能源与动力综合

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1、叶轮的配置方式、级的概念,多级,多流,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,径流式： 圆环面（平面）,流线和流面,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,轴流式： 圆柱面 展开成平面,流线和流面,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,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,速度矢量在圆柱坐标系中的分解,ccr+cz+cu=cm+cu,cm=cr+cz,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,绝对运动与相对运动,速度三角形,绝对速度 c 牵连速度（圆周速度）u 相对速度 w,c=u+w,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,轴流式叶轮内的运动合成,能源与动力装置基础叶轮机械

2、基本理论,静止与运动部件中的运动轨迹,轴面投影,平面投影,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,泵、离心风机,轴面速度的关系： cmwm 圆周速度的关系： ucuwu 相对流动角 绝对流动角 ,水轮机,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,轴流风机、压缩机,汽轮机、燃气轮机,轴流泵,速度三角形的表达方法,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,进出口速度三角形,1、工作机进口速度三角形 作图条件： 假定已知机器尺寸、转速和流量,1）进口圆周速度,2）进口轴面速度,3）吸入室与进口导流器的影响,cu1（或1）,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,4）无冲击进口工况的概念,希望无Cu!,能源与动力装置基础

3、叶轮机械基本理论,2、工作机出口速度三角形,1）出口边圆周速度,2）出口处轴面速度,3）出口相对流动角,2 =b2,无穷叶片数假定,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,工作机出口三角形,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,3、反击式原动机进口速度三角形,u1、cm1、cu1（1）,无冲击进口条件,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,4、反击式原动机出口速度三角形,u2，cm2，2b2,2f（u2，cm2，2） 若2 90法向出口,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,5、冲击式水轮机的进、出口速度三角形,1）进口作图条件：,cu1，cm1，u1 （对切击式，cm10）,2）出口作图条件：,u2，

4、2b2，w1w2 （不满流条件）,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,例2-1 决定如下参数情况的机器形式，画出各叶轮进出口速度三角形，分析其特点。,轴向分速度为常数。,进口气流无旋绕，叶轮出口宽 容积流量,1.,2.,3.,4.,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,欧拉方程式,推导条件：无穷叶片数；定常流动；,控制面 单位时间流入的动量矩 L1qmcu1r1 流出的动量矩 L2qmcu2r2,作用力矩： 1）控制面外流体的作用的力矩为零 2）叶轮的作用力对轴的力矩M,根据动量矩定理有,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,因为 MgqVHth，可得欧拉方程（重点内容！）,理论扬程 Hth 理论

5、能量头 hth 理论全压 pth,欧拉功,欧拉方程的其他形式 第二欧拉方程,动能,离心力引起,流道面积变化,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,1、方程的意义与普遍性,2、关于假设条件（定常流动、无穷叶片数）,3、叶片形状的影响 4、工作机与原动机 5、不同型式叶轮的应用,径流式,轴流式,方程表示单位质量流体与叶轮的功能转换关系，表示功能转换的总效果。 只与叶轮进、出口参数有关，使用方便。 理论能量头与u、cu有关。,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,例22 离心式通风机，已知： D2，b2，238，D1，b1 n960rpm qV=42000m3/h pj=1.013105Pa T=293

6、K =1.2kg/m3 cu10 求pth、P、p2。,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,（忽略空气的可压缩性）,1、根据已知条件作进、出口速度三角形 2、根据速度三角形计算有关速度的数值 3、根据欧拉方程计算风机的全压和功率 4、根据伯努利方程计算压力,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,叶片进口：,m/s,m/s,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,叶片出口：,m/s,m/s,2=38,m/s,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,应用欧拉方程,Pa,应用伯努利方程,Pa,功率,kW,级中流体参数的变化（级工作原理概述）,1、单级离心压缩机、通风机(泵),= cp(T2-T1)+0.5(c

7、22-c12)= h2* -h1* =cp(T2* -T1* ),由能量方程式：W = dp/ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+W,滞止压力p*=p+c2/2,2、单级轴流水轮机（原动机）：,活动导叶,叶轮,扩压器,固定导叶,速度,总水头,静水头,3、反动式汽轮机 (9级),工质的绝对速度c有9次增加后又降低的过程（进入导叶喷嘴速度增大，叶轮中速度下降），而静焓、压力随流动方向逐步下降。,静焓h,压力p,速度C,转轴,机壳,三. 级和机器的性能参数,性能参数,流量: 质量qm (kg/s), 容积qv(m3/s, m3/M, m3/h),能量头有关量: h(J/kg) ，焓差，压

8、力(膨胀)比等,经济性评价量: 效率等,总能量: 功率P(J/s),有时还有噪声、转速等量,关联式：P=h qm/ (工作机),P=h qm* (原动机),1. 能量头有关量:,能量头h(J/kg)， 功 w (J/kg)， 焓差h (J/kg), 扬程H（m）, 压力差p (N/m2), 压力(或膨胀)比，,J/kg=Nm /kg=kg (m/s2) m /kg=(m/s2) m; h = g H J/kg=Nm /kg = (N/m2)/(kg/m3) ; h = p/,H = h/g p= h,轮盘摩擦损失,轮盘摩擦损失,内泄露损失,hr,hv,内总能量头 htot(hi) = hth

9、非流道损失(如hv+ hr ),=有效能变化 hhyh 非流道损失(如hv+ hr ),hs原动机,he 工作机,流动损失hhyh,外泄露损失hvo,内泄露损失hv,轮盘摩擦损失hr,轴承摩擦损失hm,原动机he,hpol,hth,htot,用图表示各种能量头和损失的关系, hth htot he,he hu hi ,hu,hi、,与外界交换的总能量头 he = htot (hi) 外部损失,能量头：多变能量头hpol、等熵能量头hs 理论能量头hth、 轮周功hu 总能量头htot( hi)、 he等,注：用焓差表示能量头： 等熵焓降hs = 等熵能量头hs 有效焓降 hn = 轮周功hu

10、总焓降 ht等=总能量头htot ( hi)、 he等,流体有效 理论 实际,交换能(机械功)=流体有效能变化 有关损失 =不同定义的能量头; 原动机取 - ，工作机取+,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,流体机械中能量损失的分类 1、流动损失（水力损失）H（或h、p） 摩擦损失、冲击损失、分离损失、二次流损失、叶端损失 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,2. 效率和损失的分类,效率 =得到能量/消耗能量；原动机得到机械功，工作机消耗机械功,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,反作用度的定义,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,流体

11、机械按反作用度的分类,、冲击式（冲动式）流体机械（原动机）,轴流式机器,等压作用,能源与动力装置基础叶轮机械基本理论,2、反击式流体机械(0),过压作用,叶片式工作机主要部件和作用,一、叶轮,功能：将机械功传递给流体,结构：离心、轴流、斜流（混流）、横流,离心又分前弯、后弯、径向；多叶；单吸、双吸；闭式、半开式,二、吸入室（集风器、进风口）,叶轮前部件,扩压器(导叶):减速、提高压力 无叶 有叶,弯道回流器(反导叶)：为下一级进口引导组织所要求的流场 回流器一定有叶片？(一般都装有导流叶片，使气体均匀地沿轴向进入下一级工作轮。 )；速度变化不大,蜗壳：收集沿叶轮或扩压器圆周的流体并送到机器的出

12、口 非轴对称；稍有加速,三、压水室与扩压元件,叶片式工作机的特性曲线,（一）工况与变工况时机器的工作,工况的概念： 用一组工作参数（n、qV、hth、P、等）和介质的物性参数（R、和机器进口处的参数p、T等）表示的一种工作状况。,设计工况与最优工况,进口,流量变化时的速度三角形,出口,总结： 对于没有可转动的前置导叶的工作机，当给定了转速和流量后，即可确定进、出口速度三角形，从而确定了能量头（扬程、风压），可见三个工况参数qV，hth和n不是独立的，给定了其中两个就可以确定第三个。 实践中，通常是给定流量和转速。如果给定扬程（能量头、风压）求流量，理论上是可以的，但具体的计算复杂一些。,（二）

13、理论特性曲线,设cu10,=a-bqv 直线,Pth= qv h th = aqv bqv2 抛物线,式中a0；b,（三）实际特性曲线,扣减损失 流动损失： a、磨擦损失qV2 b、冲击损失(qVqVd)2,c、泄漏损失：,机械损失：与工况无关,实际的特性曲线,相似定律、比转速,一、相似理论,原型试验 模型试验 实验结果的推广 数值试验,1、相似条件 几何相似、运动相似、动力相似（工况相似）、物性相似,2、相似准则,3、不完全相似 在现有的技术条件下，不可能也不必要保证上述相似准则都保持相等,4、单位参数,对不可压缩介质，只要保证Sr和Eu相等即可,功率系数,5、相似换算（不可压缩介质）,相似

14、工况 速度三角形 等角工况,以上三个相似定理主要用于两台相似的机器之间的性能参数换算，也可以用于同一台机器在转速变化时的相似工况之间的参数换算。,当机器的转速变化时，其性能曲线也随之改变。在两条曲线的对应的相似工况（如图中A、B两点）之间，存在如下关系,当转速变化时，相似的工况分布在一条抛物线上，该抛物线称为相似抛物线。 如果满足完全相似的条件，该抛物线上所有的工况的效率应该是不变的，所以该线也称为等效抛物线。,二、比转速,1、比转速的定义及其物理意义 引入比转速的目的：消去直径D，便于应用,相似判别数 必要条件，非充分条件 量纲问题,机器比转速的规定工况 泵、风机、压缩机： 最优工况,2、比

15、转速与过流部件几何形状及性能的关系,反映一系列几何相似机器的共同特性的综合判别数,比转速与过流部件几何形状的关系,管网特性曲线,为了确定流体机械的实际运行工况点及其变化，必需研究管网的特性以及机器特性与管网特性的相互作用。,管网能量头 （装置扬程、管网阻力）,管网系统,管网特性曲线,Hst 和 k 均可为零,流体机械与管网系统的联合工作,1、实际运行工况点,能量平衡和质量平衡,工况的调节,平衡点,2、工况点的稳定性,稳定条件的判据,特性曲线的稳定性,稳定与不稳定工况,稳定性与叶片角的关系,3、串联与并联运行,工作机的串联运行,输送不可压介质时机器特性：,qVqV1qV2,H=H1+H2,机器特性不变,搭配条件：最佳工况点的流量相等或相近,输送可压缩介质时的机器特性,总特性不等于两机器的和 多级机器的特性,工作机的并联运行,HH1H2 qV = qV1+ qV2 qm = qm1+ qm2,并联机器与管网的共同工作,能源与动力装置基础涡轮机,汽轮机内的损失： 喷嘴出口的汽流理想速度,喷嘴出口的汽流实际速度,0*,0,2,p1,p0*,p0,