泵與風(fēng)機(jī)-P2-2

1、第二節(jié)第二節(jié) 軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論軸流式泵與風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)軸流式泵與風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形能量方程及其分析能量方程及其分析軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本類型軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本類型一、概述 工作原理：工作原理：是利用旋轉(zhuǎn)葉輪的翼型葉片在流體中旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力使流體獲得能量。 軸流式泵與風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)：軸流式泵與風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)： 1流體沿軸向進(jìn)入葉輪，沿軸向流出葉輪。 2流量大，揚(yáng)程（風(fēng)壓）低； 軸流式泵與風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：軸流式泵與風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，外形尺寸小，重量輕； 2動(dòng)葉可調(diào)軸流泵與風(fēng)機(jī)，變工況調(diào)節(jié)性能好，高效區(qū)較寬。

2、 3. 動(dòng)葉可調(diào)軸流泵與風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造安裝精度高。 4. 噪音較大，特別對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流式泵與風(fēng)機(jī)，其進(jìn)口或出口需要裝設(shè)消音器。 軸流式泵與風(fēng)機(jī)，特別是動(dòng)葉可調(diào)式軸流泵與風(fēng)機(jī)，其綜合性能優(yōu)于離心式，因此現(xiàn)代大容量機(jī)組的循環(huán)水泵與送、引風(fēng)機(jī)多采用這種型式。二、流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及速度三角形二、流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及速度三角形 問(wèn)題簡(jiǎn)化：圓柱層無(wú)關(guān)假設(shè)問(wèn)題簡(jiǎn)化：圓柱層無(wú)關(guān)假設(shè)流面：把空間運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為徑向分速為零的圓柱面上的流動(dòng)，該圓柱面流面：把空間運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為徑向分速為零的圓柱面上的流動(dòng)，該圓柱面稱為流面。稱為流面。相鄰圓柱面上的流體微團(tuán)的流動(dòng)互不相關(guān)，這種簡(jiǎn)化稱為圓柱層無(wú)關(guān)相鄰圓柱面上的流體微

3、團(tuán)的流動(dòng)互不相關(guān)，這種簡(jiǎn)化稱為圓柱層無(wú)關(guān)假設(shè)。假設(shè)。實(shí)驗(yàn)證明，略去徑向分速，對(duì)實(shí)際流動(dòng)具有足夠的精確度。實(shí)驗(yàn)證明，略去徑向分速，對(duì)實(shí)際流動(dòng)具有足夠的精確度。意義：意義：根據(jù)圓柱層無(wú)關(guān)假設(shè)，研究軸流式葉輪內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，就可簡(jiǎn)化為圓根據(jù)圓柱層無(wú)關(guān)假設(shè)，研究軸流式葉輪內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，就可簡(jiǎn)化為圓柱面上的運(yùn)動(dòng)。柱面上的運(yùn)動(dòng)。對(duì)軸流式葉輪可做出很多個(gè)圓柱流面，每個(gè)流面上的流動(dòng)可能并不完對(duì)軸流式葉輪可做出很多個(gè)圓柱流面，每個(gè)流面上的流動(dòng)可能并不完全相同，但研究方法是相同的。全相同，但研究方法是相同的。因此，只要研究一個(gè)流面上的流動(dòng)，其他流面上的流動(dòng)就可按相同方因此，只要研究一個(gè)流面上的流動(dòng)，其他流面上的流動(dòng)

4、就可按相同方法求得。法求得。（一）平面直列葉柵（一）平面直列葉柵用任意半徑用任意半徑r及及r+dr的兩個(gè)同心圓柱面截取一微小圓柱層，將圓柱層的兩個(gè)同心圓柱面截取一微小圓柱層，將圓柱層沿母線切開，展成平面。葉片被圓柱面截割，形成垂直于紙面厚度沿母線切開，展成平面。葉片被圓柱面截割，形成垂直于紙面厚度為為dr的翼型，在展開平面上各葉片的翼型相同，并等距離排列，這的翼型，在展開平面上各葉片的翼型相同，并等距離排列，這種由相同翼型等距離排列的翼型系列稱為平面直列葉柵。種由相同翼型等距離排列的翼型系列稱為平面直列葉柵。翼型及葉柵的主要幾何尺寸翼型及葉柵的主要幾何尺寸1.1.骨架線。通過(guò)翼型內(nèi)切圓圓心的連

5、線，稱為骨架線或中弧線，其骨架線。通過(guò)翼型內(nèi)切圓圓心的連線，稱為骨架線或中弧線，其形狀決定了翼型的主要空氣動(dòng)力特性。形狀決定了翼型的主要空氣動(dòng)力特性。2.前緣點(diǎn)、后緣點(diǎn)。骨架線與型線的交點(diǎn)，前端稱前緣點(diǎn)，后端稱后前緣點(diǎn)、后緣點(diǎn)。骨架線與型線的交點(diǎn)，前端稱前緣點(diǎn)，后端稱后緣點(diǎn)。緣點(diǎn)。 3.弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)b。前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)連接的直線稱。前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)連接的直線稱翼弦，翼弦的長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng)。翼弦，翼弦的長(zhǎng)度稱為弦長(zhǎng)。4.翼展翼展l： 垂直于紙面方向葉片的長(zhǎng)度垂直于紙面方向葉片的長(zhǎng)度(機(jī)翼的長(zhǎng)度機(jī)翼的長(zhǎng)度)稱翼展稱翼展5.展弦比：翼展展弦比：翼展l與弦長(zhǎng)與弦長(zhǎng)b之比稱展弦比之比稱展弦比6.彎度彎度f(wàn) ： 弦長(zhǎng)

6、到骨架線的距離，稱為彎度或撓度。弦長(zhǎng)到骨架線的距離，稱為彎度或撓度。7.厚度厚度： 翼型上下表面之間的距離，稱翼型厚度。翼型上下表面之間的距離，稱翼型厚度。8.沖角沖角 ： 翼型前來(lái)流速度的方向與弦長(zhǎng)的夾角稱沖角，沖角在翼弦以下時(shí)翼型前來(lái)流速度的方向與弦長(zhǎng)的夾角稱沖角，沖角在翼弦以下時(shí)為正沖角如圖所示，以上時(shí)為負(fù)沖角。為正沖角如圖所示，以上時(shí)為負(fù)沖角。9.前駐點(diǎn)、后駐點(diǎn)：前駐點(diǎn)、后駐點(diǎn)： 來(lái)流接觸翼型后，開始分離的點(diǎn)來(lái)流接觸翼型后，開始分離的點(diǎn)(此點(diǎn)速度為零此點(diǎn)速度為零)，稱，稱前駐點(diǎn)；流體繞流翼型后匯合的點(diǎn)前駐點(diǎn)；流體繞流翼型后匯合的點(diǎn)(此點(diǎn)速度為零此點(diǎn)速度為零) ，稱為后駐點(diǎn)。，稱為后駐點(diǎn)

7、。葉柵的主要幾何參數(shù)葉柵的主要幾何參數(shù)1.列線或額線：葉柵中翼型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線稱為列線或額線。列線或額線：葉柵中翼型各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線稱為列線或額線。2.柵距柵距t ： 葉柵中相鄰兩翼型間的距離。葉柵中相鄰兩翼型間的距離。3.柵軸：柵軸： 與列線垂直的直線，稱為葉柵軸線。與列線垂直的直線，稱為葉柵軸線。4.稠度稠度 ：弦長(zhǎng)與柵距之比。：弦長(zhǎng)與柵距之比。5.安裝角：安裝角： 翼型與列線之間的夾角，稱為翼型在葉柵中的安裝角。翼型與列線之間的夾角，稱為翼型在葉柵中的安裝角。zrt2（二）速度三角形（二）速度三角形v = u + wv的分速度：的分速度：絕對(duì)速度v圓周分速度vu軸面分速度vm徑向速度vr軸

8、向速度vaauvvv對(duì)軸流式葉輪，因?yàn)関r=0，所以va=vm一般知道u、va和vu三個(gè)條件，即可做出葉輪進(jìn)、出口速度三角形1.1.進(jìn)口速度三角形進(jìn)口速度三角形（1 1）圓周速度）圓周速度u1 （2 2）軸向速度）軸向速度v1a 式中：式中： D D1 1圓柱面流所在的直徑，圓柱面流所在的直徑，m m； D D2 2葉輪外徑，葉輪外徑，m m； d dh h輪轂直徑，輪轂直徑，m m3 3/s/s； V V- -容積效率，容積效率，% %。 排擠系數(shù)排擠系數(shù) 6011nDu 4v2h22va1dDqv排擠系數(shù)排擠系數(shù) 式中：式中： maxmax翼型的最大翼型的最大厚度；厚度； a a翼型安裝角

9、；翼型安裝角； t t柵距。柵距。（3 3）絕對(duì)速度圓周分速）絕對(duì)速度圓周分速v1u。 由吸入條件決定，由吸入條件決定，v1u =0 =0，由此可知相對(duì)速度方向，從由此可知相對(duì)速度方向，從而確定葉片安裝角而確定葉片安裝角 sin321amaxt2.2.出口速度三角形出口速度三角形（1 1）圓周速度）圓周速度u u2 2, , u u2 2 = = u u1 1 = = u u（2）軸向速度）軸向速度v2a， v2a= = v1a = = va （3）絕對(duì)速度圓周分速）絕對(duì)速度圓周分速v2u ，由能量方程確定：，由能量方程確定： Tu2ugHv說(shuō)明：說(shuō)明：1.1.軸流式葉輪中由于流體沿相同半徑的

10、流面流動(dòng)，因而流面進(jìn)出口軸流式葉輪中由于流體沿相同半徑的流面流動(dòng)，因而流面進(jìn)出口處的圓周速度相同處的圓周速度相同u u2 2 = = u u1 1 = = u u2.2.由于葉輪進(jìn)出口過(guò)流斷面面積相等，根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)于不可由于葉輪進(jìn)出口過(guò)流斷面面積相等，根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)于不可壓縮流體，流面的進(jìn)出口的軸向流速相同壓縮流體，流面的進(jìn)出口的軸向流速相同v2a= = v1a = = va 能量方程式能量方程式離心式泵與風(fēng)機(jī)用動(dòng)量矩定理推導(dǎo)出來(lái)的能量方程式仍適用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)，所離心式泵與風(fēng)機(jī)用動(dòng)量矩定理推導(dǎo)出來(lái)的能量方程式仍適用于軸流式泵與風(fēng)機(jī)，所不同的是軸流式流體進(jìn)出口的圓周速度、軸面速度相

11、等不同的是軸流式流體進(jìn)出口的圓周速度、軸面速度相等 )cot(cot21aT vguHgww gvvH2222212122T)cot(cot21aTuvp能量方程式分析能量方程式分析(1)因?yàn)橐驗(yàn)閡2 ul = u，故流體在軸流式葉輪中獲得的總能量遠(yuǎn)小于離心式。因而，軸，故流體在軸流式葉輪中獲得的總能量遠(yuǎn)小于離心式。因而，軸流式泵與風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程流式泵與風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程(全壓全壓)遠(yuǎn)低于離心式。遠(yuǎn)低于離心式。(2)當(dāng)當(dāng)1=2時(shí)，時(shí)，HT0，及流體不能從葉輪中獲得能量。要使及流體不能從葉輪中獲得能量。要使流體流體從葉輪中從葉輪中獲得能量，獲得能量，必須使必須使21，令令=2-1為氣流轉(zhuǎn)折角，則轉(zhuǎn)折角越大，

12、獲得的能量越大。為氣流轉(zhuǎn)折角，則轉(zhuǎn)折角越大，獲得的能量越大。(3)為了提高流體為了提高流體通過(guò)葉輪后通過(guò)葉輪后獲得的壓力能，獲得的壓力能，必須使必須使wl w2，即入口相對(duì)速度大于出即入口相對(duì)速度大于出口相對(duì)速度，常用的方法是使葉輪入口斷面小于出口斷面，過(guò)多采用進(jìn)口為圓形的口相對(duì)速度，常用的方法是使葉輪入口斷面小于出口斷面，過(guò)多采用進(jìn)口為圓形的機(jī)機(jī)翼型葉片。翼型葉片。)cot(cot21aT vguHgww gvvH2222212122T)cot(cot21aTuvp葉柵翼型的來(lái)流速度的計(jì)算：葉柵翼型的來(lái)流速度的計(jì)算： 葉柵翼型的繞流，將影響來(lái)流速度的大小和方向。一般取葉柵前后的相對(duì)速度葉柵翼

13、型的繞流，將影響來(lái)流速度的大小和方向。一般取葉柵前后的相對(duì)速度w2和和wl的幾何平均值的幾何平均值w作為無(wú)限遠(yuǎn)處的來(lái)流速度，其大小和方向由葉柵進(jìn)出口的速作為無(wú)限遠(yuǎn)處的來(lái)流速度，其大小和方向由葉柵進(jìn)出口的速度三角形的幾何關(guān)系來(lái)確定。度三角形的幾何關(guān)系來(lái)確定。2u1uaua2arctanarctanwwwww2u2u12a2u2u12a22vvuvwwww軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型軸流式泵與風(fēng)機(jī)的類型軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。(1)單個(gè)葉輪，沒有導(dǎo)葉。單個(gè)葉輪，沒有導(dǎo)葉。 出口速度三角形顯示，絕對(duì)速度出口速度三角形顯示，絕對(duì)速度v2可分解為軸向分速可分解

14、為軸向分速v2a和圓周分速和圓周分速v2u 。其中圓周分速。其中圓周分速v2u 使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生能量損失。而產(chǎn)生能量損失。 這種葉輪只適合于低壓軸流風(fēng)機(jī)。這種葉輪只適合于低壓軸流風(fēng)機(jī)。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。(2)單個(gè)葉輪后設(shè)置導(dǎo)葉。單個(gè)葉輪后設(shè)置導(dǎo)葉。 出口導(dǎo)葉可消除葉輪出口處流體的圓周分速出口導(dǎo)葉可消除葉輪出口處流體的圓周分速v2u，使之成，使之成軸向運(yùn)動(dòng)，并使這部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。軸向運(yùn)動(dòng)，并使這部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。 出口導(dǎo)葉還可減小由于葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的損失，提高出口導(dǎo)葉還可減小由于葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的損失，提高效

15、率。效率。 這種葉輪這種葉輪 常用于高壓軸流泵與風(fēng)機(jī)。常用于高壓軸流泵與風(fēng)機(jī)。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的基本型式。(3)單個(gè)葉輪前設(shè)置導(dǎo)葉。單個(gè)葉輪前設(shè)置導(dǎo)葉。 入口導(dǎo)葉使流體流入葉輪后產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的入口導(dǎo)葉使流體流入葉輪后產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)速度，即產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋。此時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，即產(chǎn)生負(fù)預(yù)旋。此時(shí)v1u0，在設(shè)計(jì)工況下，在設(shè)計(jì)工況下，v2u=0 ；非設(shè)計(jì)工況下，；非設(shè)計(jì)工況下，v2u0 ，又由于入口相對(duì)速度較大，又由于入口相對(duì)速度較大，能量損失較大，使得效率低。能量損失較大，使得效率低。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1）在轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸相同時(shí)，由于負(fù)預(yù)旋的存在，使流體）在轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸相同時(shí)，由于負(fù)預(yù)旋的存在，使流體可獲得較高能量。因此，獲得相同能量時(shí)，葉輪尺寸可以減可獲得較高能量。因此，獲得相同能量時(shí)，葉輪尺寸可以減小。小。2）工況變化時(shí)，沖角的變動(dòng)較小，效率變化較小。）工況變化時(shí)，沖角的變動(dòng)較小，效率變化較小。3）若前導(dǎo)葉做成可調(diào)節(jié)的，則工況變化時(shí)，隨工況的改變）若前導(dǎo)葉做成可調(diào)節(jié)的，則工況變化時(shí)，隨工況的改變調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉，可是在變工況下仍能保持較高效率。調(diào)節(jié)前導(dǎo)葉，可是在變工況下仍能保持較