泵与风机的叶轮理论精选文档.ppt
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1、泵与风机的叶轮理论本讲稿第一页,共五十六页 讨论泵与风机的原理和性能,就是要研究流体在泵与风讨论泵与风机的原理和性能,就是要研究流体在泵与风机内的流动规律,从而找出流体流动与机内的流动规律,从而找出流体流动与各过流部件各过流部件几何形状几何形状之间的关系,确定适宜的流道形状,以便获得符合要求之间的关系,确定适宜的流道形状,以便获得符合要求的水力(气动)性能。流体流经泵与风机内各过流部件的水力(气动)性能。流体流经泵与风机内各过流部件的对比情况如下表所示。的对比情况如下表所示。第一节第一节 离心式泵与风机的叶轮理论离心式泵与风机的叶轮理论流体流流体流经泵经泵与与风风机内各机内各过过流部件的流部件
2、的对对比情况比情况叶片叶片式式泵泵与与风风机机过过流部件流部件工作特点工作特点作用作用运运动动情况情况分析和研分析和研究究吸入室吸入室固定不固定不动动将流体引向工作将流体引向工作叶叶轮轮相相对简单对简单比比较较容易容易叶叶 轮轮旋旋 转转完成完成转换转换能量能量比比较较复复杂杂较为较为困困难难压压出室出室固定不固定不动动将流体引向将流体引向压压出出管路管路相相对简单对简单比比较较容易容易本讲稿第二页,共五十六页 欲开展对叶片式泵与风机的基本理论的研究工作,欲开展对叶片式泵与风机的基本理论的研究工作,应将主要精力集中于流体在应将主要精力集中于流体在叶轮流道内流动规律的研叶轮流道内流动规律的研究上
3、究上。叶片叶片轮毂轮毂轴轴前盘前盘后盘后盘空心叶片空心叶片板式叶片板式叶片本讲稿第三页,共五十六页一、流体在离心式叶轮内的流动分析一、流体在离心式叶轮内的流动分析(一)叶轮流道投影图及其流动分析假设(一)叶轮流道投影图及其流动分析假设1.叶轮流道投影图叶轮流道投影图 叶轮的轴面投影图和平面投影图可以清楚地表达出离心式叶轮的轴面投影图和平面投影图可以清楚地表达出离心式叶轮的几何形状,在模型制造及将引进设备国产化方面具有重叶轮的几何形状,在模型制造及将引进设备国产化方面具有重要的实际意义和使用价值。为了叙述和分析方便,通常只是将要的实际意义和使用价值。为了叙述和分析方便,通常只是将叶轮的轴面投影图
4、和平面投影图简单地画成如图所示的样子。叶轮的轴面投影图和平面投影图简单地画成如图所示的样子。本讲稿第四页,共五十六页平面投影图平面投影图平面投影图平面投影图轴面投影图轴面投影图轴面投影图轴面投影图叶片出口宽度叶片出口宽度叶片出口宽度叶片出口宽度叶片出口直径叶片出口直径叶片出口直径叶片出口直径叶轮投影图叶轮投影图本讲稿第五页,共五十六页2.流动分析假设流动分析假设由于流体在叶轮内流动相当复杂,为了分析其流动规律,由于流体在叶轮内流动相当复杂,为了分析其流动规律,常作如下假设:常作如下假设:(1)叶轮中的)叶轮中的叶片为无限多无限薄,叶片为无限多无限薄,流体微团的运动轨迹完流体微团的运动轨迹完全与
5、叶片型线相重合。全与叶片型线相重合。(2)流体为)流体为理想流体,理想流体,即忽略了流体的粘性。因此可暂不即忽略了流体的粘性。因此可暂不考虑由于粘性使速度场不均匀而带来的叶轮内的流动损失。考虑由于粘性使速度场不均匀而带来的叶轮内的流动损失。(3)流动为)流动为恒定流恒定流,即流动不随时间变化。,即流动不随时间变化。本讲稿第六页,共五十六页(4)流体是)流体是不可压缩的,不可压缩的,这一点和实际情况差别不大,因为液体这一点和实际情况差别不大,因为液体在很大压差下体积变化甚微,而气体在压差很小时体积变化也常忽略在很大压差下体积变化甚微,而气体在压差很小时体积变化也常忽略不计。不计。(5)流体在叶轮
6、内的流动是)流体在叶轮内的流动是轴对称的流动轴对称的流动。即认为在同一半径。即认为在同一半径的圆周上,流体微团有相同大小的速度。就是说,每一层流面的圆周上,流体微团有相同大小的速度。就是说,每一层流面(流面是流线绕叶轮轴心线旋转一周所形成的面)上的流线形(流面是流线绕叶轮轴心线旋转一周所形成的面)上的流线形状完全相同,因而,每层流面只需研究一条流线即可。状完全相同,因而,每层流面只需研究一条流线即可。本讲稿第七页,共五十六页(二)叶轮内流体的运动及其速度三角形(二)叶轮内流体的运动及其速度三角形1.叶轮内流体的运动及其速度三角形叶轮内流体的运动及其速度三角形由于速度是矢量,所以由于速度是矢量,
7、所以绝对绝对速度速度等于牵连速度和相对速度的矢等于牵连速度和相对速度的矢量和:量和:即:即:本讲稿第八页,共五十六页 速度三角形是研究流速度三角形是研究流体在叶体在叶轮轮内能量内能量转转化及其化及其参数参数变变化的基化的基础础。在恒定在恒定流假流假设设的基的基础础上,上,要了解流要了解流体流体流经经叶叶轮轮后所后所获获得的能得的能量。只需知道量。只需知道进进出口出口处处的的速度三角形即可。速度三角形即可。为为区区别别这这两两处处的参数,分的参数,分别别用下用下标标“1、2”表示叶表示叶轮轮叶片叶片进进口、出口口、出口处处的参数;并用的参数;并用下下标标“”表示叶片无限多无表示叶片无限多无限薄限
8、薄时时的参数。的参数。速度三角形速度三角形绝对流动角绝对流动角圆周分速度圆周分速度径向分速度径向分速度相对流动角相对流动角当叶片无限当叶片无限多时多时本讲稿第九页,共五十六页进进口速度三角形口速度三角形 2.叶叶轮轮流道流道进进、出口速度的、出口速度的计计算算进口进口(1)圆圆周速度周速度式中式中 n 叶轮转速,叶轮转速,r/min;D1叶轮内径,叶轮内径,m;本讲稿第十页,共五十六页进进口速度三角形口速度三角形(2)轴轴面速度面速度式中式中 理理论论流量,流量,;叶叶轮轮内径,内径,m;叶叶轮轮的的进进口口宽宽度;度;m排挤系数排挤系数(对于水泵,进口的排挤系数为:(对于水泵,进口的排挤系数
9、为:1=0.750.88;)本讲稿第十一页,共五十六页(3)进进口口绝对绝对流流动动角角 进进口速度三角形口速度三角形 的数的数值值取决于吸入室及叶取决于吸入室及叶轮轮前是否有前是否有导导流器。流器。1a本讲稿第十二页,共五十六页出口出口(1)圆圆周速度周速度出口速度三角形出口速度三角形式中式中 n 叶叶轮转轮转速,速,r/min;叶叶轮轮内径,内径,m;本讲稿第十三页,共五十六页(2)轴轴面速度面速度出口速度三角形出口速度三角形式中式中 理理论论流量,流量,叶叶轮轮内径,内径,m;叶叶轮轮的的进进口口宽宽度;度;m排挤系数排挤系数(对于水泵,出口的排挤系数为:(对于水泵,出口的排挤系数为:1
10、=0.850.95;)本讲稿第十四页,共五十六页(3)出口相出口相对对流流动动角角出口速度三角形出口速度三角形 在叶片无限多的假在叶片无限多的假设设条件下,叶条件下,叶轮轮出口出口处处流体运流体运动动的相的相对对速度速度方向沿着叶片切方向沿着叶片切线线方方向,即出口相向,即出口相对对流流动动角角的数值与叶片出口处的安的数值与叶片出口处的安装角度相同。装角度相同。本讲稿第十五页,共五十六页二二、能量方程式及其分析能量方程式及其分析(一)、能量方程式的推导(一)、能量方程式的推导 流体进入叶轮后,叶片对流体做功使其能量增加。利用流流体进入叶轮后,叶片对流体做功使其能量增加。利用流体力学中的动量矩定
11、理,可建立叶片对流体作功与流体运动体力学中的动量矩定理,可建立叶片对流体作功与流体运动状态变化之间的联系,推得能量方程式。状态变化之间的联系,推得能量方程式。1.前提条件前提条件 将上节的假设,简写为:将上节的假设,简写为:叶片叶片为为“”,=0,=const.=const.,轴对称。,轴对称。本讲稿第十六页,共五十六页2.控制体控制体 本讲稿第十七页,共五十六页则则dt在在时间时间内流入和流出内流入和流出进进出口控制面的流体相出口控制面的流体相对对于于轴线轴线的的动动量矩分量矩分别为别为:流流进进:流出:流出:由此得由此得单单位位时间时间内,叶内,叶轮进轮进、出口、出口处处流体流体动动量量矩
12、的矩的变变化化为为:本讲稿第十八页,共五十六页 根据根据动动量矩定理,上式量矩定理,上式应应等于作用于等于作用于该该流体上的合外力矩,即等于流体上的合外力矩,即等于叶叶轮轮旋旋转时给转时给予予该该流体的流体的转转矩,矩,设设作用在流体上的作用在流体上的转转矩矩为为M,则则有有叶叶轮轮以等角速度以等角速度旋旋转时转时,该该力矩力矩对对流体所做的功率流体所做的功率为为:这里:这里:所以有所以有:本讲稿第十九页,共五十六页得得:全式除以全式除以 为为理想流体通理想流体通过过无限多叶片叶无限多叶片叶轮时轮时的的扬扬程,程,单单位位为为m。上式即。上式即为为离心式离心式泵泵的能量方程。的能量方程。若若单
13、单位重量流体通位重量流体通过过无限多叶片叶无限多叶片叶轮时轮时所所获获得的能得的能量量 ,则单位时间内流体通过无限多叶片叶轮时所获,则单位时间内流体通过无限多叶片叶轮时所获得的总能量为得的总能量为 ,对理想流体而言、叶轮传递,对理想流体而言、叶轮传递给流体的功率应该等于流体从叶轮中所获得的功率。即给流体的功率应该等于流体从叶轮中所获得的功率。即本讲稿第二十页,共五十六页 对对风机风机而言,通常用风压来表示所而言,通常用风压来表示所获得的能量,获得的能量,因此,风机的能量方程为:因此,风机的能量方程为:本讲稿第二十一页,共五十六页(二)、能量方程式的分析(二)、能量方程式的分析1、分析方法上的特
14、点、分析方法上的特点:避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题,只涉及叶避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题,只涉及叶轮进、出口处流体的流动情况。轮进、出口处流体的流动情况。、理论能头与被输送流体密度的关系、理论能头与被输送流体密度的关系:pT =(u2 2u-u1 1u)本讲稿第二十二页,共五十六页3、提高无限多叶片时理论能头的几项措施:、提高无限多叶片时理论能头的几项措施:(1)1u 反映了泵与风机的吸入条件。设计时一般尽量反映了泵与风机的吸入条件。设计时一般尽量使使 190(1u 0),),流体在进口近似为流体在进口近似为径向或轴向径向或轴向流入流入。(2)增大叶轮外径和提高叶轮转速增大叶轮外径
15、和提高叶轮转速增大叶轮外径和提高叶轮转速增大叶轮外径和提高叶轮转速。因为。因为 u2=2 D2n/60,故,故D2 和和n HT 。本讲稿第二十三页,共五十六页(3)绝对速度的沿圆周方向的分量)绝对速度的沿圆周方向的分量 2u 。提高。提高 2u 也可也可提高理论能头,而提高理论能头,而 2u 与叶轮的型式即出口安装角与叶轮的型式即出口安装角 2a有关,有关,这一点将在第三节中专门讨论。这一点将在第三节中专门讨论。本讲稿第二十四页,共五十六页4 4、能量方程式的第二形式:、能量方程式的第二形式:由叶轮叶片进、出口速度三角形可知:由叶轮叶片进、出口速度三角形可知:其中其中i=1或或 i=2,将上
16、式代入理论扬程,将上式代入理论扬程HT 的表达式,的表达式,得:得:本讲稿第二十五页,共五十六页第一部分第一部分Hst:共同表示了流体流经叶轮时:共同表示了流体流经叶轮时静能头的增加值静能头的增加值静能头的增加值静能头的增加值。轴。轴流式:流式:第一项第一项=0,说明在其它条件相同的情况下,轴流式泵与风机的,说明在其它条件相同的情况下,轴流式泵与风机的能头低于离心式;能头低于离心式;第二部分第二部分Hd:表示流体流经叶轮时:表示流体流经叶轮时动能头的增加值动能头的增加值动能头的增加值动能头的增加值。这项动能头这项动能头要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转化为静能头。要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转
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