泵与风机课件2

华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans泵与风机华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans§1叶片式泵与风机的基本理论讨论泵与风机的原理和性能，就是要研究流体在泵与风机内的流动规律，从而找出流体流动与各过流部件几何形状之间的关系，确定适宜的流道形状，以便获得符合要求的水力（气动）性能。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans§1叶片式泵与风机的基本理论由图不难看出，欲开展对叶片式泵与风机的基本理论的研究工作，应将主要精力集中于流体在叶轮流道内流动规律的研究上。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析§1-1流体在叶轮内的流动分析二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设1.叶轮流道投影图用途：机械加工制造，引进设备国产化。轴面投影图平面投影图华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设1.叶轮流道投影图（简化后）平面投影图图1-2叶轮投影图轴面投影图华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设2．流动分析假设（1）叶轮中的叶片为无限多无限薄，流体微团的运动轨迹完全与叶片型线相重合。（5）流体在叶轮内的流动是轴对称的流动。（2）流体为理想流体，即忽略了流体的粘性。因此可暂不考虑由于粘性使速度场不均匀而带来的叶轮内的流动损失。（3）流动为稳定流，即流动不随时间变化。（4）流体是不可压缩的。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形１．叶轮内流体的运动及其速度三角形因此，流体在叶轮内的运动是一种复合运动，即：uw＝＋牵连运动相对运动绝对运动华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形２．速度三角形的计算绝对速度角流动角速度三角形是研究流体在叶轮内能量转化的基础。若已知流体在叶片进口和出口处（分别用下标“1、2”表示）的情况，经比较，可得流体流经叶轮后所获得的能量。下标“”表示叶片无限多无限薄时的参数。y叶片安装角华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、流体在离心式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形２．速度三角形的计算绝对速度角流动角y叶片安装角u=cos，周向分速r=sin，径向分速（1）圆周速度u为：u=60Dn（2）绝对速度的径向分速r为：（3）2及1角：当叶片无限多时，2=2y；而2y在设计时可根据经验选取。同样1也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。22TrbDqV理论流量绝对速度分解华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设1.叶轮流道投影图列线列线弦长叶片安装角栅距华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（一）叶轮流道投影图及其流动分析假设2．流动分析假设（1）认为流体流过轴流式叶轮时，与飞机在大气中飞行十分相似，可采用机翼理论进行分析。（2）圆柱层无关性假设，即认为叶轮中流体微团是在以泵与风机的轴线为轴心线的圆柱面（称为流面）上流动，且相邻两圆柱面上的流动互不相干，也就是说，在叶轮的流动区域内，流体微团不存在径向分速。除可以采用研究离心式泵与风机时所采用的方法外，常做如下假设：华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形1．流体在叶轮内的运动仍是一种复合运动，即：uw＝＋与离心式叶轮比较，相同点有：２．圆周速度u仍为：u=60Dn与离心式叶轮比较，不同点有：１．在同一半径上，u1=u2=u，且w1a=w2a=wa=1a=2a=a华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形与离心式叶轮比较，不同点有：2．绝对速度轴向分量的计算式：4/)(2h22TDDqVa理论流量轮毂直径Dh与单个机翼比较，不同点是：叶栅改变了栅前来流的方向和大小，即：周向速度分量。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans定义几何平均值：w=(w1+w2)/2二、流体在轴流式叶轮内的流动分析（二）叶轮内流体的运动及其速度三角形在进行叶栅计算时，以几何平均值w等价于单个翼型时无穷远处的来流速度，其速度三角形如图所示。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导§1-2叶片式泵与风机的能量方程式二、能量方程式的分析华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导（以离心式叶轮为例）利用流体力学中的动量矩定理，可建立叶片对流体作功与流体运动状态变化之间的联系。1、前提条件2、控制体和坐标系（相对）叶片为“”,=0,[=const.,],=const.，轴对称。0t相对坐标系控制体2速度矩华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导（以离心式叶轮为例）3、动量矩定理及其分析在稳定流动中，ΣM=ΔK。且，单位时间内流出、流进控制体的流体对转轴的动量矩K分别为：（2）由表面力产生的力矩。它包括叶轮前、后盖板,1-1和2-2控制面外的流体及叶片对流体的作用力矩。由假设可知，该力矩只有转轴通过叶片传给流体的力矩。K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1作用在控制体内流体上的外力对转轴的力矩M有：（1）由质量力所产生的力矩。由于对称性，质量力对转轴的力矩之和为零。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导（以离心式叶轮为例）3、动量矩定理及其分析M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)当叶轮以等角速度旋转时，则原动机通过转轴传给流体的功率为：由于u2=r2、u1=ωr1、2u=2cos2、1u=1cos1，代入上式得：P=M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)P=qVT(u22u-u11u)华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导（以离心式叶轮为例）3、动量矩定理及其分析则单位重力流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头HT为：)(g1gu11u22TTuuqPHV（m）（Pa）pT=gHT=(u22u-u11u)则单位体积流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头pT为：上两式对轴流式叶轮也成立，故称其为叶片式泵与风机的能量方程式，又称欧拉方程式（Euler.L，1756.）。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans一、能量方程式的推导§1-2叶片式泵与风机的能量方程式二、能量方程式的分析华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans能量方程式把叶轮对流体所做的功与流体的运动参数联系起来了，所以它是叶轮设计计算的依据。在推导过程中，由于避开了流体在叶轮内部复杂的流动问题，只涉及叶轮进、出口处流体的流动情况。因此，这种方法在叶片式机械中得到了广泛的应用。1、分析方法上的特点:二、能量方程式的分析２、理论能头与被输送流体密度的关系:理论扬程HT与被输送流体的密度无关，理论全压ｐT与密度有关。即：如果叶轮的尺寸、转速相同，流量相等，无论输送何种流体，都可得到相同液柱或气柱高度的理论扬程；但理论全压是不同的。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans（1）吸入条件。在上式中u11u反映了泵与风机的吸入条件，减小u11u也可提高理论能头。因此，在进行泵与风机的设计时，一般尽量使1≈90（即流体在进口近似为径向或轴向流入，1u≈0），以获得较高的能头。３、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：二、能量方程式的分析)(g1gu11u22TTuuqPHV华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans３、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：二、能量方程式的分析（2）叶轮外径D2和转速n。因u2=2D2n/60，所以，加大叶轮外径D2和提高转速n均可以提高理论能头。但增大D2会受到泵与风机的效率、结构尺寸、重量和制造成本、材料强度、工艺要求等的限制。提高转速，可以减小结构尺寸和重量，可降低制造成本，同时，对效率等性能也会有所改善。因此，采用提高转速来提高泵与风机的理论能头是目前普遍采用的方法。目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r/min。但是转速的提高也受到材料强度、泵的汽蚀性能和风机噪声的限制。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans４、能量方程式的第二形式：二、能量方程式的分析（3）绝对速度的沿圆周方向的分量2u。提高2u也可提高理论能头，而2u与叶轮的型式即出口安装角2y有关，这一点将在第三节中专门讨论。３、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：由叶轮叶片进、出口速度三角形可知：)(21cos222uiiiiiiiwuu其中i=1或i=2，将上式代入理论扬程HT的表达式，得：华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans４、能量方程式的第二形式：二、能量方程式的分析ggwwguuHT222212222212122dstHH第一部分Hst：共同表示了流体流经叶轮时静能头的增加值。对于轴流式泵与风机，由于u1=u2=u，所以Hst的第一项等于零，这说明，在其它条件相同的情况下，轴流式泵与风机的能头低于离心式；为了提高轴流式泵与风机的静能头，就必须设法提高w1，为此，应使叶片进口面积小于其出口面积。实际中常常将轴流式叶轮叶片进口处稍稍加厚，做成翼形断面（2y＞1y）就是方法之一。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans４、能量方程式的第二形式：二、能量方程式的分析第二部分Hd：表示流体流经叶轮时动能头的增加值（或简称动压头）。这项动能头要在叶轮后的导叶或蜗壳中部分地转化为静能头（或称静压头）。但是，从流体力学的观点看，静能头转化成动能头的损失小，而从动能头转化为静能头的损失则较大。因此，在设计泵与风机时，为了提高泵与风机的效率，一方面应力求降低动能头的比例，另一方面又尽量使导流部分设计得合理，使流线平顺以减少损失。华北电力大学流体力学及泵与风机课程组泵与风机PumpsandFans二、能量方程式的分析最后应当指出，由于能量方程是建立在流动分析的几个基本假设基础之上的，按照这些假设，叶轮所供给流体的能量，应不折不扣地全部被流体所获得。这在实际中是不可能的。因为流体在叶轮内的流动十分复杂，流动中会产生各种损失而减少了流体所获得的能量。因此，要将本节所得到