葉片式流體機械概況流體機械原理

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1、第一章：葉片式流體機械概述 1-1葉片式流體機械的工作過程 葉片式流體機械中的能量轉換，是在帶有葉片的轉子及連續(xù)繞流葉片的流體 介質之間進行的。葉片與介質間的作用力是慣性力。該力作用在轉動的葉片上， 因而產生了功（正或負視力矩和葉輪運動方向而定）。 一、葉片式流體機械的組成元件 （吸入部分（直錐形，環(huán)形，半螺旋形） 1 .引流部分 〔蝸殼（導水機構） 圖1-17璃亮外形 司小水機構的類型 G 樓同式 V 招反式 4 期自式 P葉輪 2 .做功部分（轉子） 轉輪 〔渦輪 國1州水輪機轉輪結構 混施式U的謊式 C）^^式 d）切擊■式 （蝸

2、殼（導流器，導葉） 3 .出流部分\ 〔尾水管  以風扇或泵為例說明特點 特點：①具有一個帶有葉片的轉子 ②工作時介質對葉片連續(xù)繞流 ③介質作用于葉片的力是慣性力 ④部分流體機械有一個靜止的葉柵。 以軸流式流體機械為例說明工作過程 在上述例子中，轉子葉片在自由空間轉動， 經過葉輪的介質，由于葉片力矩的作 用，而有一個圓周方向的速度分量。依動量矩定理流出葉輪的液體有一個圓周方 向的分速度，在葉輪后，由于該分速度引起附加的能量損失， 為了消除這個損失 故在葉輪后增加一個靜止的導葉（葉柵）用來消除介質的圓周分速度。這種流體 就有一個靜止的葉柵，簡稱導葉。我們主要研究的也是這種

3、機械。 在軸流式原動機中（T）,介質沿軸線方向先進入導葉，導葉的作用是使得介 質速度的大小及方向發(fā)生了變化，切一部分壓力能轉換為圓周方向速度所對應的 動能。然后介質進入轉輪，由于轉輪葉片的作用，使介質的速度方向又變?yōu)檩S線 方向。與速度的方向發(fā)生改變時由于慣性作用引起作用于葉片的力矩使轉輪旋 轉。轉輪帶動軸旋轉，軸帶動發(fā)電機或其他機械旋轉， 從而使流體的能量轉換為 電能或機械能。為了最大限度利用流體的能量，理論上從轉輪流出的介質不再有 圓周方向的運動。（壓力為最小，此壓力是多少？） 相反，作為工作機（P）,介質及葉片轉動的方向和原動機剛好相反，介質從 軸向進入葉輪，從葉輪中流出的介質具有圓周

4、方向的 速度分量，然后在導葉作用下消除圓周運動又回到軸 向。 從上面的討論還可以得出：①葉片式流體機械介 質速度圓周分量的變化即葉輪前后介質動量矩的變 化與能量轉換過程有緊密的關系。②介質在進入或流 出流體機械前后都沒有圓周方向的分量 （即介質對轉 輪軸線的動量矩為零），也就是說介質動量矩的變化 是在轉輪內產生的。而研究流體機械就是設法使能量 轉換的效率在轉輪內盡可能的高（在滿足工作的前提 下）。 在軸流式流體機械中，軸面上（以后解釋），介 質的流動方向（m-x）是和軸線平行的，故叫軸流式。 若在軸面上，流體流動方向（m-x）以徑向為主， 叫徑流式。如圖（1-2）在外徑處為徑向，在葉片內

5、 徑處轉為軸向，但葉片基本上是徑向，就叫徑流式。 若在軸面上，流體流動方向，既不是徑向，也不是 軸向，叫混流式，見圖（1-3） 注意：在軸流式流體機械中，動量矩的變化僅體現在流 體質點圓周速度的變化上。 而在徑流或混流式流體機械中，動量矩的變化不僅 體現在流體質點圓周速度的變化上，而且體現在流體質 點距軸線距離的變化上。 圉L3混流式葉輪 另外，對于原動機T,流體介質經過導葉后，速度增加而壓力降低，一部 分壓力能轉換成速度能。在轉輪中，介質的壓力能和速度能都有一部分轉換成機 械能。若介質流出轉輪后，速度、壓力進一步降低，這種葉輪機械叫反擊式或反 動式。對于工作機則相反。另外，對于

6、原動機如果導葉出口處壓力已降為零，則 介質在動葉中將只有速度變化而無壓力變化，此種葉輪機械叫沖擊式或沖動式。 在沖擊式葉輪機械中，工作介質一般只從葉輪整個圓周的一部分進入葉輪。 即在 葉輪旋轉一周過程中，工作介質通常只從葉輪整個圓周的一部分進入葉輪， 也就 3 ）-4汽輪機簡圖 ）軸裝面M隔柱面展開 1 一動葉2~噴嘴（群葉） 盤］-5水輪 是說，在葉輪葉片旋轉一周的過程中，只有一部分時間予于能量的交換，一部分 時間不參與。如沖擊式水輪機，靜葉是一個噴嘴；圖 1-4的汽輪機，噴嘴仍然為 葉柵形狀，蒸汽仍然是從部分圓周進入動葉片。 1-1葉片式流體機械的主要性能參數 表征流體

7、機械性能的參數叫性能參數 一、流量q 單位時間內通過機器的介質的量（體積或質量）稱為流量。 體積流量 qv m3/s L/s m3/n 質量流量 qm kg/s kg/min kg/h 特點：依質量守恒定律，流體機械在穩(wěn)定條件下工作時，如果忽略機器內部 的泄露，通過流體機械各斷面的質量流量是相同的。對不可壓縮介質， qv 也將保持不變。對于可壓縮介質，體積隨壓力和溫度的變化而變化，所以， 各斷面的體積流量也將是不同的（在質量流量qm保持不變）。在通風機中， 將體積流量也稱為風量。 二、水頭，揚程，壓力，能量頭，壓縮比 是單位質量（體積）的介質與葉輪所交換的能量，是衡量葉輪做功

8、能力的 參數。此參數可用機械進入出口斷面單位質量（或體積）介質所具有的能量 的差值來衡量。不同的流體機械叫的名字不同。 < >不可壓介質 a）液體介質： 泵、水輪機以液體為工作介質，以液柱高表示單位重力的 液體具有的能量方便直觀。在水輪機中進出口能量的差值叫水頭，在葉 片泵中叫揚程。單位為 m（N m/N=m）。 對于不可壓介質，不需要考慮內能的變化，所以能量差值只有壓力能、 位置能、及速度能。 則：對不可壓介質有: P2 Pi g 分別用于泵 （i ）對于水輪機 C2 C12 ：1 （Z2 Zi）］ 2g （介質吸收能量），水輪機（介質放出能量） 定義：H st電站

9、靜水頭，是上下游水位差 由于上下游水面一般均為大氣壓 Ps=Pp=iatm 上下游水庫河道流速一般很小，故電站水頭 2 2 Pp Ps C p Cs H -——弋一Zp Zs Hst g 2g P 考慮引水管路損失 H ,故水輪機水頭和水電站水頭關系為： H=Hst- H （ii）泵 a）裝置揚程Hg :表示泵將單位重力液體介質從下游容器抽到下游容器所需要 做的功 圖14水頭七折和的定工 1進|：敏用2—出口事置 中一上M本面j—>7Knr 「2 c 2 H為管路損失 依定義：H -EZp Zs H g 2g p 一般容器的流速很小，故又可定義裝置靜揚程為：

10、 Pp Ps H st Zd Zs g 一般泵穩(wěn)定工作時，Hg=H, 故有 H=HG=Hst+ H 泵的揚程是單位重量的液體泵進口能量的增量(H)o 揚程：指泵本身具有特性的參數，和抽送液體種類無關。但和泵所處地方的位 置有關，即和重力加速度有關，在不同的重力條件下， H值不同，在失重條件 下，H無意義，但一般泵用在地球上，g相差不大，故可以。 能量頭：如果用質量作為液體量的度量，得到一個與重力無關的能量指標，稱 為能量頭(或叫比能，比功)它是單位質量液體在流體機械進出口液體具有的 能量的差值，h 2 2 h gH [R-p1 ——— g(z2 z1)] 單位： N

11、m/kg m2/s2 2 (iii)風機： 工作介質是氣體，但由于進出口壓力變化很小，工程上仍可以將其流動的內介 質視為不可壓縮流體。對于風機進口出口，能量差如何表示？ 一般用壓開來表 示風機進出口斷面上單位體積(1m3)氣體能量差值，記為PtF ,單位Pa(N/m2) 能量差值包括壓力差值、動能差值，故全壓又叫風壓。 PtF P2 Pl 2 c2 2 Cl  2 C1 2 靜壓PsF,通風機的靜壓指全壓與出口動能之差 C2 PSF PtF 一 P2 Pl 2 風機一般不用液柱高表示 （二）可壓縮介質 當介質可壓縮時，介質的能量變化包括宏觀的動能及介質

12、的內能。 而內能的大 小與介質的始值有關，介質流過機械后始值的變化量，不僅和葉輪所作的功大 小有關，而且與機器內部的熱力學過程及熱量傳遞有關。故在透平壓縮機中， 用能量頭表示單位質量（1kg）氣體的能量變化量，故 2 2 2 2 h h2 hi c2 c1 CpQ Ti） c2 c1 （式中忽略了重力作的功） 2 P 2 當不考慮損失時，上式還可寫為 （h=u+pv） 2 2 2 c2 ci h i vdp 2 上式說明，葉輪對氣體作的功，一部分使氣體壓力升高，另一部分使速度增加， 而壓力的升高，體現為始值的增加. 對于壓縮機，用能量的變化量并不能完全的反映葉輪做功能

13、力，因為，對于可 壓介質，機器的工作狀況不僅和進出口壓力變化量有關，還和進口壓力絕對值 及熱力學過程有關，（從12 vdp可知）不同壓力下，2 vdp不同，這是因為不同 壓力下體積不同，故在壓縮機中用壓縮比 表示能量提高的程度。 P2 Pi 三、轉速 n （rpm） 四、功率P及效率 功率P對工作機是機器輸入功率 kw 功率P對原動機是機器輸出功率 i ）介質不可壓 機器功率 pf gqvH hqm qvptF 來衡量損失大小 機器都有損失存在，故機器功率和流體功率有差值，故用 故t 對于原動機 對于工作機 ii）介質可壓 效率定義更復雜，這是因

14、為內能變化使始值變化，影響了機器內部的熱力學過 程，也改變了機器工作，其效率定義后講 五、特性曲線 1-3葉片式流體機械的機構型式 一、水輪機的結構 L軸流式水輪機 物流式水輪機的結構如圖1-11所示。它的組成部分有 引水室《蝸殼入導水機構、轉輪、尾水管等，還有軸、軸 承、傳動機構等結枸部件◎水流從蝸殼經導水機構流入轉 輪，推劭轉輪作功后從尾水管流出.水流在轉輪內的運動 方向與機器軸線一致，故稱為軸流式口按其葉片是否可在 輪轂上轉動，又可分為軸流轉槳式與軸流定槳式口前者的 葉片可通過一套機構帶動沿著自身的軸戲轉動，以適應不 同的工況口 圖1-L1軸沈式本輪譏 1 一是水管之

15、一轉輪3—固定鞋葉4活顏H對A蝴元6世咀機 2,貫流式水輪機 圖1-12貫流式水輪機 1 一固定導葉2—活動導葉3-發(fā)電機定子 4一發(fā)電機轉子A-轉輪葉片 3.混流式水輪機 圖1?14混流式水輪機 4.斜流式水輪機 圖1-16切擊式水輪機 S 1.15斜流式水輪機 5.切擊式水輪機

16、 一、常見泵的結構 L單級單吸懸臂式離心泵 3.單級雙吸水平中開式高心泵 1 2fi單經0號水平中開式虔小泉 I—笈訪2-SFW鄢件J—Wi承部件一葉沱 5.節(jié)段式多級泵 ) 4 S 6 E1-28節(jié)段式多級泵 IT4承部件2-進水&J-中段一葉帖他5—導葉6一出水段7―平值盤8-密封部件 立式軸流泵 田iti上式Ifeit第 ??氯，2-般? A+艙 S-O* &-?，1T*E*