技師培訓教材--泵及風機(葉輪理論)

1、THERMAL POWER PLANT OF YI ZHENG CHEMICAL FIRBLE CO.,LTD泵與風機泵與風機1 泵與風機的葉輪理論本章要點葉輪理論速度三角形能量方程一、離心式泵與風機的工作原理 1-1 離心式泵與風機的葉輪理論 二、流體葉輪中的運動及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、離心式葉輪葉片型式的分析 五、有限葉片葉輪中流體的運動 六、滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù) 1 泵與風機的葉輪理論引 言 目的：。 角度：分析流體流動與幾何形狀之間的關系，以便確定適宜的流道形狀，獲得符合要求的性能。1 泵與風機的基本理論 葉輪帶動流體一起旋轉，借離心力的作用，使流體獲得能量。葉輪是實現(xiàn)機

2、械能轉換為流體能量主要部件。獲得的能量是多少呢？葉片輪轂軸前盤后盤空心葉片板式葉片 葉輪轉動-產(chǎn)生離心力-對流體做功-流體獲得能量一、離心式泵與風機的工作原理 葉輪流道投影圖一、流體在離心式葉輪內(nèi)的流動分析 D1二、流體在葉輪中的運動及速度三角形 1流動分析假設 （1）中的流體微團的運動軌跡完全與葉片型線相重合（5）流體在葉輪內(nèi)的是的流動。 （2）為，即不考慮由于粘性使速度場不均勻而帶來的葉輪內(nèi)的流動損失。 （3）是的。（4）為，即流動不隨時間變化。 因此，流體在葉輪內(nèi)的運動是一種，即： wu 2葉輪內(nèi)流體的運動及其速度三角形 二、流體在葉輪中的運動及速度三角形二、流體在葉輪中的運動及速度三角

3、形3速度三角形的計算下標說明流體在葉片進口和出口處的情況，分別用下標“1、2”表示；下標“”表示葉片無限多無限薄時的參數(shù)；下標“r（a）、u”表示徑向（軸向）和周向參數(shù)。二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算掌握幾個概念：流動角、安裝角、徑向速度等。二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算V =Vm二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算（1）圓周速度u為：u=60Dn 方向：與所在的圓周相切二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算 （2）絕對速度的徑向分 速r為： 22T2rbDqV 二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算由于葉

4、片總是有一定的厚度，過流斷面被占去一部分，設每一葉片在圓周方向的厚度為，有Z個葉片，則總厚度Z排擠系數(shù)：表示葉片厚度對流道過流面積減少的程度，等于實際過流面積與無葉片是的過流面積之比。 A=Db-Zb=1-Z/D二、流體在葉輪中的運動及速度三角形3速度三角形的計算（3）2及 1角： 當葉片無限多時，2=2a ；而2a 在設計時可根據(jù)經(jīng)驗選取。同樣1 也可根據(jù)經(jīng)驗、吸入條件和設計要求取定。（一）能量方程的推導 利用動量矩定理，建立葉片對流體作功與流體運動狀態(tài)變化之間的聯(lián)系。 1、前提條件 2、控制體和坐標系（相對） 葉片為“”, =0, =const., , =const.，軸對稱。0 t 3、

5、動量矩定理及其分析 在穩(wěn)定流動中，M=K。且，單位時間內(nèi)流出、流進控制體的流體對轉軸的動量矩K 分別為：K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1 作用在控制體內(nèi)流體上的外力有質量力和表面力。其對轉軸的力矩M由假設可知：該力矩只有轉軸通過葉片傳給流體的力矩。則（一）能量方程的推導 M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)當葉輪以等角速度旋轉時，則原動機通過轉軸傳給流體的功率為： 由于u2=r2、u1=r1、2u=2cos2、1u=1cos1，代入上式得 ：P=M=qVT (2r2cos2-1r1cos1)P=qVT(u22u- u11u) 3、動量矩

6、定理及其分析 （一）能量方程的推導 上兩式對軸流式葉輪也成立，故稱其為葉片式泵與風機的能量方程式，又稱歐拉方程式（Euler.L ，1756.）。 3、動量矩定理及其分析 （一）能量方程的推導 （）pT=gHT= (u22u- u11u)而單位體積流體流經(jīng)葉輪時所獲得的能量，即無限多葉片時的理論能頭 pT 為： 則單位重力流體流經(jīng)葉輪時所獲得的能量，即無限多葉片時的理論能頭 HT 為： )(g1gu11u22TT uuqPHV（ ） 避開了流體在葉輪內(nèi)部復雜的流動問題，只涉及葉輪進、出口處流體的流動情況。1、分析方法上的特點:（二）能量方程式的分析、理論能頭與被輸送流體密度的關系:guuH/

7、)(u11u22T pT = (u22u- u11u)3、提高無限多葉片時理論能頭的幾項措施：)(g1u11u22T uuH（二）能量方程式的分析 （2）。因u2=2D2n/60，故D2和n HT。 目前火力發(fā)電廠大型給水泵的轉速已高達7500r/min。由葉輪葉片進、出口速度三角形可知： )(21cos222u iiiiiiiiwuuu 其中i=1或 i=2，將上式代入理論揚程HT 的表達式，得： （二）能量方程式的分析4、能量方程式的第二形式： gwwguugH222222121222122T 表示流體流經(jīng)葉輪時共同表示了流體流經(jīng)葉輪時4、能量方程式的第二形式： gwwguugH22222

8、2121222122T stdHH 對于軸流式葉輪：由于的，說明在其它條件相同的情況下，軸流式泵與風機的能頭低于離心式。（二）能量方程式的分析 動能頭要在葉輪后的導葉或蝸殼中部分地轉化為靜能頭，并存在一定的能頭損失。例題例題1 1：已知某離心泵，輸送清水時揚程為：已知某離心泵，輸送清水時揚程為3030米，現(xiàn)用米，現(xiàn)用該泵輸送煤油，問輸送煤油時揚程為多少？該泵輸送煤油，問輸送煤油時揚程為多少？例題例題2 2：現(xiàn)有一臺蝸殼式離心泵，轉速：現(xiàn)有一臺蝸殼式離心泵，轉速n=1450r/min,n=1450r/min,q qvtvt=0.09m=0.09m3 3/s,D/s,D2 2=400mm, D=4

9、00mm, D1 1=140mm,b=140mm,b2 2=20mm,=20mm,2a2a=25=250 0, ,z=7,vz=7,v1u1u=0,=0,計算無限多葉片葉輪的理論揚程計算無限多葉片葉輪的理論揚程H HTT（不計（不計葉片厚度的影響）葉片厚度的影響）解：解：)(g1u11u22T uuHsm35.306014504 . 014. 360u22nD1、離心式葉輪的三種型式 后彎式（2a90）徑向式（2a90）前彎式（2a90）葉片出口安裝角：2a=（葉片出口切向，- u2）2、2a對HT的影響為提高理論揚程HT，設計上使190。則在轉速n、流量qV、葉輪葉片一定的情況下，有：2a2

10、a2r222u2Tctgctgg1g1bauuuH（1）后彎式（ 2a90） ctg2a0（減函數(shù)） 2a越小， ctg2a越大 ，HT越小 當ctg2a=u2/v2r HT=0，此時為2a的最小值。2、2a對HT的影響為提高理論揚程HT，設計上使190。則在轉速n、流量qV、葉輪葉片一定的情況下，有：2a2a2r222u2Tctgctgg1g1bauuuH（2）徑向式（ 2a=90）2a =90，ctg2a=0，HT=u22/ g2、2a對HT的影響（3）前彎式（ 2a90） ctg2a0（減函數(shù)） 2a越大， ctg2a越小 ，HT越大 當ctg2a=-u2/v2r HT= 2u22/ g

11、 ，此時為2a的最大值。2、2a對HT的影響. 2aHT ； . 2amin =0 違反了泵與風機的定義；結論：. 2amax 違反了泵與風機的定義。（）為提高理論揚程HT，設計上使190。則在轉速n、流量qV、葉輪葉片一定的情況下，有：2a2a2r222u2Tctgctgg1g1bauuuHa222rctg2121u22u21u TdTst1HHHH 3、2a對Hst及Hd的影響 定義反作用度： a22r2ctgu1u =0，1r2r 2r2u2 g2/22u 顯然應在（0，1）之間。 g/2u2 u 2r2 u(1, 1/2), 后彎式葉輪， 2a (2amin,90) 1/2, 徑向式葉

12、輪， 2y =90(1/2 ,0), 前彎式葉輪， 2a(90,2amax)結論：2amax各種2a時的速度三角形及Hd、Hst的曲線圖2amin90u2=c2ymax2w2 =1u2=cHTHd =1/22amin2w2w223、2y對Hst及Hd的影響 結論：小，后彎式葉輪大，前彎式葉輪 HT 2amax各種各種 2a2a 時的速度三角形及時的速度三角形及H Hd d 、H Hstst 的曲線圖的曲線圖2amin90u2=c2ymax2w2 =1u2=cHTHd =1/22amin2w2w223、2y對Hst及Hd的影響 后彎式葉輪，Hd Hst 徑向式葉輪，Hd = Hst 前彎式葉輪，

13、 Hd Hst 4、討論1從結構角度：當HT=const.，前向式葉輪結構小，重量輕，投資少。2從能量轉化和效率角度：前向式葉輪流道擴散度大且壓出室能頭轉化損失也大；而后向式則反之，。3從防磨損和積垢角度：徑向式葉輪較好，前向式葉輪較差，而后向式居中。4從功率特性角度：當qV時，前向式葉輪Psh，易發(fā)生過載問題。 （1）為了提高泵與風機的效率和降低噪聲，工程上對離心式泵均采用后向式葉輪； （2）為了提高壓頭、流量、縮小尺寸，減輕重量，工程上對小型通風機也可采用前向式葉輪； （3）由于徑向式葉輪防磨、防積垢性能好，所以，可用做引風機、排塵風機和耐磨高溫風機等。 5、葉片出口安裝角的選用原則 表1

14、-1 一些葉片形式和出口安裝角的大致范圍葉葉 片片 形形 式式出口安裝角范圍出口安裝角范圍葉葉 片片 形形 式式出口安裝角范圍出口安裝角范圍強后向葉片（水泵型）強后向葉片（水泵型）后向圓弧葉片后向圓弧葉片后向直葉片后向直葉片后向翼型葉片后向翼型葉片20 30 30 60 40 60 40 60 徑向出口葉片徑向出口葉片徑向直葉片徑向直葉片前向葉片前向葉片強前向葉片（多翼葉）強前向葉片（多翼葉）90 90 118 150 150 175 例例3 3：已知某離心泵，由于用的時間太久，銘牌看不：已知某離心泵，由于用的時間太久，銘牌看不清楚，請問接電源時，如何知道泵的轉向正確？清楚，請問接電源時，如何

15、知道泵的轉向正確？例例4 4：現(xiàn)有一離心風機，：現(xiàn)有一離心風機，D D2 2=500mm=500mm，2a2a=50=50 轉速轉速n=1480r/min,n=1480r/min,出口軸面速度出口軸面速度20m/s,20m/s,流量與轉速不變流量與轉速不變的情況下，現(xiàn)采用的情況下，現(xiàn)采用2a2a=135=135的葉輪的葉輪, ,獲得相同全壓獲得相同全壓時，風機外徑應為多少？時，風機外徑應為多少？一、離心式泵與風機的工作原理 1-1 離心式泵與風機的葉輪理論 二、流體葉輪中的運動及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、離心式葉輪葉片型式的分析 五、有限葉片葉輪中流體的運動 六、滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù)

16、 軸向渦流的概念 1、無限葉片數(shù)的理解 葉片型線嚴格控制流體流動。2、有限葉片數(shù)的理解葉片型線不能完全控制流體流動。 AA軸向渦流試驗3、軸向渦流流體(理想)相對于旋轉的容器，由于其慣性產(chǎn)生一個與旋轉容器反向的旋轉運動。流體在葉輪流道中的流動A一、離心式泵與風機的工作原理 1-1 離心式泵與風機的葉輪理論 二、流體葉輪中的運動及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、離心式葉輪葉片型式的分析 五、有限葉片葉輪中流體的運動 六、滑移系數(shù)和環(huán)流系數(shù) 1、流線和速度三角形發(fā)生變化，分布不均； 軸向渦流對進、出口速度三角形的影響 pwpw，非非工工作作面面，工工作作面面 p形成阻力矩； 2、3、使理論能

17、頭降低： 不是效率，不是由損失造成的；流體慣性有限葉片軸向滑移；K = f（結構），見表1-2。 T1u12u2T1KHuugH a. HT(pT) HT (pT) ，即： T1u12u2TKpuup 例例5 5：現(xiàn)有一離心泵，：現(xiàn)有一離心泵，D D2 2=320mm=320mm，D D1 1=120mm=120mm，轉速，轉速n=1450r/min,qn=1450r/min,qvtvt=180m=180m3 3/h, b/h, b2 2=15mm, =15mm, 葉片出口厚度葉片出口厚度10mm10mm，2a2a=22.5=22.50 0,z=7,v,z=7,v1u1u=0,=0,計算有限多

18、葉片葉輪計算有限多葉片葉輪的理論揚程的理論揚程H HT T1-2 軸流式泵與風機的葉輪理論 一、概述 二、流體在葉輪內(nèi)的流動分析 三、升力理論四、能量方程五、軸流式泵與風機的基本型式一、概述 1.工作原理： 軸流式泵與風機是利用旋轉葉輪的翼型葉片在流體中旋轉所產(chǎn)生的升力使流體獲得能量。流體軸向進入，軸向排出2.特點：結構簡單、緊湊、外形尺寸小，重量輕動葉可調(diào)，葉片安裝角隨外界負荷變化而改變，可保持較寬的工作區(qū)域。動葉可調(diào)，結構復雜，安裝精度要求高噪聲大，尤其是大型軸流風機，進口或出口需裝消聲器與離心式相比，流量大，揚程（風壓）低1-2 軸流式泵與風機的葉輪理論 一、概述 二、流體在葉輪內(nèi)的流動

19、分析 三、升力理論四、能量方程五、軸流式泵與風機的基本型式二、流體在葉輪內(nèi)的流動分析 （一）葉輪流道投影圖及其流動分析假設 葉輪流道投影圖 （1）認為流體流過軸流式葉輪時，與飛機在大氣中飛行十分相似，可采用機翼理論進行分析。 （2）圓柱層無關性假設，即認為葉輪中流體微團是在以軸線為軸心線的圓柱面（稱為流面）上流動。 2流動分析假設 除可以采用研究離心式泵與風機時所采用的方法外，常做如下假設： 二、流體在軸流式葉輪內(nèi)的流動分析 （一）葉輪流道投影圖及其流動分析假設 （二）葉輪內(nèi)流體的運動及其速度三角形與離心式葉輪比較，相同點有：1流體在葉輪內(nèi)的運動仍是一種復合運動，即： wu 圓周速度u 仍為：

20、60Dnu 與離心式葉輪比較，不同點有：在同一半徑上，u1= u2=u，且w1a=w2a=wa=1a=2a=a二、流體在軸流式葉輪內(nèi)的流動分析 2絕對速度軸向分量的計算式：4/ )(2h22TDDqVa 與比較，不同點是：葉柵改變了柵前來流的方向和大小, 即：周向速度分量。定義幾何平均值： w=(w1+w2)/2 （二）葉輪內(nèi)流體的運動及其速度三角形二、流體在軸流式葉輪內(nèi)的流動分析 1-2 軸流式泵與風機的葉輪理論 一、概述 二、流體在葉輪內(nèi)的流動分析 三、升力理論四、能量方程五、軸流式泵與風機的基本型式三、升力理論 1.升力理論：機翼上表面彎曲，下表面平坦，當機翼與空氣相對運動時，流過上表面的空氣在同一時間內(nèi)走過的路程比流過下表面的空氣的路程遠。因此，在上表面的空氣的相對速度快。貝努力定律：流體對周圍的物質產(chǎn)生的壓力與流體的相對速度成反比。故：上表面的空氣給機翼的壓力小于小表面的壓力，產(chǎn)生了升力。三、升力理論 2.翼型的主要幾何參數(shù)：骨架線（中弧線）-翼型的基礎前緣點與后緣點弦長翼展-機翼的長度厚度-上下表面之間的距離沖角-氣流的方向與弦長的夾角1-2 軸流式泵與風機的葉輪理論 一、概述 二、流體在葉輪內(nèi)的流動分析 三、升力理論四、能量方程五、軸流式泵與風機的