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《过程流体机械》思考题参考解答

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2 容积式压缩机

☆V

容积系数λV(最重要系数)

λV =1-α(

1

ε-1)=1-

?

?

?

?

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?

?

?

?

?

-

??

?

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?

?

1

1

s

d

S

p

p

V

V(2-12)

式中:α——相对余隙容积,α =V0(余隙容积)/ V s(行程容积);α=0.07~0.12

0.09~0.14(中压),0.11~0.16(高压),>0.2(超高压)。ε ——

可测点参数),ε=p d/p s =p2 /p1 ,一般单级ε=3~4;n——膨胀过程指数,一般n≤m

(压缩过程指数)。

☆思考题2.3 比较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。

飞溅润滑(曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面)

控制,用于小型单作用压缩机;

压力润滑(注油器注油润滑气缸,油泵强制输送润滑运动部件)

力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站)

运动部件压力润滑油压力和润滑油量,适用大中型固定式动力或工艺压缩机,

和润滑油量的设定和设计计算。

☆思考题2.4 多级压缩的好处是什么?

多级压缩

优点:①.节省功耗(有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程);②.

压力比小);③.增加容积流量(排气量,吸气量)(单级压力比ε降低,一级容积系数λV 高);④.降低活塞力(单级活塞面积减少,活塞表面压力降低)。缺点:需要冷却设备(否则无法省功)、结构复杂(增加气缸和传动部件以及级间连接管道等)。

☆思考题2.5 分析活塞环的密封原理。

活塞环

原理:阻塞和节流作用,密封面为活塞环外环面和侧端面(内环面受压预紧)材料(耐磨、强度)、环数量(密封要求)、形状(尺寸、切口)、加工质量等。

☆思考题2.6 动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法,以两级压缩机为例,

切断进气,对机器排气温度,压力比等的影响。

两级压缩机分析:1级切断进气→节流(实际ε1↑)→停止进气排气→2级节流(实际ε2↑→(短暂)排气温度T2↑→(逐渐)停止进气排气(级间存气);活塞力↑(ε↑)

化。

☆思考题2.7 分析压缩机在高海拔地区运行气量的变化规律并解释其原因。

高海拔地区当地大气压力即吸气压力p s↓,若排气压力p d不变,则名义压力比ε↑,根据(2-12式和(2-11)式,容积系数λV↓,实际吸气量V s0↓,容积流量q V↓。

☆思考题2.8 一台压缩机的设计转速为200 r/min,如果将转速提高到400 r/min

阀工作情况。

定性分析,定量分析难。如压缩机结构参数(行程s、缸径D1

积流量q V↑↑(理论增加一倍),使气阀流速和阻力损失↑↑(激增),进排气频率↑

速度↑,阀片撞击阀座程度↑(加剧),阀片寿命↓(缩短),故障概率↑(增加)

改变结构(缩短行程、减小缸径,增加气阀通道面积等)。

☆思考题2.9

压力比:内压力比(工作腔压缩终压/进气压力)、外压力比(排气管压/进气压力);(图2-42内外压力比不相等时指示图。过压缩:内压力比>外压力比;欠压缩(压缩不足)比<外压力比;过压缩和欠压缩均增加功耗,等压力比减少功耗。

3 离心压缩机

☆思考题3.1 何谓离心压缩机的级?它由哪些部分组成?各部件有何作用?

级典型结构(图3-2):叶轮、扩压器、弯道、回流器,首级(增加吸气管)

(无弯道、回流器,增加蜗壳);叶轮:唯一做功元件。闭式、半开式、双吸式

后弯(后向)型、径向型、前弯(前向)型;扩压器:能量转换元件(动能→

速增压),无叶(片)型、叶片(有叶)型。

☆思考题3.2 离心压缩机与活塞压缩机相比,它有何特点?

说明:H tot >H th >H pol >H hyd >H df >H l >(20

20c c -')/2

☆思考题3.11 何谓级的多变效率?比较效率的高低应注意哪几点? 比较效率注意:①.(教材)通流进出口(单级0-0′、整机多级in-out );②.(教材)热力过程(多变、等熵、绝热);③.(教材)设计工况点(最佳效率);④.常用(多变效率)ηpol ;⑤.(多级)整机效率η(各级平均内效率),含分段中间冷却等作用;⑥.判别:同效率η对比(η↑

优),知某η算总功H tot 或N i 对比(H tot ↓或N i ↓优)。

☆思考题3.12 若已知级的多变压缩功和总耗功,尚须具备什么条件可求出级的能量损失和级内的流动损失?

由(3-32)(3-15)式(级能量损失)H hyd +H l +H df =H tot -(20

20c c -')/2-H pol ≈(1-H pol /H tot )

H tot =(1-ηpol )H tot

由(3-14)式(级内流动损失)H hyd =H th -(20

20c c -')/2-H pol ≈(1-H pol /H th )H th =(1-ηhyd )H th =[1-(1+βl +βdf )ηpol ][H tot /(1+βl +βdf )]

式中:流动效率ηhyd =H pol /H th =(1+βl +βdf )ηpol ,c 0′≈c 0、H l 为漏气耗功、H df 为轮阻耗功。 另有:多变能头系数ψpol =ηhyd φ2u =(1+βl +βdf )φ2u ηpol (3-36) 求级能量损失和级内流动损失须知ηpol 、(βl +βdf )、以及(准确)(20

20c c -')/2;多变效率

ηpol 反映级能量损失大小,流动效率ηhyd 反映级内流动损失大小。

☆思考题3.13 何谓离心压缩机的内功率、轴功率?试写出其表达式,如何据此选取原动机

的输出功率? 多级功率

(3-37式)总内功率N i →+机械损失N m →机械效率ηm (96%~98%)→(3-39式)轴功

率N z →+功率增量30%→(3-40式)原动机功率N e 。

☆思考题3.14 如何计算确定实际气体的压缩性系数Z ?

实际气体压缩性系数Z

计算:范德瓦尔对比态方程(对应态原理),(3-41)式,压缩性系数Z =f (对比参数p c 、

T c )。

☆思考题3.15 简述混合气体的几种混合法则及其作用。

实际混合气体

法则:凯法则(局限性)、徐忠法则(精确度)、极性物质混合法则。 ☆思考题3.16 示意画出离心压缩机的性能曲线,并标注出最佳工况点和稳定工况范围。

性能曲线

性能参数关系,列表、曲线和方程3种表示方法,有级(机)性能曲线,图3-15、图3-16。特点:①.曲线(主要3条):压比ε-q Vin 流量或压力Δp -q Vin 、多变效率ηpol -q Vin 、功率N -q Vin ;②.形状:ε-q Vin 为↘形、ηpol -q Vin 为↗形、N -q Vin 为↗↘形(有ηmax 点);③.最佳工况点:ηmax 设计工况;④.极限(危险)工况:最小q Vin (喘振)←→最大q Vin (堵塞);⑤.稳定工作范围:极限工况之间;⑥.来源:试验测试;⑦.要求:ηmax ↑,稳定工作范围↑(宽);⑧.多级(机)特性:(与单级对比)(q Vin )max ↓、(q Vin )min ↑,稳定工作范围↓(窄),

曲线斜度↑(更陡峭)。

☆思考题3.17 简述旋转脱离与喘振现象,说明两者之间有什么关系?说明喘振的危害,为

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防喘振可采取哪些措施?

喘振工况

现象:流量↓→个别叶道产生漩涡(边界层分离)→“旋转脱离”(叶道漩涡区逆向转动)→流量↓↓→大部叶道堵塞(旋转脱离漩涡团)→出口压力p ↓→管网气流倒流→出口压力p ↑→管网正流供气→流量↓反复倒流正流→喘振工况;危害:强烈振动、噪声、性能(p 、η)下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞→机器严重破坏;特点:旋转脱离频率↑、振幅↓、影响叶片,管网影响较小;喘振频率↓、振幅↑、机组管网影响极大;防喘振措施:出口降压(放

空、旁路回流),调节(变速、预旋(导叶)、气量↑、停机),监测(q Vin 、p );

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☆思考题相似条件:几何(尺寸)相似、运动(进口速度△)相似、动力相似(重力、粘滞力、压力、弹性力、惯性力等相似、准数R e 、E u 、M 相等)、热力相似(热力过程相似,k 、m 、ηpol 相等);离心压缩机流动相似条件:几何相似、叶轮进口速度△相似、特征马赫数M'2u =M 2u 、等熵指数k′=k ;应用:新型设计、模化试验(同机性能换算)、相似换算(不同机性能换算)、产品系列化(通用标准化);性能换算:完全相似换算(比例参数转速n 、流量q V 、功率N 和相等参数压比ε、效率η、系数ψ,3-54~59式);近似相似换算(特征M′≠M ,或k′≠k )。 ☆思考题3.20 离心压缩机有哪些附属系统?它们分别起什么作用?它们由哪些部分组成? 管网系统:输送,含管道、阀门、过滤器、消声器等;增(减)速设备:传动,齿轮变速箱;油路系统:润滑,管道和油站(油泵、油箱、过滤、冷却、仪表等);水路系统:冷却,含冷却器、管道、阀门、水箱等;检测系统:调节控制,信号检测(传感器、仪表)、传输(电

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缆)、处理(计算机)、记录(显示)等。

☆思考题3.21 何谓转子的临界转速?采用什么方法汁算它?工作转速如何校核? 临界转速:(转子弯曲振动)固有频率转速,1阶n c 1、2阶n c 2、…、n 阶n c n 等,主要考虑前3阶;计算方法:传递矩阵法(初参数法,精确解)、能量(瑞利)法(近似计算)、特征值法(求固频)、影响系数法(求强迫振幅);校核条件:(3-60)刚性转子n ≤0.75n c 1;(3-61)柔

性转子1.3n c 1≤n ≤0.7n c 2。

☆思考题3.22 转子的轴向推力是如何产生的?采用什么措施平衡轴向推力?为防止转子轴向窜动,对轴向推力及轴承有什么要求?

轴向力:叶轮两侧压差、流体轴向动量差,方向指向叶轮入口;轴向力平衡措施:叶轮对排(对称平衡)、双吸(双面进气)叶轮、叶轮背叶片(背压↓)、平衡盘(末级叶轮后,盘前高压,盘后引入口低压,反向平衡力);防轴向串动要求:止推轴承、保留(3000~8000 N )

轴向力、(设置轴向)位移限制器、监测(轴向)位移。

☆思考题3.23 何谓滑动轴承的动态特性?何谓油膜振荡?哪几种滑动轴承具有抑振特性? 滑动轴承特性:静态特性,轴颈中心稳定(偏心距e 和偏位角θ不变),(油压、油量、承

载、阻力、温升);动态特性,轴颈中心涡动(e 和θ变化,径向速度

dt de e = 和涡动角速度dt

d θθ=

);半速涡动:涡动角速度ω涡<≈1/2ω(转子角速度),同方向持续,振幅较小;①.收敛(阻尼力>推动力);②.稳定(等功,轴心椭圆轨迹);③.发散(阻尼力<推动力);

油膜振荡:(涡动角速度)ω涡=n c 1(1阶临界转速),频率保持,振幅极大;(油膜振荡)防止方法:转子(转子刚度↑、n c 1↑、n 工作↓,n 工作<2n c 1),轴承(抑振轴承);抑振轴承:原理(双多油楔、自调整、动压收敛)(图3-41)椭圆轴承、多油叶(不对称三油叶Three Lobe )轴承、多油楔(四油楔)轴承、可倾瓦Tilting Pad (活支五瓦块)轴承、垫块式止

推轴承等。

☆思考题3.24 有哪几种轴端密封?试简述它们的密封原理和特点。

机械密封:动静环,径向间隙(轴面)密封→轴向间隙(端面)密封,效果、寿命好,成本高,替代填料;液膜(浮环)密封:浮动径向间隙密封(液体润滑)+双端面密封,封液(>气压)强制向内外输送(回收);干气(气膜)密封:动静环→动环开槽→(旋转)气体动压→端面间隙→气封(润滑),启动、装配、振动问题;离心压缩机:状态监测+干气密封→

工业实用保证(解决重大技术问题)。

☆思考题3.25 试简述选型的基本原则,为何要确定经常运行的工况点? 技术指标:参数q V 、ε、η、N ,工作点(余量)、变工况(调节)、安全(振动、装配);经济指标:价格、生产(周期)

、寿命、备件、维护(技术)等;其他:管网(系统)、原动机、仪表(监测)、控制(调节)、安装、场地等。确定经常运行工况点:节能(高效点)、安全

(防喘振、堵塞)、变工况(余量q V 1~5%、Δp 2~6%,性能换算)。

q V in 计算=(1.01~1.05)q Vin (3-72) ε计算=[p in +(1.02~1.06)Δp ]/p in (3-74)

☆思考题3.26 有哪几种选型分类?为何按流量选型?为何按结构分类?

选型分类:流量、压力、介质特点、结构型式;流量选型原因:不同流量→要求不同结构形式(回转、活塞、离心、轴流)、叶轮型式(普通、三元);结构分类原因:不同结构型式(级、

气缸、叶轮)→适应不同流量、压力、性能要求;

☆思考题3.27 试简要分析比较轴流式与离心式压缩机的性能特点?

☆思考题3.28 试简述三种选型的方法。

①.产品选型:商品机型。由已知条件要求直接查找产品目录选型,简单(单级)选型;②.厂商选型:设计机型(技术装备储备)。由已知条件要求,方案计算、初选型式,与制造厂商议选型(大企业常用);③.软件选型:优化机型。由已知条件要求,软件优化选型与性能预测,委托厂商设计制造;选型软件(美国、中科院、西交大)。价格、成本、厂商协作等问题。

4 泵

☆思考题4.1 离心泵有哪些性能参数?其中扬程是如何定义的?它的单位是什么?

ρg 2out in )

说明:压能+动能+位能,泵内主要压能(动能和位能→0),单位N?m/N =m (单位重量液体能量增值)。

☆思考题4.2 试写出表达离心泵理论扬程的欧拉方程式和实际应用的半经验公式。

☆思考题4.3 简述汽蚀现象,并说明汽蚀的危害。

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汽蚀Cavitation :空化、空蚀,(来源)空洞、空泡、气泡;水力机械特有的,在一定条件

下因流体与气体相互转化引起的破坏现象。

汽蚀发生机理:p K ↓→局部p K <p V →液体汽化→气泡逸出体积↑→叶轮做功p ↑→气泡凝结溃灭体积↓↓→空穴形成,液体合围→撞击、冲击流道(高压数百at 、高温300℃、高频3000 Hz )

→剥蚀表面、扩展裂纹、电化学腐蚀;(液体汽化、凝结、冲击、破坏)。

严重后果:部件损坏(过流表面剥蚀、麻点、蜂窝、裂纹、穿孔);性能下降(流量q V 扬程H 效率η↓);噪声振动(气泡溃灭、液体撞击);机器失效(抽空断流,气泡堵塞流道);机

器破坏(叶轮损坏、共振破坏)。

易汽蚀泵:高温泵(锅炉给水泵)、轻油泵(夏季高温储运鹤管),p V ↑。

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☆思考题4.4 何谓有效汽蚀余量?何谓泵必需的汽蚀余量?并写出它们的表达式。 有效汽蚀余量NPSH a (泵装置):液流自吸液罐(池)经吸入管路到泵入口,高出汽化压力

p V 所富余的能量头(4-15、4-17式等);NPSH a =

γS p ―γV p +g c S 22=γa p ―γV p +g c S 22―H S =γA p ―γ

V p ―ΔH A-S ―H g m

泵必需汽蚀余量NPSH r (泵本身):液流自泵入口到泵叶轮内压力最低

p K 处所消耗的能量

头(静压能量头降低值); NPSH r =λ1g c 220+λ2g w 22

0 m (4-18)

式中:λ1=1.05~1.3(流速及流动损失),λ2=0.2~0.4(流体绕流叶片压降)

☆思考题 4.5 试写出泵汽蚀基本方程式。如何根据该方程式判断泵是否发生汽蚀及严重汽蚀?

汽蚀基本方程式(发生汽蚀判别式)NPSH a =NPSH r ,即 γS p +g c S 22―γV p =λ1g c 220+λ2g

w 220 (4-19)

汽蚀条件:=泵开始发生,<严重汽蚀。

☆思考题4.6 提高离心泵抗汽蚀性能应采取哪些措施?试举例说明之。

根据汽蚀安全条件(4-17)、(4-18)式 NPSH a =γA p ―γV p ―ΔH A-S ―H g >λ1g c 22

0+λ2g

w 220=NPSH r

抗汽蚀措施: ①.三方面措施:NPSH a ↑、NPSH r ↓、改进叶轮材料;②.p A ↑:吸液罐增压↑、叶轮入口诱导轮(叶轮前增压);③.p V ↓:降温t ↓(p V =f (t ))、吸液罐冷却(夏季轻油品输送);④.ΔH A-S ↓:改善吸入特性,阻力损失↓;流量q V ↓、转速n ↓、管径d ↑、管长l ↓、阀门弯头管件数量↓、局部阻力损失↓,阀门开度↑;⑤.H g ↓:泵安装位置Z S ↓、吸液罐位置Z A ↑(灌注头);⑥.λ1、λ2↓:改进叶轮入口(图4-9,阻力损失↓,流线型,缓慢绕流),微正冲角(i =β1A ―β1);⑦.c 0、w 0↓:叶轮入口D 0↑、轮毂直径d h ↓、叶轮入口宽度b 1↑、双吸叶轮;⑧.叶轮材料:强度↑、硬度↑、韧性↑、化学稳定性↑、表面光洁度↑,抗腐蚀、抗疲劳、抗剥落;不锈钢2Cr13、稀

土合金铸铁、高镍铬NiCr 合金、铝铁AlFe 青铜9-4等。

☆思考题4.7 示意画出离心泵的特性曲线,并说明每种特性曲线各有什么用途?

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☆泵在不稳定工况下工作? 判别不稳定工况:(4-24)式,特性斜率(管特性>泵特性);条件:驼峰泵特性左段+管路静扬程变化(液面、蓄能);允许:特殊情况(石化应用较少,离心压缩机决不允许喘振),

防水击、振动和倒流,选泵非驼峰特性。

☆思考题4.9 改变泵的运行工况,可采取哪些调节措施?哪种调节措施比较好?

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☆思考题4.10 启动离心泵应如何操作才是正确安全的?

离心泵正确安全操作:执行操作规范、安全制度,岗位培训等;认为盘车、关阀重要。

☆思考题4.11 两泵流动相似,应具备哪些条件?

泵流动相似条件:几何相似、进口速度△相似(运动相似);相似工况:满足相似条件,相

似工况点运行,应用相似定律。

☆思考题4.12 试写出泵的相似定律表达式和叶轮切割定律表达式,并说明它们的用途。

比例定律(尺寸、液体相同,转速不同) n n q q V

V

'=',2

??

? ??'='n n H

H ,3??

? ??'='n n N

N ,η

η='(4-31,32,33,相似条件) 式中:λl 为尺寸比例系数(模型缩放比)

叶轮切割定律(相似定律简化特例)

问题:现场需要同类型泵系列流量范围(小范围),无变速条件,变尺寸(成套叶轮)成本↑;

简单方法:切割叶轮外径(同叶轮不同外径D 2)。 22D D q q V V

'=',222??

?? ??'='D D H H ,3

22???? ??'='D D N N ,η

η<'(4-37,38,39,表4-4) ☆思考题4.13 何谓泵的比转数?比转数有何用途?

比转数n s : n s =3.65 n

4/3H q V (4-35) 相似判别数(几何相似泵工况相似),判别叶轮出口相似工况;

☆高效工作区(范围)

高效―切割(变速)范围组成的四边形H ―q V 工作区(图4-16◇ABCD );

左右范围:(图4-16AD 、BC ),相似(等效率η)抛物线(相似工况点轨迹),上下范围:

(图4-16AB 、DC ),允许切割(变速)特性曲线。

Δη=max

1ηη-=5~8% ☆思考题4.15 有哪些其他类型的泵?试任例举一种类型泵的工作原理和用途。

轴流泵、旋涡泵、杂质泵、往复活塞泵、螺杆泵、滑片泵、齿轮泵等。

☆思考题4.16 轴流泵有何特点?试述轴流泵的工作特性,并说明为何启动轴流泵前要使出口管道的阀门全开?

结构:轴流叶轮(叶片固定、半调节、全调节)、导叶、吸入排出管(排出弯管)、机壳等;立式、卧式、斜式;(叶轮外径D 2达3~4m );原理:动力型叶片式。欧拉方程(同轴流压缩机);特性:H ―q V ,马鞍形凹下工作区(叶片翼型表面脱流与二次回流损失↑的q V 范围);N ―q V ,下降↘形(开阀启动,启动轴流泵前全开出口管道阀门);η―q V ,高效工作范围↓;

H ―q V ,综合特性曲线(图4-21,含等效率、等功率特性)。

☆思考题4.17 选用泵应遵循哪些原则?主要3方面:工艺要求(流体、参数)、经济性能(效率、吸入)、应用性能(特殊、使用);原则:①.流体性质:清水、粘液、含杂质;②.额定(设计)参数:流量*V

q

(裕量10~15%)、扬程H *(裕量5~10%),裕量过大效率↓、

裕量过小不满足工艺要求;③.经济性能:节能高效;④.吸入性能:防止汽蚀(汽蚀余量NPSH r ,泵前装置NPSH a 、吸上真空度H S max 、泵安装高度H g max );⑤.特殊性能:防燃、爆、毒、腐、漏,含气、液化气、热油、药液,冷却、消毒措施等;⑥.使用性能:结构简单、维修方便、体积重量↓、价格↓;⑦.综合优选:多种规格泵优选,综合性能→效率→可靠性→价格。 ☆思考题4.18 简述选用泵的选型步骤。

泵的选用步骤

原始数据:介质、参数(扬程H 、流量q V )、泵前后设备(装置)等;选择计算:合理裕量、运行工况(参数)、工作范围(高效工作区)、选泵参数等;对比选型:选泵要求→若干型式→比较性能→确定型号;校核验证:工况参数(工况点)、高效工作区、扬程和流量校核(裕

量)、吸入性能(汽蚀裕量)校核等。

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