第一章葉片式流體機(jī)械概況

第一章：葉片式流體機(jī)械概述§1-1葉片式流體機(jī)械的工作過程葉片式流體機(jī)械中的能量轉(zhuǎn)換，是在帶有葉片的轉(zhuǎn)子及連續(xù)繞流葉片的流體介質(zhì)之間進(jìn)行的。葉片與介質(zhì)間的作用力是慣性力。該力作用在轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片上，因而產(chǎn)生了功（正或負(fù)視力矩和葉輪運(yùn)動(dòng)方向而定）。一、葉片式流體機(jī)械的組成元件｛吸入部分（直錐形，環(huán)形，半螺旋形）蝸殼（導(dǎo)水機(jī)構(gòu)）鄙U7蝸殼外形圖i-撬號(hào)水機(jī)構(gòu)的類型t/向式肩御呵式.■/軸幽式｛葉輪轉(zhuǎn)輪渦輪圖1-0水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)帽t混肅式b｝勒瓦竟Q覷哄心為擊式（蝸殼（導(dǎo)流器，導(dǎo)葉）尾水管以風(fēng)扇或泵為例說明特點(diǎn)特點(diǎn)：①具有一個(gè)帶有葉片的轉(zhuǎn)子工作時(shí)介質(zhì)對(duì)葉片連續(xù)繞流介質(zhì)作用于葉片的力是慣性力部分流體機(jī)械有一個(gè)靜止的葉柵。以軸流式流體機(jī)械為例說明工作過程在上述例子中，轉(zhuǎn)子葉片在自由空間轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過葉輪的介質(zhì)，由于葉片力矩的作用，而有一個(gè)圓周方向的速度分量。依動(dòng)量矩定理流出葉輪的液體有一個(gè)圓周方向的分速度，在葉輪后，由于該分速度引起附加的能量損失，為了消除這個(gè)損失故在葉輪后增加一個(gè)靜止的導(dǎo)葉（葉柵）用來消除介質(zhì)的圓周分速度。這種流體就有一個(gè)靜止的葉柵，簡稱導(dǎo)葉。我們主要研究的也是這種機(jī)械。在軸流式原動(dòng)機(jī)中（T），介質(zhì)沿軸線方向先進(jìn)入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉的作用是使得介質(zhì)速度的大小及方向發(fā)生了變化，切一部分壓力能轉(zhuǎn)換為圓周方向速度所對(duì)應(yīng)的動(dòng)能。然后介質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，由于轉(zhuǎn)輪葉片的作用，使介質(zhì)的速度方向又變?yōu)檩S線方向。與速度的方向發(fā)生改變時(shí)由于慣性作用引起作用于葉片的力矩使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械旋轉(zhuǎn)，從而使流體的能量轉(zhuǎn)換為電能或機(jī)械能。為了最大限度利用流體的能量，理論上從轉(zhuǎn)輪流出的介質(zhì)不再有圓周方向的運(yùn)動(dòng)。（壓力為最小，此壓力是多少？）?l'r相反，作為工作機(jī)（P），介質(zhì)及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和原動(dòng)機(jī)剛好相反，介質(zhì)從軸向進(jìn)入葉輪，從葉輪中流出的介質(zhì)具有圓周方向的速度分量，然后在導(dǎo)葉作用下消除圓周運(yùn)動(dòng)又回到軸?l'r從上面的討論還可以得出：①葉片式流體機(jī)械介質(zhì)速度圓周分量的變化即葉輪前后介質(zhì)動(dòng)量矩的變化與能量轉(zhuǎn)換過程有緊密的關(guān)系。②介質(zhì)在進(jìn)入或流出流體機(jī)械前后都沒有圓周方向的分量（即介質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)輪軸線的動(dòng)量矩為零），也就是說介質(zhì)動(dòng)量矩的變化是在轉(zhuǎn)輪內(nèi)產(chǎn)生的。而研究流體機(jī)械就是設(shè)法使能量轉(zhuǎn)換的效率在轉(zhuǎn)輪內(nèi)盡可能的高（在滿足工作的前提下）。在軸流式流體機(jī)械中，軸面上（以后解釋），介質(zhì)的流動(dòng)方向（m-x）是和軸線平行的，故叫軸流式。@1-1麟流式流悻機(jī)械有圖|一動(dòng)"（葉輪）—侍心7—原動(dòng)機(jī)P—工書@1-1麟流式流悻機(jī)械有圖|一動(dòng)"（葉輪）—侍心7—原動(dòng)機(jī)P—工書?:扒若在軸面上，流體流動(dòng)方向，既不是徑向，也不是;:軸向，叫混流式，見圖（1-3）注意：在軸流式流體機(jī)械中，動(dòng)量矩的變化僅體現(xiàn)在流體質(zhì)點(diǎn)圓周速度的變化上。而在徑流或混流式流體機(jī)械中，動(dòng)量矩的變化不僅：體現(xiàn)在流體質(zhì)點(diǎn)圓周速度的變化上，而且體現(xiàn)在流體質(zhì)1:點(diǎn)距軸線距離的變化上。，"."《5州1二另外，對(duì)于原動(dòng)機(jī)T，流體介質(zhì)經(jīng)過導(dǎo)葉后，速度增加而壓力降低，一部分壓力能轉(zhuǎn)換成速度能。在轉(zhuǎn)輪中，介質(zhì)的壓力能和速度能都有一部分轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。若介質(zhì)流出轉(zhuǎn)輪后，速度、壓力進(jìn)一步降低，這種葉輪機(jī)械叫反擊式或反動(dòng)式。對(duì)于工作機(jī)則相反。另外，對(duì)于原動(dòng)機(jī)如果導(dǎo)葉出口處壓力已降為零，則介質(zhì)在動(dòng)葉中將只有速度變化而無壓力變化，此種葉輪機(jī)械叫沖擊式或沖動(dòng)式。在沖擊式葉輪機(jī)械中，工作介質(zhì)一般只從葉輪整個(gè)圓周的一部分進(jìn)入葉輪。即在葉輪旋轉(zhuǎn)一周過程中，工作介質(zhì)通常只從葉輪整個(gè)圓周的一部分進(jìn)入葉輪，也就是說，在葉輪葉片旋轉(zhuǎn)一周的過程中，只有一部分時(shí)間予于能量的交換，一部分時(shí)間不參與。如沖擊式水輪機(jī)，靜葉是一個(gè)噴嘴；圖1-4的汽輪機(jī)，噴嘴仍然為葉柵形狀，蒸汽仍然是從部分圓周進(jìn)入動(dòng)葉片。圖z汽輪機(jī)簡圖心軸極面m圓桿面展開1—莎葉2-嘖嘴（靜葉）§1-1葉片式流體機(jī)械的主要性能參數(shù)表征流體機(jī)械性能的參數(shù)叫性能參數(shù)一、流量q單位時(shí)間內(nèi)通過機(jī)器的介質(zhì)的量（體積或質(zhì)量）稱為流量。體積流量qvm3/sL/sm3/n質(zhì)量流量qmkg/skg/minkg/h特點(diǎn)：依質(zhì)量守恒定律，流體機(jī)械在穩(wěn)定條件下工作時(shí)，如果忽略機(jī)器內(nèi)部的泄露，通過流體機(jī)械各斷面的質(zhì)量流量是相同的。對(duì)不可壓縮介質(zhì)，qv也將保持不變。對(duì)于可壓縮介質(zhì)，體積隨壓力和溫度的變化而變化，所以，各斷面的體積流量也將是不同的（在質(zhì)量流量qm保持不變）。在通風(fēng)機(jī)中，將體積流量也稱為風(fēng)量。二、水頭，揚(yáng)程，壓力，能量頭，壓縮比是單位質(zhì)量（體積）的介質(zhì)與葉輪所交換的能量，是衡量葉輪做功能力的參數(shù)。此參數(shù)可用機(jī)械進(jìn)入出口斷面單位質(zhì)量（或體積）介質(zhì)所具有的能量的差值來衡量。不同的流體機(jī)械叫的名字不同。＜一＞不可壓介質(zhì)a）液體介質(zhì)：泵、水輪機(jī)以液體為工作介質(zhì)，以液柱高表示單位重力的液體具有的能量方便直觀。在水輪機(jī)中進(jìn)出口能量的差值叫水頭，在葉片泵中叫揚(yáng)程。單位為m（Nm/N=m）。對(duì)于不可壓介質(zhì)，不需要考慮內(nèi)能的變化，所以能量差值只有壓力能、位置能、及速度能。貝貝對(duì)不可壓介質(zhì)有：H=±[?—Pi+C；—C2+（Z-Z）]Pg2g21±分別用于泵（介質(zhì)吸收能量），水輪機(jī)（介質(zhì)放出能量）（i）對(duì)于水輪機(jī)定義：Hst電站靜水頭，是上下游水位差由于上下游水面一般均為大氣壓Ps=Pp=1atm上下游水庫河道流速一般很小，故電站水頭H'=Pp-Ps+C―C+z-z"HPg2gpsst考慮引水管路損失AH，故水輪機(jī)水頭和水電站水頭關(guān)系為：H=Hst-AH（ii）泵a）裝置揚(yáng)程HG：表示泵將單位重力液體介質(zhì)從下游容器抽到下游容器所需要做的功圖1-C.水頭F插理的定又H水■抽靜發(fā)裁曾:—進(jìn)|】斯而w-Sb口益而P-上溶水面5—依定義：H'=Pp-Ps+C_C2+七—七+AHAH為管路損失Pg2gps一般容器的流速很小，故又可定義裝置靜揚(yáng)程為：H=P^+z—zstpgds一般泵穩(wěn)定工作時(shí)，Hg=H,故有H=HG=Hst+AH泵的揚(yáng)程是單位重量的液體泵進(jìn)口能量的增量(H)。揚(yáng)程：指泵本身具有特性的參數(shù)，和抽送液體種類無關(guān)。但和泵所處地方的位置有關(guān)，即和重力加速度有關(guān)，在不同的重力條件下，H值不同，在失重條件下，H無意義，但一般泵用在地球上，g相差不大，故可以。能量頭：如果用質(zhì)量作為液體量的度量，得到一個(gè)與重力無關(guān)的能量指標(biāo)，稱為能量頭(或叫比能，比功)它是單位質(zhì)量液體在流體機(jī)械進(jìn)出口液體具有的能量的差值,hh=gH=±[P2Pi+匕——土+g(z-z)]單位：N-m/kg=m2/s2P221(iii)風(fēng)機(jī):工作介質(zhì)是氣體，但由于進(jìn)出口壓力變化很小，工程上仍可以將其流動(dòng)的內(nèi)介質(zhì)視為不可壓縮流體。對(duì)于風(fēng)機(jī)進(jìn)口出口，能量差如何表示？一般用壓升來表示風(fēng)機(jī)進(jìn)出口斷面上單位體積(1m3)氣體能量差值，記為PtF，單位Pa(N/m2)能量差值包括壓力差值、動(dòng)能差值，故全壓又叫風(fēng)壓。p=p-p+pctzcttFr212

靜壓PsF,通風(fēng)機(jī)的靜壓指全壓與出口動(dòng)能之差。C2C2P=P一P寸=P-P+P*SFtF2212風(fēng)機(jī)一般不用液柱高表示（二）可壓縮介質(zhì)當(dāng)介質(zhì)可壓縮時(shí)，介質(zhì)的能量變化包括宏觀的動(dòng)能及介質(zhì)的內(nèi)能。而內(nèi)能的大小與介質(zhì)的焓值有關(guān)，介質(zhì)流過機(jī)械后焓值的變化量，不僅和葉輪所作的功大小有關(guān)，而且與機(jī)器內(nèi)部的熱力學(xué)過程及熱量傳遞有關(guān)。故在透平壓縮機(jī)中，用能量頭表示單位質(zhì)量（1kg）氣體的能量變化量，故h=h-h+°2-T=c（T-T）+C；-T（式中忽略了重力作的功）212P21當(dāng)不考慮損失時(shí)，上式還可寫為（h=u+pv）h=Jh=J2vdP+12上式說明，葉輪對(duì)氣體作的功，一部分使氣體壓力升高，另一部分使速度增加，而壓力的升高，體現(xiàn)為焓值的增加.對(duì)于壓縮機(jī)，用能量的變化量并不能完全的反映葉輪做功能力，因?yàn)?，?duì)于可壓介質(zhì)，機(jī)器的工作狀況不僅和進(jìn)出口壓力變化量有關(guān)，還和進(jìn)口壓力絕對(duì)值及熱力學(xué)過程有關(guān)，（從J2VdP可知）不同壓力下，J2VdP不同，這是因?yàn)椴煌瑝毫ο麦w積不同，故在壓縮機(jī)中用壓縮比E表示能4提高的程度?！耆?、轉(zhuǎn)速n（rpm）四、功率P及效率門功率P對(duì)工作機(jī)是機(jī)器輸入功率kw功率P對(duì)原動(dòng)機(jī)是機(jī)器輸出功率i）介質(zhì)不可壓￡機(jī)器功率P=PgqH=hq=qp機(jī)器都有損失存在，故機(jī)器功率和流體功率有差值，故曲來衡量損失大小故I=%對(duì)于原動(dòng)機(jī)t^^np=P^P對(duì)于工作機(jī)ii）介質(zhì)可壓效率定義更復(fù)雜，這是因?yàn)閮?nèi)能變化使焓值變化，影響了機(jī)器內(nèi)部的熱力學(xué)過程，也改變了機(jī)器工作，其效率定義后講五、特性曲線1-3葉片式流體機(jī)械的機(jī)構(gòu)型式一、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)】一軸流式水輪機(jī)軸流式球輪機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的組成部分有引水室（蝸殼）、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管等，還有轅、袖承、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等結(jié)枸部件a水流從蝸殼璽導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流入轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪作功后從尾水管流出。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)器軸線一致，故禰為軸流式注按其葉片是否可在輪轂上轉(zhuǎn)動(dòng)，又可分為軸流轉(zhuǎn)槳式與軸流定槳式。前者的葉片可通過--套機(jī)構(gòu)帶動(dòng)治著自身的軸線捋期，以適應(yīng)不同的工況巾圖】」1袖流式水檢機(jī)1一尾水管輪1自定導(dǎo)葉JiS敏導(dǎo)升5—蝌克6-發(fā)電機(jī)1-12賞流式水輪機(jī)1一固定辱汁IE翰導(dǎo)葉3-發(fā)電機(jī)定于—爰率機(jī)轉(zhuǎn)于5--轉(zhuǎn)輪葉片3,混流式水輪機(jī)I圖1-14理麻式水輪機(jī)4.斜流式水輪