第一章叶片式流体机械概况

第一章：叶片式流体机械概述§1-1叶片式流体机械的工作过程叶片式流体机械中的能量转换，是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的流体介质之间进行的。叶片与介质间的作用力是惯性力。该力作用在转动的叶片上，因而产生了功（正或负视力矩和叶轮运动方向而定）。一、叶片式流体机械的组成元件｛吸入部分（直锥形，环形，半螺旋形）蜗壳（导水机构）鄙U7蜗壳外形图i-撬号水机构的类型t/向式肩御呵式.■/轴幽式｛叶轮转轮涡轮图1-0水轮机转轮结帽t混肃式b｝勒瓦竟Q觑哄心为击式（蜗壳（导流器，导叶）尾水管以风扇或泵为例说明特点特点：①具有一个带有叶片的转子工作时介质对叶片连续绕流介质作用于叶片的力是惯性力部分流体机械有一个静止的叶栅。以轴流式流体机械为例说明工作过程在上述例子中，转子叶片在自由空间转动，经过叶轮的介质，由于叶片力矩的作用，而有一个圆周方向的速度分量。依动量矩定理流出叶轮的液体有一个圆周方向的分速度，在叶轮后，由于该分速度引起附加的能量损失，为了消除这个损失故在叶轮后增加一个静止的导叶（叶栅）用来消除介质的圆周分速度。这种流体就有一个静止的叶栅，简称导叶。我们主要研究的也是这种机械。在轴流式原动机中（T），介质沿轴线方向先进入导叶，导叶的作用是使得介质速度的大小及方向发生了变化，切一部分压力能转换为圆周方向速度所对应的动能。然后介质进入转轮，由于转轮叶片的作用，使介质的速度方向又变为轴线方向。与速度的方向发生改变时由于惯性作用引起作用于叶片的力矩使转轮旋转。转轮带动轴旋转，轴带动发电机或其他机械旋转，从而使流体的能量转换为电能或机械能。为了最大限度利用流体的能量，理论上从转轮流出的介质不再有圆周方向的运动。（压力为最小，此压力是多少？）?l'r相反，作为工作机（P），介质及叶片转动的方向和原动机刚好相反，介质从轴向进入叶轮，从叶轮中流出的介质具有圆周方向的速度分量，然后在导叶作用下消除圆周运动又回到轴?l'r从上面的讨论还可以得出：①叶片式流体机械介质速度圆周分量的变化即叶轮前后介质动量矩的变化与能量转换过程有紧密的关系。②介质在进入或流出流体机械前后都没有圆周方向的分量（即介质对转轮轴线的动量矩为零），也就是说介质动量矩的变化是在转轮内产生的。而研究流体机械就是设法使能量转换的效率在转轮内尽可能的高（在满足工作的前提下）。在轴流式流体机械中，轴面上（以后解释），介质的流动方向（m-x）是和轴线平行的，故叫轴流式。@1-1麟流式流悻机械有图|一动"（叶轮）—侍心7—原动机P—工书@1-1麟流式流悻机械有图|一动"（叶轮）—侍心7—原动机P—工书•:扒若在轴面上，流体流动方向，既不是径向，也不是;:轴向，叫混流式，见图（1-3）注意：在轴流式流体机械中，动量矩的变化仅体现在流体质点圆周速度的变化上。而在径流或混流式流体机械中，动量矩的变化不仅：体现在流体质点圆周速度的变化上，而且体现在流体质1:点距轴线距离的变化上。，"."《5州1二另外，对于原动机T，流体介质经过导叶后，速度增加而压力降低，一部分压力能转换成速度能。在转轮中，介质的压力能和速度能都有一部分转换成机械能。若介质流出转轮后，速度、压力进一步降低，这种叶轮机械叫反击式或反动式。对于工作机则相反。另外，对于原动机如果导叶出口处压力已降为零，则介质在动叶中将只有速度变化而无压力变化，此种叶轮机械叫冲击式或冲动式。在冲击式叶轮机械中，工作介质一般只从叶轮整个圆周的一部分进入叶轮。即在叶轮旋转一周过程中，工作介质通常只从叶轮整个圆周的一部分进入叶轮，也就是说，在叶轮叶片旋转一周的过程中，只有一部分时间予于能量的交换，一部分时间不参与。如冲击式水轮机，静叶是一个喷嘴；图1-4的汽轮机，喷嘴仍然为叶栅形状，蒸汽仍然是从部分圆周进入动叶片。图z汽轮机简图心轴极面m圆杆面展开1—莎叶2-啧嘴（静叶）§1-1叶片式流体机械的主要性能参数表征流体机械性能的参数叫性能参数一、流量q单位时间内通过机器的介质的量（体积或质量）称为流量。体积流量qvm3/sL/sm3/n质量流量qmkg/skg/minkg/h特点：依质量守恒定律，流体机械在稳定条件下工作时，如果忽略机器内部的泄露，通过流体机械各断面的质量流量是相同的。对不可压缩介质，qv也将保持不变。对于可压缩介质，体积随压力和温度的变化而变化，所以，各断面的体积流量也将是不同的（在质量流量qm保持不变）。在通风机中，将体积流量也称为风量。二、水头，扬程，压力，能量头，压缩比是单位质量（体积）的介质与叶轮所交换的能量，是衡量叶轮做功能力的参数。此参数可用机械进入出口断面单位质量（或体积）介质所具有的能量的差值来衡量。不同的流体机械叫的名字不同。＜一＞不可压介质a）液体介质：泵、水轮机以液体为工作介质，以液柱高表示单位重力的液体具有的能量方便直观。在水轮机中进出口能量的差值叫水头，在叶片泵中叫扬程。单位为m（Nm/N=m）。对于不可压介质，不需要考虑内能的变化，所以能量差值只有压力能、位置能、及速度能。贝贝对不可压介质有：H=±[♦—Pi+C；—C2+（Z-Z）]Pg2g21±分别用于泵（介质吸收能量），水轮机（介质放出能量）（i）对于水轮机定义：Hst电站静水头，是上下游水位差由于上下游水面一般均为大气压Ps=Pp=1atm上下游水库河道流速一般很小，故电站水头H'=Pp-Ps+C―C+z-z"HPg2gpsst考虑引水管路损失AH，故水轮机水头和水电站水头关系为：H=Hst-AH（ii）泵a）装置扬程HG：表示泵将单位重力液体介质从下游容器抽到下游容器所需要做的功图1-C.水头F插理的定又H水■抽静发裁曾:—进|】斯而w-Sb口益而P-上溶水面5—依定义：H'=Pp-Ps+C_C2+七—七+AHAH为管路损失Pg2gps一般容器的流速很小，故又可定义装置静扬程为：H=P^+z—zstpgds一般泵稳定工作时，Hg=H,故有H=HG=Hst+AH泵的扬程是单位重量的液体泵进口能量的增量(H)。扬程：指泵本身具有特性的参数，和抽送液体种类无关。但和泵所处地方的位置有关，即和重力加速度有关，在不同的重力条件下，H值不同，在失重条件下，H无意义，但一般泵用在地球上，g相差不大，故可以。能量头：如果用质量作为液体量的度量，得到一个与重力无关的能量指标，称为能量头(或叫比能，比功)它是单位质量液体在流体机械进出口液体具有的能量的差值,hh=gH=±[P2Pi+匕——土+g(z-z)]单位：N-m/kg=m2/s2P221(iii)风机:工作介质是气体，但由于进出口压力变化很小，工程上仍可以将其流动的内介质视为不可压缩流体。对于风机进口出口，能量差如何表示？一般用压升来表示风机进出口断面上单位体积(1m3)气体能量差值，记为PtF，单位Pa(N/m2)能量差值包括压力差值、动能差值，故全压又叫风压。p=p-p+pctzcttFr212

静压PsF,通风机的静压指全压与出口动能之差。C2C2P=P一P寸=P-P+P*SFtF2212风机一般不用液柱高表示（二）可压缩介质当介质可压缩时，介质的能量变化包括宏观的动能及介质的内能。而内能的大小与介质的焓值有关，介质流过机械后焓值的变化量，不仅和叶轮所作的功大小有关，而且与机器内部的热力学过程及热量传递有关。故在透平压缩机中，用能量头表示单位质量（1kg）气体的能量变化量，故h=h-h+°2-T=c（T-T）+C；-T（式中忽略了重力作的功）212P21当不考虑损失时，上式还可写为（h=u+pv）h=Jh=J2vdP+12上式说明，叶轮对气体作的功，一部分使气体压力升高，另一部分使速度增加，而压力的升高，体现为焓值的增加.对于压缩机，用能量的变化量并不能完全的反映叶轮做功能力，因为，对于可压介质，机器的工作状况不仅和进出口压力变化量有关，还和进口压力绝对值及热力学过程有关，（从J2VdP可知）不同压力下，J2VdP不同，这是因为不同压力下体积不同，故在压缩机中用压缩比E表示能4提高的程度。£三、转速n（rpm）四、功率P及效率门功率P对工作机是机器输入功率kw功率P对原动机是机器输出功率i）介质不可压£机器功率P=PgqH=hq=qp机器都有损失存在，故机器功率和流体功率有差值，故曲来衡量损失大小故I=%对于原动机t^^np=P^P对于工作机ii）介质可压效率定义更复杂，这是因为内能变化使焓值变化，影响了机器内部的热力学过程，也改变了机器工作，其效率定义后讲五、特性曲线1-3叶片式流体机械的机构型式一、水轮机的结构】一轴流式水轮机轴流式球轮机的结构如图所示，它的组成部分有引水室（蜗壳）、导水机构、转轮、尾水管等，还有辕、袖承、传动机构等结枸部件a水流从蜗壳玺导水机构流入转轮，推动转轮作功后从尾水管流出。水流在转轮内的运动方向与机器轴线一致，故祢为轴流式注按其叶片是否可在轮毂上转动，又可分为轴流转桨式与轴流定桨式。前者的叶片可通过--套机构带动治着自身的轴线捋期，以适应不同的工况巾图】」1袖流式水检机1一尾水管轮1自定导叶JiS敏导升5—蝌克6-发电机1-12赏流式水轮机1一固定辱汁IE翰导叶3-发电机定于—爰率机转于5--转轮叶片3,混流式水轮机I图1-14理麻式水轮机4.斜流式水轮