4流体机械原理课件第三章叶轮解析
流体机械原理ppt课件
级的典型结构
▪ 级定义：
级是离心压缩机使气体增压的基本单元，由一个 叶轮及其附属的固定元件组成。
▪ 级的三种型式：
– 中间级: 由叶轮、扩压器、弯道、回流器组成； – 首级：由吸气管和中间级组成； – 末级：由叶轮、扩压器和排气蜗室组成。
.
.
▪ in— 吸气管进口截面，即首级进口截面， 或整个压缩机的进口截面
.
第八章 实际气体 ▪ 第一节 实际气体的压缩性系数 ▪ 第二节 实际混合气体 ▪ 第三节 实际气体的热力学性质 ▪ 第四节 实际气体的压缩过程
第九章 离心式压缩机热力设计 ▪ 第一节 中间冷却与分段 ▪ 第二节 热力设计概述 ▪ 第三节 压缩机中各段各级主要参数的选择 ▪ 第四节 级通流部分基本尺寸的确定 ▪ 第五节 计算例题
DKT-2 low noise fan
B30 axes flow fan
.
多翼风机
wheel
.
罗茨风机（泵）
▪ The two rotating components confine a volume of gas
▪ The volume of the pocket decreases in rotation so pressure increases
▪ 组成：离心式压缩机由定子和转子两部分组 成。
▪ 定子：又称固定元件。它主要指吸气室、扩 压器、弯道、回流器、蜗壳等。
▪ 转子：包括轴、轴套、叶轮、平衡盘等。
.
离心压缩机的工作原理
气体由吸气室吸入。通过叶轮对气体作功， 使气体压力，速度，温度提高然后流入扩压 器，使速度降低，压力提高，弯道，回流器 主要起导向作用。使气流流入下一级继续压 缩。最后由未级出来的高压气体级蜗室和出 气管输出。
叶轮的设计原理及应用
叶轮的设计原理及应用叶轮是一种常见的机械设备，它的设计原理和应用非常广泛。
叶轮常用于液体泵、风扇、涡轮机、喷气发动机等各种工程设备中。
下面将从设计原理、应用范围和优缺点等方面详细介绍叶轮。
叶轮的设计原理主要基于流体力学，叶轮即为固定叶片或转动叶片组成的旋转部件。
为了实现特定的流体机械任务，叶轮的设计取决于不同的应用和摩擦条件。
根据叶片的形状、布局和工作环境，叶轮可分为开式和密闭两种类型。
在涡轮机中，流体通过叶轮，叶轮将流体的动能转化为机械能，并推动传动系统工作。
叶轮的设计需要考虑以下几个因素：1. 流体参数：流速、密度、粘度和温度等参数会影响叶轮的设计。
不同的参数对叶轮的各项性能和工作效果都有显著影响。
2. 叶片类型：叶轮的性能主要由叶片的形状和数量决定。
根据叶片类型的不同，叶轮可以分为离心式、轴流式和混流式等。
3. 叶片布局：叶片的布局也会影响叶轮的性能。
布置叶片的角度和密度能够调节叶轮的扬程、流量和效率。
4. 材料选择：叶轮的工作环境对材料的选择提出了要求。
例如，在高温或高压环境中，必须选择能够耐受这些条件的耐热、耐腐蚀材料。
叶轮的应用非常广泛，以下是几个典型的应用领域：1. 液体泵：叶轮作为泵的核心部件，通过旋转产生离心力，将液体向外部压送。
在工业生产、供水系统和化工过程中广泛使用。
2. 风扇：叶轮通过旋转产生气流，用于降温、通风和气体传送，广泛应用于建筑、汽车、电子设备等领域。
3. 涡轮机：叶轮作为涡轮机的动力转换部件，将流体的动能转变为机械能，如水力发电和汽轮发电等。
4. 喷气发动机：喷气发动机中的叶轮通过喷气产生推力，实现飞机或其他飞行器的推进。
叶轮具有一些优缺点：优点：1. 高效能：叶轮的设计优化可以提高流体机械的效率，从而降低能源消耗和运行成本。
2. 灵活性：叶轮的尺寸、形状和材料可以根据具体应用需求进行定制，满足不同工况下的流体传输要求。
3. 负载适应性：叶轮能够根据系统负载的需求自动调整输出功率，对于泵类设备尤为重要。
3第三章 泵与风机的叶片理论
离心力
压力增加
第一节 流体在离心式封闭叶轮中的获能分析
2. 单位重力作用下流体的动能增量
第二节 流体在叶轮中的运动及速度三角形
一、流体在离心式叶轮中的运动分析
3. 单位重力作用下流体的总能头
讨论：流体获能与旋转速度、叶轮内直径、外直径 的关系？
流体在叶轮内的运动是一种 流体 在叶轮内的运动是一种复合运动 复合运动，即 ，即： ： uw
第四节 离心式叶轮的叶片形式
第四节 离心式叶轮的叶片形式
离心泵，一般采用后弯式 （1）从流体所获得的扬程看，前向叶片最大， 径向叶片稍次，后向叶片最小。 （2）从效率观点看，后向叶片最高，径向叶片 从效率观点看 后向叶片最高 径向叶片 居中，前向叶片最低。 （3）从结构尺寸看，在流量和转速一定时，达 到相同的压力前提下，前向叶轮直径最小，而 径向叶轮直径稍次，后向叶轮直径最大。 （4）从工艺观点看，直叶片制造最简单。 流动液体，功率大，为提高效率，降低轴功率。 离 风机 离心风机，三种叶型都有。 种叶型都有 要求高效低噪，采用后弯； 要求总风压高，前弯； 要求不易积灰，径向，如排粉机。
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
三、基本方程式分析 1. 预旋的存在及其对理论扬程的影响： 进入叶轮前的旋转运动称为预旋 分为正预旋（ α1∞为锐角），负预旋（ α1∞为钝角） 预旋发生的原因很复杂，至今无定论 预旋发生的原因很复杂 至今无定论 预旋可以改善流体流动，但会影响理论扬程
绝对速度角 相对流动角
对于水泵：ψ1 =0.75~0.88 ψ2 =0.85~0.95
当流体径向进入叶轮，通 常选用α1为佳
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
基本方程式（欧拉方程）
第三节 叶片式泵与风机的基本方程
《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：
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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
H《化工过程流体机械》第3章叶片式压缩机_总结思考公式习题
《化工过程流体机械》总结、思考、公式、习题（第三章）2009.10.15（内容总结及思考题）第三章叶片式压缩机§ 3.1 离心压缩机的结构类型3.1.1 离心压缩机的基本结构3.1.2 主要零部件3.1.3 典型结构小结：1．基本结构级、段、缸、列；首级、中间级、末级；叶轮、扩压器、弯道、回流器、吸气室、蜗壳；2．主要零部件叶轮（后弯型，相对宽度b2/D2，直径比D1/D2）；扩压器（叶片、无叶片）；3．典型结构单级、多级，水平中开型、高压筒型等。
思考题：[2] 3-1．何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？§ 3.2 离心压缩机的工作原理3.2.1 工作原理3.2.2 基本方程3.2.3 压缩过程3.2.4 实际气体小结：1．工作原理离心压缩机特点（优缺点）；关键截面参数（s、0、1、2、3、4、5、0'）；2．基本方程连续性、欧拉方程，焓值方程（热焓形式）、伯努利方程（压损形式）；3．压缩过程等温压缩、绝热压缩、多变压缩过程（过程指数m、绝热指数k）；4．实际气体压缩性系数Z、混合气体（ρ、R、c p或c v、k）。
思考题：[2] 3-2．离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？[2] 3-3．何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中b2/D2和φr2的数值应在何范围之内？[2] 3-4．何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。
[2] 3-5．何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。
[2] 3-6．何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。
[2] 3-14．如何计算确定实际气体的压缩性系数Z？[2] 3-15．简述混合气体的几种混合法则及其作用。
§ 3.3 离心压缩机的工作性能3.3.1 能量损失3.3.2 性能参数3.3.3 单级特性3.3.4 多级特性3.3.5 性能换算小结：1．能量损失流动（摩阻、分离、冲击、二次流、尾迹、M）、轮阻、内漏气损失；2．性能参数能头、功率、效率，级中气体状态参数（温度、压比、比容）；3．单级特性能头（压比）、功率、效率特性，喘振和堵塞工况、稳定工况区；4．多级特性特性（曲线陡、喘振限大、堵塞限小、稳定区窄）、影响（u2、μ）；M、k）、完全相似和近似相似（k＝k'）换算。
第4章-流体流动守恒原理-讲义1-守恒方程PPT课件
ENGINEERING FLUID MECHANICS
例 4-1 圆管层流的最大速度；例 4-2 搅拌槽出口的溶液浓度
6
工 4 流体流动的守恒原理
程
Sichuan University
流 4.2 质量守恒方程（续2）
体 力 学
(3) 化学反应系统的质量衡算方程
基于千克质量单位：组分i 的质量生成率:
R
i
（kg/s）,
反应物，Ri 生成物，Ri
<0 >0
qm2,iqm1,i Ridm dtcv,i 0
且 Ri 0
基于摩尔质量单位：组分i 的摩尔生成率: R i 用分子量Mi (kg/kmole)遍除上式得
(mole/s)，反 生应 成物 物， ，RRii
< >
0 0
qm 2,iqm 1,i Ridm dtcv,i 0 且 Ri 0
质量流量： dA面上的质量流量:
dqm(vn)dA 其中
(v n) ——质量通量 (vn)dA ——体积流量
输入面的质量流量： A1, vn0, qm1dqm(vn)dA
A1
A1
输出面的质量流量： A2, vn0, qm2dqm(vn)dA
A2
A2
对于控制面： d q m ( v n ) d A ( v n ) d A ( v n ) d A q m 2 q m 1
iiiiiiiiiilimlimlimlimlimmmmmmmmm系统输出控制体的质量流量输入控制体的质量流量控制体内的质量变化率sichuanuniversity控制面上的净输出速率41概述续3流体流动的守恒原理流体流动的守恒原理输出控制体的质量流量输入控制体的质量流量控制体内的质量变化率输出控制体的动量流量输入控制体的动量流量控制体内的动量变化率输出控制体的能量流量输入控制体的能量流量控制体内的能量变化率sichuanuniversity输运方程控制体守恒方程精选42质量守恒方程控制面上的法向速度及质量流量法向速度
《流体输送输送机械》课件
安全操作：操作人员应熟悉通风 机的操作规程，确保安全操作
管道系统的运行与维护
定期检查：检 查管道是否有 泄漏、腐蚀等
现象
定期清洗：清 洗管道，防止
堵塞和污染
定期润滑：润 滑管道，防止
磨损和生锈
定期维护：维 护管道，确保
其正常运行
流体输送输送机械的故障 诊断与处理
章节副标题
泵的故障诊断与处理
故障诊断方法：如观察、听 诊、测量等
THEME TEMPLATE
感谢观看
泵的常见施：如更换零件、 调整参数、维修等
预防措施：如定期检查、维 护、更换易损件等
压缩机的故障诊断与处理
故障类型：机 械故障、电气 故障、液压故
障等
故障原因：磨 损、腐蚀、堵
塞、泄漏等
故障诊断方法： 观察、听声音、 测量、分析等
故障处理措施： 更换零件、调 整参数、清洗、
流体输送输送机械的应用
石油、天然气等能源输送 化工、制药、食品等行业的物料输送 城市供水、排水、污水处理等市政工程 农业灌溉、排涝等农业工程 船舶、飞机等交通工具的燃料输送 热力、电力等能源输送
流体输送输送机械的组成 与结构
章节副标题
泵的组成与结构
泵体：容纳 流体，承受 压力
叶轮：将流 体加速，产 生压力
章节副标题
流体输送输送机械概述
章节副标题
定义与分类
定义：流体输送输送机械是一 种用于输送流体的机械设备， 包括泵、压缩机、风机等。
分类：根据流体输送输送机械 的工作原理和用途，可以分为 泵、压缩机、风机等类型。
泵：用于输送液体，包括离心 泵、轴流泵、混流泵等。
压缩机：用于压缩气体，包括 离心压缩机、轴流压缩机、混 流压缩机等。
叶轮机械原理
叶轮机械原理
叶轮机械原理是通过旋转的叶轮来转化或传递能量的一种机械原理。
叶轮通常由装备在轴上的叶片构成，这些叶片通过旋转提供机械能或液压能。
叶轮的工作原理基于牛顿第三定律，即作用力与反作用力相等而方向相反。
当叶轮旋转时，它会通过叶片与流体之间的相互作用产生一个作用力。
这个作用力会将流体推动并转化为机械能。
叶轮机械用于很多不同的应用，例如水泵、涡轮机和风力发电机等。
在水泵中，叶轮通过转动将流体吸入并推出，提供压力和流动。
在涡轮机中，叶轮则通过流体的作用转动轴，从而驱动发电机或者其他机械设备。
风力发电机中的叶轮接收风的能量，将其转化为旋转能量，然后由发电机生成电力。
叶轮机械的效率取决于其设计和操作参数，例如叶轮的形状、角度和转速等。
优化这些参数可以提高叶轮机械的效率和性能。
同时，叶轮机械还需要定期的维护和保养，以确保其正常运行和寿命。
总之，叶轮机械原理是一种通过旋转的叶轮将流体能转化为机械能的重要机械原理。
它在各种领域中都有广泛的应用，并且对于能源转换和流体传输具有重要意义。
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第二节 叶轮主要结构参数
▪ 叶轮主要由轮盘、 叶片、轮盖三部分 组成
▪ 叶轮的主要结构参 数如图所示。
流体机械原理 闻苏平主讲
第三节 能量头、周速系数计算
▪ 无限多叶片假设 假设叶片无限多时，以至于一个叶片流道只容纳一 条流线，即：轴向涡不存在， β2A= β2∞。
▪ 轴向涡： ▪ 滑移系数：
流体机械原理 闻苏平主讲
一、反作用度（反动度）
在叶轮中气体获得的静压能和欧拉功（理论能量头）之比
二、叶轮效率：
2 dp
1
hth
叶轮的多变效率一般为84％～92％
(hpol )imp
2 1
dp
mi mi
1
RT1
p2 p1
mi 1
mi
1
htot hth hl hdf
( pol )imp
c2u
c2u
流体机械原理 闻苏平主讲
轴向涡与滑移系数
▪ 无限多叶片假设，用下标∞表示 ▪ 有限叶片数
流体机械原理 闻苏平主讲
斯陀道拉（stodola）计算周向分速的半理论半经验公式： 斯陀道拉假设：
（1）轴向涡的速度=Δwu （2）轴向涡的半径＝叶轮叶道的出口宽度b2
c2u u2 c2rctg2 A
西安交通大学流体机械研究所 西安交通大学流体机械国家专业实验室
闻苏平
流体机械原理（离心压缩机部分）
流体机械原理 闻苏平主讲
第三章 叶轮
叶轮是离心压缩机中唯一对气体作功的部件，且是高速旋转 部件，所以对叶轮的设计、材料和制造要求都很高，对叶轮 的要求主要是： （1）提供尽可能大的能量头； （2）叶轮以及与之匹配的整个级的效率要比较高； （3）叶轮型式能使级及整机的性能稳定工况区较宽； （4）强度及制造质量符合要求。
流体机械原理 闻苏平主讲
kcr1rr12 csrZin0.7exb2p 81.16fs1in 2A / Z
▪ 威斯勒（Wiesner）研究了65个叶轮的试验资料后提出如下 的计算关系
1
sin b2
Z 0.7
1
f
式中：f的值与叶片进，出口直径的比值有关
kcr
r1 r2
cr
1
exp 8.16 sin
叶轮出口的射流尾迹
▪ 射流尾迹
流体机械原理 闻苏平主讲
实践中，为了减轻射流－尾迹结构以提高效率，国 内外工程技术人员采用了多种方法，如： 1. 从外界引入高速气流，对叶轮内的低速尾迹进行吹 除，将会大大减弱离心叶轮出口的射流－尾迹结构； 2. 在叶轮轮盖上开孔 3. 叶片表面刻槽、 4. 采用串列叶栅技术将叶片分段进行叶片边界层吹除 等方法。 5. 叶片开缝的方法，对半开式无间隙、半开式有间隙、 闭 式无间隙和闭式半开缝
求： 级压比ε=？和级的出口压力pout=?
流体机械原理 闻苏平主讲
1. 2. 3.
由斯陀道拉公式求求出c2U 求出多变指数m
c2u u2 c2rctg2 A
求出欧拉功（能量头或者叫理论能量
头）hth
c2u u2
m m1 k
c2rctg2 A
k
1
pol
u2
z
sin
2 A
4. 求出总耗功wtot
c2rctg2 A
u2
z
sin 2A
μ=0.273
（2）c2u= μx c2u∞=185.64 m/s （3）叶片的能量头
hth= c2u ×u2=5174.3 J/kg
流体机械原理 闻苏平主讲
例题二
已知： 某化工用离心压缩机，pin=0.12MPa，Tin=231.3K某 级的叶轮的叶片数Z=24片， u2=235.6 m/s， φ2r=c2r/u2=0.31，理论圆周分速度c2u∞=221 m/s，叶片 出口安装角β2A=50°，βl＋βdf=0.04，多变效率是76 ％，R=197.57 J/kg.K，k=1.1548
wth c2uu2 c1uu1
5. 求出多变压缩功wpol 6. 求出级压比ε
wtot hth (1 l df )
7. 求出级的出口压力pout pout
wu
n
60
(
D2
sin 2A
/
Z)
u2
z
sin
2A
c2u
u2
c2rctg2A
c2u
u2
c2rctg2 A
u2
z
sin 2A
hth
c2uu2
u2
2u 2
1
2
r
ctg
2
A
Z
sin
2
A
u22
流体机械原理 闻苏平主讲
▪ 此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本 方程式。
▪ 说明： 主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、 叶片出口角和叶片数有关
叶轮 性能
能量头 反作用度 稳定工况区 流动效率
前弯式
径向式
高
中
小
中
窄
中
低
中
流体机械原理 闻苏平主讲
后弯式 中 大 宽 高
流体机械原理 闻苏平主讲
离心叶轮叶片流道内部的流动
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▪ 叶片出口安 装角的变化 对叶轮效率 和能量头系 数的影响。
▪ 流量系数和 安装角的关 系。
流体机械原理 闻苏平主讲
按叶轮叶片型式 ▪ 后弯型叶轮：β2A＜ 90°，级效率高，稳定工
作范围宽。 ▪ 径向型叶轮： β2A ＝90 °，性能介于后弯型
和前弯型之间。 ▪ 前弯型叶轮： β2A＞90°，级效率较低，稳定
工作范围窄。
流体机械原理 闻苏平主讲
轮盖shroud
闭式叶轮
叶轮进口 u1
c1 w1
叶轮进口 叶片
ห้องสมุดไป่ตู้
轮盘hub
2A
/
Z
流体机械原理 闻苏平主讲
例题一
合成气压缩机某级的叶片数Z=20片，理论圆周分速度
c2u∞=221 m/s,叶片出口安装角β2A=55°，流量系数 φ2r=c2r/u2=0.273，u2=273 m/s，计算叶片的能量头hth。
【解】
（1）计算滑移系数 c2u
u2
c2rctg2 A
c2u
u2
(hpol )imp
(htot )imp
c22
2
c12
流体机械原理 闻苏平主讲
第一节 叶轮典型结构的比较
(1) 按叶轮叶片的弯曲形式分： 后向、前向、径向、强后弯（水泵型） 常规、三元
(2) 按叶轮结构形式分：闭式、半开式 (3) 按制造工艺分：
铆接、焊接、精密铸造、钎焊和电蚀加工等制造方法
流体机械原理 闻苏平主讲
u2
c2
w2
流体机械原理 闻苏平主讲
轮盖密封
轮盘(Hub）
半开式三元叶轮
三元叶片
叶片非工作面 吸力面（SS)
流体机械原理 闻苏平主讲
叶片工作面 压力吗 （PS）
流体机械原理 闻苏平主讲
流体机械原理 闻苏平主讲
流体机械原理 闻苏平主讲
流体机械原理 闻苏平主讲
流体机械原理 闻苏平主讲
三种叶轮结构的比较