第五章 流体机械的典型结构和用途

第五章流体机械的典型结构和用途5.1叶片式流体机械5.2容积式流体机械5.3其他形式的流体机械5.4泵5.5风机和压缩机5.6水轮机和涡轮机5.7流体机械装置

5.1叶片式流体机械

一、叶片式流体机械中的基本概念

绝对坐标系—固连于地球的坐标系；

绝对运动—相对于绝对坐标系的流体运动；

相对坐标系—固连于转动叶轮的坐标系；

相对运动—相对于相对坐标系的流体运动;

牵连运动—绝对坐标系对相对坐标系的运动;图5-1轴面流动图5-2流面和绝对流线图5-3表示了流体的绝对速度、相对速度和牵连速度的关系，由这三种速度矢量组成的三角形称为流体质点运动的速度三角形。图5-3速度三角形二、叶片的作用及欧拉扬程

叶片和流体之间存在相对运动，由于叶片压力面和负面之间的压力差而产生升力。升力的产生机理可以用流体力学中所谓的“环量(circulation)”来加以解释。

环量:

升力:

图5-4速度环量图5-5翼型升力三、离心式流体机械

图5-7介绍了离心式流体机械的结构，图中上半部分是多级泵、下半部分是水轮机的示意图。在叶轮中，叶片前后呈喇叭型的圆板称为盖板，有前后盖板的叶轮叫闭式叶轮，只有后盖板的叫半开式叶轮，前后盖板都没有的称为开式叶轮。图5-6离心式机械离心式流体机械叶轮出口横截面

——圆柱面图5-7离心式流体机械扩压器蜗壳叶轮叶片式流体机械基本公式：

为叶轮直径，为流体密度，为叶轮宽度。其中四、叶片式流体机械反击系数：

反击系数大的叶轮称为反击式叶轮，反击系数小的称为冲击式叶轮。

流量系数，扬程系数的定义如下式中，A为叶轮的特征面积，这里取叶轮出口的环状面积1.性能曲线和叶片出口安放角的关系由上式可知，曲线为一条过（0，2）的直线由叶轮出口速度三角形得：5-8叶片出口安装角和叶片形状

离心式机械转轮（叶轮）内流体的实际三元流动情况，可以近似认为是轴向漩涡与流经不动叶轮时的均匀相对流动的迭加。如图5-8

所示

。

在叶轮进口处，轴向涡旋运动的方向和叶轮的旋转方向相同，其速度三角形如图5-8所示。因此，，该分量的增加是叶轮本身的作用造成的。2.叶轮出口附近流动的滑动

(1)叶片扩压器

(2)无叶扩压器5-9扩压器3.扩压器五、轴流式流体机械

如图5-10所示，轴流式机械由叶轮、壳体和导叶等组成。根据所需要的扬程，分为单级和多级式。图5-10轴流式机械

垂直于翼展轴线的机翼剖面叫做翼型。机翼和翼型的有关几何参数的定义如下：1）骨线—翼型内各内切圆圆心的连线。2）翼弦—翼型前缘和后缘之间的连线。3）厚度—翼型上下面在与翼弦垂直的方向上的距离。4）相对厚度—翼型最大厚度和弦长之比。5）弯度—骨线与翼弦之间的距离，用h表示。（一）翼型及其动力特性6）相对弯度—翼型最大弯度与弦长之比。7）曲率角—翼型后缘点处骨线的切线与翼弦的夹角。8）翼展长度—机翼的横向宽度，简称展长。9）展弦比—展长与弦长之比。图5-11翼型的动力特性a）特性曲线b)极限图1、哥廷根翼型图5-12哥廷根翼型（二）常用翼型2、RAF-6翼型（英国翼型）图5-133、BИΓΜ翼型图5-14BИΓΜ翼型4、NACA翼型图5-15NACA翼型的几何尺寸5、791翼型6、圆弧翼型相同机翼以一定间隔按同样状态直线排列即构成直列叶栅。其主要几何参数有：1）列线—各翼型相应点的连线。2）栅轴—垂直于列线的直线。3）叶栅距—在同一叶栅轴线上，二相邻翼型的相应点间的线段长度。4）叶栅稠密度—即翼型弦长与栅距的比值，有时将其倒数t/l称为叶栅的相对栅距，叶栅稠密度时表示叶栅中翼型排列的疏密程度，是对叶栅性能有重要影响的参数。（三）直列叶栅（5）翼型的安放角—翼型的弦与叶栅列线间的夹角，翼型中线（或骨线）在前、后缘之切线与叶栅列线夹角分别叫做翼型的进口安放角和出口安放角，（6）流动角—流动方向与栅轴之间的垂直距离。（7）转向角—流入角与流出角之差。（8）叶栅宽度—前后缘点叶栅轴线之间的垂直距离。图5-16直列叶栅a)叶栅b)作用力叶栅效率定义为：式中，为总能头，为水力损失。在叶片式流体机械中显然，角越小翼型质量越高，叶栅的效率也就越高。（四）叶栅效率图5-17是横流式机械的工作原理示意图。图5-17横流式流体机械六、横流式流体机械对不可压缩流体，横流式机械的流量和理论扬程由下式计算得：七、冲击式流体机械图5-18冲击式流体机械

图5-19冲击式水轮机的工作原理

冲击式流体机械主要是指冲击式水轮机。如图5-19所示，水由喷管引入，在喷嘴处将压能转换成动能，形成高速射流流入转轮的水斗，冲动转轮旋转以输出动力，水流流量由喷嘴内部设置的针阀控制。射流速度有下式计算：现以图5-19来说明冲击式水轮机的工作原理。单个喷嘴的流量用表示，作用于水斗的圆周方向的力为，根据动量定理功率：转轮效率：流体传动包括液体传动和气体传动。液体传动又分为液压传动和液力传动。图5-20液体传动机构的组成八、流体传动装置的工作原理液力传动分为三大类型：1、液力变矩器视频

2、液力耦合器视频3、液力机械传动容积式流体机械根据运动方式可分为往复式和回转式两类。往复式流体机械通常由两部分组成。一部分是直接和流体进行能量交换的工作端，另一部分是和其他机械进行动力传递的传动端。工作端主要包括缸体，活塞（或柱塞），吸入阀和排出阀。5.2容积式流体机械一、往复式流体机械图5-21工作介质是液体的往复式机械

现以流体的理想工作过程的示功图（图5-21）来说明往复式流体机械的工作原理，所谓理想工作过程是指液体在缸体内没有流动损失，没有泄漏并完全充满缸体。由于液体进出缸体及通过阀门时会产生流动损失，使吸入过程中缸体内的压力小于p1,排出过程中的压力高于p2,用分别表示吸入和排出过程中缸体内的平均压力，则流动效率可如下计算对流体输送机械对流体动力机械以表示轴功率，表示零部件间相对运动时的机械摩擦损失功率，则机械效率定义为：对流体输送机械对流体动力机械总效率可有下式计算：对流体输送机械对流体动力机械几种效率之间的关系如下：工作介质是气体时，如图5-22所示，其容积因压缩和膨胀而发生变化。因此，即使在理想工作状态下，吸入效率也不可能为1.图5-22工作介质是气体的往复式机械对流体输送机械对流体动力机械式中，为吸入口气体密度；n为多变指数；为理想吸入效率。假设理想的往复式机械的压缩或膨胀是多变过程，其质量流量及功率由下式给出实际轴效率有下式计算对流体输送机械对流体动力机械式中，为多变效率。根据转子结构不同，常用的回转式机械有以下几种。

1、啮合式

（1）齿轮式

图5-23齿轮式a)外啮合式b)内啮合式c)内啮合式二、回转式流体机械（2）多叶式

图5-24多叶式a)双叶式b)单叶式c)三叶式b）c）2、螺杆式

（1）单螺杆式

（2）双螺杆式

图5-25单螺杆式图5-26双螺杆式（3）三螺杆式图5-27三螺杆式3、偏心式

（1）滑片式

图5-28滑片式（2）回转滑阀式

（3）摇动滑阀式

图5-29回转滑阀式图5-30摇动滑阀式5.3其他形式的流体机械一、摩擦式图5-31摩擦式二、涡流式图5-32漩涡式三、射流式图5-33射流式机械四、水锤泵图5-35水锤泵图5-34圆管内流动水锤泵演示视频：五、气泡泵图5-36气泡泵六、电磁泵

图5-37导电型电磁泵图5-38磁流体发电

5.4泵

泵的种类很多，主要有叶片泵、容积泵和其他类型的泵(如水锤泵、射流泵等)。泵是一种通用机械，应用极为广泛。用于国民经济的各个部门中，凡是有液体流动的地方，就会有泵在工作。其主要应用范围是：农田排灌、石油化工、动力工业、城市给排水系统、采矿和造船工业、宇航火箭燃料供给以及生命科学领域内如人造心脏等。视频一、叶片泵的结构形式及用途叶片泵的结构型式按其比转速ns的大小及叶轮的型式可分为五大类：旋涡泵、部分流泵、离心泵、混流泵以及轴流泵。按泵轴的位置形式又可分为立式和卧式两大类。如根据压出室型式、吸入方式、叶轮的级数以及不同的使用条件和要求还可分为如下类型。视频叶片泵的使用范围如图5-39所示。由于叶片泵的应用范围很广，各种不同的使用场合，要求叶片泵的结构、材料及传动方式等都有所不同。图5-39叶片泵的使用范围图5-40为国际标准单级悬臂式离心泵的系列型谱图。图5-40单级离心泵系列型谱图

图5-40为国际标准(IS02858)单级悬臂式离心泵的系列型谱图。图中每一产品的使用范围是一个曲线构成的四边形，上面一条曲线就是泵的特性曲线，下面一条曲线是泵叶轮切割后形成的特性曲线，左右边界线是切割抛物线，曲线框中的数字代表泵的型号，其中带有下划线的型号，泵的转速为1475r／min，其余的泵的转速为2950r／min。图5-41为我国制定的双吸泵系列型谱图5-41单级双吸离心泵系列型谱图下面逐一介绍叶片泵的结构形式及主要用途。（一）旋涡泵结构型式及用途旋涡泵的类型及结构形式有W型、WX型及WZ型等几种，其主要工作机构包括叶轮、泵体和泵盖以及由他们组成的环形流道，液体由吸入管进入流道，并经过旋转的叶轮获得能量，被输送到排除管，完成泵的工作过程。W型旋涡泵为单级悬臂式如图5-42所示图5-42W型涡轮泵结构特点：结构简单，零件数少，易加工，成本低．可选用较高的转速，故体积小，重量轻。叶轮与轴都采用滑动配合，可自动调整轴向间隙，轴封可采用软填料密封，也可采用机械密封，装拆方便；整泵结构为轴对称，通用化、标推化程度高，因此安装、运行、维护都十分方便；该型泵既可正转也可反转。

WX型旋涡泵为两级悬臂式离心旋涡泵，如图5-43所示。结构特点：第一级为离心叶轮，第二级旋涡叶轮，该泵抗汽蚀性能较好简单，体积小，重量轻，通用化程度高，便于维修。

WZ型旋涡泵为两端支撑的多级自吸泵。如图5-44所示。结构特点：多级叶轮串联，有两个支撑点，结构较WX型要复杂，但叶轮可自动调整其轴向位置，即叶轮在轴上可自由滑动，安装拆卸，调整轴向间隙及维修都很方便。WX型漩涡泵为两级悬臂式离心旋涡泵，如图5-43所示。图5-43WX型离心涡轮泵1-叶轮2-泵体3-泵轴4-联轴器WZ型漩涡泵为两端支撑的多级自吸旋涡泵，如图5-44所示。图5-44wz多级自吸旋涡泵1-泵轴2-轴承3-注油杯4-出水段5-进水段6-键7-联轴器(二)部分流泵的结构型式及用途部分流泵也称高速离心泵或切线增压泵。泵可以与电机直联，也可以用齿轮经过一级或两级增速而使泵成为高速泵，如图5-55所示。图5-55一级增速部分流泵

结构特点：该型泵叶轮是开式的，叶片呈辐射形状，叶片出口安放角为90度，叶轮与泵体间的间隙较大(一般为2-3mm)，但对泵的性能没有什么影响。这类泵通常情况下是立式布置的。当功率大于160kw时布置成卧式。泵轴与电动机轴或增速箱的输出轴直联，叶轮悬臂地装在轴上。泵的压出口与吸入口布置在同一直线上。有时可在叶轮进口处装设诱导轮以降低泵的汽蚀余量。（三）离心泵结构型式及用途离心泵的结构型式如前列分类表所示。图5-56为离心泵的结构示意图，其叶轮3是具有几个叶片的圆盘，安装在泵轴上和原动机相连接。离心泵结构形式简单，使用维护都很方便，且效率较高，因此使用范围极为广泛。视频图5-56离心泵的结构示意图常用的离心泵的型式有如下几类：1、单级单吸式（IS型、BA型、B型泵等）IS型泵如图5-57所示，包括泵体、叶轮、泵盖、主轴、密封环、悬架轴承、轴套等。图5-57IS型泵图5-58为B型泵的部件图，B型泵又称托架式旋臂泵，是BA型的改进型，两者结构大同小异，主要由泵体、泵盖、叶轮、轴、托架、轴承等组成。图5-58B型泵的部件图2、单级双吸泵（SH型泵）单级双吸泵结构如图5-59所示。图5-59单级双吸泵结构为了减小该型泵机组的占地面积，可将电动机置于较高的位置，以适应于江河边泵站的要求也可以采用立式单级双吸泵型式。如图5-60所示。机泵之间靠传动轴联接，泵转子的轴向力由泵上部的推力轴承承受。图5-60立式单级双吸泵3、多级离心泵（DA型泵）分段式多级离心泵结构型式如图5-61所示图5-61分段式多级泵DG型锅炉给水泵供输送不含固体颗粒的清水或物理化学性质类似于清水的液体。DG型泵是卧式单吸多级分段式锅炉给水泵，泵结构有单毂体和双毂体。高压泵的吸入口和吐出口均垂直向上，其他泵吸入口为水平方向，吐出口为垂直向上，单毂体泵用拉紧螺栓把吸入段、中断、压出段联结成一体，结构图见图5-62。图5-62DG型锅炉给水泵石油化工用Y型油泵如图5-63所示，是一种适用范围较广，输送不含固体颗粒的石油产品的系列液压泵。图5-63石油化工用Y型油泵4、液下离心泵图5-64为立式单吸单级液下离心泵，它抽送温度为-20—140度的碱等有腐蚀性的液体。该型泵的入口为轴向垂直向下，出口为垂直向上，主要有泵体、泵盖、叶轮、轴、接管、轴承架等零部件组成，泵轴上端有两个滚动轴承支撑，轴承用油脂润滑,轴封采用填料密封.图5-64立式单吸单级液下离心泵(四)混流泵结构型式及用途混流泵结构和BA型泵基本上一样，只是叶轮形状不同。和离心泵叶轮相比，混流泵叶轮的进、出口开口值都比较大，叶片长度较短，其形状介于离心泵和轴流泵之间，因此，混流泵的流量较大，扬程较低。比转数较高的混流泵其基本结构形式接近于轴流泵。混流泵常分为蜗壳式和导叶式两种结构，前者结构特点接近于离心泵，后者的结构特点接近于轴流泵。图5-65为蜗壳式混流泵结构，图5-66为导叶式混流泵结构。图5-65蜗壳式混流泵图5-66导叶式混流泵

(五)轴流泵结构型式及用途

轴流泵的特点是流量大、扬程低，广泛应用于平原地区低扬程大流量的农田排灌，以及结水排水，船坞升降水位，火电厂输送循环水等系统中。轴流泵是由喇叭形吸水管，圆筒形泵壳，出水弯管及转动部件等组成。泵的转动部分有叶轮、导水叶和主轴。按照主轴的安放情况可将轴流条分为立式、卧式和斜式三种。

立式轴流泵占地面积小，叶轮淹没在水中、无需灌引水，起动方便。卧式轴流泵虽占地面积较大、但可降低泵站厂房高度，可采用水平中开式，便于维护及检修。

斜式轴流泵兼有立式和卧式结构两者的特点，它无需高大的泵房．有利于采用水平中开式结构，便于安装在江河湖泊沿岸的斜坡上，可使电机处于较高的位置，并可安放在斜坡滑道上，保证电动机在水位升高时不被淹没，水位下降时、泵也能正常工作。

对于轴流泵，当叶轮直径小于250mm时常设计成定桨式，即叶轮叶片与轮毂铸成一整体，叶片角度不可调，对大中型轴流泵，常采用可调叶片角度的叶轮结构型式，类似于轴流转桨式水轮机结构(见图5-67)，这样可扩大泵的使用范围．提高泵的运行效率，减少泵的品种．有利于泵的批量生产、降低成本。图5-67为常见的立式轴流泵结构。图5-67立式轴流泵结构

二、容积泵的结构型式及用途

容积式流体机械是靠密闭空间的容积变化来压送流体的，大致可分为往复式及固转式两种前者是活塞或者柱实在缸体内做往复运动的，后者是具有各种形状的转子在壳体内做回转运动的。这里介绍作为液体机械的容积式泵，包含有往复泵及回转泵两种。

（一）往复泵结构型式及用途

往复泵是靠活塞或者柱塞的往复运动吸入液体并把液体送到高压侧的。作为水泵，它从前被广泛地当作通用泵来使用，主要是由于它具有能够产生很高的排出压力的特点，也用在锅炉给水泵上。但是近年来，出于离心泵性能的大大提高，适用范围扩大，而且己扩大到了往复泵的使用范围，所以现在很少将往复泵当作通用水泵来使用，而更多的是把它当作油泵来使用。适用于流量小而压力高的场合。在这种小流量范围内，往复泵具有比离心泵优越的特性：往复泵的效率高，能自吸，运转过程中几乎没有噪声；能在高压下输送小流量；适用于输送粘稠物料，而且能够提供精确计量的体积流量等。根据这些特性。往复泵特别适合于小流量供水，化学工业，产生驱动水压机加压水，输送油类，以及做成计量泵等。往复泵理论瞬时流量q与活塞运动速度关系为式中，r为曲柄半径；ω为角速度；L为连杆的长度;χ为活塞到曲柄旋转中心的距离；θ为曲柄所处位置角，如图5-68所示。图5-68曲柄转角和活塞运动

往复泵的总体结构可分为两大部分，一部分是液力端，它包括液缸、柱塞或活塞、阀填料函、集流腔和缸盖等，另一部分为动力端，它是由曲轴、连杆、十字头、中间杆、轴承和机架等组成的。其基本结构形式为具有滑动轴承或滚动轴承的卧式和立式两种。往复泵与其他型式泵相比，具有压力高，吸上性能良好，起动时不需要注水等优点，但往复泵却不能像其他泵那样用压水阀调节流量，更不能像离心泵那样在关死状态下运行。因此在往复泵装置中必须设有安全阀及其他的安全设备，另外还须特别注意活塞与泵缸接触部分以及柱塞杆经过泵缸滑动部分的填料磨损与损坏的问题。

图5-69为2Q-G系列型蒸汽往复泵结构，该型泵由三部分组成，即汽缸、液缸和中间联接体部分。图5-692Q-G系列蒸汽往复泵结构图(1)汽缸部分汽缸体由灰铸铁制成，通过联接支架与地基固定，缸体内部活塞上装有铸铁活塞环，两缸体上方配汽箱内各有一个平板配汽阀。汽缸进汽压力小于1．569MPa的泵，配汽箱上盖设有冷凝式给油杯。用以润滑配汽阀的摩擦表面以及汽缸内壁及活塞环。

(2)液缸部分液缸体也由灰铸铁制成，缸体内壁压入铜套，下面通过联接支架与地基固定。每个缸体上方成对设置两个吸入阀，两个排除阀。（3）中间联接体部分

中间联接体两端与汽缸、液压缸相连，上方固定着中心支架。（4）润滑配汽阀摩擦面、汽缸内壁及活塞的润滑当进气压力不超过1.569MPa时，由设置在配汽箱上盖上的冷凝式油杯供应稀油润滑，当进气压力高于1.569MPa时则由强制机构给油。其他存在相对运动的部位（如中心支架的摇杆等）的润滑，均采用人工定期加油。图5-70为IDBM-1.2/10型隔膜计量泵结构图图5-70IDBM1.2/10型隔膜式计量泵结构图图5-71为3DSL型三柱塞泵结构图5-713DSL型三柱塞泵结构图

(二)回转泵结构及用途回转泵在原理上与往复泵同属于容积式泵，它与往复泵不同的是往复泵使用做往复运动的活塞或柱塞，而回转泵则使用做回转运动的的转子，并且在往复泵上，阀门是泵工作不可缺少的部件，但在回转泵上却没有使用阀门的必要，同时回转泵的液体流量是连续的，没有液体流量的加速和减速情况的存在。在结构上取消了曲柄传动机构，使得回转泵的结构较为简单，其结构形式大致可分为齿轮式及滑片式两种。齿轮泵结构示意图如图5-72所示。螺杆泵也属于这一类，它是靠主动件和从动件在泵壳内旋转，将充满齿轮齿槽或螺杆啮合空间的液体输送出去。图5-72齿轮泵具体过程分析如下：在吸入侧，两个相互啮合的齿轮齿槽充满了液体。液体从进口流入，其方向与齿轮旋转方向相反。由于齿轮四周有泵体封闭，液体就被带往排出侧。在那里，从两个齿轮流出的液体互相汇合，其中绝大部分被挤入泵的出口，只有一小部分返回到吸入室。齿轮泵结构简单，其典型结构见图5-73所示。图5-73是中压大流量高速油泵的示图。主动轴和从动轴采用由输送介质润的润滑轴承。由于填料函处于吸人管的压力之下，因此，只要吸入压力同外界的大气压力没有显著的差别，则填料函几乎处于无载荷状态。主动轴的端面受载情况也是如此。这里就达到了压力平衡。从动轴通过其平衡孔，也可达到压力平衡。图5-73齿轮泵

图5-74是这种泵的特性曲线。随着泵的压力的提高，体积流量仅仅略微下降一点。在给定的最高表压力为15MPa(14．72bar)下，由于转速高达1450r／min(24．17r／s)，该泵就未能达到最佳效率。图5-74图5-73所示的齿轮泵特性曲线图5-75是土木工程机械用的高压油泵。图5-75高压齿轮泵(一)射流泵

射流泵是一种利用工作流体的射流来输送流体的流体机械设备。根据工作流体介质和被输送流体介质的性质是液体还是气体，而分别称为喷射器、引射器、射流泵等，其工作原理和结构型式都基本相同。通常把工作液体和被抽送液体是同一种液体的设备称为射流泵。

三、其它类型泵其他泵的类型很多，只介绍射流泵及水锤泵。

射流泵如图5-76所示，由压力管路l、引入喷嘴2、吸入管路3、喉管4、扩散管5和排出管6等组成。图5-76射流泵的工作原理及结构说明(二)水锤泵

图5-77是水锤泵配置情况。泵壳A一方面与工作水管LT连接，另一方面又与扬水管Ls的空气室B连接。另外，还配有止回阀、排出阀c(自动盘阀)和冲击阀或截止阀D。

冲击阀有各种不同型式。图5-77所示是重力载荷的盘阀，它带有垂直向上移动的阀杆。盘阀处于下限位置时，工作水可畅通流过；而处于上限位量时，可将泵壳密封，防止向外泄水。图5-77自动水锤泵图5-78示出了一种改进型水锤泵的结构。截止阀l的锥形阀杆具有适合流动要求的形状，并被安放在水位最低部位。由于截止阀处于水位最低处，因此得以充分利用总的落差。落差很小时，这一点具有特别重要的意义。截止阀的溢流孔浸没在水箱中，从而避免了溢出的工作水向四周飞溅。位于外侧的板弹簧2使截止阀锥形间杆的重量保持平衡，通过板弹簧或紧或松的拉力，使水锤泵的输送流量同当时变化了的工作水流量相匹配，排出阀3是用弹簧压紧的。图5-78塞纳水锤泵风机和压缩机是以空气作为工作介质的，属于气体机械。其中包括供给气体能量，使其总压力升高的风机和压缩机，以及利用气体能量做功的可压缩气体机械。风机和压缩机按其工作压力和原理可分为叶片式以及容积式两大类。叶片式风机及压缩机又可分为离心式和轴流式，容积式风机及压缩机也可分为往复式及回转式。5.5风机和压缩机图5-79是各种风机及压缩机的适用范围(以压力与进口容积流量表示)，在应用该图选择机型时，还必须同时考虑其使用条件，如运行费用，振动限声等。图5-79风机及压缩机的适用范围一、叶片式风机和压缩机结构及用途叶片式风机及压缩机包括离心式及轴流式，还有混流式以及横流式等。（一）离心式风机及压缩机离心式风机及压缩机的特征是：介质沿着轴向近入叶轮，在叶轮内沿着径向流动，如图5-80所示。图5-80离心式风机及压缩机离心式风机结构比较简单，通常由叶轮、集流器、整流器、机壳、调节器、进风箱、主轴、喉部及扩散器等组成，如图5-81所示。图5-81离心式风机

图5-82为一典型的离心式风机结构图。图5-82C-HQ18-1.18型离心式风机结构图图5-83为典型的八级离心压缩机结构图。图5-83DA135-81型氢气循环八级离心压缩机结构图（二）轴流式风机及压缩机特征是：介质沿着铀向流入叶轮，经叶轮后也轴向流动，在叶轮中气流没有发生偏转，如图5-84所示。图5-84轴流式风机结构示意图

图5-85为国产轴流式风机结构图。随着航空喷气发动机的理论及试验研究的应用，以及对轴流式压缩机的气动力学的理论大流量、高压力比的轴流式压缩机，除广泛应用于航空燃气轮机外，还应用于发电燃气轮机装且，舰船燃气轮机装置以及机车燃气轮机装置中。

轴流式风机通常是由集流罩、叶轮、集风器、导叶、扩散筒和机壳等组成。由于气流沿轴向流入叶轮又轴向流出．也就是说气流通过叶轮是轴对称的，沿某一半径的圆筒形截面上气流是均匀的。如图5-84所示的A-A断面，这样导叶与叶片组成一组叶片有限长的平面叶栅。图5-85国产轴流式风机结构图图5-86为国产的23250-46轴流式压缩机结图。图5-86Z3250-46轴流式压缩机二、容积式风机和压缩机容积式风机和压缩机分为往复式及回转式

（一）往复式压缩机往复式压缩机是通过曲柄连杆机构，把驱动机的旋转运动转化为活塞在气缸内的往复运动，并从低压侧吸入气体，经压缩后排向高压侧的压缩机。这类机械有两个特点：一是运行过程中将产生往复惯性力，通过机构传给基础；二是具有明显脉动性质的气体压力，产生交变的活塞力作用在压缩机机构上。

气缸中气体的吸人及排出，大多数是通过自动阀门进行的，如图5-87所示的结构示意图，在活塞与气缸等滑动部分需要的润滑剂，通常在气体中混入，如气体要求不能混进润滑剂的情况下，其活塞将采用迷宫式止漏环，活塞或活塞环是由油碳、树脂等材料制成的。图5-87往复式压缩机的构造图5-88为一台L型空气动力用压缩机结构图。图5-88L型动力用空气压缩机（二）回转式鼓风机和压缩机1、罗茨式鼓风机和压缩机如图5-89为这类风机及压缩机结构示意图，它是由断面呈纺锤形或星形的转子与气缸等组成。图5-89罗茨式鼓风机

2．螺杆式压缩机如图5-90为螺杆式压缩机的工作原理示意图。其结构是由一对阴阳螺杆转子和气缸等组成的，两个转子靠同步齿轮实现相互反向旋转，由转子和气缸所围成的空腔从吸入口送向排出口。并在齿槽内体积不断变化，从而使气体受到压缩。图5-90螺杆式压缩机3．滑片式压缩机

图5-91为这种压缩机的结构示意图。它是由在气缸里偏心装置的转子和能从转子里径向出入的一些活动叶片组成的，这些叶片常称为滑片。相邻滑片所围成的体积(如ABCD)，随着转子的旋转将发生变化，压缩成A’B’C’D’，并排向高压侧。图5-91滑片式压缩机

三、真空泵

真空泵是将容器中的气体排到大气中，使其内部压力下降到接近子绝对真空的一种泵。因它能将低压气体压缩到大气压力徘出，其工作原理与压缩机是相同的。在真空泵中既有像往复式和回转式那样的机械式真空泵，也有利用气体或蒸汽射流工作的射流式真空泵。水环式真空泵的结构示意图如图5-92a所示，泵缸中偏心装着的叶轮，在封着水的泵缸内旋转。其内部的水受到离心力的作用而附在四周，两个叶片间的体积在移动中就会发生变化，情况如同滑片式压缩机。油封式回转真空泵，如图5-92b所示的构造，A是偏心转子，B是固定理动阀门的圆筒，在工作中，B沿着A的外例滑动，闭门则上下滑摆。同样在排出处也装有排气闽。这种回转式真空泵能达到相当的真空度。5.6水轮机和涡轮机一、水轮机

水轮机是一种把水流的能量转变为旋转机械能的动力机械，根据水轮机在能量转换过程中利用水流能量方式的不同可分为反击式和冲击式两大类。

反击式水轮机主要是利用水流的压能和动能。

冲击式水轮机是利用水流的动能做功图5-93各种水轮机的使用范围

水轮机的型号组成：

第一部分表示水轮机的型式，由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。

第二部分表示水轮机主轴的布置型式和引水式的特征。

第三部分表示水轮机转轮的标称直径，以厘米为单位。（一）反击式水轮机结构特点及用途按照转轮区域内水流流动的方向特征，分为混流式、轴流式、斜流式、及贯流式等不同形式。按照水流流经水轮机的途径，可分为将反击式水轮机分为四大部件。1．引水部件其作用是保证导水叶片进口圆周处均匀进水，使水流呈轴对称状态，并使水流在进入导水叶片之前形成——定的速度环量。

2．导水部件其主要作用是形成和改变进入转轮的水流速度环量，根据外界电力系统负荷的变化，调节水轮机的流量和功率，并防止机组甩负荷时发生飞速和使机组停正运行。3．转动部件指水轮机的转轮，它是水轮机中最重要的过流部件，是转换水流能量为旋转机械能的部件，其性能好坏将直接影响到整个水轮机的好坏。4．排水部件

也称吸出管或尾水管，其主要作用是收集从转轮流出的水流并引导至下游，回收转轮出口的部分能量，也就是说它可以使转轮出口的水流动能以及高出下游水面的那一段位能得到回收利用。(二)混流式水轮机典型结构图5-94混流式水轮机厂房剖面

图5—94为一装有混流式水轮机的电站厂房剖面图。水流沿压力钢管经蜗壳。导水机构进入转轮，转轮旋转，并使水轮机带动发电机工作。在水电站常把水轮机、发电机及其附属设备称为水轮发电机组。混流式水轮机按厂房内的布置方式有立轴和横轴两种结构型式，前者水轮机与发电机不在同一高程上，机组占用厂房面积较小，但厂房高度较大，一般大中型水轮机都是采用立轴布置方式。后者水轮机与发电机在同一高程上，要求的厂房高度及电站开挖量小，但厂房面积增大，一般小型水轮机采用这一布置形式。(三)轴流式水轮机典型结构图5-95混流式水轮机剖面图

图5-95为一中小型立轴混流式水轮机剖面图，结构比较典型。该水轮机牌号HL240-LJ-180,设计水头为20.5m,额定出力为3150kW,转速为187.5r/min。

水流经蜗壳、座环1、活动导叶2、转轮3、进入尾水管排至下游。座环1是水轮机零部件安装的基础，也是整个水轮发电机组的承重部件。机组的重量、作用在转轮上的轴向水把力以及厂房蜗壳以上的混凝土重量都通过它传到厂房基础上。座环的结构是由上环、下环及若干个支柱组成。为减小过流的水力损失，支柱具有流线型断面，因此支柱又称固定导叶。图5-96高水头混流式水轮机剖面图

图5—96为我国制造的高水头混流式水轮机结构，其设计水头为270m，最高水头为318m，额定出力为38．5Mw，机组转速为500r／min。该机的主要部件，如蜗壳、顶盖和转轮等均由高强度的低合金钢制成。由于采用铸造结构。座环和蜗壳合二为一。蜗壳为分辨铸造的组合结构。为了抗磨，该机在顶盖及底环的过流面上均覆盖一层抗磨板4。它的材料具有良好的抗磨性能，结构上允许在磨损后更换。转轮叶片选用具有良好抗磨和抗汽蚀的材料2G15MnMovCu铸造。为便于检修转轮，机组允许在不拆卸发电机的条件下使转轮从下面运出，因此基础环9和层水管直锥段做成可拆卸式的。图5-97立轴明槽定浆式水轮机

图5—97为一小型立式明槽定桨式水轮机结构图，这种水轮机适用于2~8m水头，转轮直径在1.2~1.4m以下。图中12为水轮机的基础环，它的下面和直锥形尾水管相连，上面通过固定的导叶轴8支撑着顶盖9，导叶10可以围绕导叶轴转动。在调速器的操纵下，调速袖驱动控制环11转动。控制环和寻叶有连杆相连，控制环转动改变了导叶的位置，从而达到了调节流量的目的。转轮4用键5和螺母3固定在主轴6上，主轴6则在顶盖上的水润滑橡胶导轴承内旋转。转轮叶片是和转轮整体浇铸的。对尺寸稍大一点的定桨式转轮，叶片和转轮体采用装配结构．它们分别制造，然后用产环和螺母联结在一起。图5-98ZZ105-LH300型水轮机剖面图

图5-98为一中比转速的轴流转桨式水轮机，设计水头为18.5m，额定出力9260kW，转速为187.5r/min。图中座环1、导水机构底环10、转轮室11和尾水管里衬17是埋设部件、其中座环的尾水管里衬为焊接结构，其余则为铸钢件。座环1采用整体式，和混流式水轮机相同。在有些大型轴流式水轮机中，座环亦有非整体式结构，由若干个单独的支柱组成。轴流式水轮机顶盖一般由三件组成：导水机构顶环2，用以支撑导叶；顶盖3，用以支持控制环；支持盖8，用以支持导轴承4和止水密封装置21。(四)斜流式水轮机典型结构

装于云南会泽毛家村水电站、中国最大容量的斜流式水轮机（0.88万kW）模型试验转轮。

斜流式水轮机的转轮叶片相对于机组轴线是倾斜设置的，因而在转轮区域内，水流沿相对于机组轴线倾斜的方向流动。它的结构特点是：

1)转轮叶片可以绕转轮体转动，能够适应水头在较大幅度上的变化，机组效率曲线变化乎缓。

2)由于料流式转轮叶片分布在一个直径较大的圆球上，所以允许布置比轴流式更多的叶片数及其转动机构，因而提高了转桨式水轮机的水头使用范围。

3)由于叶片是倾斜安放的，一般为45。，因此叶片的转动机构不在同一平面内。

4)轴流式转轮在运行中会略合轴向(主要是向下的)移动，而在斜流式水轮机中这些轴向位移必须加以限制，以免叶片和转轮室相接触。

5)斜流式转轮叶片数一般为8—12个。

斜流式水轮机的水流及结构特点。如图5-99.图5-99斜流式水轮机剖面图

目前世界上单机出力最大的斜流式水轮机安装在前苏联的泽雅水电站，该机最大出力为215MW，设计水头为78．5m，转轮直径为6．6m，应用水头最高的为日本新日向川电站，其最大水头为113.4m。我国策一台国产斜流式水轮机于1970年l0月在云南毛家村水电站投运，该机出力8300kw，设计水头为53m，转轮盲径为1.6m。由于斜流式水轮机的水流及结构特点。其导水机构在采用径向式导水机构时，因转轮的形状，需要把导水机构市心圆直径D布置得比混流式和轴流式更大些，如图5—99所示。如果采用斜向式导水机构，则蜗壳和座环也是倾斜布置的，因此流通比较平顺，不仅缩小了机组的平面尺寸，也提高了水轮机的效率。但水轮机的结构也相应要复杂些。(五)贯流式水轮机典型结构

图5—100为导水机构斜向布置，其传动机构的传动为空间系，导叶的转臂、连杆和控制环之间均要用球销铰接。图5-1003叶斜向布置的斜流式水轮机

(六)贯流混流式水轮机结构这类机型的具体使用情况可设计为以下三种结构型式。

1．贯流混流袖伸式结构图5-101贯流混流轴伸式结构图

它的主轴自尾水弯管的方向伸出水轮机并与发电机联接，适用于中小型范围，特别是小型机组。已设计制造并已安全可靠运行的这型水轮机，其结构型式如图5-101所示。由于机组向尺寸较长，应用于大型水轮发电机组时将要求甚大的厂房宽度，故这种轴伸式结构最好使用在小型、中型范围。该型机已于1995年通过水利部鉴定，认为很有发展前景，建议在中、小型范围内推广应用。真机GH200-W-35（套用HL200转轮）在东方电机股份有限公司水轮机能量实验台上进行了性能测试，其最优效率达85.7%，最优单位流量为960.2L/s。2．贯流混流灯泡式结构这种结构型式是按现代轴流灯泡式水轮机的基本结构而构思的，它将发电机置于导流体中，主轴不再从尾水管方向伸出，因而其尾水管也就设计成了效率高、尺寸短的扩散型直锥尾水管。其总体结构型式如图5-102所示。图5-102灯泡混流式结构及梅花式结构图3．贯流混流梅花式结构

其主要结构及作用如下导流室的作用是引导水流进入转轮．由于贯流温流式水轮机取消了常规的蜗壳，因而转轮进口所需要的环且就要由导流室中的固定导叶和活动导叶共同来形成，为了保证活动导叶有足够的寿命。通常让固定导叶形成全部或绝大部分环量，固定导叶在此相当于混流式水轮机的蜗壳的作用，并在结构上起支撑作用。这样一来，机组减少了常规水轮机蜗壳的重量及尺寸，也减少了水流在蜗壳中的各种水力损失，使得机组的重且、尺寸都大幅度降低，水力效率提高。(七)冲击式水轮机典型结构图5-103为一横轴水斗式水轮机结构图。水流从压力钢管5，经喷嘴6形成高速射流冲击到转轮3的水斗上，冲击转轮转动而做功.在喷嘴中装有喷针4。喷针和针杆连在一起，由调节机构的手轮控制，可调节水流的流量。切击式转轮由一系列水斗组成。机壳2把转轮罩起来以免水流飞溅，也保证转轮的安全。图5-103横轴水斗式水轮机（八）可逆式水轮机典型结构

可逆式水轮机即水泵水轮机，其正转可以带动同步电机作发电机运行，用于发电；当同步电机从电力系统吸收有功功率而逆转时，即作电动机运行，用来抽水。图5-104为三机式水泵水轮机组的电站剖面图图5-104三机式水泵水轮机组

二风车

风车是利用风能的机器。地球上年可用风能大约为，相当于装置总容量为

风车大致可分为水平轴风车和垂直轴风车。

水平轴风车：气流流经转子的方向与转子轴平行，气流是低速不可压缩空气流。

垂直轴风车：气流方向与转子轴垂直，也就是并非径向方向流经转子。图5-105风车示意图（一）水平轴风车的类型及特点

水平轴风车可分为传统型风车、低速风车及高速风车几种。它的基本型式有旋转顶盖式和旋转舱室式，如图5-106所示。图5-106传统型风车图5—107为低速风车的外观图风轮后有一较大的尾翼使风轮保持迎风促置，叶片数较多，一般为12—24片，几乎覆盖了整个旋转平面，转轮直径为5—8m，这种风车持别适用于低风速3—7m／s状态，在2—3m／b的风速下这种风车就可以开始转动，启动力短相对比较高。但这种风车的功率较小，一般用于平均风速4—5m／s地区的提升水之用。图5-107低速风车的外观图图5—108为高速风车其风轮叮片数仅为2—4片，因而在相同功率的条件下．其重量要轻得多，广泛用于风力发电站。但不足之处是启动较困难，高速风轮的调向装置有；尾舵、侧风轮、自动调向风轮及伺服电动机调向等。图5-108高速风车（二）垂直轴风车的类型及特点垂直轴风车可分为阻力差型、屏障型、平板叶片型、旋转叶片型、固定或可动周期变桨距叶片型等几种类型。(1)阻力差型风车

(2)屏障型风车图5-109杯形风轮图5-110屏障式风车(3)平板叶片风车(4)旋转叶片风车图5-111平板叶片式风车图5-112具有旋转叶片的Panemone风车(三)风力发电利用风力发电，对那些多风地区是员经济的能源来源。

图5-113为瑞典S.Engstrong设计的典型风力发电机组装置图。两种装置的风轮都是双叶片可变桨距形式，风轮位置对Gotoland为上风式，对MaglarP为下风式，其轮毅类型前者为固定的，后者为铰接的，前者功率为2000kw，后者为3000kw。图5-113瑞典风力发电机三、蒸汽轮机及燃汽轮机结构及用途蒸汽轮机作为蒸汽动力循环可分为三种：

(1)凝汽式汽轮机(2)背压式汽轮机

(3)抽汽式汽轮机

就其汽轮机的结构来讲，最常见的结构有室式冲动式汽轮机结构以及鼓筒式反动式汽轮机结构，它们都属于多级轴向结构。室式冲动式汽轮机结构鼓筒式反动式汽轮机结构图5-114室式冲动汽轮机图5-115鼓筒式转子汽轮机

高压部分汽缸可设计成双层罐形结构或带有紧环的双层汽缸，如图5-116所示。图5-116多缸汽轮机的高压部分（二）燃气轮机燃气轮机装置通常包括三个基本部分，即压缩机、燃烧室及涡轮机。图5-117为常规燃气轮机装置，可用于峰值负荷发电站。图5-117大型燃气轮机剖面图视频

图5-118为车辆燃气轮机装置，它是由一台燃气发生器和一台自由动力涡轮机所组成，可用于军舰、铁路高速机车、装甲车等。图5-118车辆燃气轮机5.7流体传动装置一、流体传动装置的特点流体传动与电气传动和机械传动等相比较，具有一下特点：1）流体传动装置重量轻、结构紧凑、惯性小。2）能在很大的范围实现无极变速，变速比可达200~250。3）传递动作均匀平稳、负载变化时速度较稳定，所以液压传动常用于磨床、仿型机床等中。4）操作简单，便于实现自动化，特别是电液联合应用时，能够充分发挥两者的优点，易于实现复杂的自动工作循环。5）借助于溢流阀，易于实现过载保护。6）可实现低速大力距传动，无需减速器。流体传动包括液体传动和气体传动，液体传动又分为液压传动和液力传动。这两种液体传动的功能的分析如下。1）液力传动比液压传动的能容大，即传动装置单位重量所传递的机械能要大得多。

2）液力传动装置内部没有摩擦副，共寿命要比液压传动的长，液力传动内部压力不高，密封条件要求较低，而且对液体介质清洁度和对液体介质枯度温度特性的要求都远低于液压传动，因此在运行维护和制造成本等方而优越性较明显。3）液力传动最高效率和最高效率工作范围内的平均效率不及液压传动，且液压传动有很强的变换功能和控制功能，这是液力传动无法比拟的。二、叶片式流体传动装置(一)液力变矩器

如图5-119，液力变矩器的工作腔是由泵轮4、涡轮2、导轮5的流道和旋转外罩3的导流表面共同组成。动力从弹性联接板输入．然后经过旋转外罩传到泵轮。图5-119液力变矩器

工作腔的轴面投影图(图5—120)相对轴心线是对称的。为了简化起见，用轴心线上面一部份表斥液力变矩器的结构就可以了。故工作腔的轴而投影通常只用这一半表示．大家常称它为循环圆。图5-120液力变矩器轴面投影图

通过循环圆的形状可以了解各个叶轮的相互位置，及各个叶轮的型式，从面可以知道液力变矩器的特性格貌。叶轮的结构示意图如图5-121所示，它是由叶片(柱面叶片和空间扭曲叶片)、内环及外环组成。图5-121叶轮的结构示意图变矩器的分类如下：1)按插在其他叶轮之间的涡轮数目分，有单级、二级、三级…液力变矩器。2)按轴面液流在涡轮内的流动方向分，有离心涡轮、轴流涡轮和向心涡轮变矩器。3)按涡轮相对泵轮的转动方向分，有正转变矩器(同向)、反转变矩器(反向)。4)按变矩器的能否调节分，有可调变矩器与不可调变矩器。5)按能否实现锅台器工况分，能实现锅台器工况者为综合液力变矩器。6)按传递功率流的数目分．有纯液力变矩器以及液力机械传动——其功率流分两路传递，功率分流在变矩器以外，即在行星齿轮传动机构中进行功率分流或汇流的，称为外分流液力机械传动。功率分流在变矩器内部的，称为内分流液力机械传动。

图5-122a~图5-122g表示厂单级变矩器的各种类型，显示了各种液力变矩叶轮的布置情况。图5-122单级变矩器叶轮的布置情况

两级变矩器由一个泵轮，两个涡轮，两涡轮间还有其他叶轮相隔和一个或者是两个导轮组成．见图5-123a~5-123e。图5-123多级变矩器叶轮布置方式

图5-124为一综合式液力变矩器结构示意图。它综合了变矩器与液力耦合器的有点，提高了液力传动的性能。图5-124综合式液力变矩器结构示意图（二）液力耦合器

把液力变矩器工作腔中的导轮取消，即取消了外部支架对液力变矩器的反作用扭矩，这时液力变矩器转变为液力耦合器。

图5-125所表示的是一个液力耦合器。在图4-85中泵轮装在输入轴上，涡轮与输出轴联接。如果要联接动力机与工作机只要通过中心孔3向液力耦合器工作腔中供给工作液。

图5-125液力耦合器

液力耦合器主要根据其内部结构和原始特性进行分类。目前广泛采用的液力锅合器大致分为四类，即普通型、牵引型、限矩型和调速型。1．普通型液力耦合器普通型液力耦合器结构简单，而工作轮和循环团基本对称，当内环无限缩小时，即成无内环的耦合器。图5-126综合液力耦合器2．牵引型液力耦合器

图5-127是国产YL—50牵引型液力耦合器的结构图和原始特性，该液力耦合器已应用于龙门式起重机、高强度皮带运输机、破碎机和大型风机，一般在不完全充液情况下工作。它的主要结构特点是具有侧辅室和挡板6。

图5-127YL50牵引型液力耦合器3.限矩形液力耦合器图5-128650限矩型液力耦合器

图5-128是650限矩型液力偶合器的结构图和原始特性。他的结构特点是具有挡板、前辅室和后辅室，工作时部分充液。其中半联轴节1、辅助室壳体2、泵轮3、和外壳4等构成主动转子。涡轮5、挡板6利用螺钉固定在输出轴7上，弹性联轴器9、利用平键与输出轴连接，它们构成从动转子。从动转子通过两个轴承支撑于泵轮和壳体中。此外还有断面密封8和过热保护塞10。（三）液力机械传动

液力机械传动由两个自由度的三轴或四轴齿轮式形星机构与两轴的液力传动组合而成。液力机械传动的简图如图5-129所示。图5-129液力机械传动液力传动的主要特点有：（1）自动适应性（2）无级调速性能（3）无磨损（4）防震、隔振作用（5）穿透性能（6）反转制动性能（7）良好的起动性能（8）有一定的转向（9）反转性能（10）限矩保护性能（11）效率随工况变化液力传动的主要用途有：

(1)作为交通运输车辆的主传动(2)调速用(3)起动用(4)过载保护(5)反转换向(6)并车(7)制动

三、油压传动装置

在这个传动系统中包括了四大部分、它们是动力元件、执行元件、控制阀和辅助元件。其中动力元件有液压泵，执行元件有液压缸或液压马达.图5-130液压传动原理图

液压泵和液压马达是液压系统中的能量转换装置。液压泵是将原动机的机械能转换为工作液体的压力能，是液压系统的动力元件；液压马达是将液体的