1泵与风机的叶轮理论课件.ppt

1、1第一章第一章 泵与风机的叶轮理论泵与风机的叶轮理论第一节第一节 离心式泵与风机的叶轮理论离心式泵与风机的叶轮理论第二节第二节 轴流式泵与风机的叶轮理论轴流式泵与风机的叶轮理论2第一节第一节 离心式泵与风机的叶轮理论离心式泵与风机的叶轮理论v离心式泵与风机的工作原理离心式泵与风机的工作原理v流体在叶轮中的运动和速度三角形流体在叶轮中的运动和速度三角形v能量方程及其分析能量方程及其分析v离心式叶轮叶片型式的分析离心式叶轮叶片型式的分析v有限叶片叶轮中流体的运动有限叶片叶轮中流体的运动v滑移系数和环流系数滑移系数和环流系数3一一、离心式泵与风机的工作原理、离心式泵与风机的工作原理 封闭叶轮中的流体

2、微团封闭叶轮中的流体微团叶轮旋转带动流体旋转叶轮旋转带动流体旋转离心力作用使流体获得能量离心力作用使流体获得能量4drrdAdFdpbrdbddrrdAdrdbrdFdmrdFdrbrddm222/)(压力差单位面积离心力径向作用面积离心力微团质量5对不可压缩流体，积分对不可压缩流体，积分guugppuurrrdrdppprrpp22221221221222122222122121当叶轮不封闭时：流体将流出叶轮，并在入口产生真当叶轮不封闭时：流体将流出叶轮，并在入口产生真空吸入流体，形成连续流动。空吸入流体，形成连续流动。6二、流体在叶轮中的运动及速度三角形二、流体在叶轮中的运动及速度三角形(

3、一一)速度三角形速度三角形两点假设两点假设(1)叶片数为无限多，无限簿叶片数为无限多，无限簿运动轨迹与叶片的形状重合运动轨迹与叶片的形状重合相对速度为叶片的切线方向相对速度为叶片的切线方向 (2)叶轮中的流体为无粘性流体叶轮中的流体为无粘性流体 2 两个面两个面 轴面：过轴线的平面轴面：过轴线的平面 平面：垂直于轴线的平面平面：垂直于轴线的平面73 三个速度三个速度 圆周速度圆周速度u 叶轮带动流体的旋转运动速度，又称牵连速度叶轮带动流体的旋转运动速度，又称牵连速度 相对速度相对速度w 流体相对于叶轮的运动流体相对于叶轮的运动 绝对速度绝对速度v 流体相对于机壳的绝对运动速度流体相对于机壳的绝

4、对运动速度 v=u+w84 速度三角形速度三角形Vm,绝对速度在轴面上的分量，轴面速度绝对速度在轴面上的分量，轴面速度Vu，绝对速度在圆周方向上的分量，圆周分速度，绝对速度在圆周方向上的分量，圆周分速度，流动角，相对速度与圆周速度反方向的夹角，流动角，相对速度与圆周速度反方向的夹角a，叶片安装角，叶片切线与圆周速度反方向的夹角，叶片安装角，叶片切线与圆周速度反方向的夹角 a9（二）叶轮流道内任意点速度的计算（二）叶轮流道内任意点速度的计算1 圆周速度圆周速度u 2 轴面速度轴面速度 圆周上的厚度圆周上的厚度 排挤系数排挤系数smDnu/60AqAqvVvvTmDzDbbzDbA1assinaD

5、zssin1DbA DbqvVvm103流动角流动角 无穷多叶片：无穷多叶片：a11三、能量方程三、能量方程1 动量矩定律动量矩定律 在定常流动中，单位在定常流动中，单位时间内流体质量的动量矩时间内流体质量的动量矩变化，等于作用在该流体变化，等于作用在该流体上的外力矩。上的外力矩。进出口动量矩进出口动量矩动量矩变化动量矩变化 111cosrvqvT222cosrvqvT)coscos(111222rvrvqvT)coscos(111222rvrvqMvT12力矩作的功率力矩作的功率流体通过无穷多叶片叶轮所获能量流体通过无穷多叶片叶轮所获能量扬程扬程风压风压)coscos(111222rvrvq

6、MvT)(1122uuvTvuvuqM)(1122uuvTTvTvuvuqHgq)(11122uuTvuvugHTTgHp)(1122uuTvuvup13 能量方程的分析能量方程的分析 HT与流体的种类和性质无关，功率与密度有关；与流体的种类和性质无关，功率与密度有关；当当 提高提高n，可提高可提高HT 提高提高D2，可提高，可提高HT 提高提高v 2u ，可提高，可提高HTgvuHuT2209011uov时，14(4)能量方程的新形式能量方程的新形式由速度三角形由速度三角形能量方程能量方程动扬程动扬程静扬程静扬程222222222cos2vuuv111212121cos2vuuv)(2122

7、222222uvvuu)(2121212111uvvuugguugvvHT222222121222122gvvHd22122gguuHst222221212215四、离心式叶轮叶片型式的分析四、离心式叶轮叶片型式的分析(a)2a90，前弯式叶片，前弯式叶片16当当119090时，能量方程式为时，能量方程式为而而有有gvuHuT22amuvuv2222cot)cot(2222amTvuguH 最小出口安装角最小出口安装角2amin 2a=9090 最大出口安装角最大出口安装角2amax 2 9090 V2u=2u217（一）（一）叶片出口安装角对理论扬程的影响叶片出口安装角对理论扬程的影响1 2

8、a90（前弯式叶片）（前弯式叶片）18mavu22min2cot0THguHT22mavu22min2cotguHT222反作用度反作用度v2m v1m,径向流入径向流入v1u=0（二）出口安装角对静扬程和动扬程的影响（二）出口安装角对静扬程和动扬程的影响19TdTdTTstHHHHHHH1gvvHd22122222222umvvv212121umvvvgvvgvvHuummd2221222122gvHud222 22222221/2/1uvgvugvuuu不同叶片型式的反作用度不同叶片型式的反作用度 1 后弯式后弯式 2a 2amin，v2u=0 =1，动静扬程均为0 后弯式叶片：后弯式叶片

9、：11/22 径向式径向式 2a90,v2u=u2 =1/2，动静扬程各占一半，动静扬程各占一半 3 前弯式前弯式 2a 2amax，v2u=2u2 =0，只有动扬程，没有静扬程只有动扬程，没有静扬程 前弯式叶片：前弯式叶片：01/2不同叶片型式的分析不同叶片型式的分析后弯式叶片后弯式叶片 流道长，出口绝对速度小流道长，出口绝对速度小 能量损失小、效率高、噪声低能量损失小、效率高、噪声低 总扬程较小，需较大叶轮和较高转速总扬程较小，需较大叶轮和较高转速 离心泵离心泵2a 2030,离心风机离心风机2a 4060径向式叶片径向式叶片 流道短，通畅，流动损失较小流道短，通畅，流动损失较小 出口绝对

10、速度高，能量损失较大，效率低于后弯式、噪声较高出口绝对速度高，能量损失较大，效率低于后弯式、噪声较高 总扬程较高，制造简单，不易染尘总扬程较高，制造简单，不易染尘 通风机或排尘风机通风机或排尘风机2a 90前弯式叶片前弯式叶片 流道短，叶片弯曲大流道短，叶片弯曲大 能量损失大、效率低、噪声低能量损失大、效率低、噪声低 总扬程较高，需较小叶轮和较低转速总扬程较高，需较小叶轮和较低转速 低压通风机低压通风机2a 90155粗略计算粗略计算 离心水泵离心水泵 K=0.81.0 离心风机离心风机 K=0.80.85例题例题 1蜗壳式离心泵蜗壳式离心泵 n=1450r/min,qvT=0.09m3/s,

11、D2=400mm,D1=140mm,b2=20mm 2a2a=25o o,z=,z=7,v,v1u1u=0 求求:HT和和HT求解思路求解思路 先求得先求得 通过经验公式得到环流系数通过经验公式得到环流系数K 最后求最后求 TTKHHgvuHuT22 解：解：smnDu/35.306014504.06022smvuvoamu/67.2225cot58.335.30cot2222mgvuHuT14.7081.967.2235.3022smbDqvvTm/58.302.04.009.0222（1）根据斯托道拉公式根据斯托道拉公式（2）根据普弗列德尔公式）根据普弗列德尔公式mKHHTT32.5214

12、.70746.0601,222aazsrp746.0725sin67.2235.301sin1222oauzvuKpK1106.16025175.06012aa345.007.02.072.0206.1)(222221222222rrzrzsrpmKHHTT11.5214.70743.0743.0345.01111pK第二节第二节 轴流式泵与风机的叶轮理论轴流式泵与风机的叶轮理论一一 概述概述 (1)流量大，扬程小流量大，扬程小 (2)结构简单、紧凑、小而轻结构简单、紧凑、小而轻 (3)动叶可调轴流泵与风机效率高动叶可调轴流泵与风机效率高 结构复杂，安装精度高结构复杂，安装精度高 (4)噪声大

13、，大型风机需装消声器噪声大，大型风机需装消声器 (5)锅炉送风机、引风机和锅炉送风机、引风机和 循环水泵都普遍采用轴流式循环水泵都普遍采用轴流式二、叶轮中的运动及速度三角形二、叶轮中的运动及速度三角形复杂的三维流动复杂的三维流动:圆周分速圆周分速 轴向分速轴向分速 径向分速：小，可忽略径向分速：小，可忽略流面：流面：径向分速为径向分速为0 圆柱面上的流动圆柱面上的流动1 平面直列叶栅平面直列叶栅 翼型：翼型：r及及rdr的同心圆柱面截叶片所得的同心圆柱面截叶片所得 叶栅：将翼型展开在一个圆柱截面上叶栅：将翼型展开在一个圆柱截面上 叶轮内的流动简化为叶栅中绕翼型的流动叶轮内的流动简化为叶栅中绕翼

14、型的流动 列线列线 BB AA 栅距栅距t栅轴，与列线垂直的直线栅轴，与列线垂直的直线 稠度稠度 安装角安装角azrt2tb翼翼 型型(1)骨架线：翼形内切圆心连线骨架线：翼形内切圆心连线(2)前缘点，后缘点前缘点，后缘点(3)翼弦与弦长翼弦与弦长b(4)翼展翼展l，叶片在径向上的长度叶片在径向上的长度(5)展弦比，展弦比，l/b(6)弯度或挠度弯度或挠度f，翼弦到骨架线的距离，翼弦到骨架线的距离，f/b，相对弯度，相对弯度，fmax最大弯度，最大弯度，fmax/b，最大相对弯度，最大相对弯度(7)厚度厚度 (8)冲角冲角(9)前驻点，来流接触翼形开始分离的点，速度为前驻点，来流接触翼形开始分

15、离的点，速度为0 后驻点，后驻点，绕流翼型后汇合的点，速度为绕流翼型后汇合的点，速度为0径向分速度为径向分速度为0绝对速度圆周分速度轴面分速度绝对速度圆周分速度轴面分速度（1）进口速度三角形）进口速度三角形圆周速度圆周速度轴向速度轴向速度 302 速度速度三角形三角形VhVadDqv22241auvvv6011nDu排挤系数排挤系数圆周分速圆周分速bftbAAfAamax32,sin,01uvatsin32max（2）出口速度三角形）出口速度三角形 圆周速度圆周速度 轴向速度轴向速度 圆周分速度圆周分速度uuu12ugHvTu2aaavvv12进出口速度三角形进出口速度三角形uuu12uuau

16、awwwww212arctan2212221222uuauuavvuvwwwwaaavvv12无穷远来流的相对速度无穷远来流的相对速度三、轴流式泵与风机的升力理论三、轴流式泵与风机的升力理论1 孤立翼型的空气动力特性孤立翼型的空气动力特性 翼型上升力和阻力与翼型的几何形状及气流参数的关系翼型上升力和阻力与翼型的几何形状及气流参数的关系 升力升力 儒可夫斯基升力定理：单位翼型上的升力儒可夫斯基升力定理：单位翼型上的升力Fy1 速度环量速度环量：速度矢量在某一封闭周界切线上投影沿着该周界的线速度矢量在某一封闭周界切线上投影沿着该周界的线积分，对于叶轮，即为设计流线上某点的圆周分速度与该点所在位积分

17、，对于叶轮，即为设计流线上某点的圆周分速度与该点所在位置圆周长度之积。置圆周长度之积。翼展翼展l的翼型，升力的翼型，升力bvcy1212211vblcFyyvFy12211vbcFyy升力系数,1yc阻力阻力 摩擦阻力：较小摩擦阻力：较小 压差阻力：附面层分离，较大，机翼型叶片减小阻力压差阻力：附面层分离，较大，机翼型叶片减小阻力 升力角升力角 2211vblcFxx阻力系数,1xc1111tanyxyxccFF空气动力特性曲线空气动力特性曲线空气动力特性曲线空气动力特性曲线 cy1和和cx1与与 的关系曲线的关系曲线 升力和阻力系数与几何形状及来流的冲角有关升力和阻力系数与几何形状及来流的冲

18、角有关 空气动力特性曲线由风洞实验求得空气动力特性曲线由风洞实验求得 大冲角附面层分离大冲角附面层分离极曲线极曲线 以升力系数为纵坐标，阻力系数为橫坐标的曲线以升力系数为纵坐标，阻力系数为橫坐标的曲线极线极线 原点与曲线上点的连线原点与曲线上点的连线斜率为升阻比斜率为升阻比效率最高点效率最高点 斜率最大点斜率最大点 最大升阻比最大升阻比翼型的极曲线翼型的极曲线1111tan1xyxyccFF儒可夫斯基升力定理成立儒可夫斯基升力定理成立 翼型间相互影响翼型间相互影响 用用w代替代替v升力和阻力升力和阻力2 叶栅叶栅翼型的空气动力特性翼型的空气动力特性wFy22wlbcFyy22wlbcFxx翼型

19、叶栅的修正系数翼型叶栅的修正系数L 与相对栅距与相对栅距t/b和和a有关有关 借用等价平板叶栅借用等价平板叶栅等价平板叶栅等价平板叶栅 C为骨架线中点为骨架线中点 AD 垂直于垂直于 AB AB即为等价平板，构成叶栅即为等价平板，构成叶栅 ba为等价平板的弦长为等价平板的弦长平板直列叶栅平板直列叶栅1yyccL wFy升力系数升力系数cy 修正系数修正系数L 翼型的升力系数翼型的升力系数cy1 取平板的升力系数取平板的升力系数阻力系数阻力系数cx 阻力系数小阻力系数小翼型叶栅升力系数与阻力系数翼型叶栅升力系数与阻力系数1xxcc 1yyLcc 1 由动量矩定理推导能量方程由动量矩定理推导能量方

20、程动量矩定理成立，可用离心式泵与风机的能量方程动量矩定理成立，可用离心式泵与风机的能量方程 相同扭速的轴流泵与风机有相同的扬程相同扭速的轴流泵与风机有相同的扬程轴流泵能量方程轴流泵能量方程轴流风机能量方程轴流风机能量方程3、能量方程式、能量方程式uuu21aaavvv2111cotauvuv22cotauvuvuuuuuuTwguvguvvguvuvugH)()(1121122)cot(cot21aTvguH)cot(cot21aTuvp轴流式泵与风机能量方程轴流式泵与风机能量方程能量方程分析：能量方程分析：(1)u1=u2，总能量小，总能量小 (2)1=2时，时，HT=0,1w2，才能获得更

21、高的压力能才能获得更高的压力能 叶轮入口断面小于出口断面叶轮入口断面小于出口断面 采用进口为圆形的机翼型叶片采用进口为圆形的机翼型叶片 (4)不足不足 不能反映出总能量与翼型及叶栅几何参数的关系不能反映出总能量与翼型及叶栅几何参数的关系 不能用于设计计算不能用于设计计算gwwgvvHT2222212122)cot(cot21aTvguH六、轴流式泵与风机的基本类型六、轴流式泵与风机的基本类型(1)单个叶轮没有导叶单个叶轮没有导叶 v2u0，出口处有圆周分速，出口处有圆周分速 能量损失大，适用于低压轴流风机能量损失大，适用于低压轴流风机(2)单个叶轮后置导叶单个叶轮后置导叶 消除出口圆周分速消除

22、出口圆周分速 部分旋转动能转换为压力能部分旋转动能转换为压力能 损失小，效率高，适用于高压轴流式泵与风机损失小，效率高，适用于高压轴流式泵与风机(3)前置导叶单个叶轮前置导叶单个叶轮 进口负预旋、速度大，损失较大进口负预旋、速度大，损失较大 叶轮所获能量大，可减小体积叶轮所获能量大，可减小体积 变工况时的冲角变化小，效率变化不大变工况时的冲角变化小，效率变化不大 可调叶片时，工况变化小可调叶片时，工况变化小 适用于轴流风机，水泵因为汽蚀不宜采用适用于轴流风机，水泵因为汽蚀不宜采用(4)前置导叶单个叶轮后置导叶前置导叶单个叶轮后置导叶 前导叶可调，保持高效率前导叶可调，保持高效率 适用于流量变化

23、大的情况，如子午加速轴流风机适用于流量变化大的情况，如子午加速轴流风机轴流式水泵轴流式水泵 n=300 r/min，叶栅直径，叶栅直径D=980 mm v1=4.01 m/s，轴向流入，轴向流入，v2=4.48 m/s 求求 HT，2-1解解:(1)求解求解HT 例例 题题01uvsmDnu/39.156030098.060mgvvuHuuT14.381.9)02(39.15)(12smvvvvvau/201.448.42221222222(2)求求2-130.001.448.439.1501.4tan222122122vvuvvuvua261.039.1501.4tan1uva38141o42162o 4212o