叶轮机械原理_第一章PPT课件
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第一章_叶轮理论
v2u 0, cot 2 a
u2 v2 m
, 此时H T 0
②径向式叶片：β2a∞=900，cotβ2a∞=0，
w2 v2 2 v2m u2=v2u
HT
u g
2 2
2a=900
HT
1 u 2 v2 u g
v2u u2 v2m cot 2a
v2
经过dt时段 后进出质量
2
2
导出动量矩变化的引证图
2
2
w2 r2
m=ρqvT dt
1 1
2
u2
w1 v 1
1
流体密度 流量 qVT
1 1
r1
u1
•推 导 过 程：进口1-1、出口2-2，经过dt时刻后1122移至1 1 2 2 。 •单位时间内叶轮进口流体对轴的动量矩为：ρqvT v1∞r1cosα1∞ •单位时间内叶轮出口流体对轴的动量矩为：ρqvT v2∞r2cosα2∞ •单位时间内动量矩的变化为：ρqvT dtv2∞r2cosα2∞-ρqvT dtv1∞r1cosα1∞
简化：α1=900，v1u∞=0，
2 v2m v12m 0
•因为：
•所以：
Mω=ρg qVT HT∞
ρg qVT HT∞ =ρqVT（ u2 v2 u∞ - u1 v1u∞） u2v2 u∞- u1 v1 u∞ HT∞= m g pT∞=ρ（u2 v2 u∞ - u1 v1 u∞） Pa
v2
w2
•水泵的能量方程式： •风机的能量方程式：
v2m
2
w2∞
β2a∞min
w2∞
w2∞
β2a∞man
HT∞ =
第一章1ppt-第一章叶片式流体机械概述
兰州理工大学流体学院
5、冲击式（冲动式）流体机械：
（切击式（轴流）、斜击式和双击式） 原动机 静叶：c↑，p↓至 p=0；叶轮（转轮）中，c↓，p不变
工作机无冲击式！！！
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兰州理工大学流体学院
兰州理工大学流体学院
兰州理工大学流体学院
部分进汽（部分进水）
主要参考资料
• 丁成伟 离心泵与轴流泵 • 关醒凡 现代泵设计手册 • 查森. 叶片泵原理及水力设计. 北京：机械工业出版社
• 徐忠等编. 离心式压缩机原理. 北京：机械工业出版社舒士甄
第一章 叶片式流体机械概述
第一节 叶片式流体机械的工作过程
• 叶片式流体机械中的能量转换，是在 带有叶片的转子及连续绕流叶片的流体介 质之间进行的。叶片与介质间的作用力是 惯性力。该力作用在转动的叶片上，因而 产生了功（正或负视力矩和叶轮运动方向 而定）。
可以引入一个与重力无关的定义，只需将 “重量”改为“质量”，这个定义称为能 量头
h
p2
p1
c22
c12
2
g (z2
z1
)
gH
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2、不可压缩气体介质（通风机）
风压（全压与静压）
ptF
p2
p1Biblioteka c22c122
psF
p2
p1
c22
c12
2
c22
2
p2
p1
c12
2
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3、可压缩气体介质（压缩机）
能量头与压缩比
h h2
h1 c22
c12
2
cp (T2
T1) c22
5、冲击式（冲动式）流体机械：
（切击式（轴流）、斜击式和双击式） 原动机 静叶：c↑，p↓至 p=0；叶轮（转轮）中，c↓，p不变
工作机无冲击式！！！
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部分进汽（部分进水）
主要参考资料
• 丁成伟 离心泵与轴流泵 • 关醒凡 现代泵设计手册 • 查森. 叶片泵原理及水力设计. 北京：机械工业出版社
• 徐忠等编. 离心式压缩机原理. 北京：机械工业出版社舒士甄
第一章 叶片式流体机械概述
第一节 叶片式流体机械的工作过程
• 叶片式流体机械中的能量转换，是在 带有叶片的转子及连续绕流叶片的流体介 质之间进行的。叶片与介质间的作用力是 惯性力。该力作用在转动的叶片上，因而 产生了功（正或负视力矩和叶轮运动方向 而定）。
可以引入一个与重力无关的定义，只需将 “重量”改为“质量”，这个定义称为能 量头
h
p2
p1
c22
c12
2
g (z2
z1
)
gH
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2、不可压缩气体介质（通风机）
风压（全压与静压）
ptF
p2
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p1
c22
c12
2
c22
2
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3、可压缩气体介质（压缩机）
能量头与压缩比
h h2
h1 c22
c12
2
cp (T2
T1) c22
泵与风机2泵与风机叶轮理论PPT课件
§1 泵与风机的叶轮理论
本章要点
叶轮理论 速度三角形 能量方程
第1页/共67页
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
一、离心式泵与风机的工作原理 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数
第2页/共67页
§1 泵与风机的叶轮理论
A=πDb-Zσb Ψ=1-Zσ/πD
第16页/共67页
二、流体在叶轮中的运动及速度三角形
3．速度三角形的计算
（3）2及 1角： 当叶片无限多时，2=2a ；而2a 在设计时可根据经验选取。 同样1 也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。
第17页/共67页
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
一、离心式泵与风机的工作原理 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数
表1-1
一些叶片形式和出口安装角的大致范围
叶片形式
出口安装角范围
叶片形式
出口安装角范围
强后向叶片（水泵型） 后向圆弧叶片 后向直叶片 后向翼型叶片
20~30 30~60 40~60 40~60
径向出口叶片 径向直叶片 前向叶片 强前向叶片（多翼叶）
90 90 118~150 150~175
第39页/共67页
K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1
作用在控制体内流体上的外力有质量力和表面力。其对 转轴的力矩M由假设可知：该力矩只有转轴通过叶片传给流体 的力矩。则
M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)
本章要点
叶轮理论 速度三角形 能量方程
第1页/共67页
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
一、离心式泵与风机的工作原理 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数
第2页/共67页
§1 泵与风机的叶轮理论
A=πDb-Zσb Ψ=1-Zσ/πD
第16页/共67页
二、流体在叶轮中的运动及速度三角形
3．速度三角形的计算
（3）2及 1角： 当叶片无限多时，2=2a ；而2a 在设计时可根据经验选取。 同样1 也可根据经验、吸入条件和设计要求取定。
第17页/共67页
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
一、离心式泵与风机的工作原理 二、流体叶轮中的运动及速度三角形 三、能量方程及其分析 四、离心式叶轮叶片型式的分析 五、有限叶片叶轮中流体的运动 六、滑移系数和环流系数
表1-1
一些叶片形式和出口安装角的大致范围
叶片形式
出口安装角范围
叶片形式
出口安装角范围
强后向叶片（水泵型） 后向圆弧叶片 后向直叶片 后向翼型叶片
20~30 30~60 40~60 40~60
径向出口叶片 径向直叶片 前向叶片 强前向叶片（多翼叶）
90 90 118~150 150~175
第39页/共67页
K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1
作用在控制体内流体上的外力有质量力和表面力。其对 转轴的力矩M由假设可知：该力矩只有转轴通过叶片传给流体 的力矩。则
M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)
《叶轮机械原理》PPT课件
反力式涡轮。
T1c1 u2 u c2u
运动反力度
c
w c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u cu
C2u u wu
w2u
二者差异？ 航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4
➢载荷系数/负荷系数
H Tu(c1 u u 2c2 u) u cu
物理意义：涡轮级的做功能力 典型数值范围1.4-1.7 HT↑，冲击涡轮速度三角形
➢涡轮基元级反力度
21(w22 w12) Lu
u1＝u2 c1a＝c2a
Ω＝0 c1u－c2u＝2u， c1u－u＝u＋c2u，即w1u＝w2u 动叶特征：进出口形状对称。
气体流经动叶只拐弯不膨胀。
称为“冲击式”涡轮
Ω＝0.5，c1u＝u＋c2u＝w2u c1和w2大致对称。w1u=c2u
u
反力度大于零的涡轮称为：
❖《叶轮机械原理》PPT 课件
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涡轮工作原理及特性
涡轮是一种将工质的焓转换为机械能的旋转式动力机械， 是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一
2
涡轮工作原理及特性
➢涡轮的一般形式：静子〔导向器〕+转子＝一级。 ➢气流以高速冲击工作轮旋转做功 ➢工作环境特点：压力梯度、温度
3
涡轮分类〔工质不同〕
按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮、燃气
涡轮。。。
4
根据工质
热力叶轮机械原理第一章 透平级工作原理 2
p pvk const
k
带入上式得：
c1s
2k k 1
p0
0
1 (
p1 p0
)
k 1 k
c02
2k k 1
RT0
1
(
p1 p0
)
k 1 k
c02
2019/11/1
8
基本方程
4）能量方程
如果忽略摩擦力作功和势能的变化等因素：
系统的能量方程为： i1
v1
v2
出口截面积：
A1
G
1c1
喉部截面积：
Acr
G
crccr
2019/11/1
26
2）喷管中的实际流动过程
特点：
实际蒸汽是粘性流体，蒸汽在喷管中的 流动过程是有阻力的；
蒸汽将消耗一部分能量来克服流动阻力；
因此，喷管中的流动不再是等熵流动，但 还是绝热流动。
2019/11/1
临界压比： cr
pcr p0*
(
2
k
) k 1
k 1
（ 空气： cr 0.528 ；过热蒸汽： cr 0.546 ）
临界密度：cr
0 (
pcr p0
1
)k
2019/11/1
25
设计与计算过程
③ 计算喷管出口截面积 A1 和喉部（临界） 截面积 Acr
连续方程：
A1c1 A2c2 G const
2019/11/1
13
二、蒸汽在喷管中的流动过程
喷管膨胀效果： → 设计工况
1）收缩喷管出口截面的汽流速度 ≦ 音速； 2）缩放喷管出口截面的汽流速度 > 音速。
k
带入上式得：
c1s
2k k 1
p0
0
1 (
p1 p0
)
k 1 k
c02
2k k 1
RT0
1
(
p1 p0
)
k 1 k
c02
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8
基本方程
4）能量方程
如果忽略摩擦力作功和势能的变化等因素：
系统的能量方程为： i1
v1
v2
出口截面积：
A1
G
1c1
喉部截面积：
Acr
G
crccr
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26
2）喷管中的实际流动过程
特点：
实际蒸汽是粘性流体，蒸汽在喷管中的 流动过程是有阻力的；
蒸汽将消耗一部分能量来克服流动阻力；
因此，喷管中的流动不再是等熵流动，但 还是绝热流动。
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临界压比： cr
pcr p0*
(
2
k
) k 1
k 1
（ 空气： cr 0.528 ；过热蒸汽： cr 0.546 ）
临界密度：cr
0 (
pcr p0
1
)k
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设计与计算过程
③ 计算喷管出口截面积 A1 和喉部（临界） 截面积 Acr
连续方程：
A1c1 A2c2 G const
2019/11/1
13
二、蒸汽在喷管中的流动过程
喷管膨胀效果： → 设计工况
1）收缩喷管出口截面的汽流速度 ≦ 音速； 2）缩放喷管出口截面的汽流速度 > 音速。
叶轮机械原理-1
2 2 得到： c1s 2(i0 i1s ) c0 2h1s c0
* 2(i0 i1 ) 2h1*s
其中：
* i 0 ， i 0 —— 分别是喷管进口焓值和滞止焓值； * h1s ， h1s —— 分别是喷管等熵焓降和等熵滞止焓降； c1s —— 喷管出口理想汽流速度。
◆ 在流管表面 取压力的平均值： ( p p 受力面积：
XJTU
p dx ) / 2 x
A
受力： ◆ 流动阻力：
A dx A x p p p dx dx ( A A dx A) 2 x
s
动量方程（以流动方向为正）为：
p A Ap ( p dx)( A dx) x x p p p dx x ( A A dx A) S Adx dc 2 x v dt
XJTU
p1 根据等熵过程方程： k k → 得到： 1 0 p 0 1 0 p 根据出口（ 1 ， 1 ）→ 可以确定所有出口状态参数 s （ i1 ，t1 ， ，……）。
p0 p1
② 计算喷管出口理想汽流速度 c1 和临界速度 ccr
蒸汽在喷管中的流动过程是定常流动;
◆ 动叶栅： 安装在叶轮上并与主轴相连，在工作中是
转动的部分，称为转子。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
叶片 特点
◆喷管：结构大体上是一样的； ◆动叶：结构大体也是一样的。 喷管叶栅 → 动叶栅 → 喷管叶栅
→动叶栅 → ……
基 本 特 点
排列 特点
工作 特点
◆喷管叶栅：汽流膨胀加速， 热能转化为动能；
热力叶轮机械原理（1） 基本方程： 1）状态方程： p zRT 2）连续方程：
* 2(i0 i1 ) 2h1*s
其中：
* i 0 ， i 0 —— 分别是喷管进口焓值和滞止焓值； * h1s ， h1s —— 分别是喷管等熵焓降和等熵滞止焓降； c1s —— 喷管出口理想汽流速度。
◆ 在流管表面 取压力的平均值： ( p p 受力面积：
XJTU
p dx ) / 2 x
A
受力： ◆ 流动阻力：
A dx A x p p p dx dx ( A A dx A) 2 x
s
动量方程（以流动方向为正）为：
p A Ap ( p dx)( A dx) x x p p p dx x ( A A dx A) S Adx dc 2 x v dt
XJTU
p1 根据等熵过程方程： k k → 得到： 1 0 p 0 1 0 p 根据出口（ 1 ， 1 ）→ 可以确定所有出口状态参数 s （ i1 ，t1 ， ，……）。
p0 p1
② 计算喷管出口理想汽流速度 c1 和临界速度 ccr
蒸汽在喷管中的流动过程是定常流动;
◆ 动叶栅： 安装在叶轮上并与主轴相连，在工作中是
转动的部分，称为转子。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
叶片 特点
◆喷管：结构大体上是一样的； ◆动叶：结构大体也是一样的。 喷管叶栅 → 动叶栅 → 喷管叶栅
→动叶栅 → ……
基 本 特 点
排列 特点
工作 特点
◆喷管叶栅：汽流膨胀加速， 热能转化为动能；
热力叶轮机械原理（1） 基本方程： 1）状态方程： p zRT 2）连续方程：
泵与风机第一章-1
HT
小，后向式叶轮 大，前向式叶轮
(二)叶片出口安装角队对静扬程及动扬程的影响 反作用度表示静扬程在总扬程中所占的比例，即
H st HT H d Hd 1 HT HT HT
推导后得：
2 v2u / 2 g v2u 1 1 u2v2u / g 2u2
1、β2a<90°（后弯式叶片）
HT 0
叶片出口安装角，对理论扬程的影响
当流体以 1 90 进入叶轮时，其理论扬程为 H T
H T
u2 (u2 v2 m cot 2 a ) g
cot 2a 0
u2v2u g
2 u2 g
2、β2a=90°（径向式叶片）
u2 1 u2
它们之间的相互关系可用公式表示见教材。只要知 道K或 便可按公式求得HT。但它们至今没有精确 的理论计算公式，一般均采用经验公式计算。
六、粘性流体对能量方程式的修正
七、流体进入叶轮前的预旋 预旋可分为强制预旋和自由预旋。 （一）强制预旋 强制预旋是由结构上的外界因素造成的。强制预旋 时，流量保持不变，即轴面速度保持不变。
叶片出口安装角的选用原则
（1）为了提高泵与风机的效率和降低噪声，工程上对离心 式泵均采用后向式叶轮； （2）为了提高压头、流量、缩小尺寸，减轻重量，工程上
对小型通风机也可采用前向式叶轮；
（3）由于径向式叶轮防磨、防积垢性能好，所以，可用做 引风机、排尘风机和耐磨高温风机等。
一些叶片形式和出口安装角的大致范围
第一章 泵与风机的叶轮理论
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
一、离心式泵与风机的工作原理
微元质量 dm brd dr 离心力 dF dm r 2
《叶轮机械原理》课件
03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。
热力叶轮机械原理第一章 透平级工作原理3
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2 1 (2 ~ 4 )
——
tg 2
w2 sin 2 w2 cos 2 u2
取定： 1
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2
——
tg 2
叶
圆周速度 u 2
绝对汽流速度 c2
大小 c1 2(1 )hs* u1 d m n / 60
w1 c12 u12 2u1c1 cos1
w2 21hs* w12 u2 d m n / 60
c2 w22 u22 2u2 w2 cos2
② 对双列复速级，轮周功（轮周功率）为：
Wu Nu Pu u Gu (c1u c2u c1u c2u )
2019/11/1
22
二、级的轮周功（轮周功率）
利用速度三角形的函数关系式，有：
c1 u1
w1
c2
w2 u2
w12 c12 u12 2u1c1 cos1 c12 u12 2u1c1u
hb、
' b
—— 分别是动叶2能量损失和能量损失系数；
hcc、c2—— 分别是余速 能量损失和能量损失系数；
2019/11/1
28
三、轮周效率
各项焓降和损失在 i - s 图上的表示方法
1) 级的等熵滞止焓降
h
* s
2) 喷管等熵滞止焓降 h1*s
3) 动叶等熵焓降 4) 级的有效焓降 5) 喷管实际焓降 6) 动叶实际焓降 7) 喷管能量损失
h2s 双
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2 1 (2 ~ 4 )
——
tg 2
w2 sin 2 w2 cos 2 u2
取定： 1
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2
——
tg 2
叶
圆周速度 u 2
绝对汽流速度 c2
大小 c1 2(1 )hs* u1 d m n / 60
w1 c12 u12 2u1c1 cos1
w2 21hs* w12 u2 d m n / 60
c2 w22 u22 2u2 w2 cos2
② 对双列复速级，轮周功（轮周功率）为：
Wu Nu Pu u Gu (c1u c2u c1u c2u )
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22
二、级的轮周功（轮周功率）
利用速度三角形的函数关系式，有：
c1 u1
w1
c2
w2 u2
w12 c12 u12 2u1c1 cos1 c12 u12 2u1c1u
hb、
' b
—— 分别是动叶2能量损失和能量损失系数；
hcc、c2—— 分别是余速 能量损失和能量损失系数；
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28
三、轮周效率
各项焓降和损失在 i - s 图上的表示方法
1) 级的等熵滞止焓降
h
* s
2) 喷管等熵滞止焓降 h1*s
3) 动叶等熵焓降 4) 级的有效焓降 5) 喷管实际焓降 6) 动叶实际焓降 7) 喷管能量损失
h2s 双
能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论
本质上是压力损失
2、容积损失qV
本质上是流量损失 3、机械损失
本质上是力矩(功率）损失
编辑课件
能源与动力装置基础
2. 效率和损失的分类
损失分类 损失内容 有效能变化 交换能
效
率
总
内 部 损 失
流道 损失
非流 道损
水力损失
δhhyh
级内露损 失δhv 轮
原动机
hs
损 δhi 失
阻损失 δhr 等
hu hth
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
第一节叶轮机械的典型结构
单级汽轮机
编辑课件
能源与动力装置基础
工作原理
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
叶轮内的流动过程: 以轴流式叶轮为例
叶片式机器的特点：
❖ 具有一个带有叶片的转子 (叶轮impeller或转轮runer)；
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
圆柱面
展开成平面
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮
A2Rb
编辑课件
A(rt2 rh2)
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解
c＝cr+cz+cu=cm+cu cm=cr+cz
滞止压力p*=p+ρc2/2
加速 加功 减速 接近等速
由能量方程式：W = ∫dp/ ρ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW = cp(T2-T1)+0.5(c22-c编1辑2)课=件 h2* -h1* =cp(能T源2与* 动-力T装1*置)基础
2、容积损失qV
本质上是流量损失 3、机械损失
本质上是力矩(功率）损失
编辑课件
能源与动力装置基础
2. 效率和损失的分类
损失分类 损失内容 有效能变化 交换能
效
率
总
内 部 损 失
流道 损失
非流 道损
水力损失
δhhyh
级内露损 失δhv 轮
原动机
hs
损 δhi 失
阻损失 δhr 等
hu hth
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能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
第一节叶轮机械的典型结构
单级汽轮机
编辑课件
能源与动力装置基础
工作原理
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
叶轮内的流动过程: 以轴流式叶轮为例
叶片式机器的特点：
❖ 具有一个带有叶片的转子 (叶轮impeller或转轮runer)；
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
圆柱面
展开成平面
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮
A2Rb
编辑课件
A(rt2 rh2)
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解
c＝cr+cz+cu=cm+cu cm=cr+cz
滞止压力p*=p+ρc2/2
加速 加功 减速 接近等速
由能量方程式：W = ∫dp/ ρ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW = cp(T2-T1)+0.5(c22-c编1辑2)课=件 h2* -h1* =cp(能T源2与* 动-力T装1*置)基础
叶轮机械原理
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叶轮机械原理
目录
• 叶轮机械概述 • 叶轮机械基本原理 • 叶轮机械设计参数及性能分析 • 叶轮机械结构特点及材料选择 • 叶轮机械运行特性及故障诊断技
术 • 叶轮机械发展趋势及挑战
01
叶轮机械概述
定义与分类
定义
叶轮机械是一类利用叶轮旋转运 动实现能量转换或传递的机械设 备。
多功能化、集成化
为了满足不同领域的需求，叶轮机械将向多功能 化、集成化方向发展。
当前面临主要挑战和问题
1 2
设计制造难度大
叶轮机械设计制造涉及多个学科领域，技术难度 较大。
能耗高效率低
当前部分叶轮机械存在能耗高效率低的问题，亟 待解决。
3
智能化程度不足
当前叶轮机械的智能化程度相对较低，难以满足 日益增长的需求。
04
叶轮机械结构特点及材料选 择
结构类型与特点分析
离心式叶轮机械
主要由进气口、叶轮、扩 压器、蜗壳等组成，具有 结构简单、紧凑、高效率 等特点。
轴流式叶轮机械
由进气室、导叶、叶轮、 扩压器等组成，具有流量 大、压力低、效率高、结 构紧凑等优点。
混流式叶轮机械
结合了离心式和轴流式的 特点，具有较宽的运行范 围和较高的效率。
应用领域与前景
应用领域
叶轮机械在能源领域（如火力发电、水力发电、风力发电等 ）、化工领域（如石油炼制、化肥生产等）、航空航天领域 （如飞机发动机、火箭推进器等）以及交通运输领域（如汽 车、船舶等）都有广泛应用。
前景
随着科技的不断进步和工业的不断发展，叶轮机械的应用领 域将进一步拓展，同时对其性能、效率和可靠性等方面的要 求也将不断提高。未来，叶轮机械将朝着更高效、更环保、 更智能的方向发展。
叶轮机械原理
目录
• 叶轮机械概述 • 叶轮机械基本原理 • 叶轮机械设计参数及性能分析 • 叶轮机械结构特点及材料选择 • 叶轮机械运行特性及故障诊断技
术 • 叶轮机械发展趋势及挑战
01
叶轮机械概述
定义与分类
定义
叶轮机械是一类利用叶轮旋转运 动实现能量转换或传递的机械设 备。
多功能化、集成化
为了满足不同领域的需求，叶轮机械将向多功能 化、集成化方向发展。
当前面临主要挑战和问题
1 2
设计制造难度大
叶轮机械设计制造涉及多个学科领域，技术难度 较大。
能耗高效率低
当前部分叶轮机械存在能耗高效率低的问题，亟 待解决。
3
智能化程度不足
当前叶轮机械的智能化程度相对较低，难以满足 日益增长的需求。
04
叶轮机械结构特点及材料选 择
结构类型与特点分析
离心式叶轮机械
主要由进气口、叶轮、扩 压器、蜗壳等组成，具有 结构简单、紧凑、高效率 等特点。
轴流式叶轮机械
由进气室、导叶、叶轮、 扩压器等组成，具有流量 大、压力低、效率高、结 构紧凑等优点。
混流式叶轮机械
结合了离心式和轴流式的 特点，具有较宽的运行范 围和较高的效率。
应用领域与前景
应用领域
叶轮机械在能源领域（如火力发电、水力发电、风力发电等 ）、化工领域（如石油炼制、化肥生产等）、航空航天领域 （如飞机发动机、火箭推进器等）以及交通运输领域（如汽 车、船舶等）都有广泛应用。
前景
随着科技的不断进步和工业的不断发展，叶轮机械的应用领 域将进一步拓展，同时对其性能、效率和可靠性等方面的要 求也将不断提高。未来，叶轮机械将朝着更高效、更环保、 更智能的方向发展。
叶轮机械原理_第一章
第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义
• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
绪论
斜流式压气机
转子
第一章 绪 论
混合式压气机
第一章 绪 论
第一章 绪 论
涡轮增压器
第一章 绪 论
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义
• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
绪论
斜流式压气机
转子
第一章 绪 论
混合式压气机
第一章 绪 论
第一章 绪 论
涡轮增压器
第一章 绪 论
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
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9、隔板密封； 10、轮盖密封； 11、平衡盘； 12、推力盘； 13、联轴器； 14、卡环； 15、主轴； 16、机壳； 17、支持轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
第一章 绪 论
离心式水泵
第一章 绪 论
向心式涡轮
第一章
（三）斜流式
水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
UDF on Boeing 727 test bed
GP7200 for the Airbus A380
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
The Third Jet Flight - May 15, 1941 British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engine
第一章 绪 论
• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。
•20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片 机设计的理论计算研究开始取得突破性进 展。
绪论
斜流式压气机
转子
第一章 绪 论
混合式压气机
第一章 绪 论
第一章 绪 论
涡轮增压器
第一章 绪 论
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度；
• 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
第一章 绪 论
• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压 力低的地方，沿流向是顺压梯度；
•另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势 能）和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水 泵、螺旋桨、风扇、压气机等。
第一章 绪 论
三、叶轮机的主要形式 • 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流 式、径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
第一章 绪 论
二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
第一章 绪 论
•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等；
第一章 绪 论
S1和S2流面
第一章 绪 论
S1流面
第一章 绪 论
S2流面
第一章 绪 论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
流动损失模型 和 落后角模型
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
综合高性能涡轮发动机技术）
第一章 绪 论
• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40 年所取得的进步
第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
第一章 绪 论
（一）轴流式
轴流式压气机
转子
第一章 绪 论
轴流式涡轮
转子
第一章 绪 论
轴流泵
轴流式水轮机转子
第一章 绪 论
（二）径流式
离心式压气机
转子
第一章 绪 论
图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封；
叶轮机械原理
流体机械系 二零零六年三月
第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义
• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology ,
六、航空叶片机的发展概况 • 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。 •人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
第一章 绪 论
1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
“飞行者”1号采用的活塞式发动机
第一章 绪 论
离心式水泵
第一章 绪 论
向心式涡轮
第一章
（三）斜流式
水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
UDF on Boeing 727 test bed
GP7200 for the Airbus A380
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
The Third Jet Flight - May 15, 1941 British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engine
第一章 绪 论
• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。
•20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片 机设计的理论计算研究开始取得突破性进 展。
绪论
斜流式压气机
转子
第一章 绪 论
混合式压气机
第一章 绪 论
第一章 绪 论
涡轮增压器
第一章 绪 论
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度；
• 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
第一章 绪 论
• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压 力低的地方，沿流向是顺压梯度；
•另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势 能）和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水 泵、螺旋桨、风扇、压气机等。
第一章 绪 论
三、叶轮机的主要形式 • 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流 式、径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
第一章 绪 论
二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
第一章 绪 论
•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等；
第一章 绪 论
S1和S2流面
第一章 绪 论
S1流面
第一章 绪 论
S2流面
第一章 绪 论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
流动损失模型 和 落后角模型
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
综合高性能涡轮发动机技术）
第一章 绪 论
• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40 年所取得的进步
第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
第一章 绪 论
（一）轴流式
轴流式压气机
转子
第一章 绪 论
轴流式涡轮
转子
第一章 绪 论
轴流泵
轴流式水轮机转子
第一章 绪 论
（二）径流式
离心式压气机
转子
第一章 绪 论
图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封；
叶轮机械原理
流体机械系 二零零六年三月
第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义
• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology ,
六、航空叶片机的发展概况 • 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。 •人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
第一章 绪 论
1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
“飞行者”1号采用的活塞式发动机