《能源与动力装置》03 叶片式工作机

第三章叶片式工作机以不可压流体为主，即研究泵与通风机为主应用范围ф=q/nD3ψ=gH/n2D2ψ=0.006~0.09ψ=0.04~0.06ψ=0.07~0.4过流（通流）部件:吸入室（集风器、进风口）叶轮扩压器（导叶），弯道回流器（反导叶），蜗壳第一节叶片式工作机的结构形式一、叶轮功能：将机械功传递给流体结构：离心、轴流、斜流（混流）、横流离心又分前弯、后弯、径向；多叶；单吸、双吸；闭式、半开式传递功（欧拉功、理论能量头）的计算：流体需要的能量叶轮能提供的能量hth=hpol/η

用叶轮几何参数表示三种不同出口角βb2的叶轮比较反动度？欧拉方程欧拉第二方程二、吸入室（集风器、进风口）功能：为叶轮进口组织所要求的均匀流场（速度大小和方向）型式：图3-2a）最好，流动没有转弯,悬臂叶轮采用;其他型式流场不容易均匀，损失也比较大特点：加速流动，与外界没有能量交换——叶轮前部件三、扩压器(导叶)等——叶轮后部件无叶扩压器叶片扩压器无叶扩压器叶片扩压器弯道弯道回流器回流器蜗壳蜗壳导叶导叶三、扩压器(导叶),弯道回流器(反导叶),蜗壳扩压器(导叶):提高压力无叶、有叶减速弯道回流器(反导叶)：为下一级进口引导组织所要求的流场回流器一定有叶片？；速度变化不大蜗壳：收集沿叶轮或扩压器圆周的流体并送到机器的出口非轴对称；稍有加速第二节主要性能参数和特性曲线一、主要性能参数1、流量:2、扬程H、压力升Δp（与能量头hx有关）泵为不可压缩介质,有效能量头h扬程H为单位重力流体获得的有效能量，常用液体的高度m表示；通风机全压ptF：定义为其进出口的全压差Δ

ptF，对于气体，位能差可以忽略；h=gH

（泵）

=ptF

/ρ（通风机）

ptF=

Δ

ptF

=Δp*=p2-p1+0.5ρ(c22-c12)=ρh有效能量头h

=

gH(泵)=pf/ρ(通风机)=

(压缩机)压缩机工质是气体，位能差可以忽略；有效能量头h=4、功率P:P=qmh

/η

5、转速n——r.p.m;参变量理论功率Pth

=qmh/ηhyd内(轴)功率Pi=qmh/ηi=ρqvgH/ηi=qv

ptF

/ηi整机功率Pe

=qmh/ηe3、效率（第2章的内容）

流动(水力)效率ηhyd=有效能量头h/（h+δhhyd）=h/hth

内(全压、多变)效率ηi=h/(hth+非流道损失)

整机(总)效率ηe=h/(hth+非流道损失+轴承等损失)

例3-1

已知叶轮直径D2=0.88m，出口宽b2=0.182m，流量系数r2=0.24，叶片数z=16，叶片出口角β2b=50o，转速2900rpm，通风机的流动效率=0.85，假设泄露和轮阻损失为3%hth，求标准空气的理论压力升和实际压力升，容积流量，实际输入功率。解：由例2-3计算该叶轮的理论能量头hth=11574J/kg，这也是空气得到的能量。容积流量qv=φr2u2b2πD2

=0.24×133.6×0.182×π×0.88=16.133m3/s理论压力升pth=ρhth=1.2×11574=13889Pa实际压力升ptF=pth=0.85×13889=11806Pa实际输入功率P=ρqvhth(1+3%)=1.2×16.133×11574×1.03=230791J/s=231Kw理论功率Pth=ρqvhth

=1.2*3.8*11574J/kg=52777w=52.81Kw解：理论全压pth

=

ρ

hth=1.2*11574=13889Pa=0.134大气压力例3-2：已知

hth=11574J/kg,流量qv=3.8m3/s，如果流动效率ηhyd=0.85，求实际的全压和理论功率Pth？如果还已知风机全压效率为80%，求内功率？其与理论功率、整机功率、配用电机功率的关系如何？理论功率Pth〈内功率Pi〈整机功率Pe〈配用电机功率=ρhthηhyd=13889*0.85=11806Pa=0.118大气压力实际全压ptF内功率Pi=ρqvhi=ρqv

h

/ηi=ρqvhth

ηhyd

/ηi

=1.2*3.8*11574*0.85/0.8=54708w=54.7Kw相同能量头，工质不同，压力提高和功率差别很大！

密度引起理论功率Pth=ρqvhth

=1000qvhth=43981000w=43981Kw实际扬程H=hth

ηhyd

/g=

11574*0.85/9.807=1003m

相当100.3个大气压力例3-2-1：上例中，如果工质是清水，求实际的扬程和理论功率Pth？0.118个大气压力空气54.81Kw空气例3-2-2：上例中，如果要求风机实际全压p=13000Pa，流量不变，此时，该叶轮是否满足要求，如果不满足，叶轮的几何参数应该如何变化？试画改变后的叶轮出口速度三角形？（已知原叶轮流动效率ηhyd=0.85，hth=11574J/kg，φm2=c2m/u2=0.24，u2=133.6

）u2cm2c2w2解：hth=pth

/

ρ=p

/ηhyd/ρ=10000/0.85/1.2=12745Pac2m=

u2*φm2

=133.6*0.24=74m/s由hth=(σ-φm2ctgβ2b)u22=(1–πsinβ2b/z-φm2ctgβ2b)u22>已有的hth=11574J/kg,不满足要求增加叶轮的β2b或z或u2增加叶片的β2b或z，即流动角β2增加u2，即叶轮直径或转速，？？二、工况与变工况时机器的工作

工况——机器的工作状况与介质进口状态（例如R、

和机器进口处的p、T等）和机器工作参数（qV、H(pf)、n等）有关；（实际工况还与系统有关）设计工况（名义工况、额定工况）——各工作参数都为设计值。设计工况叶片进口由速度三角形,叶片进口处的相对速度的方向与叶片的方向一致，即冲角i=b1-1

=0，没有冲击损失，效率高非设计工况——变工况叶片进口叶片出口设计工况冲角i=b1-1

<0，红色虚线，c1m?c2m?

流量变大；c2u?能量头变小；效率？下降冲角i=b1-1

>0，绿色点划线，流量变小，能量头变大，效率下降结论：b2（

<90时？）

qV增大（减少）

H(pf)下降（上升）偏离设计工况，效率都下降功率随流量增加而增加设计工况由叶轮进出口速度三角形四、特性（性能）曲线各主要性能参数之间的关系用曲线表示由欧拉方程h

th=u2c2u=u2(u2-c2mcotβ2)

和c1u=0，则：=a-bqv直线Pth=ρ

qv

h

th

=aqv

–bqv2

抛物线式中a>0；b<0β2>

90o=0β2=90o

>0β2<90o

理论性能曲线，β2=β2b，没有考虑损失实际性能曲线(图中蓝线)理论值d

区约为一常量，是机械和圆盘磨擦功率δP等，与流量关系不大b区冲击损失，在设计工况下，没有冲击损失。在非设计工况下，冲击损失值与流量偏离值的平方（qV,d－qV,th）2成正比，其中qV,d为设计流量a区以磨擦损失为代表的与流量的平方成正比的损失

acbd

c区表示泄漏损失等问题？有效能量头h、H、ptF的定义和单位是什么？写出三者之间的关系？试说明叶片工作机的性能曲线中，一般压力、功率、效率随流量的变化趋势？第三节相似定律、比转速相似条件一、相似条件和相似准则1、几何相似：两个流场的边界（即机器的过流表面）几何形状相同，各对应的尺寸成比例。2、运动相似：作用在各对应点的同名速度（如绝对速度、相对速度、圆周速度）的方向相同，大小成比例。3、动力相似：作用在各对应点处的同名力（如重力、压力等）的方向相同，大小成比例。4、物性相似：流场中对应点处介质的物性参数（如密度，绝热指数k，粘性系数

等等）成比例。在实践中，相似条件是用相似准则来表示的。相似准则如果要求两个流动严格满足上述条件，在技术上是很困难的。所以在工程实践中，只要求起决定性作用的少数相似准则相等即可。

是一些无量纲量，如果两个流动对应的相似准则相等，则这两个流动相似。例如准则有雷诺数Re,马赫数M…泵和风机，有两个相似准则：流量系数、压力系数由运动相似定义准则φ=cm2/u2（也称为速度系数）

风机，特征面积πD2/4：特征速度u2利用了几何相似和运动相似等条件叶片泵，忽略常数因子由动力和运动相似定义风机，因h=ptf

/ρ，有的定义忽略分母中1/2叶片泵，h=gH，忽略常数因子，有的定义保留分子中g

和分母中1/2能量头系数ψ=1、流量系数φ2、压力系数ψ(国际标准)非决定性准则，可以由流量系数与压力系数相乘得到风机，P=qvptf叶片泵相似的判断：两个机器的几何相似！对应工况的流量系数和压力系数均相等3、功率系数λ：二、相似换算1、相似工况：相似的两机器，对应的流量系数(或压力系数)相等的两个工况2、相似换算公式：下标m、p分别表示模型和实际机器的参数，适用相似设计、设备改造等情况；流量压力功率或扬程φp=[4qv/(πD2u2)]p

=[4qv/(πD2u2)]m

=φ

mqv

p=qv(D

2p

u2p)/(D2m

u2m)，则有特别：转速对流量、压力（扬程）、功率的影响为1、2、3次方的关系由流量系数相等①机器和工质均相同，转速不同时：②转速n和密度不变，直径变化时：直径对流量、压力、功率的影响为3、2、5次方的关系③转速n和直径D不变，密度变化时：密度对流量无影响，对压力、功率的影响为1次方的关系例3-3、如果气体仅温度从20℃变化到200℃，求两种情况下工作机的流量、压力(升)、功率的变化？如果工质是水，温度变化有什么影响？解：两情况下气体密度比为

mρ=(273+200)/(273+20)=0.62容积流量不变；压力、功率都减小38%水温影响不大因为密度对容积流量无影响，而对压力、功率的影响为1次方的关系3、通用性能曲线由无因次φ、ψ、λ定义可以计算相似机器（已知D）在转速n和密度ρ下的流量、压力、功率等参数相似机器共同的无因次性能参数曲线三、比转速系数φ、ψ分别是对流量和压力一种性能的表示，而且定义中包含有叶轮直径D，应用不太方便。因此联合φ、ψ两式消去D得：1、叶片泵的比转速nsns=０.５/0.75=[qv/(D3n)]

0.5/[H/(Dn)2]0.75

=n(qv)

0.5/(H)0.75ns=nqv

0.5/ptf

0.75=24.83０.５/0.75密度取标准空气的值ρ=1.2m3/kg；为了统一，便于比较；所以上式中ptf

一定要用标准空气状态下的压力值2、通风机的比转速流量单位取m3/s；转速n取r.p.m；压力单位取Pa；压力单位如果取mm水柱，则其比转速是上式ns的g3/4

＝5.54倍；上式压力系数定义中没有1/2时，则24.83变为14.8；3、比转速ns应用讨论：比转速ns最早应用于水轮机，随后用于泵和通风机；

ns是一个终合参数，ns大反映了机器的流量大、压力低；不同大小的特征值ns代表了不同机器形式

如表3-2与叶片（叶轮）形状的关系许多重要的经验数据常常整理成ns的函数，例如与效率的关系φ=qv

/nD3ψ=gH/n2D2ψ=0.006~0.09ψ=0.04~0.06ψ=0.07~0.4图3-1φ表3-2比转速与叶片形状的关系

比转速19172030叶轮简图尺寸比d1/d2=0.150.50.80.91（通风机）可以用于设计、变型设计，根据比转速确定叶轮形式1.实际相似机器仅转速比模型机器大一倍，写出两者的性能（流量、压力、功率）关系？课堂练习2.实际相似机器仅直径是模型机器的一半，写出两者的性能（流量、压力、功率）关系？第四节叶片式泵与风机在管网中的运行

——机器前、后的管道、设备、阀门等附件统称为管网系统。

一、管网及其特性水箱(0.6MPa)，泵，省煤器，高压加热器，锅炉(13Mpa)，管道、阀门和其他附件锅炉水箱例如：电厂给水泵的管网系统:1、管网省煤器高压加热器制冷(热)循环空调中通风机的管网包括？

蒸发器外表面流道；冷凝器外表面流道；空调中压缩机的管网？蒸发器、冷凝器内表面流道、管道等通风机通风机电厂的鼓风机和引风机管网？鼓风机：过滤器，空气预热器，锅炉；引风机：过热器，省煤器，预热器，除尘器，烟筒2、管网特性，也叫管网阻力（对机器而言）——在管网中流体的能量随流量变化的关系hG=hst+Kqv2式中：qv——容积流量；

K为阻力系数；

hst为流体静压能的增加，管网特性曲线图hG=Kqv2上述例子hst=0？给水泵的pst=12.4MPa制冷系统中通风机pH1、机器的实际运行工况点(满足两个条件)能量守衡：机器提供给流体的有效能量h=管网中流体的能量变化hG质量守衡：流过机器的流量qm=流过管网的流量qmG（没有泄露）机器的特性曲线和管网特性曲线的交点满足这两个条件；即两曲线的交点为机器的实际运行工况点二、流体机械与管网的联合工作h=hGqm=qmG机器性能管网阻力性能机器不同曲线：由不同机器得到；或同一个机器的不同转速（或不同进口条件或调节机器部件）得到；管网不同曲线：由不同管网得到；或调节阀门(或其他附件)得到；实际工作点如何改变？实际工况点可以变化曲线2A到E曲线1曲线3A到D线2A到B线1,A点线3A到C2、运行的稳定性定义：小扰动过后，工况仍能回复到原来的平衡工作点，则工况就是稳定的。否则，就是不稳定的

根据定义，A点是稳定的，B是不稳定的稳定点判断：当流量增加后，机器的能量头小于管网能量头的点不稳定的危害和改善措施在第五节或机器性能曲线右半支上的点或点上满足机器性能管网性能三、泵与风机工况调节定义：由于机器实际工况的参数不能满足用户的需要时，就要进行调节（即改变两曲线的交点）。分类：调节可以通过改变两条曲线中任何一条达到，所以工程上进行调节的方法分为三大类：改变机器性能曲线改变管网性能曲线同时改变两个性能曲线1、出口节流调节出口阀出口阀出口阀qvAqvBA点的流量太大，不满足要求，可以减小出口阀门的开度，增加管网阻力（红线），交点为B，流量是qvB，满足要求。阀损失结构简单；但经济性差，因为阀门损失和机器偏离高效率点两个方面的原因。调节阀门装在机器的后面2、进口节流调节调节阀门装在机器前面的进口处。进口节流调节仅用于气体介质（可压缩），进口节流阀的开度变化同时改变了管网特性（阻力）和机器的特性，使调节更有效。因为对于输送液体介质的泵而言，进口节流和出口节流的调节效果是相同的，但进口节流的损失将降低装置有效空化余量（参见下一节），危及泵的安全运行，所以不宜采用.调节前3、转动动叶片调节安装角(与周向夹角)增大，性能曲线向右上方移动，安装角减小，性能曲线向左下方移动因为安装角减小，可从进口速度三角形得到无冲击时的流量减小；由出口速度三角形可知β2减小，cu2减小而压力减小（或攻角减小得到升力或压力减小）——主要用于轴流机械攻角u2c2w24、转动前置导叶调节（预旋调节）由欧拉方程式：(q一定)正预旋（cu1>0），能量头减小；负预旋（cu1<0），能量头增加。D1/D2比值大，效果明显。(冲角一定，i=-)正预旋（cu1>0），流量减小；负预旋（cu1<0），流量增加。正预旋（cu1>0），机器曲线向左下方移动；负预旋（cu1>0），机器曲线向右上方移动。由速度三角形：可近似由相似定理得到转速n增加，能量头成2次方增加，流量成1次方增加，即