水力機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法第一章：水力機(jī)械概述

1、華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械原理與設(shè)計(jì),主講教師：孫建平 張雙全,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,第一章 水力機(jī)械概述,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,第一節(jié) 水力機(jī)械的定義,流體機(jī)械是指以流體為工作介質(zhì)的機(jī)械設(shè)備。 流體機(jī)械的工作過(guò)程，是流體的能量與機(jī)械的機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程或是不同能量的流體之間能量傳遞的過(guò)程。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)： 能量傳遞的方向不同,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,原動(dòng)機(jī)將流體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能用于驅(qū)動(dòng)其他的

2、機(jī)械設(shè)備。 水輪機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力機(jī)、各種液壓馬達(dá)和各種氣動(dòng)工具等。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,工作機(jī)則將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體的能量，以便將 流體輸送到高處 有更高壓力的空間 克服管路阻力將流體輸送到遠(yuǎn)處 例如各種泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,流體機(jī)械可分成容積式和葉片式： 取決于流體與機(jī)械相互作用的方式。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,容積式流體機(jī)械： 工作介質(zhì)處于一個(gè)或多個(gè)封閉的工作腔中，工作腔的容積是變化的，機(jī)械與流體之間的相互作用力主要是靜壓力。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)

3、力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,例如往復(fù)活塞式流體機(jī)械： 活塞與缸體形成一個(gè)封閉工作腔，介質(zhì)與機(jī)械間的相互作用力為活塞表面的壓力。 當(dāng)介質(zhì)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，是原動(dòng)機(jī)。當(dāng)活塞推動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，是工作機(jī)。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,葉片式流體機(jī)械的特點(diǎn)： 具有一個(gè)帶有葉片（動(dòng)葉）的轉(zhuǎn)子（葉輪impeller或轉(zhuǎn)輪runer）； 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； 流體由殼體與靜止葉柵的引入。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,渦殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概

4、述,泵體、葉輪、導(dǎo)葉,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,葉片式機(jī)器中流體圓周分速度的變化及其意義：,原動(dòng)機(jī)： cu=0 （渦殼）導(dǎo)葉 cu 葉輪 cu=0 工作機(jī)： cu=0 葉輪 cu 導(dǎo)葉（渦殼） cu=0,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,結(jié)論： 葉輪進(jìn)、出口cu的變化與葉輪所轉(zhuǎn)換的能量成正比； 機(jī)器進(jìn)口處通常沒(méi)有cu 機(jī)器出口處，通常不希望有cu 通過(guò)動(dòng)葉與靜葉以及渦殼的配合，可以滿(mǎn)足以上要求。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,葉片式流體機(jī)械可分成反擊式和沖擊式： 取決于流體在葉輪內(nèi)的壓力與速度的變化情況,

5、華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,反擊式葉輪： 流體的壓力和速度都發(fā)生變化，流體與葉片交換的能量中既有壓力能（勢(shì)能）也有速度能（動(dòng)能）；,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,反擊式機(jī)器包括： （軸流式、徑流式和混流式（斜流式）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,軸流式機(jī)組,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,在反擊式機(jī)器中： 原動(dòng)機(jī) 靜葉：c，p，但p0；葉輪（轉(zhuǎn)輪）中，c，p 工作機(jī) 葉輪（轉(zhuǎn)輪）中，c，p，靜葉中，c，p,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,沖擊式葉輪

6、： 流體的壓力是不變的，流體與葉片交換的能量中只有速度能（動(dòng)能）。,原動(dòng)機(jī) 靜葉：c，p至 p=0；葉輪（轉(zhuǎn)輪）中，c，p不變 工作機(jī)無(wú)沖擊式！,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,沖擊式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（水斗）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,水力機(jī)械： 以液體為工作介質(zhì)葉片式,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,水力機(jī)械的主要類(lèi)型有： 切擊式水輪機(jī)、雙擊式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)

7、、軸流式水輪機(jī)、離心泵、混流泵、斜流泵、軸流泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,第二節(jié) 水力機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用,電力工業(yè) 水利工程 化學(xué)工業(yè) 石油工業(yè) 采礦工業(yè) 航天技術(shù) 環(huán)保部門(mén),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,第三節(jié) 水力機(jī)械的主要性能參數(shù),流量、水頭（揚(yáng)程）、轉(zhuǎn)速、效率、空蝕、水壓脈動(dòng)參數(shù)，稱(chēng)為水力機(jī)械的性能參數(shù)。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,一、流量Q,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)機(jī)器的介質(zhì)的量（體積或質(zhì)量）稱(chēng)為流量。 體積流量 ：?jiǎn)挝粸閙3s、ls或m3h 質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粸閗gs、kgmin或kgh,華中科

8、技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,二、水頭、揚(yáng)程,以液柱高度表示的機(jī)器進(jìn)、出口斷面單位數(shù)量液體能量的差值H 水輪機(jī)中：稱(chēng)為水頭 葉片泵中：稱(chēng)為揚(yáng)程 單位：m（NmNm）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,計(jì)算公式：,號(hào)是分別用于泵與水輪機(jī)，液體通過(guò)泵時(shí)吸收能量，而通過(guò)水輪機(jī)時(shí)釋放能量。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,電站水頭與電站靜水頭的關(guān)系：,水輪機(jī)水頭與電站水頭的關(guān)系：,H為引水管路的水力損失,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,泵裝置揚(yáng)程 ：,H全部管路損失的總和 裝置揚(yáng)程：泵將單位重力液

9、體介質(zhì)從下游容器抽送到上游容器所做的功。 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，裝置揚(yáng)程必等于泵的揚(yáng)程。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,裝置靜揚(yáng)程,揚(yáng)程之間的關(guān)系,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,三、轉(zhuǎn)速n,轉(zhuǎn)速n是葉輪（轉(zhuǎn)輪）旋轉(zhuǎn)的速度。 單位：轉(zhuǎn)每分（rmin）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,四、功率P與效率,工作機(jī)（泵）： 功率P為機(jī)器的輸入功率 原動(dòng)機(jī)（水輪機(jī)）： 功率P為機(jī)器的輸出功率 單位：kW,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)機(jī)器的介質(zhì)的能量變化總量（流體功率）可表示

10、為,損失的存在，機(jī)器功率與流體功率之間有一差值P。用效率來(lái)衡量損失的大小，則有,或,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,五、葉片式流體機(jī)械的特性曲線(xiàn),水力機(jī)械的各個(gè)性能參數(shù)并不是固定的，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，將隨著環(huán)境和調(diào)節(jié)過(guò)程而變化。但各參數(shù)的變化并不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。一般說(shuō)來(lái)，可將水頭（揚(yáng)程）H、功率P和效率視為轉(zhuǎn)速n和流量q的函數(shù)。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,泵性能曲線(xiàn)：,注意工況的概念 最優(yōu)工況 設(shè)計(jì)工況,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,第四節(jié) 水力機(jī)械的結(jié)構(gòu)形式,一、葉輪的配置方式,多級(jí)配置,華

11、中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,多流配置,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,二、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,軸流式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,導(dǎo)水機(jī)構(gòu),活動(dòng)導(dǎo)葉,固定導(dǎo)葉,轉(zhuǎn)輪,蝸殼,尾水管,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,貫流式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,活動(dòng)導(dǎo)葉,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)輪葉片,尾水管,全貫流式：,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,燈泡貫流式水輪機(jī),華中科

12、技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)輪,尾水管,轉(zhuǎn)輪,活動(dòng)導(dǎo)葉,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,混流式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,斜流式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,切擊式水輪機(jī),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,三、葉片泵的結(jié)構(gòu),用途廣泛，結(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,單級(jí)

13、單吸懸臂式離心泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,單級(jí)雙吸水平中開(kāi)式離心泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,壓水室為雙渦殼,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,潛污泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,節(jié)段式多級(jí)泵,進(jìn)水段,出水段,平衡盤(pán),導(dǎo)葉,葉輪,華

14、中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,雙殼泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,雙殼體泵,外殼體,內(nèi)殼體（中段）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,蝸殼式多級(jí)泵（水平中開(kāi)式多級(jí)泵 ）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,立式軸流泵,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,四、立式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),不同參數(shù)

15、機(jī)組的結(jié)構(gòu)和尺寸差別很大，按照軸和軸承的數(shù)量和位置并從振動(dòng)試驗(yàn)角度將立式機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為以下幾種：,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,特點(diǎn)： 推力軸承位于發(fā)電機(jī)的上方，三個(gè)導(dǎo)軸承。 運(yùn)行可靠，廠房高度高，機(jī)組結(jié)構(gòu)不夠緊湊。 適用于轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分的中小型機(jī)組。,懸垂式,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,傘式（推力軸承在下機(jī)架上）,特點(diǎn)： 推力軸承位于發(fā)電機(jī)的下面，有二個(gè)導(dǎo)軸承，上機(jī)架為非承重機(jī)架。 機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，可以降低廠房地高度。 適用于轉(zhuǎn)速較低的大型機(jī)組。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,傘式（推力軸承在

16、頂蓋上）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,半傘式（推力軸承在下機(jī)架上）,特點(diǎn)： 推力軸承位于發(fā)電機(jī)的下面，有三個(gè)導(dǎo)軸承，上機(jī)架為非承重機(jī)架。 適用于大型機(jī)組。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,半傘式（推力軸承在頂蓋上）,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,第五節(jié) 水力機(jī)械理論與設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,一、水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)分析,準(zhǔn)三維解： 將三維流動(dòng)簡(jiǎn)化為兩個(gè)相關(guān)二維流面，即s1、s2流面，在s1和s2流面上迭代求解。 三維Euler解： 將三維N-S方程中的

17、粘性項(xiàng)略去，得到三維Euler方程，在求解域中解Euler方程。 三維粘性解： 從平均NS方程出發(fā)，輔以一定的湍流模式，求解平均NS方程。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,二、水力機(jī)械設(shè)計(jì)方法,一元理論： 假定轉(zhuǎn)輪軸面速度沿過(guò)水?dāng)嗝婢鶆蚍植肌?二元理論： 假定轉(zhuǎn)輪軸面流為軸對(duì)稱(chēng)有勢(shì)流動(dòng)。 “一元半”理論： 認(rèn)為轉(zhuǎn)輪軸面流動(dòng)既不是均勻流動(dòng)也不是有勢(shì)流動(dòng)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)直接給定軸面速度的分布規(guī)律。,華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 避免計(jì)算的困難，不得不引入一些簡(jiǎn)化條件，以求用簡(jiǎn)單的方法對(duì)流動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上確定通流部件的幾何尺寸。由于這些簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的誤差，則通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正或通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。 一般的步驟為： 簡(jiǎn)化 經(jīng)驗(yàn) 數(shù)表 修正 模型試驗(yàn),華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院水機(jī)教研室,HSJ,水力機(jī)械概述,現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，引入內(nèi)部流動(dòng)分析（CFD）、性能預(yù)估計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、工質(zhì)物性計(jì)算以及強(qiáng)度計(jì)算和CAD、CAM等先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展為現(xiàn)代水力機(jī)械的設(shè)計(jì)體系。 直接用三元流動(dòng)分析方法求解反問(wèn)題在技術(shù)上尚有困難，所以實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)依次