赵良举-1泵与风机的叶轮 理论( 2 ).ppt

1、1,泵与风机,赵良举,2,第一章 泵与风机的叶轮理论,第一节离心式泵与风机的叶轮理论 第二节轴流式泵与风机的叶轮理论,3,第一节 离心式泵与风机的叶轮理论,离心式泵与风机的工作原理 流体在叶轮中的运动和速度三角形 能量方程及其分析 离心式叶轮叶片型式的分析 有限叶片叶轮中流体的运动 滑移系数和环流系数 流体进入叶轮前的预旋,4,一 、离心式泵与风机的工作原理,封闭叶轮中的流体微团 叶轮旋转带动流体旋转 离心力作用使流体获得能量,5,6,对不可压缩流体，积分,当叶轮不封闭时：流体将流出叶轮，并在入口产生真空吸入流体，形成连续流动。,7,二、流体在叶轮中的运动及速度三角形,(一) 速度三角形 两点

2、假设 (1) 叶片数为无限多，无限簿 运动轨迹与叶片的形状重合 相对速度为叶片的切线方向 (2) 叶轮中的流体为无粘性流体 2 两个面 轴面：过轴线的平面 平面：垂直于轴线的平面,8,3 三个速度 圆周速度u 叶轮带动流体的旋转运动速度，又称牵连速度 相对速度w 流体相对于叶轮的运动 绝对速度v 流体相对于机壳的绝对运动速度 v=u+w,9,4 速度三角形,Vm, 绝对速度在轴面上的分量，轴面速度 Vu，绝对速度在圆周方向上的分量，圆周分速度 ，流动角，相对速度与圆周速度反方向的夹角 a，叶片安装角，叶片切线与圆周速度反方向的夹角 a,10,（二）叶轮流道内任意点速度的计算,1 圆周速度u 2

3、 轴面速度 圆周上的厚度 排挤系数,11,3流动角 无穷多叶片： a,12,三、能量方程,1 动量矩定律 在定常流动中，单位 时间内流体质量的动量矩 变化，等于作用在该流体 上的外力矩。 进出口动量矩 动量矩变化,13,力矩作的功率 流体通过无穷多叶片叶轮所获能量 扬程 风压,14,能量方程的分析,HT与流体的种类和性质无关，功率与密度有关； 当 提高n， 可提高HT 提高D2，可提高HT 提高v 2u ，可提高HT,15,(4) 能量方程的新形式 由速度三角形 能量方程 动扬程 静扬程,16,四、离心式叶轮叶片型式的分析,(a) 2a90，前弯式叶片,17,当190时，能量方程式为而有,最小

4、出口安装角2amin 2a =90 最大出口安装角2amax 2 90 V2u =2u2,18,（一）叶片出口安装角对理论扬程的影响,1 2a90（前弯式叶片）,19,反作用度v2m v1m,径向流入v1u=0,（二）出口安装角对静扬程和动扬程的影响,20,不同叶片型式的反作用度,1 后弯式 2a 2amin，v2u=0 = 1，动静扬程均为0 后弯式叶片： 11/2 2 径向式 2a90, v2u=u2 = 1/2，动静扬程各占一半 3 前弯式 2a 2amax ， v2u=2u2 = 0，只有动扬程，没有静扬程 前弯式叶片： 01/2,不同叶片型式的分析,后弯式叶片 流道长，出口绝对速度小

5、 能量损失小、效率高、噪声低 总扬程较小，需较大叶轮和较高转速 离心泵2a 2030, 离心风机2a 4060 径向式叶片 流道短，通畅，流动损失较小 出口绝对速度高，能量损失较大，效率低于后弯式、噪声较高 总扬程较高，制造简单，不易染尘 通风机或排尘风机2a 90 前弯式叶片 流道短，叶片弯曲大 能量损失大、效率低、噪声低 总扬程较高，需较小叶轮和较低转速 低压通风机2a 90155,五、有限叶片叶轮中流体的运动,轴向涡流 叶片形成的流道宽，会有轴向涡流 类似绕轴转动的旋涡 速度变化 压力面：有反向流动，速度较无穷多叶片时变小 吸力面：有正向流动，速度变大 出口三角形 圆周速度不变 轴面速度

6、不变 流动角小于叶片安装角,理论扬程 v2u v2u, HTHT,六、滑移系数和环流系数,滑移量w2u与滑移速度v2u 滑移系数 环流系数,用滑移系数和环流系数求扬程,（1）已知K （2）已知 由前面的推导有,滑移系数和环流系数的经验关系式,1 离心泵 （1）普弗列德尔公式 修正系数p r2,叶轮出口半径,mm; z，叶片数; ，经验系数 s，叶片轴面投影图中间流线相对转轴的静矩，mm2 ds=dr,经验系数 适用范围：2a90, r1/r20.5 时,（2）斯基克钦公式 （3）斯托道拉公式 （4）威斯奈公式 所得滑移系数如右图,2 离心风机 （1）爱克公式 具有平行前后盘的叶轮 3050 （

7、2）斯托道拉公式,粗略计算 离心水泵 K=0.81.0 离心风机 K=0.80.85,七、流体进入叶轮前的预旋,1 强制预旋 结构原因导致流体 不能以90o的绝对速度 角进入叶轮，存在结 构上的强制预旋。 正预旋：10，扬程变小 与叶轮转动相同方向预旋，有利于消除旋涡 相对速度变小，提高抗汽蚀性能，损失减小，效率提高 负预旋：190o v1u0，扬程变大 相对速度变大，抗汽蚀性能下降，损失增大，效率降低,2 自由预旋 产生原因： 由于流量改变导致的预旋 与结构无关 斯梯瓦特的试验结果 设计流量下，无预旋 小于设计流量，正预旋 大于设计流量，负预旋,斯捷潘诺夫分析 最小阻力原理： 流体总是企图选

8、择阻力最小的路线进入叶轮 表现为以接近设计流量下的流动角1进入 正预旋 负预旋,临界流量理论 临界流量： 产生预旋的流量 小于设计流量 预旋与叶轮有关 流量越小，预旋越大,预旋系数 一般取0.30.5 多级离心泵： 次级叶轮： 0.30.5 首级不预旋，或取0.2 涅维里松试验表明:风机预旋较大,例题 1,蜗壳式离心泵 n=1450r/min, qvT=0.09m3/s, D2=400mm, D1=140mm, b2=20mm 2a=25o, z=7, v1u=0 求: HT和HT 求解思路 先求得 通过经验公式得到环流系数K 最后求,解：,（1） 根据斯托道拉公式 （2）根据普弗列德尔公式,

9、第二节 轴流式泵与风机的叶轮理论,一 概述 (1) 流量大，扬程小 (2) 结构简单、紧凑、小而轻 (3) 动叶可调轴流泵与风机效率高 结构复杂，安装精度高 (4) 噪声大，大型风机需装消声器 (5) 锅炉送风机、引风机和 循环水泵都普遍采用轴流式,二、叶轮中的运动及速度三角形,复杂的三维流动: 圆周分速 轴向分速 径向分速：小，可忽略 流面： 径向分速为0 圆柱面上的流动,1 平面直列叶栅 翼型：r及rdr的同心圆柱面截叶片所得 叶栅：将翼型展开在一个圆柱截面上 叶轮内的流动简化为叶栅中绕翼型的流动 列线 BB AA 栅距t 栅轴，与列线垂直的直线 稠度 安装角a,翼 型,(1)骨架线：翼形

10、内切圆心连线 (2)前缘点，后缘点 (3)翼弦与弦长b (4) 翼展l，叶片在径向上的长度 (5) 展弦比， l/b (6) 弯度或挠度f，翼弦到骨架线的距离， f/b，相对弯度，fmax最大弯度，fmax/b，最大相对弯度 (7) 厚度 (8) 冲角 (9) 前驻点，来流接触翼形开始分离的点，速度为0 后驻点， 绕流翼型后汇合的点，速度为0,径向分速度为0 绝对速度圆周分速度轴面分速度 （1）进口速度三角形 圆周速度 轴向速度,45,2 速度三角形,排挤系数 圆周分速,（2）出口速度三角形 圆周速度 轴向速度 圆周分速度,进出口速度三角形,无穷远来流的相对速度,三、轴流式泵与风机的升力理论,

11、1 孤立翼型的空气动力特性 翼型上升力和阻力与翼型的几何形状及气流参数的关系,升力 儒可夫斯基升力定理：单位翼型上的升力Fy1 速度环量：速度矢量在某一封闭周界切线上投影沿着该周界的线积分，对于叶轮，即为设计流线上某点的圆周分速度与该点所在位置圆周长度之积。 翼展l的翼型，升力,阻力 摩擦阻力：较小 压差阻力：附面层分离，较大，机翼型叶片减小阻力 升力角,空气动力特性曲线,空气动力特性曲线 cy1和cx1与的关系曲线 升力和阻力系数与几何形状及来流的冲角有关 空气动力特性曲线由风洞实验求得 大冲角附面层分离,极曲线 以升力系数为纵坐标，阻力系数为橫坐标的曲线 极线 原点与曲线上点的连线斜率为升

12、阻比 效率最高点 斜率最大点 最大升阻比,翼型的极曲线,儒可夫斯基升力定理成立 翼型间相互影响 用w代替v 升力和阻力,2 叶栅翼型的空气动力特性,翼型叶栅的修正系数L 与相对栅距t/b和a有关 借用等价平板叶栅 等价平板叶栅 C为骨架线中点 AD 垂直于 AB AB即为等价平板，构成叶栅 ba为等价平板的弦长,平板直列叶栅,升力系数cy 修正系数L 翼型的升力系数cy1 取平板的升力系数 阻力系数cx 阻力系数小,翼型叶栅升力系数与阻力系数,四、沿叶高气流参数的变化,（一） 等环流公式 流体微团 惯性离心力 径向压力 侧面压力 径向合力,由达朗贝尔原理：离心力与径向表面力平衡 因 （*） 全

13、压为静压与动压之和 代入(*)式,由 得 又 得 即 等环流公式，或自由涡公式,（二） 气流参数沿叶高的变化,1 扭速沿叶高的变化 扭速wu 半径r处的相对速度的圆周分速之差 wuc平均半径rc处的扭速 气流在叶根扭曲大，叶顶扭曲小 且,2 气流速度沿叶高的变化 rT为叶顶的半径,3 气流角沿叶高的变化,(1) 气流角1 气流角1随叶高而增大 (2) 气流角2 气流角2随叶高而增大,(3) 1 气流角1随半径增大而减小 (4) 2 气流角2随半径增大而减小,1 由动量矩定理推导能量方程 动量矩定理成立，可用离心式泵与风机的能量方程 相同扭速的轴流泵与风机有相同的扬程 轴流泵能量方程 轴流风机能

14、量方程,五、能量方程式,轴流式泵与风机能量方程 能量方程分析： (1) u1=u2，总能量小 (2) 1= 2时，HT=0, 1w2，才能获得更高的压力能 叶轮入口断面小于出口断面 采用进口为圆形的机翼型叶片 (4) 不足 不能反映出总能量与翼型及叶栅几何参数的关系 不能用于设计计算,2 用升力理论推导能量方程,合力F与升力Fy 叶栅的翼展dr,升力为 合力为 合力的圆周分量,作用于翼型的力与翼型对流体的作用力相反 （注：轴向分力不产生转矩） 该反作用力对流体作功功率为 z为叶片数 功率还可表示为 有 代入 得轴流泵的能量方程 及轴流风机能量方程,将 代入 得 又 得 叶栅几何参数与流动参数联

15、系起来 是用升力法设计叶轮的基本方程,六、轴流式泵与风机的基本类型,(1) 单个叶轮没有导叶 v2u0，出口处有圆周分速 能量损失大，适用于低压轴流风机 (2) 单个叶轮后置导叶 消除出口圆周分速 部分旋转动能转换为压力能 损失小，效率高，适用于高压轴流式泵与风机 (3) 前置导叶单个叶轮 进口负预旋、速度大，损失较大 叶轮所获能量大，可减小体积 变工况时的冲角变化小，效率变化不大 可调叶片时，工况变化小 适用于轴流风机，水泵因为汽蚀不宜采用 (4)前置导叶单个叶轮后置导叶 前导叶可调，保持高效率 适用于流量变化大的情况，如子午加速轴流风机,轴流式水泵 n=300 r/min，叶栅直径D=98

16、0 mm v1=4.01 m/s，轴向流入， v2=4.48 m/s 求 HT ，2- 1 解: (1) 求解HT,例 题,(2) 求2 - 1,七、子午加速轴流风机,子午面 轴面，通过轴线的面 工作原理 流道急剧收缩使流体加速获得能量 （以前叫混流式：有轴流和离心的原理）,性能特点,减速比w2/w1 子午面流道中的相对速度减速转换为压力能的指标 减速比大，压力转换少 假设：子午叶轮与普通叶轮获得相同能量 扭速相同 子午叶轮： w2w2，则 w2/w1 w2/w1 子午叶轮：减速比大，动能大、静压力小,实测速度三角形对比,减速比相等 扭 速 转折角 子午加速叶轮 标准叶轮 子午叶轮总能量大 减速比相同 增加能量为动能,子午加速叶轮特点,1 可以实现等相对速度流动 流体在叶轮中只获得动能 可不采用机翼