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《化工过程流体机械》思考题参考解答

参考教材《过程流体机械》

2010.9

2 容积式压缩机

☆思考题2.1 往复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么？ 过程 工作腔内 理论循环（假设条件） 无(剩)余(间)隙 实际循环（工作过程） 理论 参数 b2/D2和φ2r的数值应在何范围之内？

连续方程：质量守恒（流经任意截面流量）

qm＝ρi qVi＝ρin qVin＝ρ2 qV2＝ρ2 c2r f2 ＝const （3-1）

式中：qm为质量流量，kg/s；qV为容积流量，m3/s；ρ为气流密度；f为截面面积；c为法向流速；

qm＝ρ2 qV2＝ρ2

有余隙 V、α、λV （阀窝、盖端、环端3部分） 0进气、压缩、排气 进气、压缩、排气、膨胀 工作过程 三个过程 四个过程 进排气过程 无压力损失，压力稳定 有压力损失，压力脉动 λp 进气过程 与外界无热交换 与外界（气缸壁）有热交换 λT 工作过程 无气体泄漏损失 有气体泄漏损失 λl 工作过程 压缩过程指数恒定 压缩和膨胀过程指数变化 m、n 理想气体 实际气体 工作介质 Z （状态方程（2-6）式） （状态方程（2-7）式） ☆思考题2.2 写出容积系数λV 的表达式，并解释各字母的意义。 容积系数λV（最重要系数）

λV ＝1－α（?n－1）＝1－V1b2τφu＝ρb?D222 2r 2 22D2D2φ2r?2?60?3 （3-2）

??u??n?22式中：D2为叶轮外径；b2 为叶轮出口轴向宽度；b2 / D2为叶轮出口相对宽度（0.025～0.065）；φ2r 为流量系数（径向叶轮0.24～0.40，后弯叶轮0.18～0.32，β2A ≤30o强后弯叶轮0.10～0.20）；τ2 为叶轮出口通流系数。

☆思考题3.4 何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该

方程的物理意义。

欧拉方程：（叶轮机械基本方程）理论和实用表达式 Lth＝Hth＝c2u u2－c1u u1＝u22?u122＋c22?c122＋

2w12?w2 （3-4、5）

21????n? （2-12） 0?pd???1?VS??ps???????式中：Lth为叶轮输出欧拉功；Hth为理论能量头（接受能量/单位重流体），

kJ/kg；物理意义：3部分能量，（离心力做功转静压能）+（动能增量）+（w减速转静压能）。

式中：α ——相对余隙容积，α ＝V0（余隙容积）/ Vs（行程容积）；α ＝

0.07～0.12（低压），0.09～0.14（中压），0.11～0.16（高压），＞0.2(超高压)。ε ——名义压力比（进排气管口可测点参数），ε ＝pd / ps ＝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），结构简单，耗油量不稳定，供油量难控制，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），结构复杂（增加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站），可控制气缸注油量和注油点以及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，注意润滑油压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.降低排气温度（单级压力比小）；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 提高）；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）；关键技术：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3.5 何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的

物理意义。

能量方程：（热焓方程）Hth＝ cp（T2―T1）＋c22?c122＝h2―h1＋c22?c122＝

22kR（T2―T1）＋c2?c12k?1

（3-12）

式中：cp 为定压比热，h为焓值，k为绝热指数，R为气体常数； 物理意义：焓值+（动能增量）。

☆思考题3.6 何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式

的物理意义。

伯努利方程：（压能损失方程） 叶轮功（叶片功）（含流动损失）Hth＝

总功（全部损失） Htot＝

?

0?

0

dp＋c0??c02?0?222＋Hhyd 0-0′ （3-14）

?0?0dp＋c0??c02?22＋Hloss 0-0′＝

?0dp＋c0??c02?2＋Hhyd＋Hl＋Hdf

（3-15）

物理意义：（三部分）压能、动能、损失，忽略热交换和位能。 ☆思考题3.7 试说明级内有哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角

有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？

级内流动损失

（1）摩阻损失Hf ∝q2（c2平均气速）；（2）分离损失：边界层（c→0）

Vm3 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）、中间级、末级（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（双面进气）；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压），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？ 离心压缩机特点（与往复式压缩机对比） 流 输出 转 结 体积 易损 运 单级 级 热 价 制造 主要 压缩机 适用 量 压力 速 构 重量 件 转 压比 数 效率 格 要求 问题 紧 可 较 大流量 不适用 离心式 大 稳定 高 较小 少 低 多 高 高 凑 靠 低 中低压 小流量 复 故障 中高压 故障维修 往复式 中小 脉动 低 大 多 高 少 高 低 较低 杂 多 中小流量 压力脉动 优缺点 离心式优、往复式差 离心式差、往复式优 选用条件 分离（回流），控制通道扩张角（锥度、扩压度，图3-8）；（3）冲击损失（叶

轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析）；叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A，冲击分离损失（相当于扩张角↑）； (进气冲角) 损失 流量/设计流量 冲击面 分离区(漩涡区) 原因 i＝β1A－β1 (相同冲角) 工作面 非工作面 分离区 ＜（小qV） 正冲角i＞0 较大 （前面） （背面） 易扩散 ＝（设计qV） 零冲角i＝0 无 无 无 损失↓ 非工作面 工作面 分离区 ＞（大qV） 负冲角i＜0 较小 （背面） （前面） 较稳定 （4）二次流损失：垂直环流；（5）尾迹损失：叶尖绕流； ☆思考题3.8 多级压缩机为何要采用分段与中间冷却？ 分段与中间冷却：分段（冷却、抽气）、中间冷却（耗功↓→等温过程）、工艺（排温，防腐蚀、分解、化合）。 ☆思考题3.10 示意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。

（图3-14）Htot＝Hth＋Hl＋Hdf＝Hpol＋(c2?c2)/2＋Hhyd＋Hl＋Hdf

0?0☆思考题3.3 何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中

说明：Htot＞Hth＞Hpol＞Hhyd＞Hdf＞Hl＞(c20?)/2 ?c201 / 4

☆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（qVin、p）； ☆思考题3.19 离心压缩机的流动相似应具备哪些条件？相似理论有何用处？

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Re、Eu、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＝M2u、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qV、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）。

NPSHr＝λ1

c202g＋λ2

w202g 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）NPSHa＝NPSHr，即

pS＋

?2cS―pV?2g＝λ1

c202g＋λ2

w202g （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

NPSHa＝

pA―pV―ΔHA-S―Hg＞λ1

c202g＋λ2

w202g＝NPSHr

??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？

性能参数 体积流量 质量流量 能量（压力） 功率 效率 转速 汽蚀余量 (m3/s，m3/h) (kg/s，kg/h) (m，J/kg) (kW) (％) (r/min) (m) 扬程H 有效Ne η，ηV， qV qm n NPSHr m＝N·m/N 轴N ηhyd，ηm 扬程H H＝

22pout?pin＋cout?cin2g?＋（Zout－Zin） m （4-4）

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。

基本方程 基本方程 离心泵 Ht＝(u2 c2u－u1 c1u)/g＝u2?u1＋w1222欧拉方程 欧拉方程 实用半经验 Stodola公式 (有限叶片影响) (μ滑移系数) 2g222?w2＋c2?c1 2g2gm (4-11、12) Ht ＝μ Ht∞＝（1―c2ru2ctgβ2A―?sinβ2A）u2 2Zgm (4-13、14)

☆思考题4.3 简述汽蚀现象，并说明汽蚀的危害。

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：pK↓→局部pK＜pV→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qV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)，pV↑。 ☆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NPSHa（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pV所富余的能量头（4-15、4-17式等）；NPSHa＝

抗汽蚀措施：

①．三方面措施：NPSHa↑、NPSHr↓、改进叶轮材料；②．pA↑：吸液罐增压↑、叶轮入口诱导轮（叶轮前增压）；③．pV↓：降温t↓（pV＝f(t)）、吸液罐冷却（夏季轻油品输送）；④．ΔHA-S↓：改善吸入特性，阻力损失↓；流量qV↓、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．Hg↓：泵安装位置ZS↓、吸液罐位置ZA↑（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．c0、w0↓：叶轮入口D0↑、轮毂直径dh↓、叶轮入口宽度b1↑、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4.9 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？

离心泵运行调节方法：①．变泵特性；②．变装置（管路）特性；③．同时改变泵和管特性。 调节方法 变特性 原理 主要特点 主要问题 经济性 应用 变转速 平移泵特性 节能 调速驱动机 最好 常用 切割叶轮外径 切割定律 系列产品 切割范围 较差 变导叶片角度 预旋调节 节能 机构复杂 较好 泵 不常用 变叶轮端间隙 泄漏调节 简便 流量损失 差 满足 并联较好 泵串联并联 设备联合 设计匹配 设计要求 工艺要求 串联较差 阀门节流 节流增阻 简便 能量损失 差 常用 液位调节 管 平移管特性 节能 装置复杂 较好 特殊情况 旁路分流 平缓管特性 简便 损失浪费 差 备用 ☆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。

pS―

pV＋

??2cS＝pa?2g―

pV＋

?2cS―HS＝pA?2g―

pV―ΔHA-S―Hg m

?泵必需汽蚀余量NPSHr（泵本身）：液流自泵入口到泵叶轮内压力最低pK

处所消耗的能量头（静压能量头降低值）；

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