能源与动力装置基础-叶轮机械基本理论

第二章叶片式机械的根本理论

结构简单理论复杂用途广泛

三元、非定常的粘性流动；两相或多相流；几何形状复杂。

在工程上简化处理

流动被看成是稳定的、与外界没有热交换的一元流动；不考虑粘性的局部影响而只考虑整体的能量损失等；假设流体是单相介质，气体还认为是理想气体。?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?第一节叶轮机械的典型结构单级汽轮机

?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?工作原理叶轮内的流动过程:cm

cu

c

以轴流式叶轮为例叶片式机器的特点：

具有一个带有叶片的转子(叶轮impeller或转轮runer)；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；?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?壳体与静止叶栅〔静叶〕转轮〔动叶〕导叶〔静叶〕流线

?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?多级汽轮机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?汽轮机静叶?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?汽轮机叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?汽轮机叶片?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?涡轮风扇发动机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?涡轮增压器空气进口压缩机叶轮扩压器燃气进口涡轮机喷嘴涡轮燃气出口?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?风力发电?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?可逆式机组?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?混流式水轮机转轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?蜗壳?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?水泵水轮机过流部件造型?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流式水轮机涡壳固定导叶活动导叶叶轮水导轴承上导轴承推力轴承发电机转子?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?灯泡贯流?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?冲击式水轮机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?冲击式转轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?单级单吸悬臂式离心泵叶轮泵体（蜗壳）泵盖悬架（轴承支架）轴?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?节段式多级泵中段进水段出水段导叶叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论??能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?锅炉给水泵?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?双吸泵?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论??能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论??能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?离心风机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流风机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?多级离心压缩机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流离心压缩机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?二、叶轮的配置方式、级的概念多级?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?多流?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?第二节流体在叶轮中的运动分析一、叶片形状及其表达方法?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?汽轮机和压缩机叶片?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?径流式〔离心式〕叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?斜流式叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流式叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?叶片外表方程：＝〔r，z〕工程中表达叶片外表的方法：投影图圆柱坐标系中的投影方法：旋转投影轴面投影＋平面投影?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?叶轮的轴面投影图：反映了叶轮的总体尺寸和特征叶片投影图?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴面投影?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴面投影?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?径流式：圆环面〔平面〕流线和流面?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流式：圆柱面

展开成平面流线和流面?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴面过流面积的计算：

径流和轴流式叶轮?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解c＝cr+cz+cu=cm+cucm=cr+cz

cm流量cu能量头?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?三、绝对运动与相对运动速度三角形绝对速度c牵连速度〔圆周速度〕u相对速度wcuwc=u+w?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流式叶轮内的运动合成?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?静止与运动部件中的运动轨迹轴面投影平面投影?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?泵、离心风机轴面速度的关系：

cm＝wm圆周速度的关系：

u＝cu－wu相对流动角

绝对流动角

水轮机?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?轴流风机、压缩机汽轮机、燃气轮机轴流泵速度三角形的表达方法?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?第四节静止过流部件1、原动机的喷嘴和导叶喷嘴用于冲击式?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?汽轮机静叶?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?导叶用于还击式原动机中调节流量形成〔也可改变〕cu1活动导叶的调节作用?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?不同翼型的导叶

a〕负曲率导叶b〕对称形导叶c〕正曲率导叶?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?2、蜗壳?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?工作机蜗壳?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?几点假设：绝热过程，对固定元件为绝能流动,叶轮中，只通过叶片输入〔出〕机械功。稳定〔定常〕流动亚音速介质为理想气体或液体第五节一元流动分析?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?一、滞止参数〔对可压缩介质〕2、总水头〔对不可压缩介质〕总能量机械能机械能

?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?静止流道中工质参数的变化可压缩介质：不考虑流动损失时：T*、h*、p*=const考虑流动损失时：T*、h*=const，p*降低不可压缩介质：不考虑流动损失时：H*,p*=const考虑流动损失时：H*,p*降低

二、级中流体参数的变化〔级工作原理概述〕1、单级离心压缩机、通风机(泵)=cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)=

h2*-h1*=cp(T2*-T1*

)由能量方程式：W

=∫dp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW滞止压力p*=p+ρc2/2

加速加减接近等速功速2、单级轴流水轮机〔原动机〕：活动导叶叶轮扩压器固定导叶速度总水头静水头δHhyh等速加速减速减速3、反动式汽轮机

(9级)工质的绝对速度c有9次增加后又降低的过程〔进入导叶喷嘴速度增大，叶轮中速度下降〕，而静焓、压力随流动方向逐步下降。动叶静焓h压力p速度C转轴机壳静叶三.级和机器的性能参数性能参数流量:质量qm

(kg/s),容积qv(m3/s,m3/M,m3/h)

能量头有关量:h(J/kg)，焓差，压力(膨胀)比等经济性评价量:效率η等总能量:

功率P(J/s)有时还有噪声、转速等量关联式：P=hqm/η(工作机)P=hqm*η

(原动机)1.能量头有关量:能量头h(J/kg)，功w(J/kg)，焓差Δh(J/kg),扬程H〔m〕,压力差Δp(N/m2),压力(或膨胀)比，J/kg=Nm/kg=kg

(m/s2)m/kg=(m/s2)m;h=gHJ/kg=Nm/kg=

(N/m2)/(kg/m3);h=Δp/ρ

H=h/gΔp=ρ

h

轮盘摩擦损失轮盘摩擦损失内泄露损失δhrδhv◆内总能量头

htot(hi)

=hth±

非流道损失(如δhv+δhr)=有效能变化±δhhyh

±

非流道损失(如δhv+δhr)hs原动机he工作机流动损失δhhyh

外泄露损失δhvo

内泄露损失δhv

轮盘摩擦损失δhr

轴承摩擦损失δhm

原动机hehpolhthhtot用图表示各种能量头和损失的关系<

hth<htot<he

he<hu<hi<huhi、◆与外界交换的总能量头

he=htot(hi)

±

外部损失能量头：多变能量头hpol、等熵能量头hs

理论能量头hth、轮周功hu

总能量头htot(

hi)、he等注：用焓差表示能量头：等熵焓降Δhs=等熵能量头hs

有效焓降Δ

hn=轮周功hu

总焓降Δ

ht等=总能量头htot(

hi)、he等流体有效理论实际交换能(机械功)=流体有效能变化±有关损失

=不同定义的能量头;原动机取-，工作机取+?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?流体机械中能量损失的分类1、流动损失〔水力损失〕H〔或h、p〕摩擦损失、冲击损失、别离损失、二次流损失、叶端损失本质上是压力损失2、容积损失qV 本质上是流量损失3、机械损失 本质上是力矩(功率〕损失损失分类损失内容有效能变化交换能效率总

损

失

δht内部损失

δhi

流道损失

水力损失δhhyh

原动机

hs工作机hpol

huhth轮周效率ηu流动效率ηhyh

内效率ηi多变效率ηpol

外部效率ηe

非流道损失级内露损失δhv

轮阻损失δhr等hihtot外部损失δhe

外露损失

δhvohehe机械损失

轴承等摩擦损失δhm

2.

效率和损失的分类效率η=得到能量/消耗能量；原动机得到机械功，工作机消耗机械功?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?反作用度的定义动能：势（静压）能：反作用度：简化计算（cmp＝cms，cus＝0）?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?流体机械按反作用度的分类１、冲击式〔冲动式〕流体机械〔原动机〕轴流式机器等压作用?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?2、还击式流体机械(Ω>0)过压作用?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?假定Z＝∞

→

2＝

b2应用速度三角形可得：cu2∞→hth∞实际上，Z≠∞

→

2≠

b2第六节有限叶片数的影响?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?2≠b2〔滑移现象〕的原因：1、惯性作用对工作机：

cu2指向－u，

2＜

b2

?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?对原动机：

cu2指向＋u，

2＞

b2

?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?2、轴向旋涡〔对径流、混流式〕?能源与动力装置根底——叶轮机械根本理论?二、滑移系数考虑有限叶片数影响的方法：轴流式：解析或半解析法计算平面叶栅，基于试验数据的翼型