第五章 轴流泵与风机

第五章轴流泵与风机第一节轴流泵与风机的特点第二节轴流泵与风机叶轮基本理论第三节沿叶高方向气流参数的变化第四节轴流泵与风机的基本方程式第五节轴流泵与风机的结构型式第六节轴流泵与风机的主要部件和结构第七节轴流泵与风机的性能第八节轴流泵与风机结构参数对性能的影响第一节轴流泵与风机的特点一、基本特点：流量大，扬程（全压）低。三、主要特点：（1）与相同容量离心泵与风机比较，结构紧凑，外形尺寸小，重量轻；（2）动叶可调轴流式泵与风机的变工况经济性能好；（3）结构复杂，维护工作量大；（4）轴流风机噪声大。动叶可调式：动叶片调节静叶可调式：导叶调节固定叶片式：不可调节二、分类图5-1轴流泵结构示意图1－叶轮；2－导叶；3－轴；4－吸入管；5－出口弯管第二节轴流泵与风机叶轮基本理论翼型升力原理：流体绕流翼型时对翼型要产生升力作用；相反，翼型在流体中运动时对流体也要产生与升力方向相反的作用力，从而使流体获得能量。一、轴流泵与风机的工作过程以轴流风机（后导叶）为例：气体在叶轮中获得能量→导叶旋转气流整流为轴向流动→扩压器将旋转运动的能量转换为压力能，即将动能转化为压力能。二、叶型和叶栅的主要参数1、叶型及其主要几何参数叶型就是叶片的横截面形状。如果叶片的截面形状为机翼形，则称之为翼型，翼型的轮廓线称为型线。图5－3翼型几何参数（1）翼型中线（亦称骨架线）：翼型上、下型线之间内切圆圆心的连线。（2）翼型前、后缘点：翼型中线与翼型型线之间的前、后交点。（3）弦长b：连接翼型前、后缘点的直线，称为翼弦，翼弦长度即为弦长。（4）翼展l：垂直于翼型方向叶片的长度。（5）展弦比：翼展l与弦长b之比，l/b。（6）翼型厚度c：翼型内切圆直径，cmax。（7）翼型相对厚度cmax/b：（8）翼型弯度f：翼型中线到翼弦间的垂直距离，fmax。（9）翼型的相对弯度fmax/b：轴流通风机fmax/b＝0.03～0.15。2、叶栅及其主要几何参数在任意半径r处截取圆柱面，圆柱面沿母线割开后与各叶片相交得到一系列截面（翼剖面或翼型），将它展开成平面称为叶栅，这种叶栅称为平面直列叶栅。叶栅上各翼型入口、出口的切点连线分别称为叶栅的前额线和后额线。图5－4叶栅几何参数图5－4叶栅几何参数（1）栅距t与相对栅距t/b：在叶栅的圆周方向上两相邻叶型对应点的距离称为栅距。（2）叶栅稠度σ：σ＝b/t（3）叶片安装角βb：翼弦与额线间的夹角。（4）翼型进口几何角β1g：通过翼型前缘点向翼型中线所做的切线与前额线间的夹角。（5）翼型出口几何角β2g：通过翼型后缘点向翼型中线所做的切线与前额线间的夹角。三、流体绕流翼型的空气动力学特性根据流体力学中升力定理，理想流体绕流翼型而且有适当的冲角时，叶型将受到升力的作用，升力F的方向与流体无穷远来流速度v∞方向相垂直，其关系式为Γ——绕翼型的速度环量vF图5-5机翼上的升力与阻力阻力Fx由实际流体的粘性效应产生。升力Fy与合力F之间的夹角称为升力角，用符号λ本身，升力与阻力之比（Fy/Fx）称为升阻比。tgλ＝Fx/Fy。优良的翼型应该具有较大的升力，小的阻力，亦具有较大的升阻比。图5－6翼型空气动力性能22vlbCFyy22vlbCFxx机翼升力与阻力的另一表达式Cy——翼型升力系数Cx——翼型阻力系数翼型空气动力特性曲线：Cy和Cx与冲角i（来流速度与翼弦的夹角）的关系。当冲角i超过某一值时，Cy开始下降，Cy和Fy开始下降点称为失速点，性能恶化，效率降低。图5-5机翼上的升力与阻力五、流体在叶轮中的运动分析及速度三角形1、圆柱层无关性假设在叶轮中流体质点是在以泵与风机轴线为中心的圆柱面上流动（圆柱流面），且相邻各圆柱流面上流体质点的运动互不相关。也就是说，在叶轮的流动区域内，流体质点不存在径向分速度。轴流式叶轮VhVmmmDDqvvv)(4222216021Dnuuu2、速度三角形wuv流体的运动为复合运动绝对速度v可以分解为相互垂直的vm和vu222112111uumuumumvvuvtgwwvtgwvtg22122212)2()2(uumuumvvuvwwvw相对速度的向量平均值w∞第四节轴流泵与风机的基本方程式)(1)coscos(11122111222uuTvuvuguvuvgH由动量矩定理得泵的扬程为对于轴流式泵与风机：v1m＝v2m＝vm11ctgvuvmu22ctgvuvmu)(21ctgctgvguHmT所以得轴流泵的扬程为)(21ctgctguvpmT轴流风机的全压为说明：（1）当β1＝β2时，HT=0，为使HT增加，必须β2β1；（2）u1＝u2＝u，所以扬程（全压）较低；（3）要提高流体的压力能，要求w1w2。且β2g？β1g；（4）考虑流动损失情况下：hmhTctgctgvguHH)(21hmhTctgctguvpp)(21)(21ctgctgvguHmT)(21ctgctguvpmTgwwguugvvHT222222121222122反作用度Ω为：)(2122221uuTstvvuwwpp)()(211122ctgctguvvuvupmuuT)22(22212122wwvvpT轴流风机全压：uvvuwwuuuu2122121))((212122212221uuuuuu又因为：【例】一单级轴流泵，n＝300r/min，观察直径980mm处的叶栅，水以v1＝4.01m/s的速度从轴向流入叶轮，又以v2＝4.48m/s的速度从叶轮流出，试求其理论扬程HT。01uv)/(4.156030098.060smDnu解：21222222vvvvvmu)/(201.448.422sm)(14.3)02(8.94.15)(12mvvguHuuT图5－9径向力的平衡1－动叶片；2－导叶一、等环流（自由涡）公式第三节沿叶高方向气流参数的变化在叶轮的动叶片与导叶之间的轴向间隙中，且半径为r处取流体微团，其质量为drdlrddm产生的惯性离心力为rdmvu/2根据达朗倍尔原理0/2sin2))((2rdrdlvrddrdldpdlprddlddrrdppu22sindd略去高阶无穷小，得02udrvrdp02udrvrdprvdrdpu2轴流风机的全压是静压和动压之和)(22222mutvvpvpp将上式对半径r求导，得drdvvdrdvvdrdpdrdpmmuut将dp/dr代入上式，得drdvvrvdrdrdrdpmmut22)(211设风机的全压pt及轴向分速vm沿叶高方向不变，则00）（；mtvdrddrdp0)(2urvdrd常数urv常数urv在动叶片与导叶的轴向间隙中的圆周分速vu，是按等环量规律分布的，称为自由涡公式，即沿叶片高度方向流体获得能量相同。二、气流参数沿叶高方向上的变化在平均半径rc处分析常数uurvrv12常数)(12uuuuvvrvrwruccuwrwruccuvrrvuccuwrrw△wuc为叶轮平均半径处，进出口气流相对速度圆周分速之差，又可称为扭速。1、气流速度沿叶高方向上的变化气流的扭速△wu(△vu)随半径r的增大而减小，等环量的轴流风机在叶根处的气流折转角大，而在叶顶处气流折转角小。12uccuvrrv11mcmvv11uccuvrrv22mcmvv22图5－10气流速度沿径向的变化2、气流角度沿叶高方向上的变化图5－11气流角度沿径向的变化叶轮进口速度三角形可得uccmumvrrvvvtg11111cctgrrtg11所以叶根处的α1最小，气流的扭速最大。叶轮出口速度三角形可得uccmumvrrvvvtg22222cctgrrtg22所以叶根处的α2最小，气流的扭速最大。uccccmumvrrurrvvuvtg11111uccccmumvrrurrvvuvtg22212图5－11气流角度沿径向的变化叶顶和叶根处的β1和β2的变化差值，反映了叶轮叶片沿半径扭曲的情况。随着r的增加，叶片安装角βb是减小的。结论：按照等环量规律进行轴流风机设计计算较简便，风机效率亦较高，且计算值与实际流动情况很接近。第五节轴流泵与风机的结构型式结论：单个叶轮的轴流风机的理论效率等于反作用度Ω，要提高它的效率，必须提高它的反作度。效率η为70％～80％；适用低压小型轴流泵与风机，结构简单，制造方便。一、单个叶轮特点：轴向进入叶轮，以绝对速度v2流出；v2u的存在伴随能量损失，则损失值为：222uvp假设不计气流其他损失的情况下，风机的理论效率为：uuuTTtvuvvuppp2222222221uvu二、单个叶轮后设置导叶特点：后导叶改变流动方向，将液体旋转运动的动能转换为压力能，最后以v3轴向流出。η为80％～88％，最高效率可达到90％，在轴流泵和风机中得到普遍应用。三、单个叶轮前设置导叶特点：在设计工况下叶轮出口绝对速度没有旋转运动分量，叶栅反作用度Ω大于1。（1）前置导叶产生负预旋，提高了压力系数，产生较高的能量；（2）导叶做成可转动的，进行工况调节。注：轴流泵一般不能有前置导叶。uvvuu2121反作用度大于1，说明了风机叶轮产生的静压大于风机所产生的全压。这是由于气流经过前置导叶被加速，在叶轮前产生负压的缘故。四、单个叶轮前、后设置导叶特点：前导叶转动进行工况调节，后导叶对圆周分速校直，效率较高，82％～85％。五、多级轴流风机型式采用二级轴流风机，产生较高的压力；轴流泵扬程不够时用混流泵代替。图5－13二级轴流风机示意图1－动叶片；2－导叶