%以上。从发电厂看，泵与风机耗电量占厂用电量的70%80%,其中泵约占50%,风机约占30%。国务院节能2号指令规定：凡离心泵、轴流泵效率低于60%,通风机、鼓风效率低于70%,必须分批分期地予以改造或更换。这些年来，我
15、国在这方面做了大量工，如改进后的二4一13.2(73)型后弯机翼叶片离心式送引风机的效率可达90%左右，原IOSh6型泵改进为250S65型，效率由79%提高到84%,原DG5-140型给水泵，改进为DG450180型后，效率由72%提高到?9%。4 .可靠性由于泵向大容量、高速化方向发展，因此对泵的可靠性要求越来越高。前苏联投入很大力量从事泵的汽蚀研究，如研究汽蚀新生、潜在汽蚀、断裂汽蚀等；人们从事材料研究，进行材料抗汽蚀能力的试验，研究评价方法和预测泵零件汽蚀寿命的方法；还从事密封研究，近几年在工业中广泛应用端面密封，在输送腐蚀性和磨损性介质时，这种密封能承受压力达45MPa,温度为一20
16、0十450,摩擦滑动速度达100ms.目前，具体对大型锅炉给水泵提出下列可靠性的要求：到大修时的工作寿命为1500030000h;转子的振动稳定性(在轴承体处测量)不应大于3550m；振动速度的均方值不应超过78.5mm/s：不会由于热膨胀而破坏泵的对中；泵和管路表面温度低于45C;限制最小启动时间；泵体上下温度差不超过1520C;泵转子可以在n=1015rmin下转动。最近还提出了泵中汽化时泵能干转5min的要求等。风机容量也在增大，可靠性要求同样愈来愈高。据报道，美国西屋电气公司建成一台6.7MW(9000hp)的变速汽轮机驱动的试验台。还对风机安全可靠性做超速试验、振动试验、临界转速和谐振转速试验等。5 .低噪声热力发电厂是一个强烈的噪声源，如300MW机组的送风机附近的噪声高达124dB,一般希望控制在90dB以下，其他引风
