泵与风机课件(2)

1、华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans1 1 叶片式泵与风机的基本理论叶片式泵与风机的基本理论 讨论泵与风机的讨论泵与风机的，就是要，就是要研究研究，从而，从而找出找出，确定适宜的，确定适宜的流道形状，以便流道形状，以便。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPum

2、ps and Fans1 1 叶片式泵与风机的基本理论叶片式泵与风机的基本理论 由图不难看出，欲开展对叶片式泵与风机的基本理论的由图不难看出，欲开展对叶片式泵与风机的基本理论的研究工作，研究工作，。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 1-1 1-1 流体在叶轮内的流动分析流体在叶轮内的流动分析 二、流体在二、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 （一）叶轮流道投影图及其流动分析假设（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设 （二）叶轮内

3、流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形 （一）叶轮流道投影图及其流动分析假设（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设 （二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形 华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 叶轮流道投影图叶轮流道投影图用途：机械加工制造，引进设备国产化。用途：机械加工制造，引进设备国产化。轴面投影图轴面投影图平面投影图平面投影图华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流

4、体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 叶轮流道投影图叶轮流道投影图（简化后）平面投影图平面投影图图图 1-2 叶轮投影图叶轮投影图轴面投影图轴面投影图华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 2流动分析假设流动分析假设 （1 1）叶轮中的）叶轮中的（5 5）流体在叶轮内的流动是）流体在叶轮内的流动是。 （2 2）流体为）流体为，

5、即忽略了流体的粘性。因此可暂，即忽略了流体的粘性。因此可暂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。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 3）流动为）流动为，即流动不随时间变化。，即流动不随时间变化。 （4 4）流体是）流体是的。的。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 叶轮内流体的运动及其速度三角形叶轮内流体的运动及其速度三角形 因此，流体在叶轮内的运动是一种因此，流体在叶轮内的运动是一种uw牵连

6、运动牵连运动 相对运动相对运动 绝对运动绝对运动 华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 （二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形绝对速度角绝对速度角 流动角流动角 速度三角形是研究流体在叶速度三角形是研究流体在叶轮内能量转化的基础。若已知流轮内能量转化的基础。若已知流体在叶片体在叶片和和处（分别用处（分别用下标下标“ 、 ”表示）的情况，经比表示）的情况，经比较，可得流体流经叶轮后所获得较，可得流体流经

7、叶轮后所获得的能量。的能量。 下标下标“ ”表示表示时的参数时的参数。 y y 叶片安装角叶片安装角华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、流体在一、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 （二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形速度三角形的计算速度三角形的计算绝对速度角绝对速度角 流动角流动角 y y 叶片安装角叶片安装角u=cos，周向分速周向分速r=sin，径向分速径向分速u=60Dn （2）绝对速度的径向分速）绝对速度的径向分速r为：为： （3）

8、2及及 1角：角： 当叶片无限多时，当叶片无限多时，2=2y；而而2y在设计时可根据经验选取。同样在设计时可根据经验选取。同样1也可根据经验、吸入条也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。件和设计要求取定。 22TrbDqV理论流量理论流量绝对速度分解绝对速度分解 华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans 叶轮流道投影图叶轮流道投影图列线列线列线列线弦长弦长叶片安装角叶片安装角栅距栅距华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and

9、 FansPumps and Fans二、流体在二、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 （一）叶轮流道投影图及其流动分析假设（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设 （1 1）认为流体流过轴流式叶轮时，与飞机在大气中飞行）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，十分相似，。 （2 2），即认为叶轮中流体微团是在以，即认为叶轮中流体微团是在以泵与风机的轴线为轴心线的圆柱面（称为流面）上流动，且泵与风机的轴线为轴心线的圆柱面（称为流面）上流动，且相邻两圆柱面上的流动互不相干，也就是说，相邻两圆柱面上的流动互不相干，也就是说，。 除可以采用研究离心式泵与风机时所采用的方法外，常除可以采

10、用研究离心式泵与风机时所采用的方法外，常做如下假设：做如下假设： 华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans二、流体在二、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 1 1流体在叶轮内的运动仍是一种流体在叶轮内的运动仍是一种uw圆周速度圆周速度u 仍为：仍为：u=60Dn在同一半径上，在同一半径上，u1= u2=u，且且 w1a=w2a=wa=1a=2a=a华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and F

11、ans二、流体在二、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的流动分析 （二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形与离心式叶轮比较，不同点有：与离心式叶轮比较，不同点有：4/ )(2h22TDDqVa理论流量理论流量轮毂直径轮毂直径Dh与与比较，不同点是：比较，不同点是：叶栅改变了栅前来流的方向和大小，即：周向速度分叶栅改变了栅前来流的方向和大小，即：周向速度分量。量。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans =(1+2)/2 二、流体在二、流体在叶轮内的流动分析叶轮内的

12、流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形在进行叶栅计算时，以在进行叶栅计算时，以几何平均值几何平均值w等价于单个翼型等价于单个翼型时无穷远处的来流速度，其速度三角形如图所示。时无穷远处的来流速度，其速度三角形如图所示。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans一、能量方程式的推导一、能量方程式的推导1-2 1-2 叶片式泵与风机的能量方程式叶片式泵与风机的能量方程式 二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程

13、组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans 利用流体力学中的动量矩定理，可建立叶片对流体作功利用流体力学中的动量矩定理，可建立叶片对流体作功与流体运动状态变化之间的联系。与流体运动状态变化之间的联系。 1、前提条件、前提条件 2、控制体和坐标系、控制体和坐标系（相对） 叶片为“”, =0, =const., , =const.，轴对称。0t相对坐标系相对坐标系控制体控制体 2 速度矩速度矩华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans 3

14、、动量矩定理及其分析动量矩定理及其分析 在稳定流动中，在稳定流动中，M=K。且，单位时间内流出、流进控且，单位时间内流出、流进控制体的流体对转轴的动量矩制体的流体对转轴的动量矩K 分别为：分别为： （2）由表面力产生的力矩。它包括叶轮前、后盖板）由表面力产生的力矩。它包括叶轮前、后盖板, 1-1和和2-2控制面外的流体及叶片对流体的作用力矩。由假设可知，控制面外的流体及叶片对流体的作用力矩。由假设可知，。K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1 作用在控制体内流体上的外力对转轴的力矩作用在控制体内流体上的外力对转轴的力矩 M 有：有： （1）由质量力所

15、产生的力矩。由于对称性，质量力对转）由质量力所产生的力矩。由于对称性，质量力对转轴的力矩之和为零。轴的力矩之和为零。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans 3、动量矩定理及其分析动量矩定理及其分析 M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)当叶轮以等角速度旋转时，则当叶轮以等角速度旋转时，则原动机通过转轴原动机通过转轴传给流体传给流体的功率为：的功率为： 由于由于u2=r2、u1=r1、2u=2cos2、1u=1cos1，代入上式得代入上式得 ：P=M=qVT (2r2cos2-1r1

16、cos1)P=qVT(u22u- u11u)华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans 3、动量矩定理及其分析动量矩定理及其分析 则则，即，即为：为： )(g1gu11u22TTuuqPHV（m） （Pa）pT=gHT= (u22u- u11u)则则，即，即为：为： 上两式对轴流式叶轮也成立，故称其为上两式对轴流式叶轮也成立，故称其为，又称欧拉方程式（，又称欧拉方程式（Euler.L ，1756.）。）。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机

17、 Pumps and FansPumps and Fans一、能量方程式的推导一、能量方程式的推导1-2 1-2 叶片式泵与风机的能量方程式叶片式泵与风机的能量方程式 二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans能量方程式能量方程式把叶轮对流体所做的功与流体的运动参数联把叶轮对流体所做的功与流体的运动参数联系起来了系起来了，所以它是，所以它是。在推导过程中，。在推导过程中，由于由于避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题，只涉及叶轮进、避开了流体在叶轮内部复杂

18、的流动问题，只涉及叶轮进、出口处流体的流动情况出口处流体的流动情况。因此，。因此，。 1 1、分析方法上的特点、分析方法上的特点: :二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析、理论能头与被输送流体密度的关系、理论能头与被输送流体密度的关系: :。即：如果叶轮的尺寸、转速相同，流量相等，无。即：如果叶轮的尺寸、转速相同，流量相等，无论输送何种流体，都可得到相同液柱或气柱高度的理论扬程；论输送何种流体，都可得到相同液柱或气柱高度的理论扬程；但理论全压是不同的。但理论全压是不同的。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansP

19、umps and Fans （1）吸入条件。在上式中）吸入条件。在上式中u11u反映了泵与风机的吸入反映了泵与风机的吸入条件，减小条件，减小u11u也可提高理论能头。因此，在进行泵与风也可提高理论能头。因此，在进行泵与风机的设计时，一般尽量使机的设计时，一般尽量使190（即流体在进口近似为（即流体在进口近似为径向径向或轴向流入或轴向流入，1u0），以获得较高的能头。），以获得较高的能头。 、提高无限多叶片时理论能头的几项措施、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析)(g1gu11u22TTuuqPHV华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学

20、及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans、提高无限多叶片时理论能头的几项措施、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析 （2）叶轮外径）叶轮外径D2和转速和转速n。因。因u2=2D2n/60，所以，所以，。但增大。但增大D2会会受到泵与风机的效率、结构尺寸、重量和制造成本、材料强受到泵与风机的效率、结构尺寸、重量和制造成本、材料强度、工艺要求等的限制。提高转速，可以减小结构尺寸和重度、工艺要求等的限制。提高转速，可以减小结构尺寸和重量，可降低制造成本，同时，对效率等性能也会有所改善。量，可降低制造成本，同时，

21、对效率等性能也会有所改善。因此，因此，。目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r/min。但是转速的提高也受到材料强度、泵的汽蚀性能但是转速的提高也受到材料强度、泵的汽蚀性能和风机噪声的限制。和风机噪声的限制。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans、能量方程式的第二形式：、能量方程式的第二形式： 二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析 （3）绝对速度的沿圆周方向的分量）绝对速度的沿圆周方向的分量2u。提高。提高2u也可也可提高理论能头，而提高理

22、论能头，而2u与叶轮的型式即出口安装角与叶轮的型式即出口安装角2y有关，有关，这一点将在第三节中专门讨论。这一点将在第三节中专门讨论。、提高无限多叶片时理论能头的几项措施、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：由叶轮叶片进、出口速度三角形可知：由叶轮叶片进、出口速度三角形可知： )(21cos222uiiiiiiiwuu其中其中i=1或或 i=2，将上式代入理论扬程，将上式代入理论扬程HT 的表达式，得：的表达式，得： 华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans、能量方程式的第二形式：、能量方

23、程式的第二形式： 二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析ggwwguuHT222212222212122dstHH 第一部分第一部分Hst：共同：共同。对于轴流式泵与风机，由于。对于轴流式泵与风机，由于u1=u2=u，所以，所以Hst的第一的第一项等于零，这说明，项等于零，这说明，；为了提高轴流式泵与风机的静能头，；为了提高轴流式泵与风机的静能头，就必须设法提高就必须设法提高w1，为此，应使叶片进口面积小于其出口，为此，应使叶片进口面积小于其出口面积。实际中常常将轴流式叶轮叶片进口处稍稍加厚，做成面积。实际中常常将轴流式叶轮叶片进口处稍稍加厚，做成翼形断面（翼形断面（2y1y）就是方法之一。

24、）就是方法之一。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans、能量方程式的第二形式：、能量方程式的第二形式： 二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析 第二部分第二部分Hd：（或简称动压头）。这项动能头要在叶轮后的导叶或蜗壳中（或简称动压头）。这项动能头要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转化为静能头（或称静压头）。但是，从流体力学的部分地转化为静能头（或称静压头）。但是，从流体力学的观点看，观点看，。因此，。因此，在设计泵与风机时，为了提高在设计泵与风机时，为了提高泵与风机的效率，一方面应力求降低

25、动能头的比例泵与风机的效率，一方面应力求降低动能头的比例，另一方，另一方面又面又尽量使导流部分设计得合理，使流线平顺以减少损失。尽量使导流部分设计得合理，使流线平顺以减少损失。华北电力大学华北电力大学流体力学及泵与风机课程组流体力学及泵与风机课程组泵与风机泵与风机 Pumps and FansPumps and Fans二、二、能量方程式的分析能量方程式的分析 最后应当指出，由于能量方程是建立在流动分析的几个最后应当指出，由于能量方程是建立在流动分析的几个基本假设基础之上的，按照这些假设，叶轮所供给流体的能基本假设基础之上的，按照这些假设，叶轮所供给流体的能量，应不折不扣地全部被流体所获得。这