《能源與動力裝置》03 葉片式工作機(jī)

第三章葉片式工作機(jī)以不可壓流體為主，即研究泵與通風(fēng)機(jī)為主應(yīng)用范圍ф=q/nD3ψ=gH/n2D2ψ=0.006~0.09ψ=0.04~0.06ψ=0.07~0.4過流（通流）部件:吸入室（集風(fēng)器、進(jìn)風(fēng)口）葉輪擴(kuò)壓器（導(dǎo)葉），彎道回流器（反導(dǎo)葉），蝸殼第一節(jié)葉片式工作機(jī)的結(jié)構(gòu)形式一、葉輪功能：將機(jī)械功傳遞給流體結(jié)構(gòu)：離心、軸流、斜流（混流）、橫流離心又分前彎、后彎、徑向；多葉；單吸、雙吸；閉式、半開式傳遞功（歐拉功、理論能量頭）的計(jì)算：流體需要的能量葉輪能提供的能量hth=hpol/η

用葉輪幾何參數(shù)表示三種不同出口角βb2的葉輪比較反動度？歐拉方程歐拉第二方程二、吸入室（集風(fēng)器、進(jìn)風(fēng)口）功能：為葉輪進(jìn)口組織所要求的均勻流場（速度大小和方向）型式：圖3-2a）最好，流動沒有轉(zhuǎn)彎,懸臂葉輪采用;其他型式流場不容易均勻，損失也比較大特點(diǎn)：加速流動，與外界沒有能量交換——葉輪前部件三、擴(kuò)壓器(導(dǎo)葉)等——葉輪后部件無葉擴(kuò)壓器葉片擴(kuò)壓器無葉擴(kuò)壓器葉片擴(kuò)壓器彎道彎道回流器回流器蝸殼蝸殼導(dǎo)葉導(dǎo)葉三、擴(kuò)壓器(導(dǎo)葉),彎道回流器(反導(dǎo)葉),蝸殼擴(kuò)壓器(導(dǎo)葉):提高壓力無葉、有葉減速彎道回流器(反導(dǎo)葉)：為下一級進(jìn)口引導(dǎo)組織所要求的流場回流器一定有葉片？；速度變化不大蝸殼：收集沿葉輪或擴(kuò)壓器圓周的流體并送到機(jī)器的出口非軸對稱；稍有加速第二節(jié)主要性能參數(shù)和特性曲線一、主要性能參數(shù)1、流量:2、揚(yáng)程H、壓力升Δp（與能量頭hx有關(guān)）泵為不可壓縮介質(zhì),有效能量頭h揚(yáng)程H為單位重力流體獲得的有效能量，常用液體的高度m表示；通風(fēng)機(jī)全壓ptF：定義為其進(jìn)出口的全壓差Δ

ptF，對于氣體，位能差可以忽略；h=gH

（泵）

=ptF

/ρ（通風(fēng)機(jī)）

ptF=

Δ

ptF

=Δp*=p2-p1+0.5ρ(c22-c12)=ρh有效能量頭h

=

gH(泵)=pf/ρ(通風(fēng)機(jī))=

(壓縮機(jī))壓縮機(jī)工質(zhì)是氣體，位能差可以忽略；有效能量頭h=4、功率P:P=qmh

/η

5、轉(zhuǎn)速n——r.p.m;參變量理論功率Pth

=qmh/ηhyd內(nèi)(軸)功率Pi=qmh/ηi=ρqvgH/ηi=qv

ptF

/ηi整機(jī)功率Pe

=qmh/ηe3、效率（第2章的內(nèi)容）

流動(水力)效率ηhyd=有效能量頭h/（h+δhhyd）=h/hth

內(nèi)(全壓、多變)效率ηi=h/(hth+非流道損失)

整機(jī)(總)效率ηe=h/(hth+非流道損失+軸承等損失)

例3-1

已知葉輪直徑D2=0.88m，出口寬b2=0.182m，流量系數(shù)r2=0.24，葉片數(shù)z=16，葉片出口角β2b=50o，轉(zhuǎn)速2900rpm，通風(fēng)機(jī)的流動效率=0.85，假設(shè)泄露和輪阻損失為3%hth，求標(biāo)準(zhǔn)空氣的理論壓力升和實(shí)際壓力升，容積流量，實(shí)際輸入功率。解：由例2-3計(jì)算該葉輪的理論能量頭hth=11574J/kg，這也是空氣得到的能量。容積流量qv=φr2u2b2πD2

=0.24×133.6×0.182×π×0.88=16.133m3/s理論壓力升pth=ρhth=1.2×11574=13889Pa實(shí)際壓力升ptF=pth=0.85×13889=11806Pa實(shí)際輸入功率P=ρqvhth(1+3%)=1.2×16.133×11574×1.03=230791J/s=231Kw理論功率Pth=ρqvhth

=1.2*3.8*11574J/kg=52777w=52.81Kw解：理論全壓pth

=

ρ

hth=1.2*11574=13889Pa=0.134大氣壓力例3-2：已知

hth=11574J/kg,流量qv=3.8m3/s，如果流動效率ηhyd=0.85，求實(shí)際的全壓和理論功率Pth？如果還已知風(fēng)機(jī)全壓效率為80%，求內(nèi)功率？其與理論功率、整機(jī)功率、配用電機(jī)功率的關(guān)系如何？理論功率Pth〈內(nèi)功率Pi〈整機(jī)功率Pe〈配用電機(jī)功率=ρhthηhyd=13889*0.85=11806Pa=0.118大氣壓力實(shí)際全壓ptF內(nèi)功率Pi=ρqvhi=ρqv

h

/ηi=ρqvhth

ηhyd

/ηi

=1.2*3.8*11574*0.85/0.8=54708w=54.7Kw相同能量頭，工質(zhì)不同，壓力提高和功率差別很大！

密度引起理論功率Pth=ρqvhth

=1000qvhth=43981000w=43981Kw實(shí)際揚(yáng)程H=hth

ηhyd

/g=

11574*0.85/9.807=1003m

相當(dāng)100.3個(gè)大氣壓力例3-2-1：上例中，如果工質(zhì)是清水，求實(shí)際的揚(yáng)程和理論功率Pth？0.118個(gè)大氣壓力空氣54.81Kw空氣例3-2-2：上例中，如果要求風(fēng)機(jī)實(shí)際全壓p=13000Pa，流量不變，此時(shí)，該葉輪是否滿足要求，如果不滿足，葉輪的幾何參數(shù)應(yīng)該如何變化？試畫改變后的葉輪出口速度三角形？（已知原葉輪流動效率ηhyd=0.85，hth=11574J/kg，φm2=c2m/u2=0.24，u2=133.6

）u2cm2c2w2解：hth=pth

/

ρ=p

/ηhyd/ρ=10000/0.85/1.2=12745Pac2m=

u2*φm2

=133.6*0.24=74m/s由hth=(σ-φm2ctgβ2b)u22=(1–πsinβ2b/z-φm2ctgβ2b)u22>已有的hth=11574J/kg,不滿足要求增加葉輪的β2b或z或u2增加葉片的β2b或z，即流動角β2增加u2，即葉輪直徑或轉(zhuǎn)速，？？二、工況與變工況時(shí)機(jī)器的工作

工況——機(jī)器的工作狀況與介質(zhì)進(jìn)口狀態(tài)（例如R、

和機(jī)器進(jìn)口處的p、T等）和機(jī)器工作參數(shù)（qV、H(pf)、n等）有關(guān)；（實(shí)際工況還與系統(tǒng)有關(guān)）設(shè)計(jì)工況（名義工況、額定工況）——各工作參數(shù)都為設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)工況葉片進(jìn)口由速度三角形,葉片進(jìn)口處的相對速度的方向與葉片的方向一致，即沖角i=b1-1

=0，沒有沖擊損失，效率高非設(shè)計(jì)工況——變工況葉片進(jìn)口葉片出口設(shè)計(jì)工況沖角i=b1-1

<0，紅色虛線，c1m?c2m?

流量變大；c2u?能量頭變小；效率？下降沖角i=b1-1

>0，綠色點(diǎn)劃線，流量變小，能量頭變大，效率下降結(jié)論：b2（

<90時(shí)？）

qV增大（減少）

H(pf)下降（上升）偏離設(shè)計(jì)工況，效率都下降功率隨流量增加而增加設(shè)計(jì)工況由葉輪進(jìn)出口速度三角形四、特性（性能）曲線各主要性能參數(shù)之間的關(guān)系用曲線表示由歐拉方程h

th=u2c2u=u2(u2-c2mcotβ2)

和c1u=0，則：=a-bqv直線Pth=ρ

qv

h

th

=aqv

–bqv2

拋物線式中a>0；b<0β2>

90o=0β2=90o

>0β2<90o

理論性能曲線，β2=β2b，沒有考慮損失實(shí)際性能曲線(圖中藍(lán)線)理論值d

區(qū)約為一常量，是機(jī)械和圓盤磨擦功率δP等，與流量關(guān)系不大b區(qū)沖擊損失，在設(shè)計(jì)工況下，沒有沖擊損失。在非設(shè)計(jì)工況下，沖擊損失值與流量偏離值的平方（qV,d－qV,th）2成正比，其中qV,d為設(shè)計(jì)流量a區(qū)以磨擦損失為代表的與流量的平方成正比的損失

acbd

c區(qū)表示泄漏損失等問題？有效能量頭h、H、ptF的定義和單位是什么？寫出三者之間的關(guān)系？試說明葉片工作機(jī)的性能曲線中，一般壓力、功率、效率隨流量的變化趨勢？第三節(jié)相似定律、比轉(zhuǎn)速相似條件一、相似條件和相似準(zhǔn)則1、幾何相似：兩個(gè)流場的邊界（即機(jī)器的過流表面）幾何形狀相同，各對應(yīng)的尺寸成比例。2、運(yùn)動相似：作用在各對應(yīng)點(diǎn)的同名速度（如絕對速度、相對速度、圓周速度）的方向相同，大小成比例。3、動力相似：作用在各對應(yīng)點(diǎn)處的同名力（如重力、壓力等）的方向相同，大小成比例。4、物性相似：流場中對應(yīng)點(diǎn)處介質(zhì)的物性參數(shù)（如密度，絕熱指數(shù)k，粘性系數(shù)

等等）成比例。在實(shí)踐中，相似條件是用相似準(zhǔn)則來表示的。相似準(zhǔn)則如果要求兩個(gè)流動嚴(yán)格滿足上述條件，在技術(shù)上是很困難的。所以在工程實(shí)踐中，只要求起決定性作用的少數(shù)相似準(zhǔn)則相等即可。

是一些無量綱量，如果兩個(gè)流動對應(yīng)的相似準(zhǔn)則相等，則這兩個(gè)流動相似。例如準(zhǔn)則有雷諾數(shù)Re,馬赫數(shù)M…泵和風(fēng)機(jī)，有兩個(gè)相似準(zhǔn)則：流量系數(shù)、壓力系數(shù)由運(yùn)動相似定義準(zhǔn)則φ=cm2/u2（也稱為速度系數(shù)）

風(fēng)機(jī)，特征面積πD2/4：特征速度u2利用了幾何相似和運(yùn)動相似等條件葉片泵，忽略常數(shù)因子由動力和運(yùn)動相似定義風(fēng)機(jī)，因h=ptf

/ρ，有的定義忽略分母中1/2葉片泵，h=gH，忽略常數(shù)因子，有的定義保留分子中g(shù)

和分母中1/2能量頭系數(shù)ψ=1、流量系數(shù)φ2、壓力系數(shù)ψ(國際標(biāo)準(zhǔn))非決定性準(zhǔn)則，可以由流量系數(shù)與壓力系數(shù)相乘得到風(fēng)機(jī)，P=qvptf葉片泵相似的判斷：兩個(gè)機(jī)器的幾何相似！對應(yīng)工況的流量系數(shù)和壓力系數(shù)均相等3、功率系數(shù)λ：二、相似換算1、相似工況：相似的兩機(jī)器，對應(yīng)的流量系數(shù)(或壓力系數(shù))相等的兩個(gè)工況2、相似換算公式：下標(biāo)m、p分別表示模型和實(shí)際機(jī)器的參數(shù)，適用相似設(shè)計(jì)、設(shè)備改造等情況；流量壓力功率或揚(yáng)程φp=[4qv/(πD2u2)]p

=[4qv/(πD2u2)]m

=φ

mqv

p=qv(D

2p

u2p)/(D2m

u2m)，則有特別：轉(zhuǎn)速對流量、壓力（揚(yáng)程）、功率的影響為1、2、3次方的關(guān)系由流量系數(shù)相等①機(jī)器和工質(zhì)均相同，轉(zhuǎn)速不同時(shí)：②轉(zhuǎn)速n和密度不變，直徑變化時(shí)：直徑對流量、壓力、功率的影響為3、2、5次方的關(guān)系③轉(zhuǎn)速n和直徑D不變，密度變化時(shí)：密度對流量無影響，對壓力、功率的影響為1次方的關(guān)系例3-3、如果氣體僅溫度從20℃變化到200℃，求兩種情況下工作機(jī)的流量、壓力(升)、功率的變化？如果工質(zhì)是水，溫度變化有什么影響？解：兩情況下氣體密度比為

mρ=(273+200)/(273+20)=0.62容積流量不變；壓力、功率都減小38%水溫影響不大因?yàn)槊芏葘θ莘e流量無影響，而對壓力、功率的影響為1次方的關(guān)系3、通用性能曲線由無因次φ、ψ、λ定義可以計(jì)算相似機(jī)器（已知D）在轉(zhuǎn)速n和密度ρ下的流量、壓力、功率等參數(shù)相似機(jī)器共同的無因次性能參數(shù)曲線三、比轉(zhuǎn)速系數(shù)φ、ψ分別是對流量和壓力一種性能的表示，而且定義中包含有葉輪直徑D，應(yīng)用不太方便。因此聯(lián)合φ、ψ兩式消去D得：1、葉片泵的比轉(zhuǎn)速nsns=０.５/0.75=[qv/(D3n)]

0.5/[H/(Dn)2]0.75

=n(qv)

0.5/(H)0.75ns=nqv

0.5/ptf

0.75=24.83０.５/0.75密度取標(biāo)準(zhǔn)空氣的值ρ=1.2m3/kg；為了統(tǒng)一，便于比較；所以上式中ptf

一定要用標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)下的壓力值2、通風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速流量單位取m3/s；轉(zhuǎn)速n取r.p.m；壓力單位取Pa；壓力單位如果取mm水柱，則其比轉(zhuǎn)速是上式ns的g3/4

＝5.54倍；上式壓力系數(shù)定義中沒有1/2時(shí)，則24.83變?yōu)?4.8；3、比轉(zhuǎn)速ns應(yīng)用討論：比轉(zhuǎn)速ns最早應(yīng)用于水輪機(jī)，隨后用于泵和通風(fēng)機(jī)；

ns是一個(gè)終合參數(shù)，ns大反映了機(jī)器的流量大、壓力低；不同大小的特征值ns代表了不同機(jī)器形式

如表3-2與葉片（葉輪）形狀的關(guān)系許多重要的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)常常整理成ns的函數(shù)，例如與效率的關(guān)系φ=qv

/nD3ψ=gH/n2D2ψ=0.006~0.09ψ=0.04~0.06ψ=0.07~0.4圖3-1φ表3-2比轉(zhuǎn)速與葉片形狀的關(guān)系

比轉(zhuǎn)速19172030葉輪簡圖尺寸比d1/d2=0.150.50.80.91（通風(fēng)機(jī)）可以用于設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)，根據(jù)比轉(zhuǎn)速確定葉輪形式1.實(shí)際相似機(jī)器僅轉(zhuǎn)速比模型機(jī)器大一倍，寫出兩者的性能（流量、壓力、功率）關(guān)系？課堂練習(xí)2.實(shí)際相似機(jī)器僅直徑是模型機(jī)器的一半，寫出兩者的性能（流量、壓力、功率）關(guān)系？第四節(jié)葉片式泵與風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的運(yùn)行

——機(jī)器前、后的管道、設(shè)備、閥門等附件統(tǒng)稱為管網(wǎng)系統(tǒng)。

一、管網(wǎng)及其特性水箱(0.6MPa)，泵，省煤器，高壓加熱器，鍋爐(13Mpa)，管道、閥門和其他附件鍋爐水箱例如：電廠給水泵的管網(wǎng)系統(tǒng):1、管網(wǎng)省煤器高壓加熱器制冷(熱)循環(huán)空調(diào)中通風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)包括？

蒸發(fā)器外表面流道；冷凝器外表面流道；空調(diào)中壓縮機(jī)的管網(wǎng)？蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)表面流道、管道等通風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)電廠的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)管網(wǎng)？鼓風(fēng)機(jī)：過濾器，空氣預(yù)熱器，鍋爐；引風(fēng)機(jī)：過熱器，省煤器，預(yù)熱器，除塵器，煙筒2、管網(wǎng)特性，也叫管網(wǎng)阻力（對機(jī)器而言）——在管網(wǎng)中流體的能量隨流量變化的關(guān)系hG=hst+Kqv2式中：qv——容積流量；

K為阻力系數(shù)；

hst為流體靜壓能的增加，管網(wǎng)特性曲線圖hG=Kqv2上述例子hst=0？給水泵的pst=12.4MPa制冷系統(tǒng)中通風(fēng)機(jī)pH1、機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)(滿足兩個(gè)條件)能量守衡：機(jī)器提供給流體的有效能量h=管網(wǎng)中流體的能量變化hG質(zhì)量守衡：流過機(jī)器的流量qm=流過管網(wǎng)的流量qmG（沒有泄露）機(jī)器的特性曲線和管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)滿足這兩個(gè)條件；即兩曲線的交點(diǎn)為機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)二、流體機(jī)械與管網(wǎng)的聯(lián)合工作h=hGqm=qmG機(jī)器性能管網(wǎng)阻力性能機(jī)器不同曲線：由不同機(jī)器得到；或同一個(gè)機(jī)器的不同轉(zhuǎn)速（或不同進(jìn)口條件或調(diào)節(jié)機(jī)器部件）得到；管網(wǎng)不同曲線：由不同管網(wǎng)得到；或調(diào)節(jié)閥門(或其他附件)得到；實(shí)際工作點(diǎn)如何改變？實(shí)際工況點(diǎn)可以變化曲線2A到E曲線1曲線3A到D線2A到B線1,A點(diǎn)線3A到C2、運(yùn)行的穩(wěn)定性定義：小擾動過后，工況仍能回復(fù)到原來的平衡工作點(diǎn)，則工況就是穩(wěn)定的。否則，就是不穩(wěn)定的

根據(jù)定義，A點(diǎn)是穩(wěn)定的，B是不穩(wěn)定的穩(wěn)定點(diǎn)判斷：當(dāng)流量增加后，機(jī)器的能量頭小于管網(wǎng)能量頭的點(diǎn)不穩(wěn)定的危害和改善措施在第五節(jié)或機(jī)器性能曲線右半支上的點(diǎn)或點(diǎn)上滿足機(jī)器性能管網(wǎng)性能三、泵與風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)定義：由于機(jī)器實(shí)際工況的參數(shù)不能滿足用戶的需要時(shí)，就要進(jìn)行調(diào)節(jié)（即改變兩曲線的交點(diǎn)）。分類：調(diào)節(jié)可以通過改變兩條曲線中任何一條達(dá)到，所以工程上進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法分為三大類：改變機(jī)器性能曲線改變管網(wǎng)性能曲線同時(shí)改變兩個(gè)性能曲線1、出口節(jié)流調(diào)節(jié)出口閥出口閥出口閥qvAqvBA點(diǎn)的流量太大，不滿足要求，可以減小出口閥門的開度，增加管網(wǎng)阻力（紅線），交點(diǎn)為B，流量是qvB，滿足要求。閥損失結(jié)構(gòu)簡單；但經(jīng)濟(jì)性差，因?yàn)殚y門損失和機(jī)器偏離高效率點(diǎn)兩個(gè)方面的原因。調(diào)節(jié)閥門裝在機(jī)器的后面2、進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥門裝在機(jī)器前面的進(jìn)口處。進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)僅用于氣體介質(zhì)（可壓縮），進(jìn)口節(jié)流閥的開度變化同時(shí)改變了管網(wǎng)特性（阻力）和機(jī)器的特性，使調(diào)節(jié)更有效。因?yàn)閷τ谳斔鸵后w介質(zhì)的泵而言，進(jìn)口節(jié)流和出口節(jié)流的調(diào)節(jié)效果是相同的，但進(jìn)口節(jié)流的損失將降低裝置有效空化余量（參見下一節(jié)），危及泵的安全運(yùn)行，所以不宜采用.調(diào)節(jié)前3、轉(zhuǎn)動動葉片調(diào)節(jié)安裝角(與周向夾角)增大，性能曲線向右上方移動，安裝角減小，性能曲線向左下方移動因?yàn)榘惭b角減小，可從進(jìn)口速度三角形得到無沖擊時(shí)的流量減?。挥沙隹谒俣热切慰芍?減小，cu2減小而壓力減小（或攻角減小得到升力或壓力減?。饕糜谳S流機(jī)械攻角u2c2w24、轉(zhuǎn)動前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)（預(yù)旋調(diào)節(jié)）由歐拉方程式：(q一定)正預(yù)旋（cu1>0），能量頭減?。回?fù)預(yù)旋（cu1<0），能量頭增加。D1/D2比值大，效果明顯。(沖角一定，i=-)正預(yù)旋（cu1>0），流量減小；負(fù)預(yù)旋（cu1<0），流量增加。正預(yù)旋（cu1>0），機(jī)器曲線向左下方移動；負(fù)預(yù)旋（cu1>0），機(jī)器曲線向右上方移動。由速度三角形：可近似由相似定理得到轉(zhuǎn)速n增加，能量頭成2次方增加，流量成1次方增加，即