第5讲_流体机械概论ppt课件

第五讲：流体机械概论,哈工大流体机械及工程研究所,1,主要内容,流体机械定义、主要类型叶片泵、风机水轮机液力传动液压传动、液压控制系统,2,5.1流体机械的定义、主要类型,一、流体机械的定义流体机械是以流体（气体或液体）为工作介质，在流体所具有的能量与机械的机械能之间进行相互能量转换的设备。例如：水泵，输入机械能输出流体能量水轮机，输入流体能量输出机械能还有少量的流体机械是在具有不同能量的流体之间进行能量的传递，如射流泵等。,3,5.1流体机械的定义、主要类型,二、流体机械的主要类型根据流体与机械的相互作用方式：容积式流体机械和叶片式流体机械。单位重量流体所具有的能量：,容积式流体机械是靠容积变化工作的，主要应用流体的压力能，机械和流体之间的作用以静压力为主。叶片式流体机械主要应用流体的动能，靠叶轮叶片带动流体高速旋转，使流体产生惯性离心力工作的。,4,5.1流体机械的定义、主要类型,叶片式泵在结构上区别于容积式泵的一个基本特点是，其高压侧（压水室）与低压侧（吸水室）之间是通过叶轮流道相互贯通的，而容积式泵的高、低压侧相互之间必须是严格密封的。,叶片式泵容积式泵（齿轮泵）,5,5.1流体机械的定义、主要类型,二、流体机械的主要类型（一）容积式流体机械1.活塞式（往复式运动）典型应用：往复泵活塞式压缩机,6,5.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械2.齿轮式（回转式运动）典型应用：齿轮泵齿轮马达,7,7.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械3.螺杆式典型应用：螺杆泵螺杆式压缩机,8,5.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械4.罗兹式典型应用：罗兹风机罗兹真空泵,9,5.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械5.柱塞式典型应用：轴向柱塞泵轴向柱塞马达径向柱塞马达,10,5.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械5.柱塞式径向柱塞式典型应用：低速大扭矩径向柱塞马达,11,5.1流体机械的定义、主要类型,（一）容积式流体机械6.滑片式典型应用：滑片泵,12,5.1流体机械的定义、主要类型,（二）叶片式流体机械按液流相对于轴线的流动方向，分为离心式、轴流式和混流式。1.离心式典型应用：离心泵离心风机,13,7.1流体机械的定义、主要类型,（二）叶片式流体机械2.轴流式典型应用：轴流泵轴流水轮机轴流风机离心式用于相对高扬程（压力）小流量，轴流式适用于相对高扬程（压力）小流量。,14,7.1流体机械的定义、主要类型,（二）叶片式流体机械3.混流式典型应用：混流泵,15,第五讲：流体机械概论5.2叶片式泵,16,5.2叶片式泵,一、叶片泵的工作原理泵是以液体为工作介质，把原动机的机械能转换为液体能量的机械。在叶片式泵中，能量转换是在带有叶片的转子及连续绕流叶片的液体介质之间进行的，叶片与液体介质之间的作用力是惯性力。,17,5.2叶片式泵,对叶片泵性能产生关键影响的部件是叶片泵过流部分的结构，在离心泵中，过流部件包括吸水室、叶轮和压水室。叶轮及其驱动轴系是转动件，其他都是静止件。,18,5.2叶片式泵：主要性能参数,叶片泵的工作状况通常用性能参数来表示，其主要性能参数有流量、扬程、转速、效率和空化余量等，空化余量是表示叶片泵抗空化性能的主要参数。扬程是泵出口截面（泵出口法兰处)和泵进口截面(泵进口法兰处)单位重量液体的能量差值，也就是单位重量液体通过泵获得的有效能量。按扬程定义其单位是m，即被抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。,19,5.2叶片式泵：应用,叶片泵的应用叶片式泵是国民经济各个部门都广泛应用的通用机械。现在叶片泵应用范围非常广泛，其应用领域涉及农田排灌、城市和工业给排水、发电、石油、化工、钢铁、采矿、船舶、食品、医药、国防等等各个领域。技术水平也达到了相当的高度，其功率由几百瓦到数万千瓦，转速最高达数万转每分，扬程可达数千米，流量可达近百立方米每秒。,20,5.2叶片泵的应用：热力发电厂,21,5.2叶片泵的应用：核电站核主泵：立式蜗壳泵,22,5.2叶片泵的应用：航天航空,涡轮泵供油控制系统,23,5.2叶片泵的应用：水利工程,大型引水提水工程：大型高扬程（离心泵）、大型大流量可调泵（轴流泵）排水排涝：低扬程大流量泵的应用。节水灌溉技术，泵或其他形式的流体机械。,有“亚洲第一斜轴泵”之称的河套灌区红圪卜扬水站的斜轴泵。,24,5.2叶片泵的应用：城市给排水,城市给水取水（一级泵站）水处理（水厂）输送（二级泵站）管网城市排水污水泵站：采用离心式污水泵雨水泵站:一般轴流泵。,25,5.2叶片泵的应用：矿山,采矿工业在进行地下矿物开采时，由于凿岩、爆破、装矿、运矿和卸矿等作业环节，使井下空气中混入矿尘和有毒气体。氧化硅粉尘被人们吸入肺部，会引起矽肺病；井下有毒气体有二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳及硫化氢等；由于井下坑木的腐朽和矿岩的氧化，以及人们呼吸等原因，井下空气中的氧气含量会不断减少。如不能及时地更换或补充，也将危及人们的健康，以至生命安全。这就需要向井下不断地输送足够量的新鲜空气，补充井下氧气的不足，将有害气体及矿尘排出。在地下或者露天开采有用矿物时，都有可能造成地下含水层、溶洞及通过岩石裂缝渗入的地表水进入工作采场。排水方法有预先疏干、自流或机械排水。,26,5.2叶片泵的应用：船舶,船用泵主要有：离心泵，如机舱中的冷却水泵、消防泵、压载水泵和生活水泵等；活塞泵，常用作手摇水泵和油泵。,27,5.2叶片泵的应用：钢铁工业,钢铁工业高炉鼓风机：轴流压缩机，风量大，如功率60Mw的，流量10000m3/min。空气压缩机：流量72000m3/min，压力3.5Mpa，功率12.15MW。,28,第五讲：流体机械概论5.3水轮机,29,5.3.1发电方式能源:指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称。一次能源:即天然能源，指在自然界中自然存在的能源，如煤炭、石油、煤层气、天然气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等。二次能源：由一次能源经过加工转换以后得到的能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。,5.3水轮机原理、结构,30,电能:电能属于二次能源，必须从一次能源转换而来，这个生产过程称为发电。按一次能源的种类，构成了不同的发电方式。目前常用的发电方式为火电、水电和核电。火力发电：利用煤炭（石油、天然气）等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电。锅炉汽轮机发电机,3.3水轮机原理、结构,31,水力发电：利用河流、湖泊等位于高处水的位能，通过水轮机转换为机械能，水轮机驱动发电机产生电能。水轮机发电机（水轮发电机组）我国水力发电总装机容量1.45亿kW（2007年），世界第一，占总装机容量20%多。（2010年发电量：火电80%，水电16.28%，核电1.77%，其他为风电、太阳能等）,5.3水轮机原理、结构,32,5.3.2水力发电站,5.3水轮机原理、结构,1.大坝、厂房等水工建筑2.水轮机3.发电机（水轮发电机组）4.高压输变电,33,5.3.2水力发电站,我国水力资源理论蕴藏量达到6亿9400万千瓦，经济可开发容量为4亿零200万千瓦。我国水力发电总装机容量1.45亿kW（2007年），已开发36%。水力资源最丰富的省为：四川、西藏、云南，可开发装机容量分别约为1亿万千瓦。,34,5.3.2水力发电站,三峡水利枢纽工程长江三峡水利枢纽工程是当今世界上最大的水利枢纽，由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝为混凝土重力坝，大坝坝顶总长3035米，坝高185米，设计正常蓄水水位为l75米，双线5级船闸和升船机。可通过万吨级船队。三峡水电站共安装32台70万千瓦水轮发电机组，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦，年平均发电量1000多亿千瓦时。约占全国发电量的33分之一。,35,5.3.2水力发电站,三峡水轮机转轮直径10米、高5米，总重量450吨，水轮机总重3400吨。引水钢管直径12.3米。,36,5.3.2水力发电站,水利枢纽工程防洪、抗旱三峡水库：175米正常蓄水位高程，总库容393亿立方米,其中防洪库容221.5亿立方米，形成总面积达1000多平方公里的人工湖泊。航运：长江三峡段水流湍急，宜昌至重庆之间仅可通行三千吨级的船舶。三峡工程建成后，万吨轮可从上海通达重庆。通过水库的放水，还可改善长江中下游地区在枯水季节的航运条件，但通过五级船闸缓慢。发电,37,5.3.2水力发电站,38,5.3.2我国第一座水电站丰满水电站1937年建设，43年开始发电，扩建后总装机100万千瓦。松花湖554平方公里，正常库容81亿立方米，死库容2781亿立方米。,39,5.3.2东北最大的水电站白山水电站位于第二松花江上游的吉林桦甸市白山镇，五台混流式机组。总装机170万千瓦，年发电量20.37亿千瓦时,40,5.3.2水力发电站巴西伊泰普水电站20台发电机组，每台70万千瓦总装机容量1400万千瓦,41,5.3.2水力发电站大古力水电站60万和70万千瓦水轮机，装机容量648万kW,42,5.3.3水轮机基本参数,水轮机是将水能转换为机械能用于驱动其它机械的水力原动机，从原理上看，水轮机和水泵是可逆机械。基本参数包括：水头H、流量Q、出力（功率）N、效率，机组转速n等。一、水头H、,43,5.3.3水轮机基本参数,二、流量Q：m3/s三、转速n（r/min）水轮机与发电机直接连接，因此转速取发电机转速。,大型水轮机转速较低，如三峡水轮机额定转速75rpm。,44,5.3.4水轮机类型、结构,按照水轮机转轮转换水流能量的方式不同，水轮机可分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机可利用水流的势能和动能，流动是有压流动，包括转轮在内的整个流道是封闭的。有混流式、轴流式、贯流式等。冲击式仅利用水流的动能，流动是无压流动，转轮是敞开的。水流势能通过喷嘴转换为高速射流的动能，高速射流冲击水轮机转轮。按照冲击转轮的方向不同，有切击式、斜击式、双击式等。,45,5.3.4水轮机类型、结构,一、反击式水轮机1.混流式水轮机,上部为发电机下部分为混流式水轮机,46,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,混流式水轮机过流部件有引水部件、导水部件、转轮和尾水管。（1）引水部件（蜗壳、引水室）是水流进入水轮机所经过的第一个部件，通过它将水流引向导水部件，然后进入转轮。主要作用：1、以最小的水力损失把水引入导水部件，从而提高水轮机的效率。2、尽可能保证沿导水部件的周围进水流量均匀，水流对称于轴，以使转轮受力均衡，提高工作稳定性。3、在进入导水部件前，使水流具有一定的环量。,47,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,混流式水轮机过流部件有引水部件、导水部件、转轮和尾水管。（1）引水部件（蜗壳、引水室）,48,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,混流式水轮机过流部件有引水部件、导水部件、转轮和尾水管。（1）引水部件,座环,49,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,（2）导水部件（导叶）导水部件位于引水部件与转轮之间。主要作用：1、随着机组负荷的变化，调节进入转轮的流量，改变水轮机的出力，使其与机组外负荷的变化相适应。是水轮机调节控制系统的执行装置。2、形成在转轮前必须的速度环量，以符合转轮的需要。3、开关水轮机。导叶全部关闭，可以截住水流实现停机。,50,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,（2）导水部件（导叶）,51,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,（2）导水部件（导叶）,52,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,（3）转轮：将水能转换为机械能，水轮机的核心部件。转轮的型式决定了水轮机的型式,53,5.3.4水轮机类型、结构：混流式水轮机,（4）尾水管（吸出管）反击型水轮机的尾水管主要作用：1、将水流平顺地引到下游；2、利用转轮出口的动能和位能。,大型水轮机的肘形尾水管,54,5.3.4水轮机类型、结构,2.轴流式水轮机,水流沿轴向流过转轮,55,5.3.4水轮机类型、结构：轴流式水轮机,（2）转浆机构,56,5.3.4水轮机类型：贯流式水轮机,轴伸式、竖井式，小型水轮机灯泡贯流式：大型,57,5.3.4水轮机类型、结构,4.贯流式水轮机（灯泡式）贯流式水轮机是开发水头低于30米的低水头水力资源较好的方式，具有如下显著的特点：（1）水轮机具有较高的过流能力和大的比转速，在水头和出力相同的情况下，贯流式水轮机直径比转桨式小10%左右。（2）贯流式机组布置合理结构紧凑，电站的开挖量和混凝土量较小，土建费用可节省20%-30%。（3）电站建设周期短、投资小、见效快，电站靠近城镇。,58,5.3.4水轮机类型、结构,二、冲击式水轮机1.切击式（水斗式）,59,第五讲流体机械概论,5.4液力传动主要内容：液力元件的结构、工作原理、特性和应用,60,5.4.1液力偶合器一、结构和原理,液力元件（液力偶合器和液力变矩器）属于叶片式流体机械。液力偶合器相当于将离心泵和水轮机的工作叶轮直接连接，构成一个新的传动元件，输入输出都是机械能。,61,液力偶合器结构简图,62,二、液力偶合器主要性能参数,液力偶合器主要参数泵轮输入转矩和转速：涡轮输出转矩和转速：转速比：效率,63,偶合器的外特性是指当泵轮转速和工作液体一定时,泵轮转矩（涡轮转矩）、偶合器效率和涡轮转速的关系,表示偶合器工况的两个参数,过载系数：,三、液力偶合器外特性曲线,64,五、液力偶合器的应用,5.对电机电压无限制，可与高压大容量电机配合使用；,1.工作机重载时，可使电机空载起动和软起动；,2.功率密度高，结构紧凑，尺寸小；,3.成本低，维护费用低，可在恶劣环境下工作；,4.在原动机运行过程中，动力可随时切断。,偶合器是利用液体来传递能量的液力元件。它能保证主动轴和被动轴间的柔性传动，减小冲击和振动，将主动轴上的转矩大小不变地传递给被动轴。,65,五、液力偶合器的应用,用于保护动力机和工作机不超过规定转矩，用于大（惯量）负载的启动：板式输送机、刮板输送机、带式输送机、斗轮挖掘机及刨煤机等。,66,柴油机动力经过液力偶合器到并车装置,五、液力偶合器的应用,67,六、调速型液力偶合器,改变工作腔中的充液量，从而改变偶合器的特性，从而达到调节工作机转速的目的。,68,六、调速型液力偶合器：特性,69,六、调速型液力偶合器：应用,广泛用于大型泵、风机的转速（流量）调节。如电站锅炉给水泵，通过调节给水泵转速改变供向锅炉的给水流量和压力，以适合机组的负荷变化等。泵、风机属于抛物线负载，驱动转矩与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，因此当转速下降时，驱动功率大幅度下降。偶合器效率随转速线性下降，远低于输出功率的下降幅度，因此用调速型液力偶合器调节泵的转速，具有良好的节能效果。,70,5.4.2液力变矩器：原理,液力变矩器具有不动的导轮，从而输入泵轮转矩和输出涡轮转矩不等，具有变转矩能力，变矩系数k,1-泵轮输入轴2-涡轮输出轴3-导轮4-壳体,71,5.4.2液力变矩器：特性,72,5.4.2液力变矩器：应用,一、具有隔振、自动适应性、启动转矩大、防止过载等一系列优点，广泛用于各种车辆、工程机械的主传动红旗轿车液力机械传动系统,73,5.4.2液力变矩器：应用,二、坦克主传动,主传动：液力变矩器液力制动器：偶合器涡轮固定，用于大型重载车辆的高速制动,74,5.4.2液力变矩器：应用,三、工程机械推土机、装载机、叉车等。,2吨液力传动叉车,液力变矩器使推土机输出扭矩的大小能自动适应载荷的变化，对发动机进行过载保护，超负荷运行时发动机不熄火,75,5.3.2液力变矩器：应用四、石油钻机平台转盘、绞车滚筒、钻井泵的驱动,76,5.4.2液力变矩器：导叶可调式液力变矩器,离心涡轮液力变矩器用于大功率调速系统等。,77,5.4.2液力变矩器：导叶可调式液力变矩器特性,涡轮反转时，输出转矩方向不变，某些特殊场合应用。,78,5.4.2液力变矩器：导叶可调式液力变矩器应用,采用德国福伊特液力变矩器的甲胺泵传动系统,改造后采用国产液力变矩器的甲胺泵传动系统,79,风力发电液力恒速控制系统,5.3.2液力变矩器：导叶可调式液力变矩器应用,80,第五讲：流体机械概论5.5液压传动、控制系统,81,一、液压传动的原理机器：一般机器由动力装置、传动及控制装置、工作装置及辅助装置等构成。传动装置:传动装置把动力装置的动力传递给工作机构等的中间设备。大多数原动机为电动机和热机，输出运动为旋转运动，一般不能满足工作机构的速度、运动规律等要求，需要在原动机和工作机之间加入传动装置。常用的传动方式有机械传动、电气传动和流体传动。流体传动（液压传动、气压传动、液力传动）是重要的传动方式之一。,5.5液压传动、控制系统原理及应用,82,一、液压传动的原理与组成液压传动：是以液体（一般为油）作为工作介质进行能量传递与转换的一种传动与控制方式。以液压千斤顶为例介绍液压传动的工作原理及组成。,5.5.4液压传动、控制系统原理及应用,83,一、液压传动的原理与组成1、系统的压力取决于作用负载的大小:即2、无级（或有级）调速原理：根据连续性方程：v1A1=v2A2=Qv2=Q/A2（连续改变流量无级调速）v2=v1A1/A2（改变活塞面积可实现有级调速）3、液压功率：P=F2v2=pA2Q/A2=pQ3、液压功率：压力和流量的乘积（两个最重要参数）,84,一、液压传动的原理与组成,液压系统组成：液压动力元件：液压泵（机械能压力能）液压执行元件：液压缸、液压马达（压力能机械能）控制元件：液压阀（控制方向、压力及流量）液压辅助元件：油箱、油管、滤油器等工作介质：液压油、高水基,85,一、液压传动的原理与组成,液压传动的特点1）单位体积输出功率大（压力高），体积小重量轻、结构紧凑。2）液压装置工作比较平稳。3）液压装置能在较大范围内实现无级调速。4）液压传动易于实现自动化。5）液压装置易于实现过载保护。,86,二、液压传动的应用,应用领域极为广泛:工程机械、机床、冶金、军工、农机、汽车、船舶、航空、塑料成形等等。工程机械：挖掘机,工程机械:各种建筑工程所需的机械化施工装备称为工程机械土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业等等。,87,二、液压传动的应用,工程机械：液压翻斗车,88,二、液压传动的应用,其他工程机械：液压起重机、推土机、铲运机、装载机、压桩机、混凝土输送泵、混凝土搅拌输送车等等。,89,二、液压传动的应用,液压传动能方便实现往复直线运动，广泛用于各种机床中。,磨床工作台,锻压设备,90,二、液压传动的应用飞机操纵系统,91,汽车液压制动系统,92,轧钢机械,93,港口机械,94,液压注塑机,95,液体（或气液两相）流动控制技术广泛应用于工业、军事及医学等领域。在原有流道不变、或设计合适的新型流道，通过改变（或局部改变）液体特性，可实现流动控制的目的，如湍流抑制、湍流增强及两相控制等。,第五讲：流体机械概论5.6流体流