葉片式流體機(jī)械中的能量轉(zhuǎn)換課件

葉片式流體機(jī)械中的能量轉(zhuǎn)換1、流體在轉(zhuǎn)輪（葉輪）中的運(yùn)動(dòng)分析2、葉片式流體機(jī)械的基本方程3、主要過(guò)流部件的工作原理4、流體機(jī)械內(nèi)的能量損失及效率5、變工況時(shí)能量轉(zhuǎn)換的影響6、有限葉片數(shù)的影響7、反作用度2024/7/191一、流體在轉(zhuǎn)輪（葉輪）中的運(yùn)動(dòng)分析

1、流體速度及速度三角形2、轉(zhuǎn)輪流道的軸面投影圖

1）、軸面(子午面)2）、軸面投影

3）、軸面流線

4）、軸面截線

5）、葉片包角θ

6）、流面2024/7/192流體速度及速度三角形轉(zhuǎn)輪中的流動(dòng)速度:2024/7/1932024/7/194流速三角形的定義與用途2024/7/195速度三角形中的角度定義2024/7/196絕對(duì)速度的分解問(wèn)題：為何將分解C成Cu和Cm？1、Cm：計(jì)算流量2、Cu：計(jì)算水流的速度環(huán)量（或速度矩）

2024/7/197流體力學(xué)中環(huán)量的定義

2024/7/198流體通過(guò)葉片的速度環(huán)量是如何形成的？

2024/7/199轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形

基本假設(shè)：1.轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)無(wú)窮多，葉片無(wú)限薄——轉(zhuǎn)輪內(nèi)流動(dòng)視為軸對(duì)稱(chēng)的。2.相對(duì)流動(dòng)是定常的——流動(dòng)不隨時(shí)間變化。3.沿過(guò)流斷面軸面速度均勻分布。2024/7/1910原動(dòng)機(jī)的進(jìn)、出口速度三角形

1.反擊式水輪機(jī)（以混流式為例）2024/7/19112024/7/19122.軸流式2024/7/19133.沖擊式水輪機(jī)2024/7/1914工作機(jī)的進(jìn)、出口速度三角形

(以離心式葉輪為例)2024/7/1915轉(zhuǎn)輪流道的軸面投影圖軸面（子午面）：通過(guò)轉(zhuǎn)輪軸線的平面。軸面投影：空間曲面或曲線上每一點(diǎn)繞軸線旋轉(zhuǎn)一定角度投影到同一軸面上。軸面流線：空間相對(duì)流線的軸面投影。軸面截線：葉片與軸面的交線。葉片包角：指葉片進(jìn)出口邊所在軸面的輻角之差（假設(shè)出口邊在同一軸面內(nèi)時(shí)）。流面：以空間流線為母線繞軸線旋轉(zhuǎn)一周形成的迴轉(zhuǎn)面。2024/7/1916流面成因及類(lèi)型

流體流經(jīng)葉片的表面可視為流面，那么流體流過(guò)相鄰葉片間可視為流經(jīng)多個(gè)流面。由于各種轉(zhuǎn)輪葉片的流線形狀不同，從而形成了不同形狀的流面。徑流式——流面近似于平面?；炝魇健髅鏋槔刃慰臻g曲面，屬于空間環(huán)列葉柵。軸流式——流面近似于圓柱面。2024/7/19172024/7/1918二、葉片式流體機(jī)械的基本方程1、流體機(jī)械的基本方程2、推導(dǎo)基本方程的假設(shè)3、方程的推導(dǎo)過(guò)程4、基本方程的物理意義2024/7/19191、流體機(jī)械的基本方程流體機(jī)械的基本方程--歐拉方程2024/7/1920２、葉片式流體機(jī)械歐拉方程假設(shè)：1、流體為理想流體——流動(dòng)損失為零2、葉片數(shù)無(wú)限多，厚度無(wú)限薄——流動(dòng)是軸對(duì)稱(chēng)的3、相對(duì)流動(dòng)是定常的2024/7/1921３、方程的推導(dǎo)過(guò)程2024/7/19222024/7/19232024/7/19242024/7/19252024/7/19262024/7/1927４、基本方程的物理意義2024/7/1928三、主要過(guò)流部件的工作原理

（一）、原動(dòng)機(jī)過(guò)流部件的工作原理（二）、工作機(jī)過(guò)流部件的工作原理2024/7/1929（一）、原動(dòng)機(jī)過(guò)流部件的工作原理原動(dòng)機(jī)以水輪機(jī)為例水輪機(jī)過(guò)流部件：反擊式：引水室，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪，尾水管沖擊式：噴管，噴嘴，轉(zhuǎn)輪2024/7/1930（1）引水室作用：將水流均勻引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，并形成一定速度環(huán)量（閉式引水室）類(lèi)型：a．開(kāi)式（明槽）適于Ｈ＜10m，D1＜2m小型機(jī)

b．閉式：⑴罐式Ｈ=6~25m，D1≤2m臥式機(jī)

⑵貫流式

⑶蝸殼適合各種Ｈ的水輪機(jī)2024/7/19311）、明槽：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于澆注砼但受Ｖ限制（∵槽形引水室的內(nèi)壁造成水流的非均勻流動(dòng)——Ｄ、導(dǎo)致進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水流方向不一致。若Ｈ↑，Ｃ↑，為減少Δh→平面尺寸↑↑；另外Ｈ↑主軸長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)必須布置在水平面以上，致結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜化，土建費(fèi)用增加，∴適于低Ｈ的小型機(jī)。2）、罐式：１））水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)入口急劇轉(zhuǎn)彎→致流速沿導(dǎo)葉高度分布不均勻；２））尾水管，對(duì)水流產(chǎn)生干擾——Δh↑，η↓，較少采用。蝸殼：水流一方面繞導(dǎo)水機(jī)構(gòu)作圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面作徑向運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)水流均勻，對(duì)稱(chēng)地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)——具有較好的引水作用，η↑。就這三種形式引水室（同開(kāi)式，罐式）相比，蝸殼結(jié)構(gòu)緊驟，ηh↑,可減小廠房尺寸及土建投資，而且大部分部件布置在水外（導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)等），便于維修，∴它廣泛用于各種水頭的反擊式水輪機(jī)，而明槽→水內(nèi)調(diào)節(jié)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，我們后面主要學(xué)習(xí)蝸殼引水室。2024/7/19323）、蝸殼形式：１．砼蝸殼（多邊形斷面）Ｈ＜４０m

２．金屬蝸殼（圓斷面）Ｈ＞４０m

多邊形斷面的砼蝸殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于施工（便于工作模板澆注砼）但Ｈ較高時(shí)仍采用砼蝸殼：為滿足強(qiáng)度條件→須在砼中鋪設(shè)大量鋼筋和金屬里襯板，反而投資高于金屬蝸殼，失去了優(yōu)越性。圓斷面的金屬蝸殼受力條件好，用于Ｈ＞４０m水輪機(jī)。蝸殼包角θ０——從蝸殼鼻端（尾部）至進(jìn)口斷面間的角度。尾部——考慮蝸殼尾部同座環(huán)連接而采用的特殊固定導(dǎo)葉，∴以該導(dǎo)葉出水邊作為蝸殼的尾端。

θ０反映了蝸殼包圍導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的程度，我們國(guó)家統(tǒng)一采用垂直于引水管軸線的+x方向斷面作為蝸殼的計(jì)算進(jìn)口斷面。2024/7/19334）、渦殼中的流動(dòng)特點(diǎn)：常用Ｃuｒ=Const——蝸殼中水流按等速度矩規(guī)律運(yùn)動(dòng)?！呶仛ぶ袥](méi)有任何產(chǎn)生旋渦的固體，即水流不對(duì)外作功→∴認(rèn)為蝸殼中的水流滿足軸對(duì)稱(chēng)有勢(shì)流動(dòng)，其速度矩Ｃur=Const。統(tǒng)一圓周Cu=Const；沿圓周方向δ＝Const,蝸殼內(nèi)廓線為等角螺旋線。特點(diǎn)：均勻，軸對(duì)稱(chēng)引導(dǎo)水流（蝸殼中任一點(diǎn)Ｃur=Const，∴Ｃr是軸對(duì)稱(chēng)的）2024/7/19345）、固定導(dǎo)葉的流動(dòng)特點(diǎn)：通常不改變蝸殼形成的環(huán)量——導(dǎo)葉骨線為蝸殼等角螺旋線的延伸。座環(huán)為蝸殼的一部分，作用：將水流均勻引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)并且承載作為繞流部件的固定導(dǎo)葉，通常設(shè)計(jì)成不改變蝸殼形成的環(huán)量，即沿固導(dǎo)進(jìn)出口的水流服從Ｃr=const，其骨線為蝸殼中等角螺旋線的延伸。2024/7/1935(2)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)1、作用：按負(fù)荷變化調(diào)節(jié)流量，形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的速度環(huán)量，停機(jī)和防飛逸（甩負(fù)荷時(shí)）

2、流量調(diào)節(jié)方程式（以徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為例）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)重要參數(shù)：1））導(dǎo)水出流角α０：指導(dǎo)葉出口處骨線與圓周方向的夾角（注：導(dǎo)葉出口角＝）導(dǎo)水出流角

∵導(dǎo)葉數(shù)較多（Ｚ０＝１６～３２），且沿圓周均布→稠密環(huán)列葉柵

∴可視葉片無(wú)窮多，無(wú)限薄——導(dǎo)葉出口角＝導(dǎo)水出流角（水流繞流導(dǎo)葉時(shí)沒(méi)有偏流作用）2））導(dǎo)葉開(kāi)度α０——指從一個(gè)導(dǎo)葉出口邊至相鄰葉片表面的最短距離表征流量調(diào)節(jié)中導(dǎo)葉安放位置的參變量。2024/7/1936水輪機(jī)的流量調(diào)節(jié)方程：假設(shè)：（１）導(dǎo)葉出口至轉(zhuǎn)輪進(jìn)口間Ｃur＝ConstCu0r0＝Cu1r1

水流流經(jīng)導(dǎo)葉出口——轉(zhuǎn)輪進(jìn)口這一段“無(wú)葉片區(qū)”時(shí)沒(méi)有受到外力作用（忽略摩擦損失影響）水流服從等速度矩規(guī)律。（２）Ｃr0,Cm2均布Ｃr0——導(dǎo)葉出口徑向速度；

Cm2——轉(zhuǎn)輪出口邊軸面速度。Ｃr0＝qv/(2πr0b0)r0——導(dǎo)葉出口邊半徑

Cm2＝qv/Ａ２Ａ２——轉(zhuǎn)輪出口出的過(guò)流面積

2024/7/1937由水輪機(jī)基本方程ηhgH=ω（Cu1r1－Cu2r2）②

由①Cu1＝Cu0r0／r1＝Ｃr0r0ctgα０/r1=qvctgα０/(2πr1b0)③Cu2＝u2－Cm2ctgβ２＝u2－qvctgβ２/Ａ２

④

考慮負(fù)荷變化時(shí)非法向出口代③，④入②整理：2024/7/1938(3)尾水管作用：1、匯集轉(zhuǎn)輪出口處水流，引向下游；2、利用了轉(zhuǎn)輪出口至下游水面的位能Z2;3、回收轉(zhuǎn)輪出口部分動(dòng)能（（C22-C52）/2g）2024/7/1939（4）噴嘴和噴針噴嘴和噴針是切擊式水輪機(jī)的重要部件。噴嘴和噴針：組成水斗式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。噴嘴是噴針的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)進(jìn)入斗葉的流量。工作原理：噴嘴和噴針頭間構(gòu)成了一個(gè)逐漸收縮的斷面，使水流通過(guò)噴嘴時(shí)逐漸加速，到噴嘴口以最高速度噴射出去（形成一股密實(shí)的水柱），∴噴嘴是一個(gè)把水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的部件。噴針：水斗式水輪機(jī)的流量調(diào)節(jié)是靠改變噴針的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)作：當(dāng)噴針向外移動(dòng)時(shí)噴嘴口S↓，射流直徑d0↓,qv↓移到極限位置→qv=0，向內(nèi)移動(dòng)→qv↑2024/7/1940（二）、工作機(jī)過(guò)流部件的工作原理工作機(jī)以水泵為例（1）吸入室

（2）壓水室2024/7/1941（1）吸入室1作用：向葉輪提供大小合適，均勻分布的速度入水流。2類(lèi)型：直錐管形：水力性能好（向葉輪提供均勻軸向入流速度）彎形：其在葉輪有一段直錐式收縮管，也具有直錐管吸入室的特點(diǎn)。環(huán)形：其各軸面內(nèi)斷面性狀均相同一軸向?qū)^小，但存在沖擊和囝渦，液流速度分布不均勻。半旋渦形：廣泛用于雙吸或蝸殼式多節(jié)泵中2024/7/1942（2）壓水室1．作用：

①將葉輪流出的液體收集起來(lái)并送往下一級(jí)葉輪入口或壓出管道

②將液體的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能

③消除液體流出葉輪后的速度環(huán)量2．類(lèi)型：蝸殼（螺旋形壓水室）環(huán)形壓水室葉片式擴(kuò)壓器（葉片式壓水室）2024/7/1943葉片式壓出室（葉片式擴(kuò)壓器）：

①、徑向式導(dǎo)葉

②、流道式導(dǎo)葉

③、葉片式導(dǎo)葉（空間導(dǎo)葉）其中①②常用于節(jié)段式多級(jí)泵，③常用于深井泵，潛水泵，混流泵等。2024/7/1944四、流體機(jī)械內(nèi)的能量損失及效率

（一）容積損失（泄漏損失）△qv

（二）流動(dòng)損失（水力損失）△H或△h（三）機(jī)械損失2024/7/1945（一）容積損失△qv—指轉(zhuǎn)動(dòng)件與固定件之間的間隙的泄漏引起的流量損失。水輪機(jī)：

HL：△qv1：轉(zhuǎn)輪下環(huán)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)底環(huán)間的間隙造成

△qv2：轉(zhuǎn)輪上冠同頂蓋之間的間隙造成（有由泄水孔排走）。

ZL：△qv：轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室的間隙

CJ：△qv

：射流的一部分沒(méi)有進(jìn)入斗葉內(nèi)，射向機(jī)殼（非設(shè)計(jì)工況）

∴水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作功的流量（有效流量）：

qVTH=qV-△qv

對(duì)容積損失的大小，用容積效率ηV表示

ηV=qVTH/qV=（qV-△qv）/qV=1-△qv/qV2024/7/1946水泵：

△qv1：葉片入口處的密封間隙造成（前蓋板；下環(huán)密封部位）；

△qv2

：軸端密封泄漏令：葉輪輸送的理論流量為qVTH

泵葉輪作功的流量（即泵流量）為qV

〈qVTH

理論流量qVTH=qV+△qv

泵的容積效率ηV

=qV/△qv2024/7/1947（二）流動(dòng)損失

△H（△h）-指由于介質(zhì)決有粘性而在流動(dòng)過(guò)程中引起的水頭損失（能頭損失）。1、摩擦損失（水力學(xué)中的沿程損失）—發(fā)生于邊界層中；2、沖擊損失；β≠βb△β(沖角繞流)引起葉片表面流動(dòng)分離；3、分離層損失；發(fā)生在沿流動(dòng)方向壓力升高(逆壓梯度)情況如T—尾水管,泵—壓誰(shuí)室中；4、二次回流損失。2024/7/1948（三）機(jī)械損失

軸承、軸封等處的默察損失（固體）指密封材料與轉(zhuǎn)動(dòng)部分產(chǎn)生的摩擦損失（水泵中的填料函；水輪機(jī)中的主軸密封）而引起的功率損耗。圓盤(pán)摩擦損失（流體與轉(zhuǎn)輪外表面的向的摩擦損失）指水力機(jī)械的轉(zhuǎn)輪外表面與周?chē)后w和空氣摩擦而產(chǎn)生的損失（一般將其成為內(nèi)部機(jī)械損失，包括在機(jī)械損失項(xiàng)中）。

2024/7/1949機(jī)械效率水輪機(jī)：水泵：

2024/7/1950五、變工況時(shí)能量轉(zhuǎn)換的影響

（一）、最優(yōu)工況（設(shè)計(jì)工況）（二）、變工況2024/7/1951（一）最優(yōu)工況最優(yōu)工況的條件：

⑴．無(wú)撞擊進(jìn)口

⑵．法向出口或略具正環(huán)量出口2024/7/1952無(wú)撞擊進(jìn)口

指轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的相對(duì)速度W1與葉片骨線相切（水位角=安放角），當(dāng)，無(wú)撞擊的入流條件，水流平順繞流葉片，2024/7/1953法向出口

⑴——減少尾水管中的摩擦損失；⑵出口動(dòng)能具有最小值→減少水力損失⑶改善尾水管對(duì)轉(zhuǎn)輪出口動(dòng)能的回收前提：出口處：相對(duì)流速與葉片骨線相切（）出口動(dòng)能：

2024/7/19542024/7/1955（二）變工況

由于用戶(hù)對(duì)負(fù)荷的要求是變化的，電網(wǎng)負(fù)荷也在不停地變化，其變化規(guī)律如下圖：2024/7/1956定漿式水輪機(jī)（βb=const）1、qv變化（H、n=const）轉(zhuǎn)輪進(jìn)口（以高水頭的混流式（HL）機(jī)組為例）。α0=α1

令最優(yōu)工況下的流量為qv0

滿足關(guān)系：qv變化→a0變化→α0變化，高水頭的混流式機(jī)組，α0=α1（導(dǎo)葉出口至轉(zhuǎn)輪進(jìn)口邊）a0變化→α0變化→α1變化。2024/7/195710qv〉qv0（流量增加）

a0增加→α0增加→α1/>α1(α1→α1/)qv增加→cm1增加→β1減小，β1/〈βb1-i(負(fù)沖角)

水流撞擊葉片進(jìn)口的背面，在葉片的正面產(chǎn)生脫流漩渦（造成撞擊、脫流和漩渦損失）當(dāng)外界N增加，通過(guò)調(diào)速器控制a0增加→α0=α1增加→cm

增加20qv<qv0(流量減小)a0減小→α0減小→α1減小（α1→α1//）

qv減小→cm1減小→β1增加（β1→β1//）β1//〉βb1+i（正沖角）假定H=const∣C1∣=const,C1的矢端曲線為拋物線。

2024/7/1958轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)（ZZ、XZ）

同HL和ZD水輪機(jī)相比，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)具有雙重調(diào)節(jié)特點(diǎn)，隨工況變化，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的動(dòng)作、導(dǎo)葉開(kāi)度變化的同時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片也相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一角度（Φ），即葉片安放角度（通過(guò)調(diào)速口控制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和葉片操作機(jī)構(gòu)協(xié)聯(lián)動(dòng)作，使轉(zhuǎn)輪進(jìn)口較接近無(wú)撞擊進(jìn)口，出口較接近最優(yōu)出流的法向出口或略具正環(huán)量出口。所以，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)能在相當(dāng)寬廣的H和范圍內(nèi)獲得比較高的，同時(shí)可使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。特點(diǎn)：2024/7/19592024/7/1960H變化（;）轉(zhuǎn)輪進(jìn)口前提條件：（）

C1方向不變，僅是數(shù)值發(fā)生變化，速度三角形如圖，轉(zhuǎn)輪速度三角形情況同于流量變化情況。定槳式機(jī)組經(jīng)常不允許在低H下運(yùn)行。

2024/7/1961不同工況下泵內(nèi)的流動(dòng)（一）、最優(yōu)工況（二）、變工況2024/7/19622024/7/1963變工況1、qv變化：2、n變化（qv=const）2024/7/19642024/7/1965六、有限葉片數(shù)的影響

（一）、有限葉片數(shù)對(duì)能量轉(zhuǎn)換的影響；（二）、滑移系數(shù)。

2024/7/1966（一）、對(duì)能量的影響

有限數(shù)造成n′偏轉(zhuǎn)不足β2≠βb2——出現(xiàn)滑移現(xiàn)象（功率縮減）。因?yàn)樵谟邢奕~片組成的轉(zhuǎn)輪流道中，葉片對(duì)液流的導(dǎo)向能力減弱，所以液流的慣性作用，致出口的液流角≠安放角。如下圖所示，軸流轉(zhuǎn)輪的直列葉柵進(jìn)出口速度三角形。

其中：S點(diǎn)、P點(diǎn)代表無(wú)窮葉片數(shù)情況；

S′點(diǎn)、P′點(diǎn)代表有限葉片數(shù)情況。2024/7/1967工作機(jī)：S點(diǎn)為進(jìn)口，P點(diǎn)為出口；原動(dòng)機(jī)：S點(diǎn)為出口，P點(diǎn)為進(jìn)口。觀察在有限葉片數(shù)情況時(shí)兩機(jī)葉片出口的速度三角形:工作機(jī)：β2＜βb2出口速度矢量差PP′=△Cu2=△Wu2=Wp-Wp′△Cu2沿圓周指向u方向原動(dòng)機(jī)：β2＞βb2出口速度矢量差SS′=△Cu2=△Wu2=Ws-Ws′△Cu2指向u方向?qū)δ芰哭D(zhuǎn)換的影響由歐拉方程式（考慮有限葉片數(shù)時(shí)）工作機(jī)：Hth=gHth=Pth／ρ=upCup′-usCus原動(dòng)機(jī)：Hth=gHth=Pth／ρ=upCup-usCus′∵在工作機(jī)中：Cup′＜Cup，原動(dòng)機(jī)中：Cus′＜Cus∴兩種情況均存在Hth＜Hth∞（即由葉片有限影響，造成液流不充分）2024/7/1968（二）、滑移現(xiàn)象滑移系數(shù)定義：

10、利用△Cu2=Cu2∞-Cu2的值定義。

σ=1－△C2u／u220

、利用hth(Hth)與hth∞(Hth∞)定