能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论课件

1、 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论第二章第二章 叶片式机械的基本理论叶片式机械的基本理论v 结构简单 v 理论复杂 v 用途广泛v 三元、非定常的粘性流动； v 两相或多相流； v 几何形状复杂。 在工程上简化处理v 流动被看成是稳定的、与外界没有热交换的一元流动； v 不考虑粘性的局部影响而只考虑整体的能量损失等； v 假设流体是单相介质，气体还认为是理想气体。 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论第一节叶轮机械的典型结构第一节叶轮机械的典型结构单级汽轮机单级汽轮机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论工作原理工作原理叶轮内的流动过程叶轮内的流动过程: :cm cu c 以轴流式叶轮为例以轴流

2、式叶轮为例叶片式机器的特点叶片式机器的特点： v 具有一个带有叶片的转子(叶轮impeller或转轮runer)； v 工作时介质对叶片连续绕流； v 介质作用于叶片的力是惯性力； 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论v 壳体与静止叶栅（静叶）壳体与静止叶栅（静叶）转轮（动叶）转轮（动叶） 导叶（静叶）导叶（静叶） 流线 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论多级汽轮机多级汽轮机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论汽轮机静叶汽轮机静叶 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论汽轮机叶轮汽轮机叶轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论汽轮机叶片汽轮机叶片 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论涡轮风扇发动机涡轮风

3、扇发动机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论涡轮增压器涡轮增压器空气进口压缩机叶轮扩压器燃气进口涡轮机喷嘴涡轮燃气出口 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论风力发电风力发电 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论可逆式机组可逆式机组 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论混流式水轮机转轮混流式水轮机转轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论蜗壳蜗壳 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论水泵水轮机过流部件造型水泵水轮机过流部件造型 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流式水轮机轴流式水轮机涡壳固定导叶活动导叶叶轮水导轴承上导轴承推力轴承发电机转子 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论灯泡贯流灯泡贯流 能源与动力

4、装置基础叶轮机械基本理论冲击式水轮机冲击式水轮机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论冲击式转轮冲击式转轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论单级单吸悬臂式离心泵单级单吸悬臂式离心泵叶轮泵体（蜗壳）泵盖悬架（轴承支架）轴 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论节段式多级泵节段式多级泵中段进水段出水段导叶叶轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论锅炉给水泵锅炉给水泵 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论双吸泵双吸泵 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论离心风机离心风机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理

5、论轴流风机轴流风机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论多级离心压缩机多级离心压缩机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流离心压缩机轴流离心压缩机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论二、叶轮的配置方式、级的概念二、叶轮的配置方式、级的概念多级多级 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论多流多流 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论第二节第二节 流体在叶轮中的运动分析流体在叶轮中的运动分析一、叶片形状及其表达方法一、叶片形状及其表达方法 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论汽轮机和压缩机叶片汽轮机和压缩机叶片 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论径流式（离心式）叶轮径流式（离心式）叶轮 能源与动力装置基础

6、叶轮机械基本理论斜流式叶轮斜流式叶轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流式叶轮轴流式叶轮 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论叶片表面方程：（r，z）工程中表达叶片表面的方法： 投影图圆柱坐标系中的投影方法： 旋转投影 轴面投影平面投影 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论叶轮的轴面投影图： 反映了叶轮的总体尺寸和特征叶片投影图 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴面投影轴面投影 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴面投影 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论径流式： 圆环面（平面）流线和流面 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流式： 圆柱面 展开成平面流线和流面 能源与动力装置基础叶轮机械基

7、本理论轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮A2 Rb22thA(rr ) 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解c ccr+cz+cu=cm+cucm=cr+cz cm 流量cu 能量头 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论三、绝对运动与相对运动三、绝对运动与相对运动速度三角形绝对速度 c 牵连速度（圆周速度）u 相对速度 w c cu uw wc=u+w 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流式叶轮内的运动合成 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论静止与运动部件中的运动轨迹轴面投影平面投影 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论泵、离心风

8、机轴面速度的关系： cmwm 圆周速度的关系： ucuwu 相对流动角 绝对流动角 水轮机 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轴流风机、压缩机汽轮机、燃气轮机轴流泵速度三角形的表达方法 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论第四节第四节 静止过流部件静止过流部件1 1、原动机的喷嘴和导叶、原动机的喷嘴和导叶喷嘴用于冲击式 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论汽轮机静叶 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论导叶用于反击式原动机中调节流量 形成（也可改变）cu1活动导叶的调节作用 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论不同翼型的导叶 a）负曲率导叶 b）对称形导叶 c）正曲率导叶 能源与动力装置基础叶轮机械基

9、本理论2 2、蜗壳、蜗壳 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论工作机蜗壳 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论几点假设： v 绝热过程，对固定元件为绝能流动,叶轮 中，只通过叶片输入（出）机械功。 v 稳定（定常）流动 v 亚音速 v 介质为理想气体或液体第五节第五节 一元流动分析一元流动分析 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论一、滞止参数（对可压缩介质）一、滞止参数（对可压缩介质）2*pcTT2c2*pchc Th2*1Tpp()T2*pcHzconstg2g2*cppconst22、总水头（对不可压缩介质）总能量机械能机械能 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论静止流道中工质参数的变化静止流道中

10、工质参数的变化 可压缩介质： 不考虑流动损失时：T*、h*、p*=const 考虑流动损失时：T*、h*=const ，p*降低不可压缩介质： 不考虑流动损失时：H*,p*=const 考虑流动损失时：H*,p*降低 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论二、级中流体参数的变化二、级中流体参数的变化（级工作原理概述）（级工作原理概述）1、单级离心压缩机、通风机(泵)= cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)= h2* -h1* =cp(T2* -T1* ) 由能量方程式：W = dp/ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+W滞止压力p*=p+c2/2 加速 加 减 接近等速 功 速

11、 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论2、单级轴流水轮机（原动机）：活动导叶叶轮扩压器固定导叶速度总水头静水头Hhyh等速加速 减速 减速 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论3、反动式汽轮机 (9级)工质的绝对速度c有9次增加后又降低 的 过 程（进入导叶喷嘴速度增大，叶轮中速度下降），而静焓、压力随流动方向逐步下降。动叶静焓h压力p速度C转轴机壳静叶 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论三. 级和机器的性能参数性能参数流量: 质量qm (kg/s), 容积qv(m3/s, m3/M, m3/h) 能量头有关量: h(J/kg) ，焓差，压力(膨胀)比等经济性评价量: 效率等总能量: 功率P(J/

12、s) 有时还有噪声、转速等量关联式：P=h qm/ (工作机)P=h qm* (原动机) 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论1. 能量头有关量:n能量头h(J/kg)，n功 w (J/kg)，n焓差h (J/kg),n扬程H（m）, n压力差p (N/m2), n压力(或膨胀)比，J/kg=Nm /kg=kg (m/s2) m /kg=(m/s2) m; h = g HJ/kg=Nm /kg = (N/m2)/(kg/m3) ; h = p/ H = h/gp= h 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论轮盘摩擦损失轮盘摩擦损失内泄露损失hrhv内总能量头 htot(hi) = hth 非流道损失

13、(如hv+ hr )=有效能变化 hhyh 非流道损失(如hv+ hr ) 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论hs原动机he 工作机流动损失hhyh 外泄露损失hvo 内泄露损失hv 轮盘摩擦损失hr 轴承摩擦损失hm 原动机hehpolhthhtot用图表示各种能量头和损失的关系 hth htot he he hu hi 0)(0)过压作用 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论假定Z 2b2 应用速度三角形可得：cu2hth 实际上，Z 2b2 第六节第六节 有限叶片数的影响有限叶片数的影响 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论2b2（滑移现象）的原因：1 1、惯性作用、惯性作用 对工作机：cu2指向u，2b2 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论对原动机： cu2 指向u，2b2 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论2 2、轴向旋涡（对径流、混流式）、轴向旋涡（对径流、混流式） 能源与动力装置基础叶轮机械基本理论二、滑移系数二、滑移系数考虑有限叶片数影响的方法： 轴流式：解析或半解析法计算平面叶栅，基于试验数据的翼型和叶栅计算方法（升力法） 径流式：用经验系数（滑移系数）修正无穷叶片数的计算结果 混流式：两种方法都