屋顶采光带第一节 轴流式泵与风机
如前所述，轴流式泵与风机与离心式相同，都是通过高速旋转的叶轮对流体做功，使流体获得能量。它的特点是流体轴向流入，轴向流出，没有沿径向的运动，在理论压头公式(11－11)中(u 22－u 12)/2g 项为零。因此，它所产生的压头远低于离心式。轴流式泵与风机适用于大流量、小压头的情况，属于高比转数范围。 一、工作原理
轴流式泵与风机的主要构造见图14－1。叶轮由叶片与轮毂组成，叶片以一定的安装角固定在轮毂上，轮毂固定在转轴上。由轴带动在机壳内高速旋转。 图14－1 轴流式泵与风机示意图 图14－2 进口与出口速度图 1－轴；2－轮毂；3－叶片；4－机壳
流体质点轴向流入叶轮，随叶轮旋转做圆周运动，圆周速度为u 。同时沿叶片做相对运动，相对速度为w ，并沿轴向流出叶轮。圆周运动与相对运动合成为绝对运动，绝对速度为c=u ＋w 。由于流体没有沿径向的运动，因此它的绝对速度c 可以分解为：沿圆周切线方向的切向分速度c u 及沿轴线方向的轴向分速度c a 。见图14－2。
因为流体质点从叶轮进口到出口始终在同一半径的圆周上运动，故进口圆周速度与出口圆周速度相等，即
60
221n r u u u π=== (14－1) 式中r 为流体质点所在的半径。
流量生成
叶轮的进口过流面积与出口过流面积相等，如不考虑叶片厚度的影响，过流面积为 )(4
2221d D A A -==π
(14－2)
式中D 为叶轮外径，d 为轮毂直径。
叶轮进口轴向分速度c a1与出口轴向分速度c a2相等，即
4
/)(2221d D Q c c c T a a a -===π (14－3) 式中Q T 为理论流量。
氧化挂具因u 1=u 2=u ，c a1=c a2=c a ，则进口速度图与出口速度图可以画在一起，见图14－2。 轴流式泵与风机的理论压头与离心式相同，可用欧拉方程式表示，即
)(1)(1121122u u u u T c c u g c u c u g H -=-=∞ (14－4)
为了得到最大的压头，选择进口安装角β1，使c u1=0。因此，在设计工况下有
21u T c u g
太阳能沼气
H =∞ (14－5)
轴流式叶轮不同半径处的圆周速度不同(见式14－1)，流体获得的能量不相等。r 较大的地方，u 较大，产生的压头也较大。能量分布的不均匀，增加于能量损失，降低了效率。为了避免这种情况，使不同半径处压头大致相等，需要在不同半径处，采用不同的出口安装角β2。由于
22c o t βa u c u c -= (14－6)
在半径大的地方采用较小的β2，使uc u2大致保持常数，于是整个叶轮出口截面上的压头基本保持均匀分布。
轴流式泵与风机的叶片，由于不同半径处采用不同的出口安装角，经常做成扭曲的形状。 二、性 能 曲 线
轴流式泵与风机采用扭曲形叶片，只能保证在设计流量下流体的能量分布均匀。当流量大于或小于设计流量时，能量仍然是不均匀的，从而增加了能量损失，效率下降。特别是小流量时，由叶轮流出的流体，一部分又回到叶轮二次加压，发生二次回流现象。因此，轴流式泵与风机的性能曲线具有以下特点(见图14－3)：
(1) H －Q 曲线陡降，并有转折点。二次回流的发生使小流量时的压头急剧增大，一般轴流泵的空载
扬程约为设计工况的1.5～2倍。
(2) N －Q 曲线随流量增加而下降。由于N=γQH/η，当流量增加时，压头下降很快，致使功率不但没有增加，反而减小。在Q=0时，轴功率最大。因而轴流式泵与风机不能空载启动，应在阀门全开的情况下启动。
(3) η－Q 曲线呈驼峰形。高效率工作的范围很小，流量在偏离设计工况不远处，效率很快下降。轴流式泵与风机的这一特点，使阀门调节非常不利，因而不能采用。 (4) 轴流泵的吸水性能一般用气蚀余量表示。轴流泵的气蚀余量较大，亦即允许吸上真空高度较小。有时叶轮需要浸没在水中一定深度，即安装高度为负值。
图14－3 轴流泵的性能曲线 图14－4 轴流风机的性能曲线
三、轴流式泵与风机的调节
轴流式泵与风机一般不采用阀门凋节，因为关小阀门使功率增大，效率降低，容易引起电机超载。
轴流式泵与风机通常采用变速调节或改变叶片安装角的调节方法。变速调节与离心式泵与风机相同。轴流式泵与风机叶片的安装角有几种角度，可以根据流量大小，选择不同安装角。安装角不同时，机器的性能曲线改变，图14－4是30E－11型轴流风机的性能曲线，是按四种不同安装角绘制的。
改变叶片安装角的方法有半调式与全调式两种。
半调式的叶片是用螺母栓紧在轮毂上，轮毂上刻有几个安装角的位置线，调节时，将螺母松开，转动叶片，然后拧紧即可。
全调式可以在停机或不停机的情况下，通过一套液压调节机构改变叶片安装角，调节机构比较复杂，一般应用于大型轴流泵与轴流风机。
四、常用轴流式泵与风机介绍
轴流式泵与风机具有构造简单，可输送含有杂质的流体，占地面积小，效率高等优点，在采暖、通风、给排水、农田灌溉等工程中得到广泛应用。
1．轴流泵
我国生产的轴流泵有卧式轴流泵(半调式)ZWB型，立式轴流泵(半调式)ZLB型及立式轴流泵(全调式)ZLQ型。流量一般为480～36000m3/h，扬程为3～15mH2O。
2．轴流通风机
我国生产的轴流通风机种类很多，有一般通风机、防爆通风机、矿井通风机等。轴流通风机的叶片型式很多，见附录J。
如一般轴流通风机30K4－11型，风压为2.5～49mmH2O，风量为500～49500m3/h。叶片安装角有10°、15°、20°、25°、30°五种。其型号意义以30K4－llNo.3A为例，说明如下：30—毂比(0.3)乘以100倍后的整数，轮毂直径与叶轮外径之比称毂比；
K—该风机的叶型为等厚板型的扭曲叶片；
4—该型叶片第4次设计；
1—该型风机叶轮为1级；
1—该风机为第一次设计结构；
No3—风机机号，叶轮直径为300mm；
A—传动方式为电机直联式。
活塞泵是靠活塞在泵缸内往复运动，改变工作室容积，从而对流体做功使流体获得能量，是一种容积式泵。
一、工作原理
图14－5是活塞泵的工作示意图。曲柄连杆机构带动活塞在泵缸内往复运动，当活塞自左向右运动时，泵缸内造成低压，上端压水阀关闭，下端吸水阀被泵外大气压作用下的水压力推开，水由吸水管进入泵缸，完成吸水过程。当活塞自右向左运动时，泵缸内形成高压，吸水阀关闭，压水阀受压而开启，将水由压水管排出，完成压水过程。活塞不断往复运动，水就不断被吸入和排出。
活塞泵在泵缸内从一个顶端运动至另一顶端，两顶端之间的距离S称为活塞的冲程。活塞往复一次(两个冲程)，吸入和排出一次水，称为单动活塞泵。单动活塞泵的理论流量为Q T=F·S·n (14－7) 式中F—活塞截面积；S—冲程；n—活塞每分钟往复次数。
图14－5 活塞泵工作示意图
1－压水管；2－泵缸；3－吸水阀；4－压水阀；5－吸水管；6－活塞；7－连杆；8－曲柄实际上由于吸水阀和压水阀的开关均有延迟，以及活塞与泵体的联接不紧密，都会使一部分水由压水端漏回吸水端。因此，实际流量小于理论流量，可用容积效率ηv表示
Q=ηv Q T=ηv F·S·n (14－8) 构造良好的大型活塞泵ηv较高，小型活塞泵ηv较低，一般约为85～99%之间。
按式(14－7)计算的流量是活塞泵的平均流量，即假设活塞泵连续均匀供水的流量。实际上活塞泵吸水时不供水，压水时流量也是不均匀的。活塞泵多采用曲柄连杆机构作传动机构，当曲柄作等角速度旋转时，活塞的速度变化为正弦曲线。因活塞面积F是常数，活塞泵的瞬时流量随时间变化与活塞速度变化规律相同，也是正弦曲线。如图14－6(a)所示。
由图可见，单动活塞泵的供水是很不均匀的。为了改善这种情况，可采用双动泵。双动泵是活塞往复一次吸入和排出各两次，共工作示意图见图14－7。当活塞自左向右运动时，左泵缸吸水，右泵缸压水；活塞自右向左运动时，右泵缸吸水，左泵缸压水，从而改善了供水的均匀性。其流量变化见图14－6(b)。还可以做三动、四动活塞泵，使供水更加均匀化，就不一一叙述了。
图14－6 活塞泵流量变化曲线图14－7 双动活塞泵示意图
(a)单动泵；(b)双动泵1－压水管；2－右泵缸；3－左泵缸；4－吸水管
双动泵的理论流量为
Q T=(2F－f)·S·n (14－9)
式中f为活塞杆的截面积，其它符号同前。
为了使活塞泵供水均匀，同时减少管路内由于流速变化引起附加的惯性水头损失，一般常在压水及吸水管路上设置密闭的空气室。借助空气的压缩和膨胀作用，达到缓冲调节的效果。
二、性能曲线
(1) 扬程曲线活塞泵的扬程是靠往复运动的活塞，将机械能以静压的形式直接传给液体，因此活塞泵的扬程与流量无关。这是活塞泵与叶轮式泵根本不同的地方。理论上扬程可以无限大，实际上扬程不能无限增大，它受两个因素限制，一是泵的零件的强度，一是电机的功率。活塞泵的工作扬程取决于管路系统的阻力，即
H=H st＋∑h w(14－10) 式中H st为静扬程；∑h w为吸水管与压水管的水头损失之和。
活塞泵的理论扬程曲线H T－Q T是一条垂直线，见图14－8，表明理论扬程与流量无关。但实际上活塞泵有漏水损失，随着扬程增大，漏水损失增加，所以实际的H－Q曲线随H增大，流量略有降低。
(2) 功率曲线活塞泵因流量变化很小，所以功率曲线用功率随扬程的变化曲线表示。智慧农业控制系统
因功率N=γQH/η，在理想情况下ηT=100%，Q T是常数，因此理论功率曲线N T－H T是一根通过原点
的直线。实际上，H=0时功率不为零，H增大时，流量减小，效率改变，所以实际功率曲线N－H不通过原点，并稍有弯曲。
安装网(3) 效率曲线理论效率曲线是ηT=100%的虚线。由于扬程增大时，漏水损失增大，实际效率下降。扬程很小时，有效功率很小，而机械损失基本不变，因而实际效率很快下降。实际效率曲线η－H见图14－8。注意图中纵坐标是扬程H，横坐标是流量Q、功率N及效率η。
图14－8 活塞泵的性能曲线
三、活塞泵的调节与应用
(1) 活塞泵的调节从流量公式(14－7)看出，活塞泵的流量只于活塞面积F、冲程S和曲柄转速n有关，
其中F是不能改变的，因此，调节流量有两种方法。一种方法是改变曲柄的半径R，即改变连杆和曲柄连接的位置，以改变活塞的冲程。第二种方法是改变曲柄的转速，以改变活塞每分钟往复的次数。
活塞泵不允许用阀门进行调节。因为关小阀门只增加管道的阻力，使活塞泵的扬程加大，而流量变化不大，白白消耗了能量，且容易引起电机超载。因此，管路上的阀门只作检修时隔离之用，平时须常年开阀运行。
(2) 蒸汽活塞泵用蒸汽作为动力，推动活塞往复运动，叫做蒸汽活塞泵。在采暖供热系统的锅炉房中，利用锅炉本身产生的蒸汽来带动活塞泵，作为停电时保证锅炉补给水的备用水泵，是非常合适的。这种活塞泵的流量调节，是通过配气装置改变配气量，从而改变活塞往复次数进行的。我国生产的2QS系列蒸汽活塞泵的流量范围为0.5～120m3/h，输送温度低于105℃的介质。
(3) 活塞泵的优缺点与离心式泵相比较，活塞泵具有以下优点：
