泵與風(fēng)機(jī)第一章-2.

1、1-2 軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論一、概述一、概述 軸流式軸流式屬屬高比轉(zhuǎn)數(shù)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵與風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是流量大、的泵與風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是流量大、揚(yáng)程（風(fēng)壓）低。揚(yáng)程（風(fēng)壓）低。 此外，與離心式比較結(jié)構(gòu)上還具有以下特點(diǎn)：此外，與離心式比較結(jié)構(gòu)上還具有以下特點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，外型尺寸小，重量輕。）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，外型尺寸小，重量輕。 （2）動(dòng)葉可調(diào)）動(dòng)葉可調(diào), 具有較寬的高效區(qū)具有較寬的高效區(qū) （3）裝有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，制造安裝精度要求高）裝有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，制造安裝精度要求高 （4）噪聲大于離心式）噪聲大于離心式立式軸流泵立式軸流泵電動(dòng)機(jī)位置電動(dòng)機(jī)位置較高，沒(méi)有較高，沒(méi)有

2、被水淹沒(méi)的被水淹沒(méi)的危險(xiǎn)，這樣危險(xiǎn)，這樣其葉輪可以其葉輪可以布置得更低，布置得更低，淹沒(méi)到水中，淹沒(méi)到水中，啟動(dòng)時(shí)可無(wú)啟動(dòng)時(shí)可無(wú)需灌水或抽需灌水或抽真空吸水。真空吸水。 軸流式葉輪的軸面投影圖和平軸流式葉輪的軸面投影圖和平面投影圖面投影圖 軸流式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理軸流式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理n當(dāng)流體與翼型葉片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)流體與翼型葉片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體流體繞翼型葉片，繞翼型葉片，在葉片在葉片的的凸面上斷面小，流速大，壓強(qiáng)低，凸面上斷面小，流速大，壓強(qiáng)低，而在葉而在葉片的片的凹面斷面大，流速小，壓強(qiáng)高，凹面斷面大，流速小，壓強(qiáng)高，在葉片的凸、在葉片的凸、凹產(chǎn)生一壓強(qiáng)差，這一壓強(qiáng)差作用在垂直于機(jī)翼

3、的凹產(chǎn)生一壓強(qiáng)差，這一壓強(qiáng)差作用在垂直于機(jī)翼的有效面積上，就有效面積上，就產(chǎn)生一指向凸面的力，產(chǎn)生一指向凸面的力， 即升力即升力.軸流式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理軸流式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理n根據(jù)作用力與反根據(jù)作用力與反作用力定律，葉作用力定律，葉片對(duì)流體產(chǎn)生一片對(duì)流體產(chǎn)生一大小相等、方向大小相等、方向相反的反作用力，相反的反作用力，即反升力，流體即反升力，流體在葉輪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在葉輪中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反升力的作由于反升力的作用，使流體的能用，使流體的能量獲得提高量獲得提高。 二二、流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形、流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形圓柱坐標(biāo)（徑向、軸向、周向）圓柱坐標(biāo)（徑向、軸向、周向）軸流式葉輪的

4、流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，常做軸流式葉輪的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，常做如下假設(shè)：如下假設(shè)：n圓柱層無(wú)關(guān)性假設(shè)圓柱層無(wú)關(guān)性假設(shè),即認(rèn)為葉輪即認(rèn)為葉輪中流體微團(tuán)是在以泵與風(fēng)機(jī)的中流體微團(tuán)是在以泵與風(fēng)機(jī)的軸線為軸心線的圓柱面（稱為軸線為軸心線的圓柱面（稱為流面）上流動(dòng)，且相鄰兩圓柱流面）上流動(dòng)，且相鄰兩圓柱面上的流動(dòng)互不相干，也就是面上的流動(dòng)互不相干，也就是說(shuō)，在葉輪的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，說(shuō)，在葉輪的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，流流體微團(tuán)不存在徑向分速體微團(tuán)不存在徑向分速。n流體是流體是不可壓縮不可壓縮的。的。圓柱面圓柱面n機(jī)翼型葉片的橫截面稱為機(jī)翼型葉片的橫截面稱為翼型翼型，它具有，它具有一定的幾何型線和一定的空氣動(dòng)力特性。一定的幾何型線和一定的

5、空氣動(dòng)力特性。 n由相同翼型等距排列的翼型系列稱為由相同翼型等距排列的翼型系列稱為葉葉柵柵。這種葉柵稱為。這種葉柵稱為平面直列葉柵平面直列葉柵 （一）平面直列葉柵（一）平面直列葉柵 1、翼型的主要幾何參數(shù)、翼型的主要幾何參數(shù) 1）骨架線。骨架線。 通過(guò)翼型內(nèi)切圓圓心通過(guò)翼型內(nèi)切圓圓心 的連線，稱為骨架線或中弧線。的連線，稱為骨架線或中弧線。 2）前緣點(diǎn)、后緣點(diǎn)。前緣點(diǎn)、后緣點(diǎn)。骨架線與型線的交點(diǎn)，前端稱骨架線與型線的交點(diǎn)，前端稱前緣點(diǎn)前緣點(diǎn)，后端稱，后端稱后緣點(diǎn)后緣點(diǎn)。 3）弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)b.前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)連接的直線稱翼弦。翼弦的長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng)前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)連接的直線稱翼弦。翼弦的長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng) 4）翼

6、展翼展L。垂直于紙面方向葉片的長(zhǎng)度稱為翼展。垂直于紙面方向葉片的長(zhǎng)度稱為翼展。 5）展弦比。展弦比。翼展與弦長(zhǎng)之比翼展與弦長(zhǎng)之比 L/b，稱為展弦比。，稱為展弦比。 6）彎度彎度f(wàn)。弦長(zhǎng)到骨架線的距離，稱為彎度（撓度）。弦長(zhǎng)到骨架線的距離，稱為彎度（撓度）。最大撓度最大撓度 7）厚度。厚度。翼型上下表面之間的距離稱為翼型厚度。翼型上下表面之間的距離稱為翼型厚度。最大厚度最大厚度 8）沖角沖角a。翼型前來(lái)流速度的方向與弦長(zhǎng)的夾角稱為沖角。翼型前來(lái)流速度的方向與弦長(zhǎng)的夾角稱為沖角。沖角在翼弦以沖角在翼弦以下時(shí)為下時(shí)為正沖角正沖角示，以上時(shí)為示，以上時(shí)為負(fù)沖角負(fù)沖角。 9）前駐點(diǎn)、后駐點(diǎn)。前駐點(diǎn)、后

7、駐點(diǎn)。 來(lái)流接觸翼型后，開始分離的點(diǎn)來(lái)流接觸翼型后，開始分離的點(diǎn)(此點(diǎn)速度為零此點(diǎn)速度為零)，稱，稱前前駐點(diǎn)駐點(diǎn)；流體繞流翼型后匯合的點(diǎn)；流體繞流翼型后匯合的點(diǎn)(此點(diǎn)速度也為零此點(diǎn)速度也為零)，稱，稱后駐點(diǎn)后駐點(diǎn)。翼型的幾何參數(shù)翼型的幾何參數(shù)1.骨架線骨架線2.前（后）緣點(diǎn)前（后）緣點(diǎn)3.弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)4.翼展翼展5.展弦比展弦比6.彎度彎度7.厚度厚度8.沖角沖角9.前（后）駐點(diǎn)前（后）駐點(diǎn)2葉柵及其主要的幾何參數(shù)葉柵及其主要的幾何參數(shù)(1)列線或額線列線或額線 葉柵中翼型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線。葉柵中翼型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線。(2)柵距柵距 在葉柵的圓周方向上，兩相鄰翼型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離。在葉柵的圓周方向上，兩相

8、鄰翼型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離。(3)軸線軸線 與列線相垂直的直線。與列線相垂直的直線。(4)葉柵稠度葉柵稠度 弦長(zhǎng)與柵距之比。弦長(zhǎng)與柵距之比。(5)葉片安裝角葉片安裝角a 弦長(zhǎng)與列線之間的夾角。弦長(zhǎng)與列線之間的夾角。(6)流動(dòng)角流動(dòng)角1、2 葉柵進(jìn)、出口處相對(duì)速度方向和圓周速葉柵進(jìn)、出口處相對(duì)速度方向和圓周速度反方向之間的夾角。度反方向之間的夾角。（二）、速度三角形（二）、速度三角形與離心式葉輪比較，與離心式葉輪比較，相同點(diǎn)相同點(diǎn)有：有：1 1流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仍是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即：流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仍是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即： wu圓周速度圓周速度u 仍為：仍為：60Dnu2絕對(duì)速度軸向分量的計(jì)算式：絕對(duì)速

9、度軸向分量的計(jì)算式：T222h()/4VaqDD與離心式葉輪比較，與離心式葉輪比較，不同點(diǎn)不同點(diǎn)有：有：在同一半徑上，在同一半徑上，u1= u2=u，且且w1a=w2a=w a= 1a= 2a= a在在同一半徑同一半徑上葉柵前后的圓周速度相等，即上葉柵前后的圓周速度相等，即u1= u2=u，并且，并且由于流體流動(dòng)的連續(xù)性及不可壓假由于流體流動(dòng)的連續(xù)性及不可壓假設(shè)設(shè)，葉柵前后相對(duì)速度和絕對(duì)速度的軸向分量也，葉柵前后相對(duì)速度和絕對(duì)速度的軸向分量也相等，即相等，即w1a= w2a = w a= 1a = 2a = a 。因。因此可將進(jìn)、出口速度三角形畫在一起此可將進(jìn)、出口速度三角形畫在一起 翼型進(jìn)口

10、及出口速度三角形的重疊 與與比較，不同點(diǎn)是：比較，不同點(diǎn)是：葉葉柵改變了柵前來(lái)流速度的方柵改變了柵前來(lái)流速度的方向和大小。向和大小。取葉柵前后相對(duì)速度取葉柵前后相對(duì)速度w1和和w2的幾何平均值的幾何平均值w 作作為等價(jià)于單個(gè)翼型時(shí)無(wú)窮遠(yuǎn)處的來(lái)流速度，其大小和方向由為等價(jià)于單個(gè)翼型時(shí)無(wú)窮遠(yuǎn)處的來(lái)流速度，其大小和方向由速度三角形確定速度三角形確定 幾何平均值：幾何平均值： w=(w1+w2)/2 單個(gè)機(jī)翼和葉柵的工作是有差單個(gè)機(jī)翼和葉柵的工作是有差別的別的 （三）、能量方程（三）、能量方程離心式泵與風(fēng)機(jī)的能量方程同樣適用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)中：離心式泵與風(fēng)機(jī)的能量方程同樣適用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)中：在同一

11、半徑上，葉輪進(jìn)、出口速度三角形中在同一半徑上，葉輪進(jìn)、出口速度三角形中u1= u2=u，且且 1a= 2a= a)()(1121122uuvvguuuHuuTg所以：所以：2211cot;cotauauvuvvuv又：又：)cot(cot12avguHT得：得：扭速扭速三、能量方程三、能量方程 軸流泵軸流泵 12(cotcot)TauHvg2222211222TvvwwHgg能量方程的分析：能量方程的分析：1.因?yàn)橐驗(yàn)閡1=u2=u，所以軸流式的泵與風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程遠(yuǎn)低于，所以軸流式的泵與風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程遠(yuǎn)低于離心式。離心式。2.當(dāng)當(dāng)1=2時(shí)時(shí)，流體不能從葉輪中獲得能量，只有當(dāng)，流體不能從葉輪中獲得能量，

12、只有當(dāng)12時(shí)，時(shí)，流體才能獲得能量，二者差值越大，獲得的流體才能獲得能量，二者差值越大，獲得的能量越多。能量越多。3.該方程是該方程是總能量和流動(dòng)參數(shù)總能量和流動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，沒(méi)有涉及之間的關(guān)系，沒(méi)有涉及翼翼型和葉柵幾何參數(shù)型和葉柵幾何參數(shù)之間的關(guān)系，因此不能用于軸流式泵之間的關(guān)系，因此不能用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。 4.為了提高流體獲得的壓力能，應(yīng)加大葉輪進(jìn)口的相對(duì)為了提高流體獲得的壓力能，應(yīng)加大葉輪進(jìn)口的相對(duì)速度，使速度，使w1 w2，因而葉輪進(jìn)口截面應(yīng)小于葉輪出口，因而葉輪進(jìn)口截面應(yīng)小于葉輪出口截面，所以截面，所以常采用翼型葉片常采用翼型葉片。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理軸流

13、式泵與風(fēng)機(jī)的工作原理除可以采用研究離心式泵與風(fēng)機(jī)時(shí)所采用的除可以采用研究離心式泵與風(fēng)機(jī)時(shí)所采用的方法外，還可采用方法外，還可采用機(jī)翼理論進(jìn)行分析機(jī)翼理論進(jìn)行分析。四、軸流式泵與風(fēng)機(jī)的升力理論四、軸流式泵與風(fēng)機(jī)的升力理論（一）孤立翼型的空氣動(dòng)力特性（一）孤立翼型的空氣動(dòng)力特性對(duì)翼展為對(duì)翼展為L(zhǎng)的翼型，升力為的翼型，升力為作用于翼型上的阻力為作用于翼型上的阻力為2112xxvFcbl2112yyvFcbl（二）、孤立翼型及葉柵的空氣動(dòng)力特性（二）、孤立翼型及葉柵的空氣動(dòng)力特性1.孤立翼型的空氣動(dòng)力特性孤立翼型的空氣動(dòng)力特性a. 升力：升力：作用在單位翼展上的升力為（作用在單位翼展上的升力為（理想流

14、體理想流體）vFy1bvcy121這里這里2211vbcFyy所以所以若翼展長(zhǎng)為若翼展長(zhǎng)為L(zhǎng)，則升力為：，則升力為：2211vblcFyyb. 阻力：阻力：作用在單位翼展上的升力為（作用在單位翼展上的升力為（考慮粘性考慮粘性）主要是主要是摩擦阻力摩擦阻力和和壓差阻力壓差阻力：2211vblcFxx阻力系數(shù)1xc升力角升力角沖角沖角 C、升阻比：、升阻比：11tanyxFFd.翼型空氣動(dòng)力特性曲線翼型空氣動(dòng)力特性曲線 翼型的空氣動(dòng)力特性曲線翼型的空氣動(dòng)力特性曲線e.翼型的極曲線翼型的極曲線 翼型的極曲線翼型的極曲線1111tan1xyxyccFFu極線的極線的斜率斜率就是升阻比；就是升阻比；u從

15、坐標(biāo)原點(diǎn)引極曲線的從坐標(biāo)原點(diǎn)引極曲線的切切線線就得到最大升阻比；就得到最大升阻比；2.葉柵的空氣動(dòng)力特性葉柵的空氣動(dòng)力特性理想流體繞流葉柵翼型時(shí)，作用在翼型上的升力為：理想流體繞流葉柵翼型時(shí)，作用在翼型上的升力為：wFyw相對(duì)速度的幾何平均值相對(duì)速度的幾何平均值實(shí)際流體繞流葉柵翼型時(shí)，作用在翼型上的實(shí)際流體繞流葉柵翼型時(shí)，作用在翼型上的升力升力和和阻力阻力為：為：若翼展長(zhǎng)為若翼展長(zhǎng)為L(zhǎng)，則，則升力為升力為：2211wblcFyy2211wblcFxx阻力為阻力為升力系數(shù)的修正升力系數(shù)的修正：用平板直列葉柵的修正用平板直列葉柵的修正1yyccL L與葉柵的相對(duì)柵距與葉柵的相對(duì)柵距t/b、翼型安放

16、角、翼型安放角aa有關(guān)有關(guān)。做出平板等價(jià)葉柵做出平板等價(jià)葉柵 步驟：步驟：根據(jù)根據(jù)t/ba、aa查得查得L L的值。的值。五、軸流泵與風(fēng)機(jī)的基本型式五、軸流泵與風(fēng)機(jī)的基本型式1.只裝葉輪只裝葉輪圓周分速度使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致能量損失。適圓周分速度使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致能量損失。適用于用于低壓風(fēng)機(jī)低壓風(fēng)機(jī)。2.葉輪葉輪+后導(dǎo)葉后導(dǎo)葉出口導(dǎo)葉消除了圓周分速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化出口導(dǎo)葉消除了圓周分速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高了效率。適用于為壓力能，提高了效率。適用于高壓軸流風(fēng)機(jī)高壓軸流風(fēng)機(jī)。3.前導(dǎo)葉前導(dǎo)葉+葉輪葉輪入口處產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋，在非設(shè)計(jì)工況下能量損失較大，入口處產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋

17、，在非設(shè)計(jì)工況下能量損失較大，機(jī)器效率較低。機(jī)器效率較低。4.前導(dǎo)葉前導(dǎo)葉+葉輪葉輪+后導(dǎo)葉后導(dǎo)葉入口處導(dǎo)葉可調(diào)，出口速度為軸向，效率高，流量調(diào)入口處導(dǎo)葉可調(diào)，出口速度為軸向，效率高，流量調(diào)節(jié)范圍大，但制造、加工、操作比較困難。節(jié)范圍大，但制造、加工、操作比較困難。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉片加工成扭曲形是為了（軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉片加工成扭曲形是為了（）A增加葉片強(qiáng)度增加葉片強(qiáng)度 B增加葉片剛度增加葉片剛度C使葉頂至葉根處揚(yáng)程相等使葉頂至葉根處揚(yáng)程相等D避免泵與風(fēng)機(jī)振動(dòng)避免泵與風(fēng)機(jī)振動(dòng)n軸流式泵與風(fēng)機(jī)可分為四種基本類型，它們軸流式泵與風(fēng)機(jī)可分為四種基本類型，它們分別是單個(gè)葉輪型、分別是單個(gè)葉輪型、_、

18、_和和_。n軸流式葉輪入口處葉片稍加厚作成機(jī)翼型斷軸流式葉輪入口處葉片稍加厚作成機(jī)翼型斷面，其主要目的是為了提高流出葉輪的流體面，其主要目的是為了提高流出葉輪的流體的的_能。能。n軸流式泵屬于軸流式泵屬于_式泵中的一種式泵中的一種,它它的性能特點(diǎn)是的性能特點(diǎn)是_。n在在相同轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸相同轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸下，為什么離心式葉輪的揚(yáng)下，為什么離心式葉輪的揚(yáng)程（或全壓）比軸流式的高得多？程（或全壓）比軸流式的高得多？n研究軸流式泵與風(fēng)方機(jī)葉輪的理論基礎(chǔ)是研究軸流式泵與風(fēng)方機(jī)葉輪的理論基礎(chǔ)是 。n泵與風(fēng)機(jī)的能量方程式的理論基礎(chǔ)是泵與風(fēng)機(jī)的能量方程式的理論基礎(chǔ)是( ) 動(dòng)量定理動(dòng)量定理 動(dòng)量矩定理動(dòng)量矩定理 運(yùn)動(dòng)微分方程運(yùn)動(dòng)微分方程 伯努里的方程伯努里的方程對(duì)軸流式泵與風(fēng)機(jī)描述比較正對(duì)軸流式