離心式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論解析PPT課件

1、一、離心式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理 封閉葉輪中的流體微團(tuán)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)離心力作用使流體獲得能量第1頁(yè)/共38頁(yè)drrdAdFdpbrdbddrrdAdrdbrdFdmrdFdrbrddm222/)(壓力差單位面積離心力徑向作用面積離心力微團(tuán)質(zhì)量第2頁(yè)/共38頁(yè)對(duì)不可壓縮流體，積分guugppuurrrdrdppprrpp22221221221222122222122121當(dāng)葉輪不封閉時(shí)：流體將流出葉輪，并在入口產(chǎn)生真空吸入流體，形成連續(xù)流動(dòng)。第3頁(yè)/共38頁(yè)4氣縛現(xiàn)象 離心泵啟動(dòng)時(shí)，如果泵殼內(nèi)存在空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處產(chǎn)生的低壓不足以造成吸

2、上液體所需要的真空度，這樣，離心泵就無(wú)法工作，這種現(xiàn)象稱(chēng)作“氣縛”。流體在封閉的葉輪中所獲得的能（靜壓能）： guugpp2212212（14）第4頁(yè)/共38頁(yè)5二、流體在二、流體在離心式離心式葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及速度三角葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及速度三角形形兩點(diǎn)假設(shè)：1）葉片無(wú)限多，且無(wú)限薄 2）無(wú)粘性流體D1第5頁(yè)/共38頁(yè)6 流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)矢量法如圖(a)所示，稱(chēng)為圓周速度u，其方向與圓周切線(xiàn)方向一致，大小與所在半徑及轉(zhuǎn)速有關(guān)。流體沿葉輪流道的運(yùn)動(dòng)，如圖 (b)所示，稱(chēng)相對(duì)速度w，其方向?yàn)槿~片的切線(xiàn)方向，大小與流量及流道形狀有關(guān)。相對(duì)靜止機(jī)殼的運(yùn)動(dòng)，如圖(c)所示，稱(chēng)絕對(duì)速度V。uwvD2b2w2c2

3、u2a牽連運(yùn)動(dòng) 相對(duì)運(yùn)動(dòng) 絕對(duì)運(yùn)動(dòng) 第6頁(yè)/共38頁(yè)二、流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形如果流體沿著葉片切向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用下標(biāo)l和2表示葉片進(jìn)口和出口處的參數(shù)，表示無(wú)限多無(wú)限薄葉片時(shí)的參數(shù)。第7頁(yè)/共38頁(yè) 什么叫安裝角？8第8頁(yè)/共38頁(yè)9（二）葉輪流道內(nèi)任意點(diǎn)速度的計(jì)算1 圓周速度u 2 軸面速度 圓周上的厚度 排擠系數(shù)smDnu/60AqAqVvvTmDzDbbzDbA1asbsinaDzsbsin1DbA DbqVvm第9頁(yè)/共38頁(yè)103相對(duì)速度的方向及流動(dòng)角 無(wú)窮多葉片： a重點(diǎn)重點(diǎn)速度三角形的繪制。由軸面速速度三角形的繪制。由軸面速度、圓周速度、流動(dòng)角即可畫(huà)度、圓周速度、流動(dòng)角即可畫(huà)出

4、速度三角形。出速度三角形。意義意義1 1、推導(dǎo)能量方程、推導(dǎo)能量方程2 2、為水泵設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)、為水泵設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)第10頁(yè)/共38頁(yè)11三、 能量方程及其分析 1、前提條件 葉片為“”, =0, =const., , =const.，軸對(duì)稱(chēng)。0t2、控制體和坐標(biāo)系（相對(duì)） 第11頁(yè)/共38頁(yè)12動(dòng)量矩定理：動(dòng)量矩的變化率應(yīng)等于所有外力對(duì)轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩的變化率應(yīng)等于所有外力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩力矩M M MM表示葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)傳遞給流體的功率，由于假設(shè)不計(jì)能量損表示葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)傳遞給流體的功率，由于假設(shè)不計(jì)能量損失，失，MM應(yīng)該等于流體獲得的功率應(yīng)該等于流體獲得的功率gqgqVTVTH HTT。P=M=

5、gqP=M=gqVTVTH HTT按照動(dòng)量矩定理，動(dòng)量矩的變化率應(yīng)等于所有外力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩M流進(jìn)：流出：葉輪進(jìn)、出口處流體動(dòng)量矩的變化為：,111cosV Tqvrdta,222cosV Tqvr dta,222111(coscos)V Tqvrvr dtaa,222111(coscos)V TMqvrvraa)coscos(111222rvrvqMvTaa第12頁(yè)/共38頁(yè)13泵與風(fēng)機(jī)的基本方程：歐拉方程 由于u2=r2、u1=r1、2u=2cosa2、1u=1cosa1，代入上式得 ：P=qVT(u22u- u11u)（）pT=gHT= (u22u- u11u)而單位體積流體流經(jīng)葉輪時(shí)所獲

6、得的能量，即無(wú)限多葉片時(shí)的理論能頭 pT 為： 則單位重力流體流經(jīng)葉輪時(shí)所獲得的能量，即無(wú)限多葉片時(shí)的理論能頭 HT 為： )(g1gu11u22TT uuqPHV（ ） 第13頁(yè)/共38頁(yè)14能量方程分析 (1)(1)單位重量和單位體積的理想流體流過(guò)無(wú)限多葉片葉輪時(shí)所單位重量和單位體積的理想流體流過(guò)無(wú)限多葉片葉輪時(shí)所獲得獲得的能量的能量?jī)H與流體在葉片進(jìn)口及出口處的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)僅與流體在葉片進(jìn)口及出口處的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，而，而與在流道與在流道中的流動(dòng)過(guò)程和流體性質(zhì)無(wú)關(guān)中的流動(dòng)過(guò)程和流體性質(zhì)無(wú)關(guān)。如果泵與風(fēng)機(jī)的葉輪尺寸相同。如果泵與風(fēng)機(jī)的葉輪尺寸相同, ,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相同速相同, ,流量相等時(shí)，則流體所

7、獲得的流量相等時(shí)，則流體所獲得的理論能頭相等，即泵所產(chǎn)生理論能頭相等，即泵所產(chǎn)生的液柱與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣柱高度相等的液柱與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣柱高度相等。 而全風(fēng)壓與流體密度有關(guān)。因此，而全風(fēng)壓與流體密度有關(guān)。因此，不同密度的流體所產(chǎn)生的不同密度的流體所產(chǎn)生的壓力是壓力是不同不同的的。 (2)(2)當(dāng)當(dāng)1 19090時(shí)，則時(shí)，則v v1u1u0 0，流體，流體徑向流入葉輪徑向流入葉輪時(shí)，獲得最大的時(shí)，獲得最大的理論揚(yáng)程。理論揚(yáng)程。 H HTT=u=u2 2v v2u2u/g/g (3)(3)增加轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)速n n，葉輪外徑，葉輪外徑D D2 2和絕對(duì)速度在圓周的分量和絕對(duì)速度在圓周的分量V V2u2u，均

8、可提，均可提高理論能頭高理論能頭H HTT，但加大，但加大D D2 2會(huì)使損失增加，降低泵的效率。提高轉(zhuǎn)會(huì)使損失增加，降低泵的效率。提高轉(zhuǎn)速則受材料強(qiáng)度及汽蝕的限制。比較之下，用速則受材料強(qiáng)度及汽蝕的限制。比較之下，用提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高理論提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高理論能頭能頭，仍是當(dāng)前普遍采用的主要方法。，仍是當(dāng)前普遍采用的主要方法。HT= (u2v2u-u1v1u)/g第14頁(yè)/共38頁(yè)15由葉輪葉片進(jìn)、出口速度三角形，由余弦定理可知： )(21cos222u iiiiiiiiwuuu a a 其中i=1或 i=2，將上式代入理論揚(yáng)程HT 的表達(dá)式，得： （二）能量方程式的分析（4） 能量方程式的第二形式

9、： gwwguugH222222121222122T表示流體流經(jīng)葉輪時(shí)共同表示了流體流經(jīng)葉輪時(shí)能量方程分析HT= (u2v2u-u1v1u)/g第15頁(yè)/共38頁(yè)16四、離心式葉輪葉片型式的分析(a) 2a90，前彎式葉片第16頁(yè)/共38頁(yè)17當(dāng)119090時(shí)，能量方程式為而有g(shù)vuHuT22amuvuv2222cotb)cot(2222amTvuguHbHT= (u2v2u-u1v1u)/g第17頁(yè)/共38頁(yè)18最小出口安裝角2amin 2a =90 最大出口安裝角2amaxV2u =2u2 )cot(2222amTvuguHb第18頁(yè)/共38頁(yè)（一）（一）葉片出口安裝角對(duì)理論揚(yáng)程的影響1

10、2a90（前彎式葉片）19mavu22min2cotb0THguHT22mavu22min2cotbguHT222第19頁(yè)/共38頁(yè)反作用度v2m v1m,徑向流入v1u=0（二）出口安裝角對(duì)靜揚(yáng)程和動(dòng)揚(yáng)程的影響20TdTdTTstHHHHHHH1gvvHd22122222222umvvv212121umvvvgvvgvvHuummd2221222122gvHud222 22222221/2/1uvgvugvuuu第20頁(yè)/共38頁(yè)不同葉片型式的反作用度 1 后彎式 2a 2amin，v2u=0 = 1，動(dòng)靜揚(yáng)程均為0 后彎式葉片： 11/22 徑向式 2a90, v2u=u2 = 1/2，動(dòng)

11、靜揚(yáng)程各占一半 3 前彎式 2a 2amax ， v2u=2u2 = 0，只有動(dòng)揚(yáng)程，沒(méi)有靜揚(yáng)程 前彎式葉片： 01/222222221/2/1uvgvugvuuu第21頁(yè)/共38頁(yè)不同葉片型式的分析后彎式葉片后彎式葉片 流道長(zhǎng)，出口絕對(duì)速度小流道長(zhǎng)，出口絕對(duì)速度小 能量損失小、效率高、噪聲低能量損失小、效率高、噪聲低 總揚(yáng)程較小，需較大葉輪和較高轉(zhuǎn)速總揚(yáng)程較小，需較大葉輪和較高轉(zhuǎn)速 離心泵離心泵2a2a 20203030, , 離心風(fēng)機(jī)離心風(fēng)機(jī)2a2a 40406060徑向式葉片徑向式葉片 流道短，通暢，流動(dòng)損失較小流道短，通暢，流動(dòng)損失較小 出口絕對(duì)速度高，能量損失較大，效率低于后彎式、噪

12、聲較高出口絕對(duì)速度高，能量損失較大，效率低于后彎式、噪聲較高 總揚(yáng)程較高，制造簡(jiǎn)單，不易染塵總揚(yáng)程較高，制造簡(jiǎn)單，不易染塵 通風(fēng)機(jī)或排塵風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)或排塵風(fēng)機(jī)2a2a 9090前彎式葉片前彎式葉片 流道短，葉片彎曲大流道短，葉片彎曲大 能量損失大、效率低、噪聲低能量損失大、效率低、噪聲低 總揚(yáng)程較高，需較小葉輪和較低轉(zhuǎn)速總揚(yáng)程較高，需較小葉輪和較低轉(zhuǎn)速 低壓通風(fēng)機(jī)低壓通風(fēng)機(jī)2a2a 9090155155gvuHuT22第22頁(yè)/共38頁(yè)23五 有限葉片葉輪中流體的運(yùn)動(dòng) 動(dòng)分析可知，相對(duì)速度ww=wm(1-n/Rs)+2n第23頁(yè)/共38頁(yè)24軸向旋渦試驗(yàn) 1 1、用一個(gè)充滿(mǎn)理想流體的圓形容器，、

13、用一個(gè)充滿(mǎn)理想流體的圓形容器，在流體上懸浮一箭頭在流體上懸浮一箭頭S S，當(dāng)容器以角，當(dāng)容器以角速度速度w w繞中心繞中心O O作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)闆](méi)有摩擦力，所以流體不轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有摩擦力，所以流體不轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)箭頭的方向未變，這說(shuō)明此時(shí)箭頭的方向未變，這說(shuō)明流體流體由于本身的慣性保持原有的狀態(tài)由于本身的慣性保持原有的狀態(tài)。 2 2、若容器依據(jù)某給定回轉(zhuǎn)半徑順時(shí)、若容器依據(jù)某給定回轉(zhuǎn)半徑順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，流體相對(duì)于容器也有一個(gè)針旋轉(zhuǎn)，流體相對(duì)于容器也有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其方向卻于容器旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其方向卻于容器旋轉(zhuǎn)方方向相反，角速度則相等向相反，角速度則相等。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有自己

14、的軸心，相當(dāng)于繞軸旋渦，稱(chēng)為軸向渦流。AAA第24頁(yè)/共38頁(yè)25五 有限葉片葉輪中流體的運(yùn)動(dòng)無(wú)限葉片數(shù)pwpw，吸力面，壓力面 p形成阻力矩； 1、第25頁(yè)/共38頁(yè)26軸向渦流對(duì)速度三角形的影響2、流線(xiàn)和速度三角形發(fā)生變化，分布不均；出流角2小于出口安裝角2a。相對(duì)速度產(chǎn)生滑移，造成流體出口的旋轉(zhuǎn)不足，致使揚(yáng)程下降。第26頁(yè)/共38頁(yè)27當(dāng)當(dāng)WmWm進(jìn)一步降低時(shí)，進(jìn)一步降低時(shí)，W1W1逐漸變?yōu)橹饾u變?yōu)? 0而后變?yōu)樨?fù)值，意味著流道內(nèi)而后變?yōu)樨?fù)值，意味著流道內(nèi)可能出現(xiàn)逆流，因此選擇合理的葉片數(shù)很重要?？赡艹霈F(xiàn)逆流，因此選擇合理的葉片數(shù)很重要。第27頁(yè)/共38頁(yè)六、滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù)滑移量w2

15、u與滑移速度v2u環(huán)流系數(shù)滑移系數(shù)uuuuvvvw2222uuuuTTHHK22221222221uvuvuuuuvuK22)1 (122)1 (1uvKu第28頁(yè)/共38頁(yè)用滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù)求揚(yáng)程（1）已知K（2）已知 由前面的推導(dǎo)有TTKHHamuTwuvuguH222222cot1bamTwuguH2222cotb不是由損失造成的；不是由損失造成的；流體慣性流體慣性有限葉片有限葉片軸向滑移；軸向滑移；粗略計(jì)算時(shí)，離心泵K值可取0.81.0，離心風(fēng)機(jī)的K值可取0.80.850也可查表獲得。第29頁(yè)/共38頁(yè)七、流體進(jìn)入葉輪前的預(yù)旋1 強(qiáng)制預(yù)旋 結(jié)構(gòu)原因?qū)е铝黧w不能以90o的絕對(duì)速度角進(jìn)入

16、葉輪，存在結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)制預(yù)旋。 正預(yù)旋：10，揚(yáng)程變小 與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同方向預(yù)旋，有利于消除旋渦 相對(duì)速度變小，提高抗汽蝕性能，損失減小，效率提高 負(fù)預(yù)旋：190o v1u0，揚(yáng)程變大 相對(duì)速度變大，抗汽蝕性能下降，損失增大，效率降低 HT= (u2v2u-u1v1u)/g第30頁(yè)/共38頁(yè)2 自由預(yù)旋 產(chǎn)生原因： 由于流量改變導(dǎo)致的預(yù)旋 與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān) 斯梯瓦特的試驗(yàn)結(jié)果 設(shè)計(jì)流量下，無(wú)預(yù)旋 小于設(shè)計(jì)流量，正預(yù)旋 大于設(shè)計(jì)流量，負(fù)預(yù)旋第31頁(yè)/共38頁(yè)斯捷潘諾夫分析 最小阻力原理： 流體總是企圖選擇阻力最小的路線(xiàn)進(jìn)入葉輪 表現(xiàn)為以接近設(shè)計(jì)流量下的流動(dòng)角1進(jìn)入 正預(yù)旋 負(fù)預(yù)旋第32頁(yè)/共38頁(yè)臨界流量

17、理論 臨界流量： 產(chǎn)生預(yù)旋的流量 小于設(shè)計(jì)流量 預(yù)旋與葉輪有關(guān) 流量越小，預(yù)旋越大第33頁(yè)/共38頁(yè)預(yù)旋系數(shù)一般取0.30.5多級(jí)離心泵： 次級(jí)葉輪： 0.30.5 首級(jí)不預(yù)旋，或取0.2 涅維里松試驗(yàn)表明:風(fēng)機(jī)預(yù)旋較大11uvu第34頁(yè)/共38頁(yè)例題 1蝸殼式離心泵 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 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式得到環(huán)流系數(shù)K 最后求 TTKHHgvuHuT22第35頁(yè)/共38頁(yè) 解： smnDu/35.306014504 . 06022smvuvoamu/67.2225cot58. 335.30cot2222bmgvuHuT14.7081. 967.2235.3022smbDqvvTm/5