泵按结构的分类及工作原理

泵按结构的分类及工作原理

泵的分类

水泵的标准所牵涉的产品种类也非常多，有离心泵、计量泵、螺杆泵、往复泵、水轮泵、潜水泵、油泵、清水泵、试压泵、旋涡泵、低温泵、真空泵、罗茨泵、分子泵、齿轮泵、泥浆泵、耐腐蚀泵、深井泵、水环泵、混流泵、轴流泵、锅炉给水泵、液下泵、注水泵、化工流程泵、不堵式泵、无泄漏泵、塑料泵、消防泵等等，还有很多。其名称有些是按泵的常规分类方法划分的如叶片泵、容积泵等，有些则是按用途划分的如污水泵、卫生泵等，有些名称则比较随意如扩散泵、液氮泵等。只要有此类产品的生产，有制定标准的需求，通过一定的申请、批准手续就可能产生一个新的标准，但有时内容也有相当的交叉、重复。就国内和国外的标准而言，则国内的标准数量多于国外的标准。总的来说，像离心泵这样应用广泛，产品生产历史长久的泵类标准比较多（离心泵相关标准的总数达到100多个），而像无泄漏泵这种迅速发展起来的新型泵类标准则比较少。现着重介绍泵按结构的分类及工作原理

(一)容积式

分类往复式回转式

基本原理借活塞在汽缸内的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体机壳内的转子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，借以吸入和排出流体，如：活塞泵齿轮泵，螺杆泵

(二)叶片式

叶片式泵与风机的主要结构是可旋转、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮旋转对流体作功，从而使流体获得能量。

根据流体的流动情况，可将它们再分为下列数种：

分类离心式轴流式混流式贯流式

基本原理叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能离心式和轴流式的混合体原理同离心式，如：中央空调用离心风机中央空调或冷库用轴流式送水泵混流送水泵家用空调室内风机

泵与风机的工作原理

一、离心式泵与风机的工作原理

叶轮高速旋转时产生的离心力使流体获得能量，即流体通过叶轮后，压能和动能都得到提高，从而能够被输送到高处或远处。叶轮装在一个螺旋形的外壳内，当叶轮旋转时，流体轴向流入，然后转90度进入叶轮流道并径向流出。叶轮连续旋转，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。二．轴流式泵与风机工作原理

旋转叶片的挤压推进力使流体获得能量，升高其压能和动能，叶轮安装在圆筒形(风机为圆锥形)泵壳内,当叶轮旋转时，流体轴向流入，在叶片叶道内获得能量后，沿轴向流出。轴流式泵与风机适用于大流量、低压力，制冷系统中常用作循环水泵及送引风机。

三．贯流式风机的工作原理

由于空气调节技术的发展，要求有一种小风量、低噪声、压头适当和在安装上便于与建筑物相配合的小型风机。贯流式风机就是适应这种要求的新型风机。贯流式风机的主要特点如下：

(一)叶轮一般是多叶式前向叶型，但两个端面是封闭的。

(二)叶轮的宽度b没有限制，当宽度加大时．流量也增加。

(三)贯流式风机不像离心式风机是在机壳侧板上开口使气流轴向进入凤机，而是将机壳部分地敞开使气流直接径向进入风机。气流横穿叶片两次。某些贯流式风机在叶轮内缘加设不动的导流叶片，以改善气流状态。

(四)在性能上，贯流式风机的全压系数较大．性能曲线是驼蜂型的，效率较低，一般约为30％一50％。

(五)进风口与出风口都是矩形的，易与建筑物相配合。贯流式风机至今还存在许多问题有待解决。特别是各部分的几何形状对其性能有重大影响。不完善的结构甚至完全不能工作，但小型的贯流式风机的使用范围正在稳步扩大。

四、其他常用泵

1、往复泵的工作原理

利用偏心轴的转动通过连杆装置带动活塞的运动，将轴的圆周转动转化为活塞的往复运动。活塞不断往复运动，泵的吸水与压水过程就连续不断地交替进行。

2、水环式真空泵的工作原理

水环式真空泵叶片的叶轮偏心地装在圆柱形泵壳内。泵内注入一定量的水。叶轮旋转时，将水甩至泵壳形成一个水环，环的内表面与叶轮轮毂相切。由于泵壳与叶轮不同心，右半轮毂与水环间的进气空间4逐渐扩大，从而形成真空，使气体经进气管进入泵内进气空间。随后气体进入左半部，由于毂环之间容积被逐渐压缩而增高了压强，于是气体经排气空间及排气管被排至泵外。

3、罗茨真空泵工作原理

罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。

一般来说，罗茨泵具有以下特点：

在较宽的压强范围内有较大的抽速；

●起动快，能立即工作；

●对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；

●转子不必润滑，泵腔内无油；

●振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；

●驱动功率小，机械摩擦损失小；

●结构紧凑，占地面积小；

●运转维护费用低。

因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。

4、旋片式真空泵工作原理

旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为101325~1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。

旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。

两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分。当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间 A 的容积是逐渐增大的，正处于吸气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽气的目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担，因而提高了极限真空度。

5、齿轮泵工作原理

齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，如图所示，齿轮主动轮固定在主动轴上，轴的一端伸出壳外由原动机驱动，另一个齿轮从动轮装在另一个轴上，齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合(齿与齿啮合前)，然后进入压油管排出。

6、螺杆泵工作原理

螺杆泵乃是一种利用螺杆相互啮合来吸入和排出液体的回转式泵。螺杆泵的转子由主动螺杆(可以是一根，也可有两根或三根)和从动螺杆组成。主动螺杆与从动螺杆做相反方向转动，螺纹相互啮合，流体从吸入口进入，被螺旋轴向前推进增压至排出口。此泵适用于高压力、小流量。制冷系统中常用作输送轴承润滑油及调速器用油的油泵。

7．喷射泵工作原理

将高压的工作流体，由压力管送入工作喷嘴，经喷嘴后压能变成高速动能，将喷嘴外围的液体(或气体)带走。此时因喷嘴出口形成高速使扩散室的喉部吸入室造成真空，从而使被抽吸流体不断进入与工作流体混合，然后通过扩散室将压力稍升高输送出去。由于工作流体连续喷射，吸入室继续保持真空，于是得以不断地抽吸和排出流体。工作流体可以为高压蒸汽，也可为高压水，前者称为蒸汽喷射泵，后者称为射水抽气器。这种泵在制冷系统中较为少见。

泵的并、串运行特点：

并联增加流量，扬程是一只水泵的扬程。

串联增加扬程，流量是一台水泵的流量。

并、串运行条件：

水泵的并联：要求是水泵的扬程一样。这样的效果是提高流量。

水泵的串联：要求是水泵的流量类似。这样可以提高总扬程，同时推荐在串联过程中增加小压力罐。

风机

风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。

风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

风机的工作原理与透平压缩机基本相同，只是由于气体流速较低，压力变化不大，一般不需要考虑气体比容的变化，即把气体作为不可压缩流体处理。

风机是指通风机而言。由于通风机的工作压力较低，其全压不大于1500mmH2O,因此可以忽略气体的压缩性。这样，在通风机的理论分析和特性研究中，气体运动可以按不可压缩流动处理。这一近似使得通风机与水泵在基本原理、部件结构、参数描述、性能变化和工况调节等方面有很多的相同之处，在水泵的各相关内容中已作了论述。但是，由于流体物性的差异，使通风机和水泵在实际应用的某些方面有所不同，形成了通风机的一些特点。

风机历史

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。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风机，结构已比较完善了。

1892年法国研制成横流风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100～300帕，效率仅为15～25％，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。

1935年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风；1948年,丹麦制成运行中动叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了发展。

风机分类

风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型。

风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。

风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。

风机性能参数

风机的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是主要的风机设计指标。流量也称风量，以单位时间内流经风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指风机的输入功率，即轴功率。风机有效功率与轴功率之比称为效率。风机全压效率可达90％。

未来风机发展将进一步提高风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流风机代替大型离心风机；降低风机噪声；提高排烟、排尘风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。

第一节风机的分类与构造

一、风机分类

1、按风机工作原理分类

按风机作用原理的不同，有叶片式风机与容机式风机两种类型。叶片式是通过叶轮旋转将能量传递给气体；容积式是通过工作室容积周期性改变将能量传递给气体。两种类型风机又分别具有不同型式。

离心式风机

叶片式风机轴流式风机

混流式风机

往复式风机

容积式风机

回转式风机

风机分类可以按气体流动的方向，分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型。

风机根据气流进入叶轮后的流动方向分为：轴流式风机、离心式风机和斜流(混流)式风机。

风机按用途分为压入式局部风机(以下简称压入式风机)和隔爆电动机置于流道外或在流道内，隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机(以下简称抽出式风机)。

风机性能参数

风机的性能参数主要有流量、压力、功率，效率和转速。另外，噪声和振动的大小也是主要的风机设计指标。流量也称风量，以单位时间内流经风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在风机内压力升高值，有静压、动压和全压之分；功率是指风机的输入功率，即轴功率。风机有效功率与轴功率之比称为效率。风机全压效率可达90％。

未来风机发展将进一步提高风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流风机代替大型离心风机；降低风机噪声；提高排烟、排尘风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。

2、按风机工作压力（全压）大小分类

p98Pa(10 mmH2O）。此风机无机壳，（1）风扇标准状态下，风机额定压力范围为<

又称自由风扇，常用于建筑物的通风换气。

p14710Pa(1500 mmH2O)。一（2）通风机设计条件下，风机额定压力范围为98Pa<<

般风机均指通风机而言，也是本章所论述的风机。通风机是应用最为广泛的风机。空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。

p196120Pa。压力较高，是污水处理曝气（3）鼓风机工作压力范围为14710Pa<<

工艺中常用的设备。

p196120Pa，或气体压缩比大于3.5的风机，如常用的（4）压缩机工作压力范围为>

空气压缩机。

二、通风机分类

通风机通常也按工作压力进行分类。

p980Pa(100 mmH2O)

低压风机≤

离心式风机中压风机 980Pa≤

高压风机 2942Pa<

通风机

p490Pa(50 mmH2O）

低压风机≤

轴流式风机

高压风机 490Pa<

三、离心式风机主要部件

离心风机的主要部件与离心泵类似。下面仅结合风机本身的特点进行论述。

1.叶轮

叶轮是离心泵风机传递能量的主要部件，它由前盘、后盘、叶片及轮毂等組成。叶片有后弯式、径向式和前弯式（见离心泵叶片形状，图2—16），后弯式叶片形状又分为机翼型、直板型和弯板型。叶轮前盘的形式有平直前盘、锥形前盘和弧形前盘三种，如图4—1所示。

（a）平直前盘 (b)锥形前盘 (c)弧形前盘

图4-1 前盘形式

2.集流器

将气体引入叶轮的方式有两种，一种是从大气直接吸气，称为自由进气；另一种是用吸风管或进气箱进气。不管哪一种进气方式，都需要在叶轮前装置进口集流器。集流器的作用是保证气流能均匀地分布在叶轮入口断面，达到进口所要求的速度值，并在气流损失最小的情况下进入叶轮。集流器形式有圆柱形，圆锥形，弧形，锥柱形和锥弧形等，如图4-2所示。弧形，锥弧形性能好，被大型风机所采用以提高风机效率，高效风机基本上都采用锥弧形集流器。

(a)圆柱形 (b)圆锥形 (c)弧形 (d)锥柱形 (e)锥弧形

图4-2 集流器形式

3.涡壳

涡壳作用是汇集叶轮出口气流并引向风机出口，与此同时将气流的一部分动能转化为压能。涡壳外形以对数螺旋线或阿基米德螺旋线最佳，具有最高效率。涡壳轴面为矩形，并且宽度不变。

涡壳出口处气流速度仍然很大，为了有效利用气流的能量，在涡壳出口装扩压器，由于涡壳出口气流受惯性作用向叶轮旋转方向偏斜，因此扩压器一般作成沿偏斜方向扩大，其扩散角通常为6。～8。，如图4-3所示。

离心风机涡壳出口部位有舌状结构，一般称为涡舌（图4-3）。涡舌可以防止气体在机壳内循环流动。一般有涡舌的风机效率，压力均高于无舌的风机。

图4-3 涡壳图4-4 进气箱

4.进气箱

气流进入集流器有三种方式。一种是自由进气；另一种是吸风管进气，该方式要求保证足够长的轴向吸风管长度；再一种是进气箱进气，当吸风管在进口前需设弯管变向时，要求

在集流器前装设进气箱进气，以取代弯管进气，可以改善进风的气流状况。进风箱见图4-4所示。

进气箱的形状和尺寸将影响风机的性能，为了使进气箱给风机提供良好的进气条件，对其形状和尺寸有一定要求。

（1）进气箱的过流断面应是逐渐收缩的，使气流被加速后进入集流器。进气箱底部应与进风口齐平，防止出现台阶而产生涡流（见图4-4）。

（2）进气箱进口断面面积in A 与叶轮进口断面面积o A 之比不能太小，太小会使风机压力和效率显著下降，一般in A /o A ≮1.5；最好应为in A /o A =1.25～2.0（见图4-4）。

（3）进风箱与风机出风口的相对位置以90。

为最佳，即进气箱与出风口呈正交，而当两

者平行呈180。时，气流状况最差。

5.入口导叶

在离心式风机叶轮前的进口附近，设置一组可调节转角的导叶（静导叶），以进行风机运行的流量调节。这种导叶称为入口导叶或入口导流器，或前导叶。常见的入口导叶有轴向导流器和简易导流器两种，如图4-5所示。入口导叶调节方式在离心风机中有广泛的应用。

图4-5 离心式风机的入口导流器

（a ）轴向导流器结构示意图 (b) 简易导流器结构示意图

1 入口导叶

2 叶轮进口风筒

3 入口导叶转轴

4 导叶操作机构

四、离心风机结构型式

离心风机一般采用单级单吸或单级双吸叶轮，且机组呈卧式布置。图4-6所示为4-13.2（工程单位制为4-73）—11№16D 型高效风机。该风机为后弯式机翼型叶片，其最高效率可

达93%，风量为17000～68000m 3/h ，风压为600～7000Pa ，叶轮前盘采用弧形。风机进风口

前装有导流器，可进行入口导流器调节。

根据风机使用条件的要求不同，离心风机的出风口方向，规定了“左”或“右”的回

转方向，每一回转方向分别有8种不同出风口位置，如图4-7所示。另可补充15。、30。、60。、

75。、105。、120。……角度。

图4-6 4-13.2（4-73）—11№16D型风机

1 机壳

2 进风调节门

3 叶轮 4轴 5 进风口 6 轴承箱 7 地脚螺栓 8 联轴器

9、10地脚螺钉 11 垫圈 12 螺栓及螺母 13 铭牌 14 电动机

图4-7 出风口位置

五、轴流式风机

轴流式风机与轴流式水泵结构基本相同。有主

轴、叶轮、集流器、导叶、机壳、动叶调节装置、

进气箱和扩压器等主要部件。轴流风机结构型式见

图4-8所示。

图4-8 轴流式（通）风机结构示意图（两级叶轮）

1 进气箱

2 叶轮

3 主轴承 4动叶调节装置 5 扩压器 6 轴 7 电动机

由于轴流式风机（包括轴流式泵）具有较大的轮彀，故可以在轮彀内装设动叶调节机构。动叶调节机构有液压式调节和机械式调节两种类型。该机构可以调节叶轮叶片的安装角，进行风机运行工况调节。目前，国内外大型轴流风机与轴流泵都已实现了动叶可调。

导叶是轴流式风机的重要部件，它可调整气流通过叶轮前或叶轮后的流动方向，使气流

图4-9 轴流泵与风机的基本型式

（a ）单个叶轮机 (b) 单个叶轮后设置导叶 (c) 单个叶轮前设置导叶

(d) 单个叶轮前、后均设置导叶

以最小的损失获得最大的能量；对于叶轮后的导叶，还有将旋转运动的动能转换为压能的作 用。导叶设置如图4-9所示。叶轮后设置导叶称后导叶。后导叶设置在轴流风机和轴流泵中普遍采用。叶轮前设置导叶称为前导叶。目前，中、小型轴流风机常采用前导叶装置。在叶 轮前后均设置导叶是以上两种型式的综合，可转动的前导叶还可进行工况调节。这种型式虽然工作效果好，但结构复杂，仅适用于轴流风机。

第二节 离心风机性能曲线

离心风机性能曲线，即压力p 、效率η、功率N 与流量Q 的关系曲线，与离心泵性能曲线的理论定性分析和实测性能曲线的讨论是完全类似的。但是，由于流体的物理性质的差异，使得在实际应用中，离心风机的性能曲线与水泵有所不同。如离心风机的静压、静压效率曲线，离心风机的无量纲性能曲线，都在风机中有重要的应用。

一、风机的全压与静压性能曲线

1、风机的全压、静压和动压

水泵扬程计算式是根据水泵进出口的能量关系，对单位重量液体所获得的能量建立的关系式，即

H =（Z 2-Z 1）+g p p ρ12-+g v v 22

122-（m ） 对于水泵，（Z 2-Z 1）+g

v v 22122-<

建立风机进出口的能量关系式，同气体的位能g ρ(Z 2-Z 1)可以忽略，得到单位容积气体所获能量的表达式，即

=-=12p p p （2222v p st ρ+）-（2

121v p st ρ+） (N/㎡) (4—1) 即风机全压p 等于风机出口全压2p 与进口全压1p 之差。风机进出口全压分别等于各自的静压1st p 、2st p 与动压212v ρ、2

22v ρ

之和。式（1）适用于风机进出口不直接通大气（即配置有吸风管和压风管）的情况下，风机性能试验的全压计算公式。该系统称为风机的进出口联合实验装置，是风机性能试验所采用的三种不同实验装置之一。

风机的全压p 是由静压st p 和动压d p 两部分组成。离心风机全压值上限仅为1500mm

（14710Pa ），而出口流速可达30m/s 左右；且流量Q （即出口流速2v ）越大，全压p 就越小。因此，风机出口动压不能忽略，即全压不等于静压。例如，当送风管路动压全部损失（即出口损失）的情况下，管路只能依靠静压工作。为此，离心风机引入了全压、静压和动压的概念。

风机的动压定义为风机出口动压，即 2222

1v p p d d ρ== (N/㎡) （4—2） 风机的静压定义为风压的全压减去出口动压，即 21222121122v P p v p p p p st st d st ρρ--=-

=-= (N/㎡) （4—3） 风机的全压等于风机的静压与动压之和，即

2d st p p p += (N/㎡) （4—4）

以上定义的风机全压p ，静压st p 和动压2d p ，不但都有明确的物理意义；而且也是进行

风机性能试验，表示风机性能参数的依据。

2、风机的性能曲线

从上述各风压的概念出发，按照性能曲线的一般表示方法，风机应具有5条性能曲线。

（1）全压与流量关系曲线（Q p -曲线）；（2）静压与流量关系曲线（Q p st - 曲线）；（3）轴功率与流量关系曲线（Q N - 曲线）；（4）全压效率与流量关系曲线（Q -η 曲线）；（5）静压效率与流量关系曲线（Q st -η曲线）。5条性能曲线中，Q p st - 曲线与Q st -η 曲线是有别于水泵的两条性能曲线。

全压效率计算方法同水泵，即

η =N N u /N

PQ 1000= （4—5） 式中：p —全压（N/㎡）；Q —流量（m 3/s ）；N —轴功率（KW ）。

静压效率st η 定义为风机的静压有效功率与风机的轴功率之比，即

st ηN N st u /=N

Q p st 1000= （4—6） 离心风机性能曲线如图4—10所示。

图4—10 典型后向叶轮离心通风机的性能曲线 图4—11 5-48型离心通风机的无量纲性能曲线

二、风机无量纲性能曲线

1. 风机的无量纲性能系数

根据泵与风机的相似定律，与某一风机保持工况相似的任一风机（其性能参数均以下标“m ”表示），在效率相等（m ηη=）的条件下，相似三定律可分别表示为 m

m n n Q Q 3λ= （4-7） m m

m n n p p ρρλ2

2???? ??= (4-8) m m m n n N N ρρλ35???? ??= (4-9) 注意到，以叶轮外径表示的几何比尺m

D D 22=λ，叶轮出口牵连速度6022n D u π=，引入叶轮圆盘面积42

22D A π=。分别对上面3个定律的表达式进行无量纲化，并考虑到λ、2u 、和

2A 的关系，得到风机的无量纲性能系数。

（1） 流量系数Q

由流量相似定律表达式（4-7）有

m m m n D Q n

D Q

3232= 两端同除 604π

π

?后写为

604604222222

m

m m

m n D D Q n

D D Q

ππππ?=?

最后可得流量系数，这是一个与流量有关的无量纲数，即

常量===m

m m A u Q A u Q Q 2222 （4-10）

式（4-10）表明，工况相似的风机，其流量系数应该相等，且是一个常量。流量系数大，则风机流量也大。

（2）压力系数p

由压力相似定律表达式（4-8）有

222222m m m m n D p n

D p

ρρ= 两端同除260??

? ??π后写为 22226060??? ??=??? ??m m m m n D p n D p πρπρ

最后可得压力系数，这是一个与压力有关的无量纲数，即

常量===2222m m m u p u p

p ρρ （4-11）

式（4-11）表明，工况相似的风机，其压力系数应该相等，且是一个常量。压力系数大，则风机的压力也高。压力系数也是风机型号编制的依据之一。

（3）功率系数 N

由功率相似定律表达式（4-9）有

352352m m m m n D N n

D N

ρρ= 两端同除 3

604??

? ???ππ 后写为 32223222604604??? ???=??? ???m m m m m n D D N n D D N

ππρππρ

最后可得功率系数，这是一个与功率有关的无量纲数，即

常量===m m m m A u N A u N

N 232232ρρ （4-12）

式（4-12）表明，工况相似的风机，其功率系数应该相等，且是一个常量。功率系数大，则风机的功率也大。

（4）效率

效率本身就是一个无量纲数，根据上述关系有

ηρρη==?==N pQ A u N A u Q u p N

Q p 2

322222 （4-13） 即效率就是无量纲的效率系数。

2．风机的无量纲性能曲线

无量纲性能参数Q 、p 、N 也是相似特征数，因此凡是相似的风机，不论其尺寸的大小，转速的高低和流体密度的大小，在对应的工况点K ，它们的无量纲参数都相等。对于一系列的相似风机，每台风机都具有各自的性能曲线。当采用无量纲系数表示时，该系列所有对应工况点将重合为一个无量纲工况点，该系列所有对应性能曲线将重合为一条无量纲性能曲线。因此，对于系列相似风机的性能，可用一组无量纲性能曲线表示。

图4-11是5-48型风机的无量纲性能曲线。该曲线表示该型号中，几何相似，但大小与转速都不相同的一系列风机（即不同的机号）的无量纲性能曲线。

目前，国产离心风机的产品样本，都采用了无量纲性能曲线表示某一型号系列相似风机（不同机号）的共性。无量纲性能曲线不仅是为了减少风机性能图的数量以简化表示，而且还便于对不同特性的各种系列风机进行比较和选型。

无量纲性能参数与无量纲性能曲线，在理论上也适用与水泵，但是由于水泵的种类繁多，水泵本身还存在汽蚀问题，因此水泵不采用无量纲性能曲线。

三、风机性能参数计算

1．风机性能参数与无量纲性能参数

无量纲参数都是几个性能参数的无量纲组合，同一无量纲参数可以由这些性能参数的不同组合而成。因此，相似系列风机的对应工况点虽然具有同一无量纲参数，但是，这些点的性能参数并不相同。利用无量纲性能曲线选择风机和对风机性能参数的校核，都需根据无量纲参数和风机转速n ，叶轮直径2D ，计算风机的风量，全压和功率。仍然采用无量纲参数 Q 、p 、N 的表达式，并考虑叶轮圆盘面积2A 和叶轮出口牵连速度2u 的关系，可得风量、全压和功率的计算式。

Q nD Q A u Q 3.243

222== (m 3/s) （4-14） p D n p u p 365

2

2222ρρ== (N/㎡) （4-15） N D n N A u N 887000010005

232

32ρρ== （kw ） （4-16）

2．非标准状态与标准状态的性能参数变换

风机性能参数风压是指在标准状态下的全压。标准状态是压力3.10120=p KP a ，温度20=t ℃，相对湿度%50=?的大气状态。一般风机的进气不是标准状态，而是任一非标

准状态，两种状态下的空气物性参数不同。空气密度的变化将使标准状态下的风机全压也随之变化，在非标准状态下应用风机性能曲线时，必须进行参数变换。

相似定律表明，当一台风机进气状态变化时，其相似条件满足1=λ()m D D 22=即、m n n =、m ρρ≠此时相似三定律为

1=m Q Q ；m m p p ρρ=；m

m N N ρρ= （4-17） 若标准进气状态的风机全压为20p ，空气密度为20ρ；非标准状态下的空气密度为ρ，风机全压为p ，则全压关系有

ρρp p 2020= (N/㎡) （4-18）

一般风机的进气状态就是当地的大气状态，根据理想气体状态方程RT p ρ=有

20

2020T T p p a =ρρ （4-19） 式中a p ，ρ，T 是风机在使用条件（即当地大气状态）下的当地大气压，空气密度和湿度。将式（4-19）代入式（4-18）可得

293

273101325202020t p p T T p p p p a a +??=?= (N/㎡) （4-20） 利用此式，可将使用条件()T p a ,下的风机全压p ，变换为标准进气状态()2020,T p 下的风机全压20p 。

第三节 风机比转数

风机比转数在风机的选型中有重要作用，特别是对于种类繁多的离心风机无量纲性能曲线的选型更为方便。风机比转数的概念同水泵比转数，比转数在应用中的意义也相同。

风机比转数的计算公式为

4320p Q

n n s = （4-21）

式中：n —转速（rpm ）；Q —流量（㎡/s ）；20p —标准状态下的风机全压(mmH 2o)。

目前，风机型号编制中的比转数，就是按式（4-21）和规定单位计算的结果。风机比转

数s n 是对单个叶轮而言的，对于多级（级数为i ）风机和双吸风机，其比转数分别为

i 级风机 4320??

? ??=i p Q

n n s （4-22）

双吸风机 4

3202p Q n n s = （4-23） 比转数也是风机的基本性能参数之一。前面对于性能参数的有关讨论也同样适用于比转数。另外，比转数s n 的大小还与计算采用的单位有关，以下就这些问题分别进行讨论。

（1）非标准状态工作的比转数

比转数的风压20p 是标准状态进气时的全压。当为非标准状态进气时，应按式（4-18）计算风机在实际工作状态下的比转数，即

4343872.02.1???? ??=???? ??=ρρp Q n p Q

n n s （4-24）

式中的标准状态空气密度2.10=ρKg/m 3。

（2）风机比转数与单位制

比转数是一个有量纲的性能参数，所以按式（4-21）计算的风机比转数的值与各物理量的单位有关，当转速n 的单位（rpm ）和流量的单位(Q 3/s)保持不变时，比转数s n 的值仅与全压20p 的单位有关。我国风机型号编制中的s n 值，就是20p 采用工程单位制的结果，其单位是kgf/m 2或mmH 2o 。当20p 采用国际单位制时，s n 值也随之改变。

风机全压20p 采用国际单位制时应为N/㎡注意到1 kgf/m 2=9.8 N/㎡=9.8mmH 2o ，则比转数变为

4320432054.5807.9p Q n p Q

n n s =??? ??= （4-25）

即采用工程单位制的比转数比采用国际单位制的比转数大5.54倍。如4-73型普通通风机，比转数73是采用工程单位制计算的取值结果，当20p 采用国际单位制时，比转数变为13.21，按风机型号编制方法应为4-13型风机。

（3）无量纲性能参数与比转数

利用风机的无量纲性能曲线时，若能直接采用无量纲性能参数计算比转数将是很方便

的。为此，应将比转数公式，即式（4-21）中的参数用无量纲性能参数表示。

仍采用式（4-14）和式（4-15）中的基本关系，并注意到叶轮60222n D u π=、4222D A π=，

则有 2

260D u n π= ； Q u D Q A u Q 222224π== ； 20222020p u p ρ=。 以上关系代入式（4-21）中，有 ()4320432043202220222224

32030460p Q p u Q u D D u p Q

n n s ?===ρπρππ

标准状态下，2.10=ρKg/m 3，则上式可写为

4320

8.14p Q

n s = （4-26） 当风机全压采用国际单位制(N/㎡)时，比转数还应满足式（4-25）的关系，则有 432082p Q n s = （4-27）

即利用风机的无量纲性能参数计算比转数时，采用工程单位制的s n 值比国际单位制大82倍。如4-73型风机在设计工况()%93max =η下的无量纲性能参数Q =0.230、p =0.437，则按式（4-27）计算的比转数s n =73.2。

第四节 风机工况调节及运行

一. 风机装置工况

与求解水泵装置工况的方法相同，图解风机装置工况仍然是目前普遍采用的方法。风机P —Q 性能曲线表示风机给单位容积气体提供的能量与流量的关系；管路P —Q 性能曲线表示管道系统单位容积气体流动所需要的能量与流量的关系，这是两条曲线的不同概念。但是，对风机装置来说，两条曲线又相互联系、相互制约，装置工况即是风机与管路的质量平衡结果；也是风机与管路的能量平衡结果。

1、风机装置的管路性能曲线

风机管路系统是指风机装置中除风机以外的全部管路及附件、吸入装置、排出装置的总和。风机管路性能曲线是指单位容积气体从吸入空间经管路及附件送至压出空间所需要的总

能量c p （即全压）与管路系统输送流量Q 的关系曲线。一般吸入空间及压出空间均为大气，且气体位能通常忽略，则管路性能曲线的数学表达式为

2Q S p p c = (N/㎡) (4-28)

式子中P S 是管路系统的综合阻力系数（㎏/㎡ ）。 P S 决定于管路系统的阻力特性，根据管路系统的设置情况和阻力计算确定。式子（4-28）表示的管路性能曲线在Q p c -坐标系中是一条通过原点的二次抛物线。

全压p 表示风机提供的总能量，但是用于克服

管路系统阻力的损失能量只能是全压中静压能量。

因此，风机装置工况的确定，有时需要用风机的静

压与流量关系（Q p ST -）曲线来确定相应的装置

工况。此时，风机装置将出现全压工况点N 和静

压工况点 M ，如图 4-12 所示，这是意义不同的

两个工况点。

2、无量纲管路性能曲线

离心风机的性能曲线通常采用无量纲性能曲线

表示（见图4-11），所以求解装置工况需要采用与之 图 4-12

相应的无量纲管路性能曲线。为此，需对管路性能

曲线的方程式无量纲化，利用无量纲性能曲线同样可图解风机装置工况。

对式（4-28）进行无量纲化，有

22

22222222222222)()(A u Q A S A u Q u A u S u p p p c ρρρ== 式中2u 为叶轮出口牵连速度，2A 为叶轮圆盘面积，ρ为气体密度。显而易见， 22

u p c ρ 同风机的压力系数p ，22

u p c ρ 同风机的流量系数Q ，若 ρ22A S p 项用 ? 表示，则上式可写为

2

Q p c ?= （4-29）

式中? 也是一个无量纲系数，若采用基本量纲进行量纲分析，其量纲为

[]143722=????????=??????=L M L L M A S p ρ? 式（4-29）就是管路无量纲性能曲线的数学表达式，其有与风机相同的无量纲系数c p 、Q 和管路无量纲系数?。可以看出，式（4-29）表示的管路无量纲性能曲线，在Q p c -坐

标系中仍然是一条通过原点的二次抛物线。利用无量纲性能曲线同样可以图解风机装置工况，图解所得无量纲性能参数同样可以转换为实际性能参数。

二、风机工况调节

与水泵工况调节相类似，风机工况调节也可分为非变速调节与变速调节两种方式。在非变速调节中，又分为节流调节、分流调节、离心风机的前导叶轮调节，轴流风机的动叶调节等不同方法。

1. 风机入口节流调节

利用风机进口前设置的节流装置来调节流量的方法，称为入口节流调节。因为节流增加了管路阻力，所以也改变了管路性能曲线。同时，由于入口节流装置一般安装在风机进口前部位，节流时其断面速度非均匀分布，直接影响到叶轮进口的正常速度分布，因此也改变了风机的性能曲线。节流调节后的装置工况，

则由变化后的两条性能曲线决定，如图4-13

所示。风机装置原工况点为M ，流量m Q ；采用

节流调节后流量减小为A Q ，其工况点为A ，调节

损失能量1H ?。若采用出口节流调节，则工况点

应为,

A ，能量损失为2H ?。由于1H ?<2H ?，

所以入口节流调节适用于小型风机的调节。

入口节流调节除了改变叶轮进的速度分布之外，

同时还降低了叶轮进口部位的压力，对于水泵增加

了汽蚀的危险性，因此水泵不采用这种调节方法。 图4-13

2 . 风机入口导流器调节

入口导流器调节是离心风机采用的一种主要调节方法，入口导流器及设置仍见图(4-5) 所示。通常把导流器及进气箱都作为离心风机的一个组成部分，利用改变入口叶轮的安装角θ，来改变风机的性能曲线并改变风机装置工况，达到风机流量调节的目的。

入口导流器调节的工作原理表明，当入口导叶的安装角θ=0°时，入口导叶对叶轮进口气

流基本上无作用，仍保持径向流入状态（即01=u C ）。当θ>0°时，入口导叶将使气流的进口绝对速度产生圆周切向分量（即01≠u C ），不再保持径向流入状态。入口导叶对进口气流的这种作用称为“预旋”。由叶片式泵与风机的基本方程式)(1122u u C u C u p -=ρ 可知，当θ=0°时，u C u p 22ρ=；当θ>0°

时，)(1122u u C u C u p -=ρ，即预旋将使全压减小，导致风机P —Q 曲线变陡。由装置工况分析可知，入口导流器调节的经济性要好于出口节流调节。

当离心风机的调节流量较小时，采用入口导流器调节的经济性与变速调节的经济性相当。同时，入口导流器构造简单尺寸小，投资低；调节运行可靠、方便，维修简单。因此入口导流器调节方法在离心风机中有广泛的应用。

与入口节流调节的分析相同，水泵很少采用入口导叶调节这种方式。只有在泵装置具有足够的有效汽蚀余量，以致采用入口导流器调节不会产生汽蚀时，离心水泵和轴流泵还是可

以考虑采用这种调节方式的，因其经济性仍然是高于节流调节的。

3、风机（泵）的分流调节

风机的分流调节就是把风机输出的部分流量通过分流管回流到吸入容器或引入管路，并且在分流管装有阀门以调节分流流量的大小来调节风机装置的流量，这就是分流调节，如图 4-14（a ）所示。

风机装置分流调节的图解工况如图4-14（b ）所示。与水泵不对称并联图解工况相同，采用折引方法求解分流调节工况是可行的。首先，将公共管段AB 视为风机的组成部分，在风机的 P —Q 曲线上每一点的压力P 减去对应流量下的AB 段损失压力2Q S AB p ，可得到折

引风机性能曲线Q p -\。然后，作折引到管路性能曲线，即无公共管段AB ，而由BC 与BD 管段直接并联的管路曲线。风机输出段BC 的Q p c -1曲线是指分流管阀门全关时的管

路性能曲线；分流段BD 的Q p c -2曲线是指分流管阀门全开的管路性能曲线。根据并联管

路工作原理，对Q p c -1曲线与Q p c -2曲线进行等压力下的流量叠加，得到折引管路性能

曲线Q p c -。曲线Q p -\

与曲线Q p c -的交点M ′

即为装置分流调节的工况点。 根据折引原理，风机的工况点为M 。从M ′点作水平线分别交Q p c -1 曲线和Q p c -2曲线于C 1点和C 2点，其对应的流量1C Q 就是风机输出的实际流量，2C Q 就是调节的分流流

量。根据并联工作原理，风机流量21c c Q Q Q +=。当分流管阀门全关时，其装置工况点为

N ′，风机工况点为N 。显然，从N ′点到M ′

点的各工况点，代表了分流管阀门从全关到全开时的全部分流调节工况。

轴流式风机采用分流调节方式要优于节流调节，其经济性要好些。离心式风机采用分流调节方式其经济性要低于节流调节方式。

风机分流调节原理也适用于并联管路送风装置的工况确定。由图4-14（a ）可见，分流管BD 实际就是与管段BC 并联的另一条管路。

分流调节也适用于泵装置的工况调节。因为泵不能采用入口节流调节或入口导叶调节，所以采用节流调节比风机更为适宜。 三、风机的非稳定工况运行

风机正常工作时呈现的是稳定工况；当风机选型不当或风机使用欠妥时，某些风机就会产生非稳定工况，风机的非稳定运行将影响甚至破坏其正常工作。与轴流泵相同，轴流风机也具有驼峰形性能曲线，其最大特点就是存在着运行的不稳定工作区，风机一旦进入该区工作，就会产生不同形式的非稳定工况，并表现出明显的非正常工作的征兆。

1、叶栅的旋转脱流

轴流风机叶轮均采用了翼型叶片，气体与翼型之间的相对运动就是翼型绕流。在翼型绕流特性分析中，定义相对运动方向与翼弦线（即翼型前后缘曲率中心之连线）的夹角为冲角（或攻角），如图4-15所示，冲角大小是影响机翼型绕流特性的最重要的因素。当冲角为零时，叶片产生较大的升力和较小的摩擦阻力。当冲角增大时，叶片背水面尾部流动产生分离，外力有所增加而阻力（主要是形体阻力）的增加更大，叶片升阻比减小。当冲角增大到某一