泵与风机-P2-2

1、第二节第二节 轴流式泵与风机的叶轮理论轴流式泵与风机的叶轮理论轴流式泵与风机的特点轴流式泵与风机的特点流体在叶轮中的运动及速度三角形流体在叶轮中的运动及速度三角形能量方程及其分析能量方程及其分析轴流式泵与风机的基本类型轴流式泵与风机的基本类型一、概述 工作原理：工作原理：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。 轴流式泵与风机的特点：轴流式泵与风机的特点： 1流体沿轴向进入叶轮，沿轴向流出叶轮。 2流量大，扬程（风压）低； 轴流式泵与风机的结构特点：轴流式泵与风机的结构特点： 1结构简单、紧凑，外形尺寸小，重量轻； 2动叶可调轴流泵与风机，变工况调节性能好，高效区较宽。

2、 3. 动叶可调轴流泵与风机，转子结构复杂，制造安装精度高。 4. 噪音较大，特别对动叶可调轴流式泵与风机，其进口或出口需要装设消音器。 轴流式泵与风机，特别是动叶可调式轴流泵与风机，其综合性能优于离心式，因此现代大容量机组的循环水泵与送、引风机多采用这种型式。二、流体在叶轮内的运动及速度三角形二、流体在叶轮内的运动及速度三角形 问题简化：圆柱层无关假设问题简化：圆柱层无关假设流面：把空间运动简化为径向分速为零的圆柱面上的流动，该圆柱面流面：把空间运动简化为径向分速为零的圆柱面上的流动，该圆柱面称为流面。称为流面。相邻圆柱面上的流体微团的流动互不相关，这种简化称为圆柱层无关相邻圆柱面上的流体微

3、团的流动互不相关，这种简化称为圆柱层无关假设。假设。实验证明，略去径向分速，对实际流动具有足够的精确度。实验证明，略去径向分速，对实际流动具有足够的精确度。意义：意义：根据圆柱层无关假设，研究轴流式叶轮内的复杂运动，就可简化为圆根据圆柱层无关假设，研究轴流式叶轮内的复杂运动，就可简化为圆柱面上的运动。柱面上的运动。对轴流式叶轮可做出很多个圆柱流面，每个流面上的流动可能并不完对轴流式叶轮可做出很多个圆柱流面，每个流面上的流动可能并不完全相同，但研究方法是相同的。全相同，但研究方法是相同的。因此，只要研究一个流面上的流动，其他流面上的流动就可按相同方因此，只要研究一个流面上的流动，其他流面上的流动

4、就可按相同方法求得。法求得。（一）平面直列叶栅（一）平面直列叶栅用任意半径用任意半径r及及r+dr的两个同心圆柱面截取一微小圆柱层，将圆柱层的两个同心圆柱面截取一微小圆柱层，将圆柱层沿母线切开，展成平面。叶片被圆柱面截割，形成垂直于纸面厚度沿母线切开，展成平面。叶片被圆柱面截割，形成垂直于纸面厚度为为dr的翼型，在展开平面上各叶片的翼型相同，并等距离排列，这的翼型，在展开平面上各叶片的翼型相同，并等距离排列，这种由相同翼型等距离排列的翼型系列称为平面直列叶栅。种由相同翼型等距离排列的翼型系列称为平面直列叶栅。翼型及叶栅的主要几何尺寸翼型及叶栅的主要几何尺寸1.1.骨架线。通过翼型内切圆圆心的连

5、线，称为骨架线或中弧线，其骨架线。通过翼型内切圆圆心的连线，称为骨架线或中弧线，其形状决定了翼型的主要空气动力特性。形状决定了翼型的主要空气动力特性。2.前缘点、后缘点。骨架线与型线的交点，前端称前缘点，后端称后前缘点、后缘点。骨架线与型线的交点，前端称前缘点，后端称后缘点。缘点。 3.弦长弦长b。前缘点与后缘点连接的直线称。前缘点与后缘点连接的直线称翼弦，翼弦的长度称为弦长。翼弦，翼弦的长度称为弦长。4.翼展翼展l： 垂直于纸面方向叶片的长度垂直于纸面方向叶片的长度(机翼的长度机翼的长度)称翼展称翼展5.展弦比：翼展展弦比：翼展l与弦长与弦长b之比称展弦比之比称展弦比6.弯度弯度f ： 弦长

6、到骨架线的距离，称为弯度或挠度。弦长到骨架线的距离，称为弯度或挠度。7.厚度厚度： 翼型上下表面之间的距离，称翼型厚度。翼型上下表面之间的距离，称翼型厚度。8.冲角冲角 ： 翼型前来流速度的方向与弦长的夹角称冲角，冲角在翼弦以下时翼型前来流速度的方向与弦长的夹角称冲角，冲角在翼弦以下时为正冲角如图所示，以上时为负冲角。为正冲角如图所示，以上时为负冲角。9.前驻点、后驻点：前驻点、后驻点： 来流接触翼型后，开始分离的点来流接触翼型后，开始分离的点(此点速度为零此点速度为零)，称，称前驻点；流体绕流翼型后汇合的点前驻点；流体绕流翼型后汇合的点(此点速度为零此点速度为零) ，称为后驻点。，称为后驻点

7、。叶栅的主要几何参数叶栅的主要几何参数1.列线或额线：叶栅中翼型各对应点的连线称为列线或额线。列线或额线：叶栅中翼型各对应点的连线称为列线或额线。2.栅距栅距t ： 叶栅中相邻两翼型间的距离。叶栅中相邻两翼型间的距离。3.栅轴：栅轴： 与列线垂直的直线，称为叶栅轴线。与列线垂直的直线，称为叶栅轴线。4.稠度稠度 ：弦长与栅距之比。：弦长与栅距之比。5.安装角：安装角： 翼型与列线之间的夹角，称为翼型在叶栅中的安装角。翼型与列线之间的夹角，称为翼型在叶栅中的安装角。zrt2（二）速度三角形（二）速度三角形v = u + wv的分速度：的分速度：绝对速度v圆周分速度vu轴面分速度vm径向速度vr轴

8、向速度vaauvvv对轴流式叶轮，因为vr=0，所以va=vm一般知道u、va和vu三个条件，即可做出叶轮进、出口速度三角形1.1.进口速度三角形进口速度三角形（1 1）圆周速度）圆周速度u1 （2 2）轴向速度）轴向速度v1a 式中：式中： D D1 1圆柱面流所在的直径，圆柱面流所在的直径，m m； D D2 2叶轮外径，叶轮外径，m m； d dh h轮毂直径，轮毂直径，m m3 3/s/s； V V- -容积效率，容积效率，% %。 排挤系数排挤系数 6011nDu 4v2h22va1dDqv排挤系数排挤系数 式中：式中： maxmax翼型的最大翼型的最大厚度；厚度； a a翼型安装角

9、；翼型安装角； t t栅距。栅距。（3 3）绝对速度圆周分速）绝对速度圆周分速v1u。 由吸入条件决定，由吸入条件决定，v1u =0 =0，由此可知相对速度方向，从由此可知相对速度方向，从而确定叶片安装角而确定叶片安装角 sin321amaxt2.2.出口速度三角形出口速度三角形（1 1）圆周速度）圆周速度u u2 2, , u u2 2 = = u u1 1 = = u u（2）轴向速度）轴向速度v2a， v2a= = v1a = = va （3）绝对速度圆周分速）绝对速度圆周分速v2u ，由能量方程确定：，由能量方程确定： Tu2ugHv说明：说明：1.1.轴流式叶轮中由于流体沿相同半径的

10、流面流动，因而流面进出口轴流式叶轮中由于流体沿相同半径的流面流动，因而流面进出口处的圆周速度相同处的圆周速度相同u u2 2 = = u u1 1 = = u u2.2.由于叶轮进出口过流断面面积相等，根据连续性方程，对于不可由于叶轮进出口过流断面面积相等，根据连续性方程，对于不可压缩流体，流面的进出口的轴向流速相同压缩流体，流面的进出口的轴向流速相同v2a= = v1a = = va 能量方程式能量方程式离心式泵与风机用动量矩定理推导出来的能量方程式仍适用于轴流式泵与风机，所离心式泵与风机用动量矩定理推导出来的能量方程式仍适用于轴流式泵与风机，所不同的是轴流式流体进出口的圆周速度、轴面速度相

11、等不同的是轴流式流体进出口的圆周速度、轴面速度相等 )cot(cot21aT vguHgww gvvH2222212122T)cot(cot21aTuvp能量方程式分析能量方程式分析(1)因为因为u2 ul = u，故流体在轴流式叶轮中获得的总能量远小于离心式。因而，轴，故流体在轴流式叶轮中获得的总能量远小于离心式。因而，轴流式泵与风机的扬程流式泵与风机的扬程(全压全压)远低于离心式。远低于离心式。(2)当当1=2时，时，HT0，及流体不能从叶轮中获得能量。要使及流体不能从叶轮中获得能量。要使流体流体从叶轮中从叶轮中获得能量，获得能量，必须使必须使21，令令=2-1为气流转折角，则转折角越大，

12、获得的能量越大。为气流转折角，则转折角越大，获得的能量越大。(3)为了提高流体为了提高流体通过叶轮后通过叶轮后获得的压力能，获得的压力能，必须使必须使wl w2，即入口相对速度大于出即入口相对速度大于出口相对速度，常用的方法是使叶轮入口断面小于出口断面，过多采用进口为圆形的口相对速度，常用的方法是使叶轮入口断面小于出口断面，过多采用进口为圆形的机机翼型叶片。翼型叶片。)cot(cot21aT vguHgww gvvH2222212122T)cot(cot21aTuvp叶栅翼型的来流速度的计算：叶栅翼型的来流速度的计算： 叶栅翼型的绕流，将影响来流速度的大小和方向。一般取叶栅前后的相对速度叶栅翼

13、型的绕流，将影响来流速度的大小和方向。一般取叶栅前后的相对速度w2和和wl的几何平均值的几何平均值w作为无限远处的来流速度，其大小和方向由叶栅进出口的速作为无限远处的来流速度，其大小和方向由叶栅进出口的速度三角形的几何关系来确定。度三角形的几何关系来确定。2u1uaua2arctanarctanwwwww2u2u12a2u2u12a22vvuvwwww轴流式泵与风机的基本型轴流式泵与风机的基本型轴流式泵与风机的类型轴流式泵与风机的基本型式。轴流式泵与风机的基本型式。(1)单个叶轮，没有导叶。单个叶轮，没有导叶。 出口速度三角形显示，绝对速度出口速度三角形显示，绝对速度v2可分解为轴向分速可分解

14、为轴向分速v2a和圆周分速和圆周分速v2u 。其中圆周分速。其中圆周分速v2u 使流体产生旋转运动，从使流体产生旋转运动，从而产生能量损失。而产生能量损失。 这种叶轮只适合于低压轴流风机。这种叶轮只适合于低压轴流风机。轴流式泵与风机的基本型式。轴流式泵与风机的基本型式。(2)单个叶轮后设置导叶。单个叶轮后设置导叶。 出口导叶可消除叶轮出口处流体的圆周分速出口导叶可消除叶轮出口处流体的圆周分速v2u，使之成，使之成轴向运动，并使这部分旋转动能转换为压力能。轴向运动，并使这部分旋转动能转换为压力能。 出口导叶还可减小由于叶轮旋转运动造成的损失，提高出口导叶还可减小由于叶轮旋转运动造成的损失，提高效

15、率。效率。 这种叶轮这种叶轮 常用于高压轴流泵与风机。常用于高压轴流泵与风机。轴流式泵与风机的基本型式。轴流式泵与风机的基本型式。(3)单个叶轮前设置导叶。单个叶轮前设置导叶。 入口导叶使流体流入叶轮后产生与叶轮旋转方向相反的入口导叶使流体流入叶轮后产生与叶轮旋转方向相反的旋转速度，即产生负预旋。此时旋转速度，即产生负预旋。此时v1u0，在设计工况下，在设计工况下，v2u=0 ；非设计工况下，；非设计工况下，v2u0 ，又由于入口相对速度较大，又由于入口相对速度较大，能量损失较大，使得效率低。能量损失较大，使得效率低。优点：优点： 1）在转速和叶轮尺寸相同时，由于负预旋的存在，使流体）在转速和叶轮尺寸相同时，由于负预旋的存在，使流体可获得较高能量。因此，获得相同能量时，叶轮尺寸可以减可获得较高能量。因此，获得相同能量时，叶轮尺寸可以减小。小。2）工况变化时，冲角的变动较小，效率变化较小。）工况变化时，冲角的变动较小，效率变化较小。3）若前导叶做成可调节的，则工况变化时，随工况的改变）若前导叶做成可调节的，则工况变化时，随工况的改变调节前导叶，可是在变工况下仍能保持较高效率。调节前导叶，可是在变工况下仍能保持较