泵与风机2泵与风机叶轮理论PPT学习教案

1、会计学1 泵与风机泵与风机2泵与风机叶轮理论泵与风机叶轮理论PPT课件课件 1 泵与风机的叶轮理论 本章要点 叶轮理论 速度三角形 能量方程 第1页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数 第2页/共67页 1 泵与风机的叶轮理论 引 言 目的： 。 角度：分析 流体流动与 几何形状之间的关 系，以便确定适宜的 流道形状，获得符合 要求的性能。 第3页/共67页 1 泵与风机的基本理论 叶轮带动流体一起旋转，借离心力的作用

2、，使流体获得 能量。-叶轮是实现机械能转换为流体能量主要部件。 第4页/共67页 获得的能量是多少呢？ 叶片 轮毂 轴 前盘 后盘 空心叶 片 板式叶片 叶轮转动-产生离心力-对流体做功-流体获得能量 第5页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 叶轮流道投影图 第6页/共67页 一、流体在离心式叶轮内的流动分析 D1 第7页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数 第8页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角 形

3、 1流动分析假设 （1）中的流体微团的运动轨 迹完全与叶片型线相重合 （5）流体在叶轮内的是的流动。 （2）为，即不考虑由于粘性使速度场不均 匀而带来的叶轮内的流动损失。 （3）是的。 （4）为，即流动不随时间变化。 第9页/共67页 因此，流体在叶轮内的运动是一种，即： wu 2叶轮内流体的运动及其速度三角形 二、流体在叶轮中的运动及速度三角形 第10页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角形 3速度三角形的计算 下标说明流体在叶片进口和出口处的情况，分别用下标 “1、2”表示；下标“”表示叶片无限多无限薄时的参数；下 标“r（a）、u”表示径向（轴向）和周向参数。 第11页/共67页

4、 二、流体在叶轮中的运动及速度三角形 3速度三角形的计算 掌握几个概念：流动角、安装角、径向速度等。 第12页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角 形 3速度三角形的计算 V = Vm 第13页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角 形 3速度三角形的计算 （1）圆周速度u为： u= 60 Dn 方向：与所在的 圆周相切 第14页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角 形 3速度三角形的计算 （2）绝对速度的径向分 速r为： 22 T 2r bD qV 第15页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角 形 3速度三角形的计算 由于叶片总是有一定的厚度，过流断面被占去一部

5、分，设 每一叶片在圆周方向的厚度为，有Z个叶片，则总厚度Z 排挤系数：表示叶片厚度对流道过流面积减少的程度，等 于实际过流面积与无叶片是的过流面积之比。 A=Db-Zb =1-Z/D 第16页/共67页 二、流体在叶轮中的运动及速度三角形 3速度三角形的计算 （3）2及 1角： 当叶片无限多时，2=2a ；而2a 在设计时可根据经验选取 。同样1 也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。 第17页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系

6、数和环流系数 第18页/共67页 （一）能量方程的推导 利用动量矩定理，建立叶片对流体作功与流体 运动状态变化之间的联系。 1、前提条件 2、控制体和坐标系（相对） 叶片为“”, =0, =const., , =const.，轴对称 。 第19页/共67页 3、动量矩定理及其分析 在稳定流动中，M=K。且，单位时间内流出、流进控 制体的流体对转轴的动量矩K 分别为： K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1 作用在控制体内流体上的外力有质量力和表面力。其对 转轴的力矩M由假设可知：该力矩只有转轴通过叶片传给流 体的力矩。则 （一）能量方程的推导 M=q

7、VT(2r2cos2-1r1cos1) 第20页/共67页 当叶轮以等角速度旋转时，则原动机通过转轴传给流体 的功率为： 由于u2=r2、u1=r1、2u=2cos2、1u=1cos1，代 入上式得 ： P=M=qVT (2r2cos2-1r1cos1) P=qVT(u22u- u11u) 3、动量矩定理及其分析 （一）能量方程的推导 第21页/共67页 上两式对轴流式叶轮也成立，故称其为叶片式泵与风机 的能量方程式，又称欧拉方程式（Euler.L ，1756.）。 3、动量矩定理及其分析 （一）能量方程的推导 （） pT=gHT= (u22u- u11u) 而单位体积流体流经叶轮时所获得的能

8、量，即无限多叶 片时的理论能头 pT 为： 则单位重力流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶 片时的理论能头 HT 为： （ ） 第22页/共67页 避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题，只涉及叶轮进 、出口处流体的流动情况。 1、分析方法上的特点: （二）能量方程式的分析 、理论能头与被输送流体密度的关系: pT = (u22u- u11u) 第23页/共67页 3、提高无限多叶片时理论能头的几项措施： （二）能量方程式的分析 （2）。因u2=2D2n/60， 故D2和n HT。 目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r/min。 第24页/共67页 由叶轮叶片进、出口速度三角形可知：

9、其中i=1或 i=2，将上式代入理论扬程HT 的表达式，得： （二）能量方程式的分析 4、能量方程式的第二形式： 表示流体流经叶轮时共同表示了流体流经叶 轮时 第25页/共67页 4、能量方程式的第二形式： 对于轴流式叶轮：由于的，说明在其它 条件相同的情况下，轴流式泵与风机的能头低于离心式。 （二）能量方程式的分析 动能头要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转化为静 能头，并存在一定的能头损失。 第26页/共67页 例题例题1 1：已知某离心泵，输送清水时扬程为：已知某离心泵，输送清水时扬程为3030 米，现用该泵输送煤油，问输送煤油时扬程米，现用该泵输送煤油，问输送煤油时扬程 为多少？为多少？

10、例题例题2 2：现有一台蜗壳式离心泵，转速：现有一台蜗壳式离心泵，转速 n=1450r/min,qn=1450r/min,qvt vt=0.09m =0.09m3 3/s,D/s,D2 2=400mm, =400mm, D D1 1=140mm,b=140mm,b2 2=20mm,=20mm,2a 2a=25 =250 0,z=7,v,z=7,v1u 1u=0, =0,计算计算 无限多叶片叶轮的理论扬程无限多叶片叶轮的理论扬程H HT T（不计叶片厚 （不计叶片厚 度的影响）度的影响） 第27页/共67页 )( g 1 u11u22T uuH sm35.30 60 14504 . 014. 3

11、 60 u 2 2 nD 第28页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数 第29页/共67页 1、离心式叶轮的三种型式 后弯式（2a90）径向式（2a90）前弯式（2a90） 叶片出口安装角：2a=（叶片出口切向，- u2） 第30页/共67页 2、2a 对HT的影响 为提高理论扬程HT，设计上使190。则在转速n、流 量qV、叶轮叶片一定的情况下，有： 2a2a2r222u2T ctgctg g 1 g 1 bauuu

12、H （1）后弯式（ 2a90） ctg2a0（减函数） 2a越小， ctg2a越大 ，HT越小 当ctg2a=u2/v2r HT=0，此时为2a的最小值。 第31页/共67页 2、2a 对HT的影响 为提高理论扬程HT，设计上使190。则在转速n、流 量qV、叶轮叶片一定的情况下，有： 2a2a2r222u2T ctgctg g 1 g 1 bauuuH （2）径向式（ 2a=90） 2a =90，ctg2a=0，HT=u22/ g 第32页/共67页 2、2a 对HT的影响 （3）前弯式（ 2a90） ctg2a0（减函数） 2a越大， ctg2a越小 ，HT越大 当ctg2a=-u2/v2

13、r HT= 2u22/ g ，此时为2a的最大值。 第33页/共67页 2、2a 对HT的影响 . 2aHT ； . 2amin =0 违反了泵与风机的定义； 结论： . 2amax 违反了泵与风机的定义。（） 为提高理论扬程HT，设计上使190。则在转速n、流 量qV、叶轮叶片一定的情况下，有： 2a2a2r222u2T ctgctg g 1 g 1 bauuuH 第34页/共67页 a2 2 2r ctg 2 1 2 1 u 2 2u 2 1 u T d T st 1 H H H H 3、2a 对Hst及Hd的影响 定义反作用度： a22r2 ctgu 2 u 1u =0，1r2r 2 r

14、 2 u 2 g2/ 2 2u 显然应在（0，1）之间。 g/ 2u2 u 2r 2 u 第35页/共67页 2 u (1, 1/2), 后弯式叶轮， 2a (2amin,90) 1/2, 径向式叶轮， 2y =90 (1/2 ,0), 前弯式叶轮， 2a(90,2amax) 结论： 2amax 各种2a时的速度三角形及Hd、Hst的曲线图 2amin 90 u2=c 2ymax 2 w2 =1 u2=c HT Hd =1/2 2amin 2w2w22 3、2y 对Hst及Hd的影响 第36页/共67页 2 u 结论： 小，后弯式叶轮 大，前弯式叶轮 HT 2amax 各种2a时的速度三角形及

15、Hd、Hst的曲线图 2amin 90 u2=c 2ymax 2 w2 =1 u2=c HT Hd =1/2 2amin 2w2w22 3、2y 对Hst及Hd的影响 后弯式叶轮，Hd Hst 径向式叶轮，Hd = Hst 前弯式叶轮， Hd Hst 第37页/共67页 4、讨论 1从结构角度：当HT=const.，前向式叶轮结构小，重 量轻，投资少。 2从能量转化和效率角度：前向式叶轮流道扩散度大且 压出室能头转化损失也大；而后向式则反之， 。 3从防磨损和积垢角度：径向式叶轮较好，前向式叶轮 较差，而后向式居中。 4从功率特性角度：当qV时，前向式叶轮Psh，易发生 过载问题。 第38页/

16、共67页 （1）为了提高泵与风机的效率和降低噪声，工程上对离心 式泵均采用后向式叶轮； （2）为了提高压头、流量、缩小尺寸，减轻重量，工程上 对小型通风机也可采用前向式叶轮； （3）由于径向式叶轮防磨、防积垢性能好，所以，可用做 引风机、排尘风机和耐磨高温风机等。 5、叶片出口安装角的选用原则 表1-1 一些叶片形式和出口安装角的大致范围 叶叶 片片 形形 式式出口安装角范围出口安装角范围叶叶 片片 形形 式式出口安装角范围出口安装角范围 强后向叶片（水泵型）强后向叶片（水泵型） 后向圆弧叶片后向圆弧叶片 后向直叶片后向直叶片 后向翼型叶片后向翼型叶片 20 30 30 60 40 60 40

17、 60 径向出口叶片径向出口叶片 径向直叶片径向直叶片 前向叶片前向叶片 强前向叶片（多翼叶）强前向叶片（多翼叶） 90 90 118 150 150 175 第39页/共67页 例例3 3：已知某离心泵，由于用的时间太久，铭：已知某离心泵，由于用的时间太久，铭 牌看不清楚，请问接电源时，如何知道泵的牌看不清楚，请问接电源时，如何知道泵的 转向正确？转向正确？ 例例4 4：现有一离心风机，：现有一离心风机，D D2 2=500mm=500mm，2a 2a=50 =500 0 转速转速n=1480r/min,n=1480r/min,出口轴面速度出口轴面速度20m/s,20m/s,流量流量 与转速

18、不变的情况下，现采用与转速不变的情况下，现采用2a 2a=135 =1350 0的叶的叶 轮轮, ,获得相同全压时，风机外径应为多少？获得相同全压时，风机外径应为多少？ 第40页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数 第41页/共67页 轴向涡流的概念 1、无限叶片数的理解 叶片型线严格控制流体流动。 2、有限叶片数的理解叶片型线不能完全控制流体流动。 A A 轴向涡流试验 3、轴向涡流流体(理想)相对于旋转的容器，由于

19、其惯 性产生一个与旋转容器反向的旋转运动。 流体在叶轮流道中的流动 A 第42页/共67页 一、离心式泵与风机的工作原理 1-1 离心式泵与风机的叶轮理论 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数 第43页/共67页 1、流线和速度三角形发生变化，分布不均； 轴向涡流对进、出口速度三角形的影响 pw pw ，非非工工作作面面 ，工工作作面面 p形成阻力矩； 2、 第44页/共67页 3、使理论能头降低： 不是效率，不是由损失造成的； 流体惯性有限叶片轴向滑移； K = f（结构），见表1-2。 T

20、1u12u2T 1 KHuu g H a. HT(pT) HT (pT) ，即： T1u12u2T Kpuup 第45页/共67页 例例5 5：现有一离心泵，：现有一离心泵，D D2 2=320mm=320mm，D D1 1=120mm=120mm，转速，转速 n=1450r/min,qn=1450r/min,qvt vt=180m =180m3 3/h, b/h, b2 2=15mm, =15mm, 叶片出口厚度叶片出口厚度 10mm10mm，2a 2a=22.5 =22.50 0,z=7,v,z=7,v1u 1u=0, =0,计算有限多叶片叶轮计算有限多叶片叶轮 的理论扬程的理论扬程H H

21、T T 第46页/共67页 1-2 轴流式泵与风机的叶轮理论 一、概述 二、流体在叶轮内的流动分析 三、升力理论 四、能量方程 五、轴流式泵与风机的基本型式 第47页/共67页 一、概述 1.工作原理： 轴流式泵与风机是利用旋转叶轮的翼型叶片在流体中旋 转所产生的升力使流体获得能量。流体轴向进入，轴向排出 2.特点： 结构简单、紧凑、外形尺寸小，重量轻 动叶可调，叶片安装角随外界负荷变化而改变，可保持较 宽的工作区域。 动叶可调，结构复杂，安装精度要求高 噪声大，尤其是大型轴流风机，进口或出口需装消声器 与离心式相比，流量大，扬程（风压）低 第48页/共67页 1-2 轴流式泵与风机的叶轮理论

22、 一、概述 二、流体在叶轮内的流动分析 三、升力理论 四、能量方程 五、轴流式泵与风机的基本型式 第49页/共67页 二、流体在叶轮内的流动分析 （一）叶轮流道投影图及其流动分析假设 1. 叶轮流道投影图 第50页/共67页 （1）认为流体流过轴流式叶轮时，与飞机在大气中飞行 十分相似，可采用机翼理论进行分析。 （2）圆柱层无关性假设，即认为叶轮中流体微团是在以 轴线为轴心线的圆柱面（称为流面）上流动。 2流动分析假设 除可以采用研究离心式泵与风机时所采用的方法外，常 做如下假设： 二、流体在轴流式叶轮内的流动分析 （一）叶轮流道投影图及其流动分析假设 第51页/共67页 （二）叶轮内流体的运

23、动及其速度三角形 与离心式叶轮比较，相同点有： 1流体在叶轮内的运动仍是一种复合运动，即： wu 圆周速度u 仍为： 60 Dn u 与离心式叶轮比较，不同点有： 在同一半径上， u1= u2=u，且w1a=w2a=wa=1a=2a=a 二、流体在轴流式叶轮内的流动分析 第52页/共67页 2绝对速度轴向分量的计算式： 4/ )( 2 h 2 2 T DD qV a 与比较，不同点是：叶 栅改变了栅前来流的方向和大小, 即：周向速度分量。 定义几何平均值： w=(w1+w2)/2 （二）叶轮内流体的运动及其速度三角形 二、流体在轴流式叶轮内的流动分析 第53页/共67页 1-2 轴流式泵与风机

24、的叶轮理论 一、概述 二、流体在叶轮内的流动分析 三、升力理论 四、能量方程 五、轴流式泵与风机的基本型式 第54页/共67页 三、升力理论 1.升力理论： 机翼上表面弯曲，下表面平 坦，当机翼与空气相对运动时 ，流过上表面的空气在同一时 间内走过的路程比流过下表面 的空气的路程远。因此，在上 表面的空气的相对速度快。 贝努力定律：流体对周围 的物质产生的压力与流体的 相对速度成反比。 故：上表面的空气给机翼 的压力小于小表面的压力， 产生了升力。 第55页/共67页 三、升力理论 2.翼型的主要几何参数： 骨架线（中弧线）-翼型的基 础 前缘点与后缘点 弦长 翼展-机翼的长度 厚度-上下表面

25、之间的距离 冲角-气流的方向与弦长的 夹角 第56页/共67页 1-2 轴流式泵与风机的叶轮理论 一、概述 二、流体在叶轮内的流动分析 三、升力理论 四、能量方程 五、轴流式泵与风机的基本型式 第57页/共67页 四、能量方程 能量方程同样适用于轴流式 叶轮进出口叶轮直径相同，流量相同，所以有： u1=u2=u v1r=v2r )( g 1 g u11u22 T T uu q P H V g ww g uu g H 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 T 第58页/共67页 四、能量方程 )ctgctg( g u )( g 1 g 21 r2 u11u22 T T uu q P H V g ww g g ww g uu g H 22 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 T 第59页/共67页 讨论 1u1=u2，轴流式泵与风机扬程（全压）远低于离心式 2当1=2 ，HT=0，要想使流体由叶轮获得能量，必须 21，令 =2-1 为气流转折角，其值越大，获得的能量越 大。 3为提高流体的压力能，必须w1w2,即：入口相对速度要 大于出口相对速度。 4必须指出：该