1泵與風(fēng)機的葉輪理論課件

1第一章泵與風(fēng)機的葉輪理論第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論1第一章泵與風(fēng)機的葉輪理論第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理12第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機的工作原理流體在葉輪中的運動和速度三角形能量方程及其分析離心式葉輪葉片型式的分析有限葉片葉輪中流體的運動滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù)2第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機的工作原理23一、離心式泵與風(fēng)機的工作原理

封閉葉輪中的流體微團(tuán)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動流體旋轉(zhuǎn)離心力作用使流體獲得能量3一、離心式泵與風(fēng)機的工作原理封34445對不可壓縮流體，積分當(dāng)葉輪不封閉時：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。5對不可壓縮流體，積分當(dāng)葉輪不封閉時：流體將流出葉輪，并在入56二、流體在葉輪中的運動及速度三角形(一)速度三角形１兩點假設(shè)

(1)葉片數(shù)為無限多，無限簿運動軌跡與葉片的形狀重合相對速度為葉片的切線方向

(2)葉輪中的流體為無粘性流體

2兩個面軸面：過軸線的平面平面：垂直于軸線的平面6二、流體在葉輪中的運動及速度三角形(一)速度三角形673三個速度圓周速度u

葉輪帶動流體的旋轉(zhuǎn)運動速度，又稱牽連速度相對速度w

流體相對于葉輪的運動絕對速度v

流體相對于機殼的絕對運動速度

v=u+w73三個速度784速度三角形Vm,絕對速度在軸面上的分量，軸面速度Vu，絕對速度在圓周方向上的分量，圓周分速度β，流動角，相對速度與圓周速度反方向的夾角βa，葉片安裝角，葉片切線與圓周速度反方向的夾角

β∞

＝βa84速度三角形Vm,絕對速度在軸面上的分量，軸面速度89（二）葉輪流道內(nèi)任意點速度的計算1圓周速度u

2軸面速度圓周上的厚度排擠系數(shù)9（二）葉輪流道內(nèi)任意點速度的計算1圓周速度u9103流動角β

無窮多葉片：β∞

＝βa103流動角β1011三、能量方程1動量矩定律

在定常流動中，單位時間內(nèi)流體質(zhì)量的動量矩變化，等于作用在該流體上的外力矩。

進(jìn)出口動量矩動量矩變化

11三、能量方程1動量矩定律1112力矩作的功率流體通過無窮多葉片葉輪所獲能量揚程風(fēng)壓12力矩作的功率1213

能量方程的分析HT∞與流體的種類和性質(zhì)無關(guān)，功率與密度有關(guān)；當(dāng)提高n，可提高HT∞

提高D2，可提高HT∞

提高v2u∞

，可提高HT∞13能量方程的分析HT∞與流體的種類和性質(zhì)無關(guān)，功率與1314(4)能量方程的新形式由速度三角形能量方程動揚程靜揚程14(4)能量方程的新形式1415四、離心式葉輪葉片型式的分析(a)β2a<90o，后彎式葉片(b)β2a=90o，徑向式葉片(c)β2a>90o，前彎式葉片15四、離心式葉輪葉片型式的分析(a)β2a<90o，后彎1516當(dāng)α1∞＝90o時，能量方程式為

而

有16當(dāng)α1∞＝90o時，能量方程式為

而

有16最小出口安裝角β2amin

β2a

=90o最大出口安裝角β2amax

α2＝90oV2u

=2u217最小出口安裝角β2amin17（一）葉片出口安裝角對理論揚程的影響1β2a<90o（后彎式葉片）2β2a＝90o(徑向式葉片）3β2a>90o（前彎式葉片）18（一）葉片出口安裝角對理論揚程的影響1β2a<90o（后彎18反作用度

v2m∞≈v1m∞,徑向流入v1u∞=0（二）出口安裝角對靜揚程和動揚程的影響19反作用度

v2m∞≈v1m∞,徑向流入v1u∞=19不同葉片型式的反作用度

1后彎式

β2a＝β2amin，v2u∞=0

τ=1，動靜揚程均為0

后彎式葉片：

1>τ>1/22

徑向式

β2a＝90o,v2u∞=u2

τ=1/2，動靜揚程各占一半

3前彎式

β2a＝β2amax

，v2u∞=2u2

τ=0，只有動揚程，沒有靜揚程前彎式葉片：

0<τ<1/2不同葉片型式的反作用度1后彎式20不同葉片型式的分析后彎式葉片流道長，出口絕對速度小能量損失小、效率高、噪聲低總揚程較小，需較大葉輪和較高轉(zhuǎn)速離心泵β2a＝20o～30o,離心風(fēng)機β2a＝40o～60o徑向式葉片流道短，通暢，流動損失較小出口絕對速度高，能量損失較大，效率低于后彎式、噪聲較高總揚程較高，制造簡單，不易染塵通風(fēng)機或排塵風(fēng)機β2a＝90o前彎式葉片流道短，葉片彎曲大能量損失大、效率低、噪聲低總揚程較高，需較小葉輪和較低轉(zhuǎn)速

低壓通風(fēng)機β2a＝90o～155o不同葉片型式的分析后彎式葉片21粗略計算

離心水泵

K=0.8~1.0

離心風(fēng)機

K=0.8~0.85粗略計算22例題1蝸殼式離心泵

n=1450r/min,qvT=0.09m3/s,D2=400mm,D1=140mm,b2=20mm

β2a=25o,z=7,v1u∞=0

求:HT∞和HT求解思路

先求得

通過經(jīng)驗公式得到環(huán)流系數(shù)K

最后求

例題1蝸殼式離心泵23解：

解：24（1）根據(jù)斯托道拉公式（2）根據(jù)普弗列德爾公式（1）根據(jù)斯托道拉公式25第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論一概述

(1)流量大，揚程小

(2)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、小而輕

(3)動葉可調(diào)軸流泵與風(fēng)機效率高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度高

(4)噪聲大，大型風(fēng)機需裝消聲器

(5)鍋爐送風(fēng)機、引風(fēng)機和循環(huán)水泵都普遍采用軸流式第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論一概述26二、葉輪中的運動及速度三角形復(fù)雜的三維流動:

圓周分速軸向分速徑向分速：小，可忽略流面：徑向分速為0圓柱面上的流動二、葉輪中的運動及速度三角形復(fù)雜的三維流動:271平面直列葉柵翼型：r及r＋dr的同心圓柱面截葉片所得葉柵：將翼型展開在一個圓柱截面上葉輪內(nèi)的流動簡化為葉柵中繞翼型的流動列線BBAA柵距t柵軸，與列線垂直的直線稠度σ

安裝角βa1平面直列葉柵28翼型(1)骨架線：翼形內(nèi)切圓心連線(2)前緣點，后緣點(3)翼弦與弦長b(4)翼展l，葉片在徑向上的長度(5)展弦比，l/b(6)彎度或撓度f，翼弦到骨架線的距離，

f/b，相對彎度，fmax最大彎度，fmax/b，最大相對彎度(7)厚度δ

(8)沖角α(9)前駐點，來流接觸翼形開始分離的點，速度為0后駐點，繞流翼型后匯合的點，速度為0翼型29徑向分速度為0絕對速度＝圓周分速度＋軸面分速度（1）進(jìn)口速度三角形圓周速度軸向速度

302速度三角形徑向分速度為0302速度三角形30排擠系數(shù)圓周分速1泵與風(fēng)機的葉輪理論課件31（2）出口速度三角形

圓周速度軸向速度圓周分速度（2）出口速度三角形32進(jìn)出口速度三角形無窮遠(yuǎn)來流的相對速度進(jìn)出口速度三角形無窮遠(yuǎn)來流的相對速度33三、軸流式泵與風(fēng)機的升力理論1孤立翼型的空氣動力特性

翼型上升力和阻力與翼型的幾何形狀及氣流參數(shù)的關(guān)系三、軸流式泵與風(fēng)機的升力理論1孤立翼型的空氣動力特性34升力儒可夫斯基升力定理：單位翼型上的升力Fy1速度環(huán)量Г：速度矢量在某一封閉周界切線上投影沿著該周界的線積分，對于葉輪，即為設(shè)計流線上某點的圓周分速度與該點所在位置圓周長度之積。

翼展l的翼型，升力升力35阻力摩擦阻力：較小壓差阻力：附面層分離，較大，機翼型葉片減小阻力升力角λ阻力36空氣動力特性曲線空氣動力特性曲線cy1和cx1與α的關(guān)系曲線升力和阻力系數(shù)與幾何形狀及來流的沖角有關(guān)空氣動力特性曲線由風(fēng)洞實驗求得大沖角附面層分離空氣動力特性曲線空氣動力特性曲線37極曲線

以升力系數(shù)為縱坐標(biāo)，阻力系數(shù)為橫坐標(biāo)的曲線極線原點與曲線上點的連線

斜率為升阻比

效率最高點斜率最大點最大升阻比翼型的極曲線極曲線翼型的極曲線38儒可夫斯基升力定理成立翼型間相互影響用w∞代替v∞升力和阻力2葉柵翼型的空氣動力特性儒可夫斯基升力定理成立2葉柵翼型的空氣動力特性39翼型葉柵的修正系數(shù)L

與相對柵距t/b和βa有關(guān)借用等價平板葉柵等價平板葉柵

C為骨架線中點

AD垂直于ABAB即為等價平板，構(gòu)成葉柵

ba為等價平板的弦長平板直列葉柵平板直列葉柵40升力系數(shù)cy

修正系數(shù)L

翼型的升力系數(shù)cy1取平板的升力系數(shù)阻力系數(shù)cx

阻力系數(shù)小翼型葉柵升力系數(shù)與阻力系數(shù)升力系數(shù)cy翼型葉柵升力系數(shù)與阻力系數(shù)411由動量矩定理推導(dǎo)能量方程動量矩定理成立，可用離心式泵與風(fēng)機的能量方程

相同扭速的軸流泵與風(fēng)機有相同的揚程軸流泵能量方程軸流風(fēng)機能量方程3、能量方程式1由動量矩定理推導(dǎo)能量方程3、能量方程式42軸流式泵與風(fēng)機能量方程能量方程分析： (1)u1=u2，總能量小 (2)β1=β2時，HT=0,β1<β2

Δβ=β2-β1越大，能量越大(3)必須使w1>w2，才能獲得更高的壓力能

葉輪入口斷面小于出口斷面采用進(jìn)口為圓形的機翼型葉片(4)不足不能反映出總能量與翼型及葉柵幾何參數(shù)的關(guān)系不能用于設(shè)計計算軸流式泵與風(fēng)機能量方程43六、軸流式泵與風(fēng)機的基本類型六、軸流式泵與風(fēng)機的基本類型44(1)單個葉輪沒有導(dǎo)葉

v2u>0，出口處有圓周分速能量損失大，適用于低壓軸流風(fēng)機(2)單個葉輪＋后置導(dǎo)葉

消除出口圓周分速部分旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為壓力能損失小，效率高，適用于高壓軸流式泵與風(fēng)機(3)前置導(dǎo)葉＋單個葉輪

進(jìn)口負(fù)預(yù)旋、速度大，損失較大葉輪所獲能量大，可減小體積變工況時的沖角變化小，效率變化不大可調(diào)葉片時，工況變化小

適用于軸流風(fēng)機，水泵因為汽蝕不宜采用(4)前置導(dǎo)葉＋單個葉輪＋后置導(dǎo)葉

前導(dǎo)葉可調(diào)，保持高效率適用于流量變化大的情況，如子午加速軸流風(fēng)機(1)單個葉輪沒有導(dǎo)葉45軸流式水泵n=300r/min，葉柵直徑D=980mmv1=4.01m/s，軸向流入，v2=4.48m/s

求HT，β2-β1解:(1)求解HT

例題軸流式水泵例題46(2)求β2-β1(2)求β2-β14748第一章泵與風(fēng)機的葉輪理論第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論1第一章泵與風(fēng)機的葉輪理論第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理4849第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機的工作原理流體在葉輪中的運動和速度三角形能量方程及其分析離心式葉輪葉片型式的分析有限葉片葉輪中流體的運動滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù)2第一節(jié)離心式泵與風(fēng)機的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機的工作原理4950一、離心式泵與風(fēng)機的工作原理

封閉葉輪中的流體微團(tuán)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動流體旋轉(zhuǎn)離心力作用使流體獲得能量3一、離心式泵與風(fēng)機的工作原理封505145152對不可壓縮流體，積分當(dāng)葉輪不封閉時：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。5對不可壓縮流體，積分當(dāng)葉輪不封閉時：流體將流出葉輪，并在入5253二、流體在葉輪中的運動及速度三角形(一)速度三角形１兩點假設(shè)

(1)葉片數(shù)為無限多，無限簿運動軌跡與葉片的形狀重合相對速度為葉片的切線方向

(2)葉輪中的流體為無粘性流體

2兩個面軸面：過軸線的平面平面：垂直于軸線的平面6二、流體在葉輪中的運動及速度三角形(一)速度三角形53543三個速度圓周速度u

葉輪帶動流體的旋轉(zhuǎn)運動速度，又稱牽連速度相對速度w

流體相對于葉輪的運動絕對速度v

流體相對于機殼的絕對運動速度

v=u+w73三個速度54554速度三角形Vm,絕對速度在軸面上的分量，軸面速度Vu，絕對速度在圓周方向上的分量，圓周分速度β，流動角，相對速度與圓周速度反方向的夾角βa，葉片安裝角，葉片切線與圓周速度反方向的夾角

β∞

＝βa84速度三角形Vm,絕對速度在軸面上的分量，軸面速度5556（二）葉輪流道內(nèi)任意點速度的計算1圓周速度u

2軸面速度圓周上的厚度排擠系數(shù)9（二）葉輪流道內(nèi)任意點速度的計算1圓周速度u56573流動角β

無窮多葉片：β∞

＝βa103流動角β5758三、能量方程1動量矩定律

在定常流動中，單位時間內(nèi)流體質(zhì)量的動量矩變化，等于作用在該流體上的外力矩。

進(jìn)出口動量矩動量矩變化

11三、能量方程1動量矩定律5859力矩作的功率流體通過無窮多葉片葉輪所獲能量揚程風(fēng)壓12力矩作的功率5960

能量方程的分析HT∞與流體的種類和性質(zhì)無關(guān)，功率與密度有關(guān)；當(dāng)提高n，可提高HT∞

提高D2，可提高HT∞

提高v2u∞

，可提高HT∞13能量方程的分析HT∞與流體的種類和性質(zhì)無關(guān)，功率與6061(4)能量方程的新形式由速度三角形能量方程動揚程靜揚程14(4)能量方程的新形式6162四、離心式葉輪葉片型式的分析(a)β2a<90o，后彎式葉片(b)β2a=90o，徑向式葉片(c)β2a>90o，前彎式葉片15四、離心式葉輪葉片型式的分析(a)β2a<90o，后彎6263當(dāng)α1∞＝90o時，能量方程式為

而

有16當(dāng)α1∞＝90o時，能量方程式為

而

有63最小出口安裝角β2amin

β2a

=90o最大出口安裝角β2amax

α2＝90oV2u

=2u264最小出口安裝角β2amin64（一）葉片出口安裝角對理論揚程的影響1β2a<90o（后彎式葉片）2β2a＝90o(徑向式葉片）3β2a>90o（前彎式葉片）65（一）葉片出口安裝角對理論揚程的影響1β2a<90o（后彎65反作用度

v2m∞≈v1m∞,徑向流入v1u∞=0（二）出口安裝角對靜揚程和動揚程的影響66反作用度

v2m∞≈v1m∞,徑向流入v1u∞=66不同葉片型式的反作用度

1后彎式

β2a＝β2amin，v2u∞=0

τ=1，動靜揚程均為0

后彎式葉片：

1>τ>1/22

徑向式

β2a＝90o,v2u∞=u2

τ=1/2，動靜揚程各占一半

3前彎式

β2a＝β2amax

，v2u∞=2u2

τ=0，只有動揚程，沒有靜揚程前彎式葉片：

0<τ<1/2不同葉片型式的反作用度1后彎式67不同葉片型式的分析后彎式葉片流道長，出口絕對速度小能量損失小、效率高、噪聲低總揚程較小，需較大葉輪和較高轉(zhuǎn)速離心泵β2a＝20o～30o,離心風(fēng)機β2a＝40o～60o徑向式葉片流道短，通暢，流動損失較小出口絕對速度高，能量損失較大，效率低于后彎式、噪聲較高總揚程較高，制造簡單，不易染塵通風(fēng)機或排塵風(fēng)機β2a＝90o前彎式葉片流道短，葉片彎曲大能量損失大、效率低、噪聲低總揚程較高，需較小葉輪和較低轉(zhuǎn)速

低壓通風(fēng)機β2a＝90o～155o不同葉片型式的分析后彎式葉片68粗略計算

離心水泵

K=0.8~1.0

離心風(fēng)機

K=0.8~0.85粗略計算69例題1蝸殼式離心泵

n=1450r/min,qvT=0.09m3/s,D2=400mm,D1=140mm,b2=20mm

β2a=25o,z=7,v1u∞=0

求:HT∞和HT求解思路

先求得

通過經(jīng)驗公式得到環(huán)流系數(shù)K

最后求

例題1蝸殼式離心泵70解：

解：71（1）根據(jù)斯托道拉公式（2）根據(jù)普弗列德爾公式（1）根據(jù)斯托道拉公式72第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論一概述

(1)流量大，揚程小

(2)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、小而輕

(3)動葉可調(diào)軸流泵與風(fēng)機效率高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝精度高

(4)噪聲大，大型風(fēng)機需裝消聲器

(5)鍋爐送風(fēng)機、引風(fēng)機和循環(huán)水泵都普遍采用軸流式第二節(jié)軸流式泵與風(fēng)機的葉輪理論一概述73二、葉輪中的運動及速度三角形復(fù)雜的三維流動:

圓周分速軸向分速徑向分速：小，可忽略流面：徑向分速為0圓柱面上的流動二、葉輪中的運動及速度三角形復(fù)雜的三維流動:741平面直列葉柵翼型：r及r＋dr的同心圓柱面截葉片所得葉柵：將翼型展開在一個圓柱截面上葉輪內(nèi)的流動簡化為葉柵中繞翼型的流動列線BBAA柵距t柵軸，與列線垂直的直線稠度σ

安裝角βa1平面直列葉柵75翼型(1)骨架線：翼形內(nèi)切圓心連線(2)前緣點，后緣點(3)翼弦與弦長b(4)翼展l，葉片在徑向上的長度(5)展弦比，l/b(6)彎度或撓度f，翼弦到骨架線的距離，

f/b，相對彎度，fmax最大彎度，fmax/b，最大相對彎度(7)厚度δ

(8)沖角α(9)前駐點，來流接觸翼形開始分離的點，速度為0后駐點，繞流翼型后匯合的點，速度為0翼型76徑向分速度為0絕對速度＝圓周分速度＋軸面分速度（1）進(jìn)口速度三角形圓周速度軸向速度

772速度三角形徑向分速度為0302速度三角形77排擠系數(shù)圓周分速1泵與風(fēng)機的葉輪理論課件78（2）出口速度三角形

圓周速度軸向速度圓周分速度（2）出口速度三角形79進(jìn)出口速度三角形無窮遠(yuǎn)來流的相對速度進(jìn)出口速度三角形無窮遠(yuǎn)來流的相對速度80三、軸流式泵與風(fēng)機的升力理論1孤立翼型的空氣動力特性

翼型上升力和阻力與翼型的幾何形狀及氣流參數(shù)的關(guān)系三、軸流式泵與風(fēng)機的升力理論1孤立翼型的空氣動力特性81升力儒可夫斯基升力定理：單位翼型上的升力Fy1速度環(huán)量Г：速度矢量在某一封閉周界切線上投影沿著該周界的線積分，對于葉輪，即為設(shè)計流線上某點的圓周分速度與該點所在位置圓周長度之積。

翼展l的翼型，升力升力82阻力摩擦阻力：較小壓差阻力：附面層分離，較大，機翼型葉片減小阻力升力角λ阻力83空氣動力特性曲線空氣動力特性曲線cy1和cx1與α的關(guān)系曲線升力和阻力系數(shù)與幾何形狀及來流的沖角有關(guān)空氣動力特性曲線由風(fēng)洞實驗求得大沖角附面層分離空氣動力特性曲線空氣動力特性曲線84極曲線

以升力系數(shù)為縱坐標(biāo)，阻力系數(shù)為橫坐標(biāo)的曲線極線原點與曲線上點的連線

斜率為升阻比

效率最高點斜率最大點最大升阻比翼型的極曲線極曲線翼型的極曲線85儒可夫斯基升力定理成立翼型間相互影響用w∞代替v∞升力和阻力2葉柵翼型的空氣動力特性儒可夫斯基升力定理成立2葉柵翼型的空氣動力特性86翼型葉柵的修正系數(shù)L

與相對柵距t/b和βa有關(guān)借用等價平板葉柵等價平板葉柵

C為骨架線中點

AD垂直于ABAB即為等價平板，構(gòu)成葉柵

ba為等價平板的弦長平板直