水力机械现代设计方法试题

《能源与动力装置基础》试卷样题（开卷）及答案1、试写出你在实习基地所见到过的不同结构、不同用途的容积式压缩机的名称。

（4分）活塞式压缩机：开启式活塞式压缩机、半封闭式活塞式压缩机、全封闭式活塞式压缩机；滚动转子式压缩机：全封闭式滚动转子式压缩机；涡旋式压缩机：全封闭式涡旋式压缩机；螺杆式压缩机：双螺杆式压缩机、半封闭式螺杆式压缩机；L 型压缩机、空气压缩机等任意四项。

2、 写出比转速的计算公式，试解释为什么比转速是一个相似准则。

(3分)s n = 或3/4()s tF n p ρ=比转速是由流量系数和压力系数两个相似准则派生出来的，所以它本质上仍是一个相似准则。

但由于两台机器的流量系数和压力系数都不相等，但比转速可能相等，所以比转速是工况相似的必要条件，而不是充分条件。

3、 两台几何相似的泵与风机，在相似工况下运行，其性能参数如何按比例关系变化？（5分）3,,3p p v p v m m m D n q q D n = 22,,22p p p tF p tF m m m mD n p p D n ρρ= 22,,22p p p sF p sF m m m m D n p p D n ρρ= 2222p pp m m m D n H H D n = 5353p p p p m m m m D n P P D n ρρ=4、 泵与风机的Q ～H 曲线、Q ～N 曲线、Q ～η曲线分别叫什么曲线？是在什么条件下得到的？泵与风机的工作点是如何确定的？（5分）Q ～H 曲线、Q ～N 曲线、Q ～η曲线分别叫流量～扬程曲线、流量～功率曲线和流量～效率曲线。

它们是在转速等于常数时，通过试验获得。

泵与风机的工作点是Q ～H 曲线与管网特性曲线的交点。

5、 有一离心泵叶轮外径D 2＝220mm ，叶轮出口宽度b 2＝10mm ，叶轮出口安放角β2b ＝22°，转速n＝2900rpm ，理论流量Q ＝0.025m 3/s ，假设液体径向流入叶轮，即α1＝90°，试计算无限多叶片叶轮的理论扬程。

（7分）出口圆周速度：220.22 3.14290033.38(/)6060D n u m s π⨯⨯=== 轴面速度：22220.025 3.62(/)0.220.01m Q Q c m s F D b ππ====⨯⨯出口角β2＝22°速度三角形： α1＝90° 有 10u c =欧拉方程：2211th u u gH u c u c ∞=-6、 对于定转速的同一台后弯式离心式风机，当流量大于或小于设计流量时，进、出口速度三角形如何变化？绘图表示。

（7分）7、 分别绘制纯冲动级和反动级的热力过程线，并简述其工作过程。

（6分）纯冲动级的热力过程线见图1，反动级的热力过程线见图2。

图1 纯冲动级 图2 反动级在纯冲动级中，蒸汽在喷嘴中膨胀加速，获得高速动能；蒸汽流过动叶通道时，只改变流动方向，而不发生膨胀加速，将高速汽流的动能转变为旋转机械能； 2222221()33.38(33.38 3.6222)/9.8183.09(u th m u c H u u c ctg g g ctg β∞==-=-=米水柱）* 0' 1 s h2 p 1 p 2 p 0* p 0 Δh t * Δh n * Δh b 0* 0' 1s h 2 p 2 p1 p 0* p 0 Δh t * Δh n * Δh’bΔhb在反动动级中，蒸汽在喷嘴中膨胀加速，获得高速动能；蒸汽流过动叶通道时，既改变流动方向，同时又膨胀加速，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。

8、汽轮机级的轮周有效焓降与级的实际焓降有何区别？（4分）答：级的轮周有效焓降是指蒸汽流过汽轮机级时1kg 蒸汽在动叶片上所作的有效机械功，可由级的滞止焓降减去喷嘴损失、动叶损失、余速损失计算；级的实际焓降是指蒸汽流过汽轮机级时1kg 蒸汽所具有的理想能量最后转化为有效功的能量，可由级的滞止焓降减去喷嘴损失、动叶损失、余速损失及其它级内损失计算得到。

9、 活塞由哪几部分组成？各部分的作用及其工作机理？（6分）活塞由活塞顶部、活塞环部和活塞裙部三部分构成。

活塞顶部与气缸盖和气缸等组成燃烧室或压缩室。

活塞环槽部是安装气环和油环的部位。

活塞裙部是活塞与气缸壁面直接接触的部分，起导向和承受连杆传给的侧压力的作用，是活塞磨损最严重的部位，也是安装连接活塞与连杆的部件——活塞销的部位。

10、试述柴油机与汽油机工作原理主要有何不同。

（4分）柴油机与汽油机工作原理上的不同点有：（1）可燃混合气形成方式不同：柴油机的可燃混合气在气缸内部形成，燃油在压缩行程接近终了时开始高压喷入气缸内，并占小部分做功行程，时间较短；汽油机的燃油在气缸外部（进气管或进气道中）喷入进气气流，开始与空气混合形成可燃混合气，该过程延续到进气和压缩过程结束，时间较长。

（2）着火方式不同：柴油机是自燃着火；汽油机的可燃混合气必须用电火花点燃。

所以柴油机又称为压燃式内燃机，汽油机又称为点燃式内燃机。

11、根据内燃机循环指示功计算式，推导四冲程内燃机有效功率计算公式，并说明提高四冲程内燃机单机功率的途径。

（6分）内燃机一个循环所作的指示功为：310i i s W pV =⨯ kJ式中：i p 为平均指示压力，MP a ，s V 为单个气缸工作容积，m 3四冲程内燃机一个工作循环所用时间为 601202n n⨯= s ，n 为内燃机转速，r/min 四冲程内燃机单缸指示功率为321010(120/)(120/)12i i i s ki W pV pV n P n n ⨯===⨯ kW 四冲程内燃机单缸有效功率为 2210101212i s m e s ke pV n p V n P η=⨯=⨯ kW 上式中：m η为机械效率，e p 为平均有效压力，MP a四冲程内燃机整机功率为 2210101212e s e s e p V n p V ni P i =⨯⨯=⨯ Kw 上式中i 为气缸数。

上式即为四冲程内燃机有效功率计算式。

由此式可以看出，提高四冲程内燃机单机功率的途径有：提高平均有效压力（如采用增压技术）、增大单个气缸工作容积（增大气缸直径和行程）、提高内燃机转速和增加气缸数等。

12、容积式压缩机有哪些主要的类型，试简述其各自的特点及应用场合。

（6分）活塞压缩机：主要运动部件为活塞，做往复运动，应用广泛，特别是在化工、煤炭、石油、海洋工程中。

滚动转子式压缩机：主要运动部件为转子，做旋转运动，广泛用于家用空调器、冰箱、商用制冷设备。

单螺杆压缩机有一个做旋转运动的螺杆，它的螺槽同时与几个星轮啮合。

可应用于中大型制冷系统、空气动力系统中。

双螺杆压缩机则有两个做旋转运动的、相互啮合的螺杆。

主要应用于中大型制冷系统、气体动力系统中。

涡旋压缩机的主要由两个结构完全相同的错置180度的动、静涡旋盘组成。

目前主要大型家用及商用空调系统中。

滑片式压缩机主要由气缸、转子、滑片组成。

在汽车空调中有应用。

13、表面式换热器有哪些主要的类型，试简述其各自的特点。

（6分）管壳式换热器，有一圆形外壳，内装平行管束，冷热流体分别在管程或壳程流动，通过管壁换热，其优点是结构简单、造价低廉、选材范围广、耐高温耐压、适用范围广。

板式换热器主要由若干长方形薄金属片相互叠置压紧而成，其传热效率高、有效传热温差大、结构紧凑，但刚性较差，难以适应高压或高压差工况，对介质要求也较高。

翅片管式换热器，通过带肋的壁面扩展换热面积和促进湍流，以强化换热能力较弱的一侧。

板翅式换热器，由翅片、隔板和封条三种元件组成的单元体叠积而成，传热能力强、结构紧凑，可以实现多种介质在不同流道内同时换热，结构复杂，造价高，难以承受高温高压，对介质要求高。

14、锅炉效率的物理意义是什么？在电站煤粉炉中，影响锅炉效率的关键因素是什么？（5分）锅炉效率表征燃料送入锅炉的热量最终被工质有效利用的程度，可由正平衡或反平衡法计算。

正平衡：1100,%gl rQ Q η=⨯ 反平衡：23456100(),%gl q q q q q η=-----15、锅炉中蒸汽温度调节的手段有那些？什么手段能实现快速、灵敏地调节温度？（4分）蒸汽温度调节的手段有：喷水减温、烟气再循环、分割烟道挡板、摆动式燃烧器。

喷水减温由于直接将低温水喷入蒸汽中，因而能迅速灵敏地调节蒸汽温度。

16、试简述在实际的蒸汽压缩制冷循环中为什么必须要有一定的过冷度和过热度。

试画图分析冷凝温度下降，蒸发温度上升对制冷系统的影响。

（7分）过冷能够避免制冷剂液体进入膨胀阀前就产生闪发气体，使系统工作失稳，并且有利于提高q 。

、q v 、ε；过热可以保证制冷剂进入压缩机之前完全蒸发，避免压缩机因吸入过多液滴而造成液击。

当冷凝温度下降、蒸发温度上升时，系统循环由如图的1—2—3—4变为1’—2’—3’—4’，可见单位制冷量q。

增加，单位理论功w0怖减少，制冷系数ε上升，而吸气比容v1减少，制冷剂循环量增人，总制冷量增大。

17、蒸汽压缩式制冷系统与吸收式制冷系统的工作原理和工作介质有什么异同点。

（6分）蒸汽压缩式与吸收式制冷系统均是通过制冷剂在低温低压下蒸发吸收热量来制冷，它们都有冷凝器、节流装置和蒸发器。

其主要区别在于低压蒸气变为高压蒸汽的方法不同，压缩式制冷系统通过压缩机消耗机械功来实现，而吸收式制冷机则通过消耗热能使溶液在吸收器、溶液泵、发生器和溶液节流阀中发生浓度变化来实现。

压缩式制冷机只需要制冷剂，如氟利昂，作为工作介质，而吸收式制冷机除了制取冷量的制冷剂外，还有用于吸收制冷剂的吸收剂，二者组成工质对，如水——溴化锂工质对，其中前者为制冷剂，后者为吸收剂。

18、回热循环为什么能提高蒸汽动力循环的热效率？（5分）在朗肯循环中，造成热效率低的主要原因是工质平均吸热温度不高。

为了提高蒸汽平均吸热温度，除了提高蒸汽初参数之外，另一种办法是改善吸热过程。

改进的最好的办法是采用给水回热。

就是把汽轮机中作过功的蒸汽，逐级抽出来加热给水，减少冷源损失，同时提高锅炉给水温度(提高蒸汽平均吸热温度)，则提高了循环热效率。

19、当汽轮机甩负荷时，高压缸主汽阀应立即关闭，此时锅炉中再热器会出现什么问题，如何解决该问题？（4分）此时高压缸无排汽，再热器中将无工质流过，会造成再热器的干烧。

为解决该问题，需设置旁路系统，如设置高压旁路，将新蒸汽进行减温减压后引入再热器。