《流体机械》课件第5章叶片式气体机械

学习要求：（1）掌握离心泵风机、轴流风机的工作原理和基本结构型式；（2）掌握离心泵风机、轴流风机的基本性能参数；（3）掌握离心风机、轴流风机的升压基本方程式；（4）掌握离心风机的有因次、无因次特性曲线；（5）了解轴流风机的布置方案；（6）了解风机的管网特性与调节方法；（7）掌握离心压缩机的工作原理和其结构上的特点；（8）掌握压缩机的级的概念，了解级中能量方程的两种表述；（9）掌握压缩机的特性，在管网中的调节；课程安排：作业（3）占7%，作业（3）5-4，5-11，5-15，5-16，5-21，5-22

理论10学时，实验2学时。第5章

叶片式气体机械

实验二压缩机的性能实验第5章

叶片式气体机械

5.1叶片式气体机械概述

工程应用

通风机是一类量大面广的通用机械，主要应用于大流量低压力抽送气体的场合，例如：

5.1叶片式气体机械概述

（1）锅炉运行用风机。

（2）通风换气用风机。

（3）化铁炉、锻工炉、冶金炉等工业炉用通风机，一般为高压离心通风机。

（4）矿井用通风机

鼓风机和压缩机的使用条件差别首先是在压力等级上，它们应用于中、高压力条件下的各种气体输送系统。

（1）冶金工业。

（2）石油化工及天然气输送。

（3）制冷工程。

第5章

叶片式气体机械

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.1离心式通风机的结构与原理1.通风机的结构

2.工作原理

离心风机的工作原理与离心水泵的工作原理相同，只不过是所输送的介质不同。

安装方式：A.离心风机本体无叶轮支持轴承，与电动机直联传动；B.离心风机悬臂安置，采用皮带轮减速并将其置于两支撑轴承之间；C.离心风机悬臂，皮带轮减速器放置于轴承外侧；D.离心风机悬臂，在轴承外侧放置传动联轴节；E.离心风机双支撑，皮带轮悬臂传动；F.离心风机双支撑，联轴节传动。E型、F型一般用于大型风机，用双支承的方式把风机托住。5.2离心式通风机的结构及工作理论

根据使用条件的不同，离心风机的出风口方向，规定了“左”或“右”回转方向，各有8中不同的基本出风口位置。5.2离心式通风机的结构及工作理论

例如风机G6-5.42(6-30)-11型No.18D右900。G—送风机；6—压力系数0.6乘10后化为整数为6；5.42—比转数（工程单位制为30）；前一个“1”—进风口型式为单吸；后一个“1”—第一次设计；No.18—叶轮外径D2=180cm；D—传动方式，为单吸、单支架、悬臂支承，联轴器传动，见图5-2；右900—出风口位置按右旋900确定，见图。其它风机的名称也可以类推其含义。5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2离心式通风机的结构及工作理论

3.离心风机的主要部件特点分析：1）叶轮

叶轮是离心风机传递能量的主要部件，它由前盘、后盘、叶片及轮毂等组成，如图5-4所示。

叶轮前盘的形式有平直前盘、锥形前盘及弧形前盘三种。气流进口后分离损失的原因。高效离心风机采用弧形前盘。5.2离心式通风机的结构及工作理论

风机叶轮的叶片形状有弧形叶片、直线型叶片、机翼型叶片等三种

机翼型叶片强度高，可以在比较高的转速下运转，并且风机的效率较高；缺点是不易制造。直线型叶片制造方便，但效率低。弧形型叶片如进行空气动力性能优化设计，其效率会接近机翼型叶片。一般前向型(β2k>900)叶轮用弧形型叶片，后向(β2k<900叶轮用机翼型和直线型叶片。5.2离心式通风机的结构及工作理论

2）集流器

集流器装置又称为吸入口，它安装在叶轮前，使气流能均匀地充满叶轮的入口截面，并且使气流通过它时的阻力损失达到最小。有圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形及锥弧形等。比较这五种集流器的形式，锥弧形最佳，高效风机基本上都采用此种集流器。5.2离心式通风机的结构及工作理论

3）机壳

离心风机的机壳与离心泵的泵壳相似，呈螺旋线形（即蜗形），又称为蜗壳。其任务是汇集叶轮中甩出的气流，并将气流的部分动压转换为静压，最后将气体导向出口。蜗壳的断面有方形和圆形两种，一般中、低压风机用方形，高压风机用圆形。4）风门的调节通风机的进气箱在设计上应尽量使气流均匀而能以较小的损失进入叶轮。为便于调节流量，扩大风机的高效使用范围，离心风机的进气口（集流器）前或进气箱中常装置导流器，如图5-9所示。其中（a）为轴向型，（b）为径向型。轴向导流器叶片可通过联动机构同步转动，从轴面位置开始旋转成与轴面成一定夹角，直至关闭流道。5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.2通风机的全压方程由式（2-18）知：有限多叶片泵的理论比能方程：

（5-1）

由式（2-19）知：

（5-2）

(5-3)

5.2离心式通风机的结构及工作理论

(5-4)

(5-5)

(5-6)

5.2离心式通风机的结构及工作理论

(5-7)5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.3通风机中的能量损失

流动损失、流量损失和机械损失（1）流动损失包括进口冲击损失和流道中的综合沿程摩擦损失两部分。（2）流量损失中主要是内部泄漏损失。影响内泄漏损失的因素其一是叶轮进口与风机进气口间的间隙形式，采用径向间隙δr较之轴向间隙δz要好得多，因为前者泄漏气量不易破坏主气流的流动状态5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.4通风机的性能参数

5.2离心式通风机的结构及工作理论

4.效率全压效率，作为衡量风机气动性能及总的经济性的指标。

流动效率：

流量效率：

轮阻效率：

机械传动效率：

静压效率：

5.2离心式通风机的结构及工作理论

电机的实际配用功率就是风机轴功率的基础上考虑动力储备系数KN以后的功率值。

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.5离心式通风机的有因次特性曲线

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2.6离心式通风机的无因次特性曲线

几何相似的通风机在相似工况具有相同的无因次参数，因此也具有相同的无因次特性曲线。1.无因次参数

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2离心式通风机的结构及工作理论

静压系数：

（3）功率系数

相似的风机，效率相等，但密度不一定不相等，由式（2-46）知

5.2离心式通风机的结构及工作理论

（5-14）

（5-15）

5.2离心式通风机的结构及工作理论

令比转数为

（5-15）

5.2离心式通风机的结构及工作理论

当进气状态是非标准进气状态，风机产生的风压也会变化，应该进行换算：

上式可看成是不同的状态，密度与全压的变化，可用下式表示

（5-16）

5.2离心式通风机的结构及工作理论

（5-17）

（5-18）

将式（5-18）代入式（5-16）得：

（5-19）

若风机是多级的，则

（5-20）

若风机的叶轮为双吸，则

（5-21）

5.2离心式通风机的结构及工作理论

5.2离心式通风机的结构及工作理论

2.无因次特性曲线

图5-13所示，为6-5.42（6-30）型风机的无因次特性曲线。

相似的风机、属于同一类型，它们的无因次特性曲线只有一组。不同类型的风机，有不同的无因次特性曲线，选择时只需根据这些无因次特性曲线进行比较，择优而取。

5.2离心式通风机的结构及工作理论

离心风机在选型设计时，当选定风机型号后，即可确定风机叶轮的外径D2。由式（5-10）可得

（5-21）由式（5-11）可得

（5-22）

由式（5-22）与式（5-23）计算得到的叶轮外径D2，应该相等或者非常接近。5.2离心式通风机的结构及工作理论

确定了叶轮直径后，按风机的空气动力学图上的比例，求得风机各部分结构尺寸，图5-14为6-5.24型风机的空气动力学图，图上各部分尺寸均取叶轮外径D2的百分比。

5.2离心式通风机的结构及工作理论

如果已知模型风机的无因次参数，那么在已知实型风机（同一几何相似系列）外径D2，转速n以及抽送介质密度ρ后即可换算出实型机的有因次参数。

由式（5-11）可得

（5-24）（5-25）（5-26）同理式中

ρ—kg/m3，D2—m，n—r/min。

5.2离心式通风机的结构及工作理论

解：将流量、风压换算成通风机标准进口状态。

由式（5-19）得

取风机的转速n=2900r/min，其比转数ns为

5.2离心式通风机的结构及工作理论

由式（5-22）计算风机叶轮的外径D2：

由式（5-23）计算风机叶轮的外径D2：

取风机叶轮外径D2=0.49m。将该值代入式（5-25），得流量

能满足系统所需的流量。

5.2离心式通风机的结构及工作理论

根据式（5-24）校核风机的风压

能满足系统所需之风压。

有了叶轮的直径D2，根据图5-14可得到风机各部分的尺寸。例如后弯叶片的长度

风机的轴功率由式（5-24）求出

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

第5章

叶片式气体机械

5.3.1概述1.轴流风机结构简介

现代大型轴流风机的叶轮叶片和导叶叶片安装角可以做成可调节的，以便扩大风机的高效运行范围，这使它在使用经济性方面比离心风机有更好的适应性。

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

2.轴流风机的工作原理

如图5-15所示，具有翼型断面的叶片，在空气中作高速旋转时，气流相对于叶片就产生了急速的绕流，叶片对空气将施以力，在此力作用下，气体就被压升。

气体通过叶轮后能量增加，并且具有一定的圆周方向的分速度。导叶4将消除这一旋转分量，使气体轴向流出风机，同时将一部分动能转换成压能，以提高风机的工作效率。

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

1.气体在叶轮中的运动分析5.3.2轴流风机“级”的升压方程

在轴流风机叶轮中，气体的空间运动都可以认为是三个相互垂直的运动分量的合成，即具有圆周分速度、轴向分速度及径向分速度。通常采用圆柱层无关性假设分析。

2.速度三角形

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

绘制速度三角形。为方便起见，习惯上将两个速度三角形画到一起，.5.3轴流式通风机的结构及工作理论

3.轴流风机“级”的升压对任一基元级，理论升压表达式与式（5-1）相同，但因u相同，所以(5-27)

(5-28)

由速度三角形的几何关系可知，式（5-27)也可改写成

(5-28)

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

4.反应度及气流的预旋

(5-30)

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

(5-32)

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

5.3.3轴流风机叶轮的布置方案1.单个叶轮η为70%~80%。适用于小型低压轴流通风机。

2.单个叶轮后设置导叶

流经导叶后改变了流动方向，η为80%~88%，最高效率可达到90%。

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

3.单个叶轮前设置导叶

4.单个叶轮前、后均设置导叶

（1）前置导叶使流体在进入叶轮之前先产生负预旋使流体加速，提高了压力系数，因而流体通过叶轮时可以获得较高的能量。因此，在流体获得同样的能量下，则叶轮尺寸可减小，风机体积亦相应减小。

（2）若导叶做成可转动的，则可进行工况调节。同时，当流量变化时流体对叶片的冲角变动较小，运行较稳定。

效率为82%~85%。这种型式如果前置导叶可调，则轴流风机在变工况状态下工作，有较好的效果。

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

5.多级轴流风机型式

用多级轴流风机来实现较高的压力。图5-18所示为二级轴流风机示意图。二级轴流风机也可以在首级叶轮前装置导叶。

5.3.4轴流风机的特性曲线

5.3轴流式通风机的结构及工作理论

（1）升压曲线有驼峰形。

（3）零流量时功率值较大，有些风机还可能处于最大功率状态。这与离心风机小流量功率较小的特性是有明显差异的，启动时不宜关闭闸门。

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

第5章

叶片式气体机械

管网，就是通风管道及闸门，过滤器、换热器、弯头等一些组合部件的总称。

5.4.1通风机的典型工作方式

风机在管网中工作可能有三种不同的典型工作方式：

（1）吸气式。这种工作方式只有吸气管道，风机出口直接排入大气。

（2）压气式。管网只有压出管道，风机从大气直接进气。（3）吸压式。具有图中完整的进、排气管道两部分。5.4通风机在管网中的工作及调节问题

5.4.2

管网特性及系统的动力平衡

管网中的进、出口压差及流动损失对风机而言是一个“负载”。系统中的流体动力平衡必有以下关系

(5-33)

(5-34)

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

(5-35)

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

该断面上的静压应为正，因为风机提高了气流的全压。静压值为

在风机出口处3—3断面，全压为

(5-36)

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

5.4.3通风机的串联和并联运行

风机作串、并联运行有关的分析与叶片式泵的串并联运行类似。在串、并联运行中不应该出现以下几种情况：

（1）在某个风机中出现倒流情况；（2）联合工作时比单台风机流量减小；（3）流量波动时出现不稳定工作的现象。

当采用不同特性的风机作串、并联的联合运行时，尤其应该注意是否会出现上述情况。

5.4.4通风机运行工作点的调节5.4通风机在管网中的工作及调节问题

工作点调节：一是改变管网特性，此时工作点沿风机特性迁移变化；二是改变风机特性，使工作点沿管网特性曲线迁移变化。

（1）调风机转速

（2）使用轴流风机时，也可通过调节叶片安放角来实现特性的调节。

（3）离心式通风机在装置进口导流器时，还可以通过改变导流器的叶片安放角α使风机特性发生改变，实现工况调节。

改变风机特性5.4通风机在管网中的工作及调节问题

（4）离心风机还有一种特殊的改变叶轮有效宽度的调节方法。

在叶轮的前后盘间设置个可以轴向移动的活动后盘，套在叶片上，轴向移动时叶轮内流道的有效宽度b就发生变化。

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

5.4.5通风机运行中的喘振及噪声问题

（2）因为E点处

实际上平衡点在D的左侧很难实现稳定平衡而极易出现“喘振”现象。

当喘振发生时，系统中流量和压力出现低频的周期性大幅脉动，并且伴有强烈的机械振动，甚至会引起装置的损坏，因此风机系统不允许在喘振状态下运行。

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

喘振现象产生机理

（3）如图5-25中虚线所示的那样，气室向两个方向排气，压力很快下降，直至管网中压力低于风机出口压力时，整个系统又回复开始的状态。如此周期性地产生流量和压力的脉动，就是所谓的喘振现象。

风机开始发生喘振的最大流量称喘振限，可通过试验测定，使用中不应低于这一喘振界限。

5.4通风机在管网中的工作及调节问题

（1）风机方面，应避免驼峰形的特性曲线；（2）管网配置方面，可以设置旁路放风阀，在有效流量需求减小时通过放风阀排走部分气体，以使风机保持较大流量的工况；管网的节流阀以及会造成较大节流的配件应尽量向风机出口处靠近配置，或是在风机出口处加装一个节流阀，主要通过它进行节流调节；（3）通过变转速、变进口导流器开度等调节方法使风机的喘振界限向小流量方向移动，以扩大稳定工作区。

防止喘振噪声采取适当的隔声防噪措施，以减少它的有害影响。

是空气动力因素引起的气流啸叫

第5章

叶片式气体机械

5.5离心式压缩机的结构及工作理论简介

离心式压缩机在石油、化工、冶金、制药等部门应用都很广泛。在石油工程方面，离心式压缩机主要用在向地层注气、气举法采油和天然气抽送等方面的生产中。

5.5.1离心式压缩机的结构和工作原理

1.离心式压缩机的结构

离心式压缩机中，有些部件可以转动。有些则不能。我们把可以转动的零、部件统称为转子，而把不能转动的零、部件统称为静子。现在以图5-27所示的离心式压缩机为例，介绍离心式压缩机的主要零部件。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

1）转子（1）叶轮（2）主轴（3）平衡盘2）静子（1）机壳（2）扩压器（3）弯道（4）回流器（5）蜗室（6）密封5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

对高压的多级压缩机来说，中间冷却是必不可少的，否则气体的温升将很大。

如将空气从0℃开始自常态作等熵压缩，此时按等熵过程（绝热过程）方程可有

由于气体在压缩过程中温度升高，而气体在高温下压缩，消耗功将会增大。为了减少压缩功耗，压缩机常带有中间冷却器。中间冷却器把全部级分隔成几个段。在每段里，有一个或几个级组成。每个级是由一个叶轮及与其相配合的固定元件所构成。例如图5-27所示的压缩机全部级被分成两段，每段由三个级组成。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

对于离心式压缩机来说，从其基本结构上来看，它可分为中间级和末级两种。图5-27中第1,2,4,5级表示了中间级的型式。它是由叶轮、扩压器、弯道和回流器等组成。气体经过中间级后，将直接流到下一级去继续进行增压。在离心式压缩机的每一个段里，除了段中的最后一级外，都属于这种中间级。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

2.离心式压缩机的工作原理

离心式压缩机的结构和工作原理与离心泵相类似，所不同的是它所加压输送的介质是可压缩的气体。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

5.5.2离心式压缩机的叶轮和气体在叶轮中的流动

压缩机不采用前弯型叶轮，只用后弯型和径向型，其中出口角在150～300的称强后弯型或水泵型叶轮，在300～600的称后弯型或压缩机型的叶轮。后弯型叶片的叶轮，具有较大的反作用度，效率也比较高。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

5.5.3离心式压缩机的基本理论

1.级中气体流动的基本方程式

离心式压缩机按其最终排出压力的高低，由一级或几级组成。但各级的工作过程是相同的。以一级中的气体流动作为典型进行讨论：

（5-37）

5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

（5-40）

（5-41）

气体稳定流动中，能量守恒关系是包括了热量、外功量和流体的机械能量这三种型式的能量。5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

2.级中气体流动的能量方程——热焓方程式

对于一元稳定流气体，根据热力学稳定流动能量方程式（1-31）式，列出级断面1-1和2-2之间的热焓方程式为：

对于压缩机，按热力学系统中规定符号要求：

5.5

离心式压缩机的结构及工作理论简介

该方程说明，级中叶轮对气体所作的功是用