4 叶片式流体机械中的能量转换.ppt

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1、一、流动特点1、稳定（以分析稳定为基础）（以分析稳定为基础）2、轴对称3、主流发生在流面(空间流线绕轴旋转一周所形成的回转空间流线绕轴旋转一周所形成的回转面）面）上 （空间流面和轴平面的交线被称作轴面流线（空间流面和轴平面的交线被称作轴面流线)4、流面上的相对流线以叶片为约束2-1 2-1 流体在叶轮中的运动分析流体在叶轮中的运动分析 第二章第二章 叶片式流体机械中的能量转换叶片式流体机械中的能量转换 空空间间流流面面、流流线线和和轴轴面面流流线线5、复合运动（绝对运动）=圆周运动（牵连运动）+相对运动速度三角形：速度三角形：轴轴面面流流速速分分量量二、流场的描述1、径流式1 1）轴面投影图：

2、）轴面投影图：圆弧投影到轴平面上（纸面上）圆弧投影到轴平面上（纸面上）叶轮低能口直径；叶轮低能口直径；叶片低、高能边直径（叶片低、高能边直径（D D（l l）；(叶轮直径叶轮直径)）；）；叶槽低、高能边宽（叶槽低、高能边宽（b b（l l）。通常把通常把D D（l l）*b b（l l）设计为定值。设计为定值。2 2）平面投影图：）平面投影图：投影到与轴垂直的平面上（流道上所有点）投影到与轴垂直的平面上（流道上所有点）叶片包角；叶片包角；叶片低、高能边安放角（叶片低、高能边安放角（）。）。叶片安放角叶片安放角 沿叶片骨线沿叶片骨线(翼形内切圆心的连线翼形内切圆心的连线)的切线的切线顺流方向与该

3、点上顺流方向与该点上 方向之间的夹角。方向之间的夹角。2、轴流式：1 1）轴面投影图）轴面投影图 叶片轮毂、缘高（叶片轮毂、缘高（）；）；轮缘直径轮缘直径(叶轮直径叶轮直径 )；轮毂直径。轮毂直径。2 2）平面投影图）平面投影图 叶片包角叶片包角3 3）流面展开图（）流面展开图（F F（r r）叶栅稠密度叶栅稠密度(弦长、弦长、tt栅距栅距)；栅中翼型安放角；栅中翼型安放角；叶片低、高能边安放角。叶片低、高能边安放角。三、流场内任意点速度三角形能够确定的元素有：能够确定的元素有：三角形底边三角形底边 三角形的高三角形的高 待确定元素：待确定元素：或或如工作机叶片进口速度三角形，一般情况下的进口

4、流态为有如工作机叶片进口速度三角形，一般情况下的进口流态为有势无旋。势无旋。即：即：对于叶片进口通常定义冲角为：对于叶片进口通常定义冲角为：一、基本假定1、轴对称稳定流；2、流面层间流动无关；3、叶片无限多，无限薄；4、理想流体 。二、欧拉方程的导出1、理论基础质点系动量矩定理：质点系对于某一固定轴的动量矩对于时间的变化率，等于作用质点系对于某一固定轴的动量矩对于时间的变化率，等于作用在质点系上所有外力对于同一固定轴之矩的和，即：在质点系上所有外力对于同一固定轴之矩的和，即：2-2 2-2 基本方程基本方程 2、取控制体对于轴对称叶轮流场，取某一叶槽内的流体为控制体，该控制对于轴对称叶轮流场，

5、取某一叶槽内的流体为控制体，该控制体的出口以叶片的出口边为限，进口以叶片进口边前时刻的流体体的出口以叶片的出口边为限，进口以叶片进口边前时刻的流体质点的集合为限。质点的集合为限。3、欧拉方程的导出1 1）控制体流体质点系所受外力对）控制体流体质点系所受外力对OOOO轴之矩轴之矩:2 2）控制体流体质点系对）控制体流体质点系对OOOO轴动量矩的改变：轴动量矩的改变：稳定流：稳定流：流体质点系在时段内对流体质点系在时段内对OOOO轴动量矩无改变；轴动量矩无改变；理想流体（不可压缩流体理想流体（不可压缩流体连续性方程）：连续性方程）：控制体流体质点系对控制体流体质点系对OOOO轴动量矩的改变为：轴动

6、量矩的改变为：3 3）质点系动量矩定理）质点系动量矩定理4 4）欧拉方程的导出）欧拉方程的导出 即：即：理想流体（无粘性，不可压缩）：理想流体（无粘性，不可压缩）：叶片无穷多（有理论图解）：叶片无穷多（有理论图解）：轴流式叶轮：轴流式叶轮：三、欧拉方程的求解 四、欧拉方程的修正 1、对无穷多叶片假定的修正 可以把流体在有限多叶片叶轮里的流动看成上述理想的叶轮流可以把流体在有限多叶片叶轮里的流动看成上述理想的叶轮流动和一个因流体质点的惯性作用，在叶槽的有限自由空间里形成动和一个因流体质点的惯性作用，在叶槽的有限自由空间里形成的同一流面上的平面反向涡旋的叠加。的同一流面上的平面反向涡旋的叠加。1）

7、反旋现象：）反旋现象：2）流动叠加：）流动叠加：。3）修正：）修正：式中：式中：2、对理想流体（无粘性）假定的修正五、欧拉方程的分析1、的大小仅取决于流体质点在叶片出口边、进口边运动状态的不同及其运动参数的改变。且以叶片高能边为主。2、单位重量（质量）能与流体的种类无关；单位体积能则有关。3、由 可得，对于给定的叶轮，在稳定转速下：1 1）相关性分析）相关性分析机器的能头：机器的能头：2 2）进口引导流态的变化，将直接关系机器的到）进口引导流态的变化，将直接关系机器的到 等工作等工作特性。特性。4、由余弦定理 可得：1 1）为势能改变量，不可分割。为势能改变量，不可分割。2 2）为离心力做功项

8、，轴流式叶轮为离心力做功项，轴流式叶轮 ，无此项。，无此项。3 3）为升力做功项，是轴流式叶轮（无离心力做功项）为升力做功项，是轴流式叶轮（无离心力做功项）唯一的势能项。工作机叶轮流面上的叶栅为减速增压叶栅，原动唯一的势能项。工作机叶轮流面上的叶栅为减速增压叶栅，原动机叶轮流面上的叶栅则为增速减压叶栅。机叶轮流面上的叶栅则为增速减压叶栅。说明：说明：项：项：离心力：离心力：压力增加：压力增加：积分得：积分得：项：项：若以相对流速流经叶轮流面上的叶栅则有：若以相对流速流经叶轮流面上的叶栅则有：由：由：则：则：积分得：积分得：5、由在流量恒定的条件下：1 1）加大叶轮直径）加大叶轮直径 （轴流式叶

9、轮（轴流式叶轮 则需同时加大），但则需同时加大），但（特别是（特别是 ）会很快增大，不经济；）会很快增大，不经济；2 2）提高叶轮转速，比加大叶轮直径经济，但往往会受水泵汽蚀）提高叶轮转速，比加大叶轮直径经济，但往往会受水泵汽蚀现象和条件的限制。现象和条件的限制。一、反作用度1、定义：总能头中压能所占的比重。总能头中压能所占的比重。2、表达式：讨论：讨论：2-3 2-3 叶型分析叶型分析 二、叶型分析1、反击式 1 1）径流式）径流式 前向（弯）：前向（弯）：径向：径向：后向（弯）：后向（弯）：讨论：讨论：由上述分析可知后弯式叶型对应的动能比重较小，因此，相由上述分析可知后弯式叶型对应的动能比

10、重较小，因此，相应的流动损失就会少，流动效率较高。应的流动损失就会少，流动效率较高。后弯式叶片的叶轮，其叶槽的流道狭长，平面扩散的变化较后弯式叶片的叶轮，其叶槽的流道狭长，平面扩散的变化较缓和，导流顺畅，能够为叶轮的工作提供良好的流动条件。缓和，导流顺畅，能够为叶轮的工作提供良好的流动条件。由叶轮功率：由叶轮功率：可知：对于工作机来说，当可知：对于工作机来说，当 时，时，上无上无界。泵则无法正常配套动力机。这是离心式水泵叶轮的叶片都是界。泵则无法正常配套动力机。这是离心式水泵叶轮的叶片都是后弯式的，即用凸面打水（后弯式的，即用凸面打水（）的根本）的根本原因。原因。加大工作机叶片出口安放角，可提

11、高叶轮的总能头，但是，加大工作机叶片出口安放角，可提高叶轮的总能头，但是，外特性（外特性（HQ）将急剧恶化？）将急剧恶化？风机可采用前弯或径向式叶片的叶轮，以提高能头。风机可采用前弯或径向式叶片的叶轮，以提高能头。2 2）轴流式）轴流式减速增压叶栅要求栅中翼型必须是前厚后薄，增速降压反之减速增压叶栅要求栅中翼型必须是前厚后薄，增速降压反之凹面工作面凹面工作面 叶片是扭曲的叶片是扭曲的径向能头平衡，要求不同流面上的栅中翼型的安放角是不同的。径向能头平衡，要求不同流面上的栅中翼型的安放角是不同的。随着流面半径的加大，其栅中翼型的安放角是逐步变缓的。用下随着流面半径的加大，其栅中翼型的安放角是逐步变

12、缓的。用下标标“h h”表述轮毂，下标表述轮毂，下标“t t”表述轮缘。表述轮缘。2、冲击式 1 1）2 2）以较小的以较小的给定给定 适应较大能头适应较大能头 3 3）叶片弯度较大叶片弯度较大4 4）流体不充全流道）流体不充全流道 5 5）局部进水）局部进水 使用使用 叶轮叶轮 6 6）向心透平机的）向心透平机的“冲击冲击”应被理解为气动反作用度应被理解为气动反作用度7 7）双击式介于冲击式和反击式之间）双击式介于冲击式和反击式之间 二、各种叶型使用范围1、原动机1 1）2、工作机 1 1）泵：）泵：2 2）通风机：）通风机：3 3）压缩机：）压缩机：2-4 2-4 固定元件的作用原理固定元

13、件的作用原理 一、原动机1、引水室1 1）作用）作用 2 2）型式）型式3 3）固定导叶安放角）固定导叶安放角 为定值（骨线为等角螺线）为定值（骨线为等角螺线）2、活动导叶 1 1）作用）作用 当水轮机轴端负荷发生改变时，当水轮机轴端负荷发生改变时，n n随即随即改变，要求流量变，以使水轮机的功率与改变，要求流量变，以使水轮机的功率与负荷平衡，而在许可的时间内使负荷平衡，而在许可的时间内使n n回到原回到原来的位置。来的位置。2 2）流量调节方程：）流量调节方程：转轮进口的速度矩：转轮进口的速度矩：转轮出口的速度矩：转轮出口的速度矩：流量调节方程：流量调节方程：代入欧拉方程：代入欧拉方程：则有

14、：则有：3、尾水管1 1）作用）作用2 2）回能（恢复）系数）回能（恢复）系数 以最小以最小 的为前提，尽可能地提高的为前提，尽可能地提高 减少减少 ，在低，在低水头水轮机中，水头水轮机中，所占能头的份额极大。所占能头的份额极大。3 3）叶轮出水）叶轮出水 的客观存在；的客观存在；涡带空化、振动；涡带空化、振动；另一方面设计中常设小的出口正向环量以抑制流动分离，减另一方面设计中常设小的出口正向环量以抑制流动分离，减小流动损失。小流动损失。4、喷嘴（管）1 1）不可压缩介质）不可压缩介质2 2）可压缩介质）可压缩介质式中：式中：进口流速进口流速 等熵焓降等熵焓降当出口环境压力（背压）到达当出口环

15、境压力（背压）到达临界压力临界压力 （临界压力比（临界压力比 ）时，）时，最大，这最大，这是极限流速。是极限流速。二、工作机 1、吸入室 对称均匀以最小的对称均匀以最小的 引水进入叶轮（叶片进口）。引水进入叶轮（叶片进口）。2、导流器制造进口预旋（风机）。制造进口预旋（风机）。3、压出室 2-5 2-5 工况分析工况分析 一、工况工作状况或一组运行参数（工作参数）工作状况或一组运行参数（工作参数）1、设计工况 1 1）进口：）进口：正冲角：工作面迎着来流。正冲角：工作面迎着来流。2 2）出口：）出口：2、最优工况效率最高点对应的工况。效率最高点对应的工况。二、工况分析1、工作机1 1）设计工况

16、）设计工况2 2）变流量工况）变流量工况 3 3）变速工况）变速工况 4 4）调角工况）调角工况对能头的的影响对能头的的影响保持保持5 5）导流器的作用（只影响进口三角形）导流器的作用（只影响进口三角形 ）正向预旋（与正向预旋（与 同向）同向）反向预旋（与反向预旋（与 反向）反向）2、原动机（仅以水轮机为例）由于设有活动导叶机构，所以比工作机多一个决定工况的参数。由于设有活动导叶机构，所以比工作机多一个决定工况的参数。1 1）设计工况）设计工况在导叶出口有：在导叶出口有：导叶出口到叶轮进口间为自由流动（等势）：导叶出口到叶轮进口间为自由流动（等势）：于是有：于是有：2 2）变流量工况）变流量工况 高水头水轮机（前弯）高水头水轮机（前弯）低水头水轮机（后弯）低水头水轮机（后弯）出口（出口（不变，不变，不变，不变，）3 3）变角调流工况（轴流、斜流旋桨式水轮机）变角调流工况（轴流、斜流旋桨式水轮机）进口进口出口保持出口保持4 4）水头变化工况）水头变化工况进口进口仅仅出口变流量工况相同出口变流量工况相同5 5）变速工况）变速工况 2-6 2-6 工介状态的变化工介状态的变化