第八章葉片式泵與風機的理論第一節(jié)離心式泵與風機的葉輪理論離心式泵與風機是由原動機拖動葉輪旋轉，葉輪上的葉片就對流體做功，從而使流體獲得壓能及動能。因此，葉輪是實現(xiàn)機械能轉換為流體能量的泵與風機的工作過程可以用圖2—l來說明。后沿壓出管道排出。由于葉輪連續(xù)轉動，就形成了泵與風機的連續(xù)工作過程。流體在封閉的葉輪中所獲得的能（靜壓能進出口的壓力差與葉輪轉動角速度的平方成正比關系變越大，但進出口直徑均受一定條件的限制；且與密度成正比關系變化，密度大的流體壓力差也越大。二、流體在葉輪內的運動及速度三角形為討論葉輪與流體相互作用的能量轉換關系，首先分量和絕對速度在軸面(通過泵與風機軸心線所作的平面)上的分量。絕對速度v與圓周速為流動角。葉片切線與圓周速度反方向的夾角，稱為葉片安裝角用βa表示。流體2無限多葉片時的參數(shù)。度使流道有效斷面積減小的程度。求出u、vm及βa后，即可按比例畫出速度三角形。三、能量方程式(歐拉方程式)及其分析(二)能量方程式的分析(1)單位重量和單位體積的理想流體流過無限多葉片葉輪時所獲得的而全風壓與流體密度有關。因此，不同密度的流體所產(chǎn)生的壓力是不同的。lu＝0，流體徑向流人葉輪時，獲得最大的理3比較之下，用提高轉速來提高理論能頭，仍是當前普遍采用的主要方法。當β2a<90°,這種葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉方向相反，如圖2—7(a)所示，稱為當β2a>90°,葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉方向相同，如圖2—7V2uHT∞τ小小大中中中大大小對離心泵而言，為什么一般均采用為β2a=20°~35°范圍的后彎式葉片，而對風機則五、有限葉片葉輪中流體的運動4力，所以流體不轉動，此時箭頭的方向未變，這說明流體內由于本身的慣性保持原有的狀流道就相當于一個繞中心軸旋轉的容器，此時在流道中的流體就有一個和葉輪旋轉方向相而是向葉輪旋轉的反方向轉動了個角度，使流動角β2葉片安裝角β2a，出口速度三角形由v2u<v2u∞,使有限葉片葉輪的理論能頭下降。則數(shù)K來修正無限多葉片葉輪的理論能頭，即六、對流體粘性的修正由于流體粘性，流體在葉輪中產(chǎn)生水力阻力損失，使流體在葉輪中獲得的能頭進一步H=hhHT=KhhHT5七、流體進入葉輪前的預旋流體經(jīng)管道進入葉輪之前，并不是平穩(wěn)的無旋運動，而是具有所示，為具有強制預旋的進口速度三角形。vlm保持不變。強制預旋是由吸人室或背導葉第二節(jié)軸流式泵與風機的葉輪理論一、軸流式泵與風機的特點現(xiàn)代大容量機組的循環(huán)水泵與送、引風機采用這種型式。二、軸流式泵與風機的原理三、翼型及葉柵的空氣動力特性(1)骨架線通過翼型內切圓圓心(2)前緣點＼后緣點骨架線與型線(3)弦長b前緣點與后緣點連接的直線稱弦長或翼弦(4)翼展l垂直于紙面方向葉片的長度(機翼的長度)稱翼展(5)展弦比σ翼展l與弦長b之比稱展弦比6(8)沖角口翼型前來流速度的方向與弦長的夾角稱沖角，沖角在翼弦以下時為正沖角如圖所示，以上時為負沖角。(9)前駐點、后駐點來流接觸翼型后，開始分離的點(此點型。由相同翼型等距排列的翼型系列稱為葉柵。這種葉柵稱為平面直列葉柵，如圖2—18個翼型的繞流情況相同，因此只要研究一個翼型的繞流情況即可。(1)列線或額線葉柵中翼型各對應點(3)軸線與列線相垂直的直線。(4)葉柵稠度弦長與柵距之比。(5)葉片安裝角βa弦長與列線之間的夾角。翼型的空氣動力特性系指翼型上升力和阻力的特性，即這些特性與翼型的幾何形狀、氣流參數(shù)的關系。實際流體繞流翼型時，在翼型上產(chǎn)生一個垂直于來流方向的升力Fy1和的摩擦阻力，是形狀阻力及由于有限翼展而產(chǎn)生的誘導阻力之和。升力系數(shù)cy1和阻力系數(shù)cx1與翼型的幾何形狀及沖角有關。對于各種翼型的cy1和cx17Fy1之間的夾角稱為升力角用符號λ表示。且λ越小，則升力越大而阻力越小，翼型的空氣動力特性越好?？捎蒙堑恼械扔赾x1小的升力角。由于葉柵是由多個單翼型組成的，因此在葉柵中的升力和阻力分別用以下公式計算：板直列葉柵的修正資料，用修正系數(shù)l進行修正。cy1——單個平板的升力系數(shù)。數(shù)自身又很小，對葉柵計算無顯著影響，所以不作修正。對風機流體升壓很小，葉輪進出口軸面速度可視為相等，即va1＝8離心式泵與風機用動量矩定理推導出(2)當β1=β29五、軸流式泵與風機的基本型式導葉可消除葉輪出口處流體的圓周分速，而導向軸向流動，并使這部分動能通過導葉用于高壓風機及水泵。如目產(chǎn)(300Mw)機組使用的軸流式送風機和引風機以及50ZLQ—50葉片角度則只能在停運的情況下調整。零，如圖2—26(c)中虛線所示。這種前置導葉型，流體進入葉輪時的相對速度，比后置導葉型的大，因此能量損失也在設計工況下，前置導葉的出口速度為軸向，當工況變化時，可改變導葉角度來適應第三節(jié)功率、損失與效率從原動機輸入的能量因為存在各種損失不可能全部傳遞給流體。這些損失用相應的效失、效率及其相互關系。有效功率是單位時間內通過泵或風機的流體實際所得到的功率。設流過葉輪的體積流因為風機的能頭用全壓戶表示，所以其有效功率為軸功率是原動機傳給泵或風機軸上的功率。由于泵或風機Pe<P。如果總效率η為已知，則泵的軸功率用下式計風機的用下式計算：原動機功率系指原動機輸出功率。泵用下式計算：原動機輸入功率。泵用下式計算：在選擇原動機時要考慮過載，故應加一富裕量，因此選擇原動機功率為PM=K rgqvH1000ηηtmηgKqvp1000ηηtmηg由泵與風機損失的性質可將其分為三種：機械損失、容積損失和流動損失。軸功率減損失功率與有效功率之間的能量平衡關系。(一)機械損失和機械效率機械損失主要包括軸端密封與軸承的摩擦損失及葉輪前后蓋板外表面與流體之間的圓盤摩擦損失兩部分。軸端密封和軸承的摩擦損失與軸端密封和軸承的結構型式以及輸送流體的密度有關。這項損失的功率約為軸功率的1％一5％，大中型泵中多采用機械密封、浮動密封等結構，軸端密封的摩擦損失就更小。圓盤摩擦損失是因為葉輪在殼體內的流體中旋轉，葉輪兩側的流體，由于受離心力的功率的2％一10是機械損失中的主要部分。由上式可知，圓盤摩擦損失與圓周速度的三次方成正比，與輪外徑成五次方關系增加，而采用提高轉速的方法，則成三次方械損失功率△Pm為即(二)容積損失和容積效率泵與風機由于轉動部件與靜止部件之間存在間隙，當力差，因而使部分由葉輪獲得能量的流體從高壓側通過間隙向低壓側泄漏，這種損失稱為容積損失或泄漏損失。入口與外殼密封環(huán)之間及平衡裝置與外殼之間的容積損失。(三)流動損失和流動效率流動損失發(fā)生在吸人室、葉輪流道、導葉和殼體中。流體和各部分流道壁面摩擦會產(chǎn)摩擦損失用下式計算：對泵與風機來說，由于流道形狀比較復雜，各參數(shù)難以確定，因此可以把全部摩擦擴散損失用下式計算：相對速度方向與葉片進口切線方向之間的夾角稱為沖角α,當泵與風機在設計工況工作時，流體相對沖擊損失用下式計算：應該指出：在正沖角時，由于漩渦區(qū)發(fā)生在葉片非工作面上，因此沖角時小，流動損失最小的點在設計流量的左邊。失用流動效率ηh來衡量。流動效率可用下式表示：(四)泵與風機的總效率泵與風機的總效率等于有效功率與軸功率之比，即風機的總效率又稱全壓效率。因為風機的動壓在全壓中占較大比例，故有靜壓效率。靜壓效率用下式計算：第四節(jié)泵與風機的性能曲線對泵而言，還有汽蝕余量△h。這些參數(shù)之間有著一定的相互聯(lián)系，而反映這些性能參數(shù)間變化關系的曲線，稱為性能曲線。性能曲線通常是指在一定轉速下律以及影響性能曲線的各種因素，仍具有十分重要的意義。一、離心式泵與風機的性能曲線(一)流量與揚程qvT—HT∞（qvT—p）性能曲線設葉片無限多且無限薄并為理想流體時，葉輪出口速度三角形，如圖3—8所示。gπD2b2HT偽=A-BqVTcotβ2aT偽隨流量呈直線關系變化，且直線的斜率由β2a角來確2a<90°(后彎式葉片)為一條自左至右下降的直線，如圖3—9a所示。2.βvT于橫坐標的直線，如圖3—9b所示。它與縱坐標交于A，為一條自左至右上升的直分析qVT—HT∞性能曲線的變化。對于有限數(shù)葉片的葉輪，由于軸向渦流的影還要在qVT—HT曲線上減去因摩為摩擦及擴散損失隨流量的平方散而損失的揚程后即得圖3—10在偏離設計工況時則按拋物線增去因沖擊而損失的揚程后即得d(二)流量與功率(qv一P)性能曲線流量與功率性能曲線，是指在一定轉速下泵與風機的流量與軸功率之間的關系曲線。軸系曲線。流動功率Ph為令A'=KB'=KHT=A'-B'qVTcotβ2aP=(A'-B'qVTcotβ2a)=1(A'qVT-B'qVT2cotβ2a)由此可見，流動功率隨流量的變化為一拋物線關系，其曲線的形狀與β2a有關，現(xiàn)分2a<90°(后彎式葉片)P=1(A'qVT-B'qVT2cotβ2a)點與橫坐標軸相交于qVT=點的拋物線。如圖3—2.β量的增加而急劇上升。泵與風機的效率等于有效功率與軸功率之比，即坐標原點與橫坐標軸相交于qv＝qvm(四)離心式泵與風機性能曲線的分析允許在空轉狀態(tài)下運行(除特殊注明允許的外)。如在運行中負荷降低到所規(guī)定的最小流量%左右，為避免啟動電流過大，原動機過載，所以離心式的泵與風機要在閥門全關的狀態(tài)下趨向于隨著流量的增加而下降，但由于其結構型式和出口安裝角不同，就使后彎式葉輪的qV一P性能曲線，隨流量的增加功率變化緩慢。而前彎式葉值應取得大些。程后，所得到的實際qv—H性能曲線是—具有較寬不穩(wěn)定工作段的駝峰形曲線。如果風機(7)前彎式葉輪效率遠低于后彎式。為了提高風機效率，節(jié)約能二、軸流式泵與風機的性能曲線在一定的轉速下，對葉片安裝角固定的軸流式泵與風機，試驗所測得的典型性能曲線開始上升直到流量為零時的最大值。此最大揚程v<qvd時來流速度的流動角減小，沖角α增大，由翼型的空氣動力特性軸功率也小，所以對可調葉片的軸流式泵與風機可在小安裝角時啟動。保持高效率。這就是可調葉片軸流式泵與風機較為突出的優(yōu)點。第五節(jié)相似理論在泵與風機中的應用一、相似理論在泵與風機中的重要作用：縮小為模型，進行?；囼炓则炞C其性能是否達到要求。的)作為模型，按相似關系對該型進行設計，這種方法稱為相似設計法或?；O計法，其優(yōu)二、相似理論在泵與風機中的理論形式：（1）相似條件：幾何相似，運動相似，動力相似（2）相似定律：流量相似關系，揚程(全壓)相似關系，功率相似關系三、相似理論在泵與風機中的應用：（1）相似定律的特例：在實際工作中所見到的情況，往往并不是幾何尺寸、轉速和密度三個參數(shù)同時改變，而只是其中一個參數(shù)改變。但在具體設計、選型以及判別泵與風機是否相似時，使用這些公式十分不便。三、比轉數(shù)：為保證流體流動相似，必須具備幾何相似、運動相似和動力相似三個條件幾何相似是指模型和原型各對應點的幾何尺寸成比例，比值相等，各對應角、葉片數(shù)相等，即滿足上式就保證模型和原型的幾何相似。運動相似是指模型和原型各對應點的速度方向相滿足了上式，就保證了模型和原型的運動相似。而慣性力和粘性力的相似準則是雷諾數(shù)R，所以只要模型和原型足了動力相似。但要保證模型和原型的雷諾數(shù)相等，十分困難。實踐證明，泵與風機中流泵與風機的相似定律反映了性能參數(shù)之間的相似關系。這種相似關系是建立在上述相似條件基礎上的。在相似工況下模型和原型性能參數(shù)間有以下關系。量之比與幾何尺寸之比(一般用葉輪出口直徑D：)的三次方成正比，與轉速的一次方成正比，與容積效率的一次方成正比。在相似工況下，揚程相似關系為比與幾何尺寸比的平方成正比，與轉速比的平方成正比，與流動效率比的一次方成正比。對風機用全壓p表示全壓相似關系為3、功率相似關系泵與風機的軸功率為在相似工況下，軸功率的相似關系為