叶轮机械的基本理论讲义.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,第二章 叶轮机械的基本理论,在实际叶轮机械中的流动是非常复杂的：是,三元、不稳定的粘性流动,，还有可能是,超音速的流动,同时，叶轮机械的几何形状和尺寸也是非常复杂的为了分析方便，往往对复杂的流动进行简化处理，如在流体机械中的流动是：,（,1,）,稳定流动：,即流体通过计算面某一点的参数不随时间的变化而变化2,）一元流动：,即流体通过计算面时，其参数只沿流动方向变化，而在与流,动方向相垂直的截面不变化3,）和外界没有热交换：,即绝热流动4,）不考虑粘性的局部影响,只考虑整体上的能量损失这样简化处理之后，能够满足工程要求2,第一节 叶轮机械的典型结构,一、典型结构,叶轮机械有汽轮机、燃气轮机、叶轮泵、透平压缩机、风机，其结构大体相同，也有区别，其共同特点：,离心式工作机,单级单吸离心泵和通风机,（图,21,，图,22,）：其,通流部分,由,吸入口,（进气口）、,叶轮、涡壳,组成。

两,轴承,在叶轮的一侧，叶轮悬臂，流体轴向吸入液体机械，多为铸件或锻件；风机一般为薄板冲压后焊接成型3,工作过程：,工作机由电动机带动旋转，在叶片作用下，形成吸入力，使叶轮中的流体获得能量，进入涡壳，此时流体速度降低，压力升高，然后从扩散管流出由于叶轮连续运转，流通就不断地由叶轮吸入和排出，转轴的机械能就不断地转换为流体的压力能和速度能4,双吸单级离心泵,（图,2-3,）：其通流部分由,吸入口,（进气口）、,叶轮、涡壳,组成其叶轮相当于两个单吸叶轮背靠背联成一体，流体从叶轮两侧吸入，故吸入流量大这种结构的吸入室复杂，流体常常是径向流入5,多级离心泵,（图,2-4,）,图,2-4,为,4,级离心泵，有,4,个,叶轮、吸入室、涡壳,和,4,个,径向导叶,和,反导板,组成多级机器的功率大双吸单级离心通风机、鼓风机,和,多级离心压缩机,和,泵,结构类似6,轴流式原动机,（图,25,）,图,25,所示为,单级汽轮机,示意图具有一定压力、温度的蒸汽首先在喷嘴中膨胀加速，其压力降低、温度降低，速度增加将热能转换成高速汽流的动能；然后进入动叶通道，汽流受到动叶形状的阻碍，改变方向，产生对叶片的作用力，推动叶轮旋转做功。

完成能量转换过程图,2-5,）,7,3.,轴流式工作机,单级轴流通风机,（图,2-6,）：其通流部分由,集风器、叶轮、导叶,和,扩散管,组成工作过程：,气流进入集流器（吸入室），在叶轮中得到能量，在导叶,3,内速度减小，压力提高，改变方向，最后在扩散管内进一步减小速度，压力进一步提高8,4.,原动机和工作机联合装置,：,透平膨胀机,（图,2-7,）,从压缩机来的高温、高压空气通过,透平膨胀机,，其温度下降，在膨胀机叶轮上的作功由,制动风机叶轮,所消耗如图所示，两叶轮完全对称，为,径,轴流式、单级、单吸,9,增压器,（,图,2-8,）所示为内燃机用的增压器，由由,吸入口、叶轮、叶片扩压器,和,涡壳,组成增压器由膨胀机（右边所示）拖动10,航空涡轮喷气发动机,（图,2-9,）：其中有,17,级的轴流压气机,和,3,级轴流式气轮机（涡轮）,每一级都有各自的,导向叶片,11,二、,级,级,叶轮,机,机械,的,的级,是,是由,一,一组,固,固定,的,的导向,叶,叶片（静,叶,叶栅,、,、喷,嘴,嘴叶,栅,栅）,和,和一,组,组安,装,装在,动,动叶,轮,轮上,一,一组动叶,片,片所组,成,成它,它是,叶,叶轮,机,机械,最小,的,的工,作,作单,元,元,。

图,2-10,为,叶轮,立,立体,图,图；,叶轮,是,是流,体,体（,工,工质,）,）能,量,量与,外,外界,机,机械,功,功进,行,行传,递,递的,唯,唯一,部,部件,12,图,2-10,为,径流,式,式级,（,a),为,压缩,机,机械,，（,b),膨胀,机,机械,其,中,中，,压缩,机,机械,是外,界,界输,入,入机,械,械功,给,给流,体,体；,膨胀,机,机械,是流,体,体对,外,外输,出,出机,械,械功,13,图,211,轴流,式,式级,，实,线,线方,向,向为,压缩,机,机械,，虚,线,线方,向,向为,膨胀,机,机械,通风,机,机,和,泵,常用,单,单级,结,结构,，,，即,一,一个,进,进气,室,室、,一,一个,叶,叶轮,、,、一,个,个涡,壳,壳组,成,成径,径流,式,式涡,轮,轮机,也,也多,用,用单,级,级结,构,构但,但,单级,机,机器,出,出口,压,压力,小,小，,须,须采,用,用多,级,级串,联,联形,式,式,如,多,多级,汽,汽轮,机,机、,多,多级,压,压缩,机,机14,第二,节,节,流,流,体,体在,叶,叶轮,中,中的,运,运动,分,分析,一、,叶,叶轮,流,流道,投,投影,图,图,左图,的,的叶,片,片一,般,般为,空,空间,曲,曲面,，,，是,关,关于,轴,轴对,称,称的,，,，故,用,用柱,面,面坐,标,标表,示,示为,方,方便,。

用,z,轴表,示,示轴,向,向，,r,为半,径,径方,向,向，,为圆,周,周方,向,向则,则叶,片,片表,面,面可,用,用曲,面,面方,程,程表,示,示,（,2-1,）,叶片,上,上任,意,意一,点,点的,空,空间,位,位置,，,，可,用,用坐,标,标（,）,）,表,表示,轴面,投,投影,图,图和平面,投,投影,图,图：轴,面,面是,指,指过,叶,叶轮,轴,轴线,的,的平,面,面（,子,子午,面,面）,轴,面,面投,影,影图,是,是将,每,每一,点,点绕,轴,轴线,旋,旋转,一,一定,角,角度,到,到同,一,一轴,面,面而,成,成15,二、,流,流体,在,在叶,轮,轮中,的,的流,动,动速,度,度,在圆,柱,柱坐,标,标系,中,中，,任,任意,矢,矢量,可,可用,其,其在,三,三个,方,方向,上,上的,分,分量,表,表示,速,度,度矢,量,量,c,分解,为,为圆,周,周、,径,径向,和,和轴,向,向三,个,个分,量,量,（,22,）,径向,分,分量和轴向,分,分量的合,成,成为,（,23,）,称为轴面,速,速度，它,和,和圆,周,周速,度,度合,成,成速,度,度矢,量,量,（,24,）,各分,量,量均,为,为正,交,交，,故,故有,（,25,）,16,叶轮,的,的流,线,线为,空,空间,曲,曲线,，,，则,空,空间,曲,曲线,绕,绕轴,旋,旋转,一,一周,所,所形,成,成的,回,回转,面,面称,为,为流,面,面，,回,回转,面,面与,轴,轴面,的,的交,线,线就,是,是流,线,线的,轴,轴面,投,投影,称,称为,轴,轴面,流,流线,（,（图,214,）,三、,绝,绝对,运,运动,与,与相,对,对运,动,动,由于,叶,叶轮,在,在旋,转,转，,故,故流,体,体质,点,点相,对,对于,静,静坐,标,标系,的,的绝,对,对运,动,动与,相,相对,于,于叶,轮,轮的,运,运动,是,是不,同,同的,。

如,图,图,217,为径,流,流式,叶,叶轮,中,中流,体,体流,动,动情,况,况a,为叶,轮,轮不,动,动时,流,流体,在,在叶,轮,轮中,的,的流,线,线b,为叶,轮,轮转,动,动时,叶,叶轮,上,上固,体,体质,点,点运,动,动轨,迹,迹，,c,为叶,轮,轮绝,对,对运,动,动的,轨,轨迹,图,218,为轴,流,流式,叶,叶轮,中,中的,相,相对,与,与绝,对,对运,动,动根,根据,速,速度,合,合成,，,，则绝对,速,速度,是,是相,对,对速,度,度和,牵,牵连,速,速度,之,之矢,量,量和2,7,）,图,217,图,218,其中,，,，,c,为绝,对,对速,度,度，,w,为相,对,对速,度,度，,u,为圆,周,周速,度,度17,图,2-19,为速,度,度三,角,角形,C,和,w,可分,解,解为,圆,圆周,分,分量,和,和周,向,向分,量,量即,即,（,28,）,图,2-19,18,第三,节,节,叶,叶,轮,轮机,械,械的,基,基本,方,方程,式,式,一、,叶,叶轮,进,进出,口,口速,度,度三,角,角形,：,：,对于,叶,叶轮,旋,旋转,机,机械,，,，流,体,体相,对,对于,绝,绝对,坐,坐标,系,系的,速,速度,用,用绝对,速,速度,c,表示,，,，关,于,于相,对,对坐,标,标系,的,的速,度,度用相对,速,速度,w,表示,，,，流,体,体随,叶,叶轮,一,一起,旋,旋转,的,的速,度,度称圆周,速,速度,u,，三,者,者的,关,关系,为,为,上式,如,如图,2-12,所示,。

图,中,中（,如,如泵,、,、风,机,机、,压,压缩,机,机、,反,反击,式,式水,轮,轮机,等,等）,，,，绝对,速,速度,c,和圆周,速,速度,u,的正,向,向夹,角,角为,，相对,速,速度,w,和圆,周,周速,度,度,u,的反,向,向夹,角,角为,，下,标,标,1,、,2,分别,表,表示,进,进、,出,出口,处,处但,但,在,在涡,轮,轮机,中,中，,表示,相,相对,速,速度,w,和圆,周,周速,度,度,u,的正,向,向夹,角,角，,而,而相,对,对速,度,度,w,和圆,周,周速,度,度,u,的反,向,向夹,角,角为,*其,其进,出,出口,速,速度,三,三角,形,形如,图,图2-13b,所,所示,19,20,轴流,式,式级,叶,叶轮,进出,口,口速,度,度三,角,角形,如,如图,2-14a,b,所示,21,二、,动,动量,定,定理,和,和动,量,量矩,定,定理,动量,定,定理,用于,叶,叶轮,机,机械,中,中力,的,的分,析,析计,算,算动,动量,定,定理,可,可表,达,达成,上示,中,中，,F,t,冲量,；,；,m,c,动量,变,变化,；,；,质量,流,流量,22,2.,动量,矩,矩定,理,理,广泛,用,用于,叶,叶轮,机,机械,中,中。

应,应用,于,于叶,轮,轮时,，,，可,以,以得,到,到叶,轮,轮与,外,外界,所,所传,递,递的,能,能量,用,于,于静,止,止部,分,分可,分,分析,流,流体,参,参数,的,的变,化,化如,如图,2-18,，当流体,作,作一元流,动,动时，,流体质量,m,在,t,时间从位,置,置,1-2,流到位置,1-2,因,1-2,之间的流,体,体动量矩,不,不变，故,流体质量,m,在时间,t,内总的动,量,量矩变化,可,可看作两,个,个基本体,积,积,1-1,和,2-2,的动量矩,之,之差,根据连,续,续性，两,个,个基本体,积,积,1-1,和,2-2,的质量,m,相同,图,2-19,23,因径向分,速,速,和,和,z,轴垂直相,交,交，轴向,分,分速,和,和,z,轴平行，,则,则径向、,轴,轴向都无,动,动量矩动量矩变,化,化为,m(),（,为,为圆周分,速,速）由,由,动量矩定,律,律,式中：质,量,量流量,=,m/,t,；,外力矩,包,包括,作,作用于流,体,体质量,m,上所有的,外,外力矩外,外力有重,力,力、,1-1,、,2-2,面上压力,、,、叶轮力,，,，因轴对,称,称，重力,矩,矩之代数,和,和为零；,1-1,、,2-2,面上压力,和,和,z,轴垂直，,或,或和,z,轴平行，,无,无矩。

所,以,以，,外力矩,就,就是叶,轮,轮力矩24,三、欧拉,方,方程,将动量矩,方,方程应用,于,于叶轮内,的,的流通，,则,则可以求,得,得叶轮与,流,流体互相,作,作用的力,矩,矩如图,229,单位时间。