叶轮机械的基本理论讲义ppt(共30页)

13ຫໍສະໝຸດ 第二节 流体在叶轮中的运动分析
一、叶轮流道投影图
左图的叶片一般为空间曲面，
是关于轴对称的，故用柱面坐标表示
为方便。用z轴表示轴向，r为半径方
向，θ为圆周方向。则叶片表面可用
曲面方程表示
(r,z)
（2-1）
(r,z)
叶片上任意一点的空间位置，可用坐标（ (ra ,a , za ) ）表示。
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。
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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： 1. 离心式工作机 单级单吸离心泵和通风机（图2—1，图2—2）：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。
图2-10为叶轮立体图；叶轮是流体（工质）能量与外界机械功进行传递 的唯一部件。
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• 图2-10为径流式级{（a)为压缩机械，（b)膨胀机械。}；其中，压缩
机械是外界输入机械功给流体；膨胀机械是流体对外输出机械功。
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图2—11轴流式级，实线方
向为压缩机械，虚线方向为 膨胀机械。 通风机和泵常用单级结构， 即一个进气室、一个叶轮、 一个涡壳组成。径流式涡轮 机也多用单级结构。但单级 机器出口压力小，须采用多 级串联形式。如多级汽轮机、 多级压缩机。
• 轴面投影图和平面投影图：轴面是指过叶轮轴线的平面（子午面）。轴 面投影图是将每一点绕轴线旋转一定角度到同一轴面而成。
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二、流体在叶轮中的流动速度
在圆柱坐标系中，任意矢量可用其在三个方向上的分量表示。速度矢量c 分解为圆周、径向和轴向三个分量
ccr cz cu
径向分量和轴向分量的合成为
cm cr cz
2
• 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。
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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。
三、绝对运动与相对运动
由于叶轮在旋转，故流体质点相对于静坐标系的绝对运动与相对于叶
轮的运动是不同的。如图2—17为径流式叶轮中流体流动情况。a为叶轮不
动时流体在叶轮中的流线。b为叶轮转动时叶轮上固体质点运动轨迹，c为
叶轮绝对运动的轨迹。图2—18为轴流式叶轮中的相对与绝对运动。根据速
度合成，则绝对速度是相对速度和牵连速度之矢量和。
cuw
上式如图2-12所示。图中（如泵、风机、压缩机、反击式水轮机等），绝对 速度c和圆周速度u的正向夹角为，相对速度w和圆周速度u的反向夹角为 ，下标1、2分别表示进、出口处。 但在涡轮机中， 表示相对速度w和 圆周速度u的正向夹角，而相对速度w和圆周速度u的反向夹角为*。其进 出口速度三角形如图2-13b所示。
c m 称为轴面速度，它和圆周速度合成速度矢量
c cm cu
（2—4）
各分量均为正交，故有
（2—2） （2—3）
c cu 2cm 2 cr2cz2cu 2 （2—5）
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叶轮的流线为空间曲线，则空间曲线绕轴旋转一周所形成的回转面称 为流面，回转面与轴面的交线就是流线的轴面投影称为轴面流线（图2—14）
（图2-5）
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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。
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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。
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• 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。
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• 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。
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二、级
叶轮机械的级是由一组固定的导向叶片（静叶栅、喷嘴叶栅）和一组安 装在动叶轮上一组动叶片所组成。它是叶轮机械最小的工作单元。
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• 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。
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2. 轴流式原动机（图2—5）
3. 图2—5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。
cwu
(2—7）
其中，c为绝对速度，w为相 对速度，u为圆周速度。
图2—17
图2—18
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图2-19为速度三角形。C和w可分解为圆周分量和周向分量。即
cm wm u cu wm
（2—8）
图2-19
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第三节 叶轮机械的基本方程式
一、叶轮进出口速度三角形：
对于叶轮旋转机械，流体相对于绝对坐标系的速度用绝对速度c表示， 关于相对坐标系的速度用相对速度w表示，流体随叶轮一起旋转的速度称 圆周速度u，三者的关系为