吉林大學(xué) 熱力渦輪機(jī)翻譯

1、簡介：基于熱力學(xué)和流體力學(xué)量綱分析1.1渦輪機(jī)械的介紹渦輪機(jī)械是一種通過流體運(yùn)動(dòng)推動(dòng)工作轉(zhuǎn)子，同時(shí)使流體的壓力，動(dòng)量等參數(shù)改變的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。通常在流體進(jìn)出渦輪機(jī)穩(wěn)定流動(dòng)過程中，發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換。渦輪機(jī)械包括產(chǎn)生動(dòng)力的機(jī)器，比渦輪機(jī)，或是能產(chǎn)生水頭或壓力的離心泵、壓縮機(jī)。渦輪機(jī)械從流過它們的流體中汲取能量，或是向不斷流動(dòng)的流體供給能量。但在容積式的機(jī)器中，它是間接性的。正如上面描述的，渦輪機(jī)械包括很多機(jī)器，比如燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)，離心泵，軸流式壓縮機(jī)，風(fēng)機(jī)，水車，水輪機(jī)。本文將討論工質(zhì)為不可壓縮與可壓縮流體流動(dòng)的機(jī)器。1.2渦輪機(jī)械的種類渦輪機(jī)有很多種類，他們可以分成： 1.在渦輪機(jī)內(nèi)，是流體對

2、外做功，還是渦輪機(jī)對流體做功 2流體在渦輪機(jī)內(nèi)軸向流過轉(zhuǎn)子，而無徑向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械稱為軸流式渦輪機(jī)，反之，如果流動(dòng)方向是徑向的，則稱為徑流式渦輪機(jī)或是離心式渦輪機(jī)。上述機(jī)器如圖1.2-1.6，其中有兩點(diǎn)要重點(diǎn)提出：第一點(diǎn)：渦輪機(jī)的主要部件是帶有葉片的轉(zhuǎn)子；第二點(diǎn)：渦輪機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的流體流動(dòng)通道分為軸流式，徑向的，有時(shí)也是兩者的結(jié)合。渦輪機(jī)進(jìn)一步可分為： 透平：流體不斷在其中膨脹做功，并壓力或水頭下降的機(jī)器。 泵：可以增加流體壓力或是水頭的機(jī)器。 風(fēng)機(jī)：可以給不斷流動(dòng)的氣體增壓的機(jī)器，通常情況下，該氣體為不可壓縮氣體。 壓縮機(jī)：通過壓縮氣體增加其動(dòng)能，然后讓其迅速膨脹增加壓力的機(jī)器。壓縮機(jī)有軸流式，

3、離心式，或是兩者的結(jié)合。在壓縮機(jī)中，空氣經(jīng)過葉輪后動(dòng)能增加，然后通過擴(kuò)壓器將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。 佩爾頓水輪機(jī) 離心式壓縮機(jī) 卡普蘭水輪機(jī) 徑流式風(fēng)機(jī) 弗朗西斯混流式水輪機(jī) 離心泵 蒸汽輪機(jī) 軸流式泵軸流式壓縮機(jī) 圖1.1 渦輪機(jī)械的分類和形狀圖1.2 徑向式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子 圖1.3離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子（右側(cè)雙邊大葉輪是主要壓縮機(jī)工作部分，單邊的小葉輪是用于冷卻的輔助機(jī)構(gòu)。圖1.4 離心式泵轉(zhuǎn)子（開放式葉輪）圖1.5多級軸流式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子圖1.6軸流式泵轉(zhuǎn)子1.3 量綱分析研究渦輪機(jī)的工作特性，其中涉及到很多未知量，使用量綱分析可以將變量數(shù)量減少到只有基本量綱組合的數(shù)量。渦輪機(jī)的特參數(shù)有輸出功率，效率和水頭。

4、渦輪機(jī)的工作特性涉及一個(gè)或多個(gè)變量。表1.1給出了一些物理量和量綱作為參。量綱分析最渦輪機(jī)工作分析上有兩個(gè)重要的應(yīng)用：（1）可以通過相似模型的試驗(yàn)來預(yù)測原型的特性（2）在一定范圍內(nèi)水頭，速度，流速，為了得到最大效率而確定最適合的機(jī)器。這里我們認(rèn)為學(xué)生已經(jīng)掌握了組成無量綱數(shù)組合的基本能力。表1.1 物理量和量綱物理量量綱面積體積密度速度加速度動(dòng)量力能與功功率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量角速度角加速度角動(dòng)量扭矩彈性模數(shù)表面張力動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度1.4 量綱和方程工程上涉及的變量可以用幾個(gè)的基本量綱表示。對于絕大部分工程問題，基本量綱有：1. 國際單位制：質(zhì)量，長度，溫度和時(shí)間。2. 英制：質(zhì)量，長度，溫度，時(shí)間和力。壓

5、力的量綱可以用一下式子形式表示 (1.1)等式1.1表示：壓力的量綱等于單位面積上力的量綱。式中，表示特征面積的量綱。等式左邊和右邊必須有相同的量綱。1.5布金漢定理1915年，布金漢揭露在一個(gè)確定過程中，用來表示未知變量間關(guān)系所需的無量綱參數(shù)的數(shù)量為n-m。其中n表示過程涉及的變量個(gè)數(shù)，m表示變量中包含的無量綱參數(shù)的個(gè)數(shù)。舉個(gè)例子，流體通過一個(gè)球體，其中力是速度v，密度，粘度和球直徑D的函數(shù)。這里有五個(gè)變量（F,v,D）和三個(gè)基本量綱（L,F和T)。所以可以用5-3=2個(gè)無量綱參數(shù)組合來表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果關(guān)系式。1.6水力機(jī)械研究密度為的不可壓縮流體通過泵的流量為Q。由于流體從機(jī)器一段進(jìn)入，另一端

6、流出，所以流量Q可以用節(jié)流閥獨(dú)立調(diào)節(jié)。泵的流量Q為：Q=f（N,D，g,) （1.2）其中H是水頭高度值，D為葉輪的直徑，g為重力加速度，為流體的密度,N為循環(huán)次數(shù)，為流體的粘度。表達(dá)式（1.2）中只有四個(gè)基本量綱，將N，D,作為重復(fù)變量，我們可以得到為了使等式兩邊的M,L,T的量綱齊次：對于M,0=C或c=0；對于T，0=-a-1或a=-1；對于L，0=b-3c+3或b=-3.所以， (1.3)類似的,計(jì)算指數(shù)：對于M,0=f或f=0；對于T，0=-d-2或d=-2；對于L，0=e-3f+1或e=-1。所以,. (1.4)類似的，計(jì)算指數(shù)：對于M,0=i或i=0；對于T，0=-g或g=0；對

7、于L，0=h-3i+1或h=-1。所以, (1.5)類似的，計(jì)算指數(shù)：對于M,0=l+1或l=-1；對于T，0=-j-1或j=-1；對于L，0=k-3l-1或k=-2。所以, (1.6)函數(shù)關(guān)系式可以寫成因?yàn)閮蓚€(gè)的結(jié)果都是無量綱的，所以用表示 （1.7）一個(gè)非常重要 的無量綱參數(shù)是比速度，它可以有流動(dòng)系數(shù)和水頭系數(shù)計(jì)算得到定義為： （1.8）下面這些無量綱參數(shù)對于分析工質(zhì)為不可壓縮流體流動(dòng)的機(jī)械很有用：1. 流動(dòng)系數(shù)和速度比稱為流動(dòng)效率或比能。表征渦輪機(jī)單位直徑單位速度的流量。對于相似轉(zhuǎn)子，它的值是不變的。2. 水頭系數(shù)：表達(dá)式稱為比水頭，它是轉(zhuǎn)子切向速度方向上流體流動(dòng)的動(dòng)能與在水頭H下流體噴

8、射時(shí)流動(dòng)的動(dòng)能比。對于同類葉輪，它的值不變 （1.9）3. 能效或比功率：無量綱數(shù)稱為能效或比功率。它表示功率，流體密度，速度，葉輪直徑之間的關(guān)系。4. 比速度：不可壓縮流體流動(dòng)機(jī)械最重要的參數(shù)是比速度，它是無量綱參數(shù)，在相同流動(dòng)狀態(tài)和水頭下，所有渦輪機(jī)有一樣的比速度，而與機(jī)器的物理尺寸大小無關(guān)。比速度可以用這種形式表示 1.10)比速度參數(shù)可以表達(dá)幾何相似下，渦輪機(jī)內(nèi)相似流動(dòng)的變量如N,Q,H或N,P,H.比速度也可以用等式1.10表示為一個(gè)無量綱數(shù):等式1.11用來計(jì)算泵的比速度，等式1.12用來計(jì)算透平大的比速度。透平的比速度可以表示為幾何相似的渦輪機(jī)在一米水頭下，產(chǎn)生1hp的速度。很明

9、顯Ns是一個(gè)無量綱數(shù)，在單位制中，它的范圍為4-1000。1.7 雷諾數(shù)雷諾數(shù)可以表示成，其中是流體的運(yùn)動(dòng)粘度，對于有相同速度比的同類機(jī)器，參數(shù)與DV成正比。在渦輪機(jī)內(nèi)，無量綱參數(shù)不是重要的參數(shù)。因?yàn)檎承宰枇Σ皇菦Q定機(jī)器損失的主要因素。像進(jìn)口振動(dòng)，沖擊，紊流，泄漏等其他損失影響機(jī)器的性能。研究確定容積下，密度為的不可壓縮流體，在水輪機(jī)內(nèi)工作，其流量由節(jié)流閥控制。確定容積下，水頭差是H,如果確定容積是用透平的直徑表示，在轉(zhuǎn)速N下，渦輪機(jī)的軸功為P,函數(shù)關(guān)系式為 （1.13）等式1.13表示多個(gè)變量作用結(jié)果產(chǎn)生功，且不變。 （1.14）用相關(guān)量綱代替上式公式 （1.15）計(jì)算式中兩邊的功率：對于M

10、:1=a+c;對于L：2=-3a-c+d+3e+2f;對于T:-3=-b-c-e-2f.其中有六個(gè)變量，但只有三個(gè)等式，所以需要用其中三個(gè)參數(shù)表示另三個(gè)指數(shù)，解得a,b,d等于a=1-c;B=3-c-e-2f;d=5-2c-3e-2f.將a,b,d的值帶入1.13，得到式子，指數(shù)在分開的各項(xiàng)上： （1.16）等式中1.16第二項(xiàng)括號中有雷諾數(shù)的倒數(shù)項(xiàng)，因?yàn)閏未知，所以那項(xiàng)可以以倒數(shù)的形式寫，因此1.16變?yōu)?(1.17)在式子1.17中，每組度量式都是無量綱數(shù)，全都用在水輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)中，分別取名為功率系數(shù)，流動(dòng)系數(shù)，水頭系數(shù)。等式1.17可以表達(dá)成 （1.18）等式1.18表明水輪機(jī)的公路車系數(shù)

11、是雷諾數(shù)，流動(dòng)系數(shù)和水頭系數(shù)的函數(shù)。在渦輪機(jī)械中流動(dòng)，流體的雷諾數(shù)很高，所以流體粘性在輸出功率上影響很小，功率系數(shù)只是的函數(shù)。（a) 水輪機(jī) （b）水泵圖1.7 水力機(jī)的工作特性圖1.7（a）（b）芬表示水輪機(jī)和水泵典型的無量綱參數(shù)特性曲線，這些特性曲線也是其他任何參數(shù)P.N,Q，H組合的曲線，或是其他幾何相似的機(jī)器。1.8 模型試驗(yàn)很多大型水輪機(jī)器在做全尺寸前都是用一個(gè)模型試驗(yàn)，然后以模型中得到的相應(yīng)結(jié)果去應(yīng)用到全尺寸機(jī)器上，所以圖1.7的曲線從一個(gè)完全相似的模型中得到這些曲線可以應(yīng)用到原型的機(jī)器上。1.9 幾何相似對于原型與模型間存在幾何相似，它們在形狀上應(yīng)該相同，只是尺寸上不一樣，換句話

12、說，原型和模型的幾何相似，對應(yīng)線性量綱數(shù)的比值相等。對于原型，相應(yīng)對應(yīng)模型上的尺寸。對于幾何相似，比值如下： （1.19）類似的，原型與模型間的面積比值： (1.20）體積比值為： (1.21) 1.10 運(yùn)動(dòng)相似對于運(yùn)動(dòng)相似，模型和原型又一樣的運(yùn)動(dòng)或是速度，如果相應(yīng)點(diǎn)的比值一樣，原型和模型之間的速度比為： (1.22)其中1.11 力學(xué)相似 如果原型和模型間有相同力作用在他們上面，力學(xué)相似就產(chǎn)生了。是原型上作用在1點(diǎn)的力，是原型上作用在2點(diǎn)的力，然后原型和模型間有力學(xué)相似，力的比值可以表示為：1.12 原型和模型的效率 假設(shè)相似法則成立，分別是原型和模型的效率，根據(jù)相似法則，分別用P，m，分

13、開表示模型和原型汽輪機(jī)的效率為所以，所以原型與模型的效率關(guān)系也遵循相似原理。1.13流體質(zhì)量和重量的相關(guān)特性1.13.1比重比重是單位體積內(nèi)的重量，用字母表示。在以水為工質(zhì)的循環(huán)中，水的比重為1000在國際單位制中，水的比重為9.8KN/。1.13.2質(zhì)量密度質(zhì)量密度是單位體積內(nèi)的質(zhì)量。在國際單位制中，它的單位是千克每立方米或。質(zhì)量密度簡寫為密度，用希臘符號表示。水在15.5度時(shí)的密度為1000Kg/。1.13.3相對重量相對重量是已知液體的比重和水在給定溫度下的比重之比。給定水的溫度為4度，以內(nèi)相對重量是比重比，是無量綱數(shù)，當(dāng)然獨(dú)立于單位制。1.13.4粘度我們定義粘度是流體的特性，當(dāng)流體分子間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有阻力在流動(dòng)過程中由于摩擦產(chǎn)生能量損失，就是因?yàn)橛姓承缘拇嬖?。?dāng)流體運(yùn)動(dòng)是，就有一個(gè)切應(yīng)力產(chǎn)生，這個(gè)切應(yīng)力大小由流體的粘性決定。切應(yīng)力用字母表示為單位面積上層與層之間的力，所以是力除上面積，用或是Pa表示。