1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论介绍
轴流式泵与风机的叶轮理论
二、机翼理论表示的能量方程式
力F在圆周方向上的分力 Fu 为：
Fu F cos 90 ( ) F sin( )
则单位翼展上所需要的总功率为：
zdP zFu u zuF sin( )
F FL / cos 当翼展b=1时，FL
2 W C L l 2
对于风机，一般用全压表示，则：
P T gHT
2 sin( ) u l W CL ( Pa) Va t 2 cos
一般 1 ，此时 cos 1 。假设 ， 则 sin( ) sin 。又由图1-10知，V W sin ，这时， 可简化为：
由图1-70可以看出，对孤立翼型而言，离开翼型一定距离处 的气流偏转角趋向于零，也即气流的方向恢复到原状。对于 轴流式泵与风机的叶轮，前面已经指出，可以看成是平面直 列叶栅，即由许多相同的翼型排列而成。和孤立翼型相比， 有以下不同点： 升力系数和阻力系数取决于翼型的相对厚 度、断面形状、冲角、表面粗糙度及雷诺数等。各种翼型的 升力系数和阻力系数都可以利用风洞实验数据求得。一般将 它们描述成冲角的函数，并绘成曲线，称为翼型性能曲线， 如图1-71所示。对于不同形状的翼型，这些性能曲线是有差 别的。从技术要求上讲，总希望翼型有尽可能高的升力和最 小的阻力。
,代人得：
2 W sin( ) zdP zuCL l 2 cos
如果通过单位叶展叶轮的流量为dqvT ，当不计损失时， 则此功率相当于将该部分流体提高到 H T 高度，故:
2 W sin( ) gdqvt H T zdP zuCL l 2 cos 2 zuCL l W sin( ) HT dqvT 2 g cos
第1章泵与风机的叶轮理论
三、流体在叶轮内的运动及速度三角形
• 首先做以下假设： • 1）叶轮中的叶片无限多，无限薄；这样可以
认为流体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线 一致。 • 2）叶轮中的流体为无粘性流体，不考虑由于 粘性而引起的能量损失。 • 3）流体在叶轮中的流动为稳定流。 • 4）流体不可压缩。
图a轴面投影为圆弧投影，以轴线为圆心，把叶片旋转投影到轴面上所得 到的投影图。 叶轮旋转时，叶轮中的流体质点将随叶轮一起旋转，同时在离心力的作 用下，流体质点还要沿流道向外缘流出。
需要强调指出的是:
若在离心泵启动前没有向泵壳内灌满被输送的液 体，由于空气密度低，叶轮旋转后产生的离心力 小，叶轮中心区不足以形成吸入贮槽内液体的低
压，因而虽启动离心泵也不能输送液体。这表明
离心泵无自吸能力，此现象称为气缚。（容积泵 每次运行前是否需要灌泵？）
二、离心式泵与风机的工作原理
图 1-3 离心式风机主要结构分解示意图 1—吸入口；2—叶轮前盘；3—叶片；4—后盘；5—机壳；6—出口 7—截流板，即风舌；8—支架
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。
5
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
将叶轮的前盖板切掉， 而后做叶轮的平面投影， 如图（b）所示。轴面投 影图就是将叶轮上的任意 点用旋转投影法投影到同 一轴面上而得到的图。
6
§1-1 离心式泵与风机的叶轮理论
如投类边到同列到图影似有其理的轴中上的一轴，轴面流的设交面如线oomO体线投果，I′质，影〞为从把上点将。过就叶每，这m叶是片一，就条轮m的个投点可交进进轴影的以线口口面到轴得投边边与铅面到影的到叶垂投叶到一出片轴影轮轴个口的面。的面轴边交o轴o面o按线o面，′照按′投该上一照上影轴得定旋，图线到的转进。与m间投而叶′隔影可片做法以，进一投得轴口系影面
泵与风机课件--泵与风机的叶轮理论
叶轮类型包括 离心式、轴流 式、混流式等， 适用于不同的 流体输送场景
叶轮的分类
离心式叶轮：叶片沿径向分布，适用于低压、大流量场合
轴流式叶轮：叶片沿轴向分布，适用于高压、小流量场合
混流式叶轮：叶片沿径向和轴向混合分布，适用于中压、中流 量场合
旋流式叶轮：叶片沿径向和轴向旋转分布，适用于高压、大流 量场合
铸造工艺：砂型铸造、金属型铸造、离心铸造等 材料选择：不锈钢、铸铁、铝合金、铜合金等 铸造方法：重力铸造、低压铸造、高压铸造等 材料性能：耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等 铸造缺陷：气孔、缩孔、裂纹等 铸造工艺优化：提高铸造质量，降低成本，提高生产效率
焊接工艺与材料选择
焊接工艺：包括电弧焊、激光焊、电子束焊等 材料选择：根据叶轮的工作环境和性能要求选择合适的材料，如不锈钢、铝合金、钛合金等 焊接质量控制：通过无损检测、金相分析等方法确保焊接质量 焊接工艺优化：通过优化焊接参数、改进焊接设备等方法提高焊接效率和质量
斜流式叶轮：叶片沿斜向分布，适用于低压、中流量场合
轴向流叶轮：叶片沿轴向分布，适用于低压、大流量场合
叶轮的工作原理
叶轮是泵与风机的核心部件，负责将流体能量转化为机械能
叶轮由叶片和轮毂组成，叶片负责将流体能量转化为机械能，轮毂负责支撑叶片
叶轮通过旋转将流体吸入，加速，排出，பைடு நூலகம்现流体能量的转换 叶轮的工作原理涉及到流体力学、机械工程等多个学科领域
风压：气流通过叶轮的压力
叶片角度与风量、风压的关系：叶片角度越大，风量越大，风压越小；叶片角度越小， 风量越小，风压越大。
叶片形状对风量与风压的影响
叶片形状：影响 风量与风压的主 要因素
叶片形状与风量： 叶片形状不同， 风量也不同
泵与风机课件2泵与风机的叶轮理论
叶轮的不平衡、转子弯曲、轴承 磨损等都会引起叶轮振动。
稳定性分析
对叶轮进行稳定性分析，可以判断 其在不同工况下的稳定性，避免发 生共振和失稳现象。
减振措施
为减小叶轮振动，可采取增加支撑 刚度、优化转子平衡等措施。
04
CATALOGUE
叶轮的应用与优化
叶轮在不同领域的应用
01
02
03
泵与风机课件2泵与风机的叶轮 理论
目 录
• 叶轮理论概述 • 叶轮的设计与制造 • 叶轮的性能分析 • 叶轮的应用与优化 • 叶轮的未来发展展望
01
CATALOGUE
叶轮理论概述
叶轮的基本概念
叶轮是泵与风机中的核心部件 ，主要由叶片和轮毂组成。
叶片的形状、大小、角度等参 数对泵与风机的性能有重要影 响。
叶轮的未来发展展望
新型叶轮材料的研究与应用
高强度轻质材料
利用新型复合材料和金属基复合 材料，提高叶轮的强度和减轻重 量，从而提高泵与风机的效率。
耐腐蚀和耐磨材料
研究和发展具有优异耐腐蚀和耐 磨性能的材料，提高叶轮的使用 寿命和可靠性。
先进制造技术在叶轮制造中的应用
精密铸造和锻造技术
利用精密铸造和锻造技术，制造出高 精度和高质量的叶轮，提高产品的稳 定性和可靠性。
叶轮的材料选择
高强度材料
耐腐蚀材料
为了满足叶轮的强度和刚度要求，应 选择高强度材料，如铸钢、不锈钢等 。
对于在腐蚀性环境中工作的叶轮，应 选择耐腐蚀的材料，如不锈钢、镍基 合金等。
轻质材料
为了减小叶轮的质量和转动惯量，提 高泵和风机的响应速度，可以选择轻 质材料，如铝合金、钛合金等。
叶轮的制造工艺
泵与风机的叶轮理论
m2 2u
w2
β2 u2
式中 qVT ——理论流量，m3 / s
出口速度三角形
D ——叶轮内径，m； 2
b ——叶轮旳进口宽度； m
2 ——排挤系数 2
（对于水泵，出口旳排挤系数为：1=0.85~0.95；)
流体机械原理
(3)出口相对流动角 2
在叶片无限多旳假 设条件下，叶轮出口 处流体运动旳相对速 度方向沿着叶片切线 方向，即出口相对流 动角旳数值与叶片出口
u2=2D2n/60，故D2和n HT。
流体机械原理
（3）绝对速度旳沿圆周方向旳分量2u 。提升2u 也可提升理论能头，而2u与叶轮旳型式即出口安 装角2a有关，这一点将在第三节中专门讨论。
流体机械原理
4、能量方程式旳第二形式：
由叶轮叶片进、出口速度三角形可知：
uiiu
uiicosi
1 2
(i2
2°从能量转化和效率角度：前向式叶轮番道扩散度大且压 出室能头转化损失也大；而后向式则反之，故其克服管路阻力 旳能力相对很好。
3°从防磨损和积垢角度：径向式叶轮很好，前向式叶轮较 差，而后向式居中。
4°从功率特征角度：当qV时，前向式叶轮Psh，易发生过 载问题。
流体机械原理
（五）、叶片出口安装角旳选用原则
叶片为“”， =0，[ =const. =const.
]0，轴对称。
t
流体机械原理
2. 控制体
流体机械原理
则dt在时间内流入和流出进出口控制面旳流体 相对于轴线旳动量矩分别为：
流进： q v cos rd
V ,T 1
1 1 t
流出： q v cos r d
V ,T 2
2 2 t
叶片式泵与风机的理论
第八章叶片式泵与风机的理论第一节离心式泵与风机的叶轮理论离心式泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片就对流体做功，从而使流体获得压能及动能。
因此，叶轮是实现机械能转换为流体能量的主要部件。
一、离心式泵与风机的工作原理泵与风机的工作过程可以用图2—l来说明。
先在叶轮内充满流体，并在叶轮不同方向上取A、B、C、D几块流体，当叶轮旋转时，各块流体也被叶轮带动一起旋转起来。
这时每块流体必然受到离心力的作用，从而使流体的压能提高，这时流体从叶轮中心被甩向叶轮外缘，，于是叶轮中心O处就形成真空。
界流体在大气压力作用下，源源不断地沿着吸人管向O处补充，而已从叶轮获得能量的流体则流人蜗壳内，并将一部分动能转变为压能，然后沿压出管道排出。
由于叶轮连续转动，就形成了泵与风机的连续工作过程。
流体在封闭的叶轮中所获得的能（静压能）：上式指出：流体在封闭的叶轮内作旋转运动时,叶轮进出口的压力差与叶轮转动角速度的平方成正比关系变化；与进出口直径有关，内径越小，外径越大则压力差越大，但进出口直径均受一定条件的限制；且与密度成正比关系变化，密度大的流体压力差也越大。
二、流体在叶轮内的运动及速度三角形为讨论叶轮与流体相互作用的能量转换关系，首先要了解流体在叶轮内的运动，由于流体在叶轮内的运动比较复杂，为此作如下假设：①叶轮中叶片数为无限多且无限薄，即流体质点严格地沿叶片型线流动，也就是流体质点的运动轨迹与叶片的外形曲线相重合；②为理想流体，即无粘性的流体，暂不考虑由粘性产生的能量损失；③流体作定常流动。
流体在叶轮中除作旋转运动外，同时还从叶轮进口向出口流动，因此流体在叶轮中的运动为复合运动。
当叶轮带动流体作旋转运动时，流体具有圆周运动(牵连运动)，如图2—3(a)所示。
其运动速度称为圆周速度，用符号u表示，其方向与圆周切线方向一致，大小与所在半径及转速有关。
流体沿叶轮流道的运动，称相对运动，如图2—3(b)所示，其运动速度称相对速度，符号w表示，其方向为叶片的切线方向、大小与流量及流道形状有关。
第一章泵与风机的叶轮理论资料重点
H T
u2 g
(u2
v2m
cot 2a )
出口安装角对理论扬程的影响
H T
u2 g
(u2
v2m
cot
2a )
1、β2a<90°（后弯式叶片）
cot 2a,min
u2 v2m
此时
HT 0
v2 v2m
w2
2a,m in
u2
出口安装角对理论扬程的影响
H T
u2 g
(u2
v2m
cot
2a )
2、β2a=90°（径向式叶片）
泵与风机 （Pump & Fan）
第一章 泵与风机的叶轮理论
本章要求
离心式泵与风机:
➢了解离心式泵与风机的叶轮理论； ➢理解并掌握流体在叶轮中的运动规律、速度三角
形； ➢重点掌握能量方程式的分析、叶片出口安装角对
理论能头的影响，有限叶片叶轮中流体的运动；
轴流式泵与风机:
➢理解流式泵与风机的基本原理、能量方程、基本 形式。
（1）1u反映了泵与风机的吸入条件。设计时一般尽量使 1≈90（1u0），流体在进口近似为径向或无预旋流入。
（2）增大叶轮外径和提高叶轮转速。因u2=D2n/60，故D2和 n HT。
目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r/min。
D2和n受到什么限制吗？
分析
HT = g1（u22u -u11u）
流动分析假设
（1）叶轮中的叶片为无限多无限薄，流体微 团的运动轨迹完全与叶片型线相重合。 （2）流体为理想流体，即不考虑由于粘性使 速度场不均匀而带来的叶轮内的流动损失。 （3）流体是不可压缩的。 （4）流动为定常的，即流动不随时间变化。 （5）流体在叶轮内的流动是轴对称的流动。
浅谈叶片式泵与风机中流体的基本理论
叶片式泵与风机流体的基本流动理论滨州市技术学院李静 256600研究流体在泵与风机内的流动规律要从泵与风机的原理和性能入手，就是要，进而找出流体流动与各过流部件几何形状之间的关系，确定适宜的流道形状，从而得到符合要求的水力（气动）性能。
一、流体在叶轮内的流动分析（一）叶轮流道的流动分析假设1、叶轮的结构组成：1——前盖板；2——后盖板；3——叶片；4、5——叶片进口、出口。
2、流动分析假设由于流体在叶轮内流动相当复杂，为了分析其流动规律，常作如下假设：（1）具有无穷多、厚度无穷薄叶片的叶轮称为理想叶轮，具有这种叶轮的叶片式泵与风机称为理想叶片式泵与风机。
由于叶片型线的约束，叶片型线与流体的运动轨迹重合。
（2）流体为理想流体，即忽略了流体的内摩擦力。
因此可不考虑由于粘性而引起的叶轮内的流动阻力损失。
（3）流动为稳定流的缓变流，即流动不随时间和空间位置的变化而变化。
（4）流体认为是不可压缩流体，这和电厂的实际情况相仿，因为液体在很大压差下体积变化甚微，而气体在压差很小时体积差值可以忽略不计。
（5）流体在叶轮内的流动是轴对称的流动。
即认为在同一半径的圆周上，流体微团有相同大小的速度。
因而，每层流面把一条流线作为研究对象即可。
（二）理想叶轮内流体的运动流体通过理想叶轮时候，流线与叶片的型显形状一致。
因此，假如旋转的叶轮的出口是封闭的，则轮内流体将随叶轮旋转作圆周运动，即为叶轮的圆周速度。
如果静止叶轮的出口通畅，则流入叶轮的流体将沿叶片的方向从进口到出口作相对于叶轮的运动，就是叶轮的相对速度。
所以，当理想叶轮旋转且出口畅开时，轮内流体一方面作圆周运动，同时又作相对运动。
它相对于静止的泵与风机的壳体的运动就是由这两种运动复合而成，称为绝对运动。
绝对运动等于圆周速度与相对速度的向量和，旋转且出口畅开的叶轮内任意点流体质点的运动状态都可以用这三个速度向量组成的向量三角形，即速度三角形表示。
二、理想轴流式泵与风机叶轮内流体的运动分析（一）叶轮流道流动分析假设流体在轴流式泵与风机叶轮内的流动同样是十分复杂，因此，为了使问题便于研究，通常根据轴流式泵与风机叶轮内流体轴向流入与流出叶轮的特点，将理想轴流式泵与风机叶轮内不可压缩流体的运动作如下简化：（1）研究对象为不可压缩流体。
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1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 概述
工作原理
由于流体沿轴向进入叶轮并沿轴向流出，故称为轴流 式。 其工作原理为：利用旋转叶轮的翼型叶片在流体中旋 转所产生的升力使流体获得能量。 特点：流量大，扬程（风压）低（与离心式泵与风机 相比）
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 概述
工作原理
与离心式泵与风机相比，结构上具有以下特点：
：升力角。
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
不同的翼型形状
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
冲角变化的影响
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
wa arctan wu 2va arctan 2u v v 1u 2u
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论
主要内容 • 概述 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形 • 轴流式泵与风机的升力理论 • 沿叶高气流参数的变化 • 能量方程式 • 轴流式泵与风机的基本类型 • 子午加速轴流风机
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
叶栅翼型的空气动力特性：
2 w Fyl cyl bl 2 2 w Fxl cxl bl 2
(1)根据孤立翼型数据，借用平板直列叶栅的修正资料：
Dn
60
v u w
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
速度三角形
在同一半径r处， u1=u2，且v1a=v2a v1r=v2r=0 轴向分速度的计算式：
v1a
与离心式泵与风机相比，不同点如下：
v1 v1a
v2 u
w2 w1 v2a
qV
2 2 2 Dh V
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
平面直列叶栅
栅距t
翼型安装角a
u
弦长b
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
速度三角形
流体在叶轮内的运动仍是一种复合运动，即
与离心式泵与风机相比，相同点如下：
v=u+w
圆周速度u仍为：
u
叶轮流道投影图
轴面投影
平面投影
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
流动分析假设
除可以采用研究离心式泵与风机时采用的方法外，常 采用以下假设：
认为流体流过轴流式叶轮时，与风机在大气中飞行十分相 似，可采用机翼理论进行分析； 圆柱层无关性假设，通常把复杂的空间运动简化为径向分速 度为零的圆柱面上的流动。即流体的流面为圆柱面，各相邻 圆柱面上的流动互不相关。经实验证实，在设计工况下，流 体的径向速度很小，以至于忽略径向分速度不影响工程计算 精度。
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论
主要内容 • 概述 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形 • 轴流式泵与风机的升力理论 • 沿叶高气流参数的变化 • 能量方程式 • 轴流式泵与风机的基本类型 • 子午加速轴流风机
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 概述
工作原理
由于流体沿轴向进入叶轮并沿轴向流出，故称为轴流 式。 其工作原理为：利用旋转叶轮的翼型叶片在流体中旋 转所产生的
理想流体扰流孤立翼型
2 v Fyl cyl bl 2 2 v Fxl cxl bl 2 Fyl c yl tan Fxl cxl
Fyl
Fxl
Fyl：翼型升力； Fxl：翼型阻力；
：来流密度；b：弦长；l: 翼展；
v∞:无限远处来流速度;
火电厂中普遍采用轴流式风机作为锅炉送、引风 机，用轴流式泵作为循环水泵。
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论
主要内容 • 概述 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形 • 轴流式泵与风机的升力理论 • 沿叶高气流参数的变化 • 能量方程式 • 轴流式泵与风机的基本类型 • 子午加速轴流风机
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
(1) 结构简单、紧凑，外形尺寸小，重量较轻。 (2) 动叶可调轴流式泵与风机，由于动叶安装角可随外界负荷 变化而变化，因而变工况调节性能较好，可保持较宽的高效 工作区。 (3) 动叶可调轴流式泵与风机因在轮毂中安装叶片调节结构， 转子结构较复杂，制造安装精度要求高。 (4) 噪声较大，尤其是大型轴流风机，需在进口或出口安装消 声器。
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
翼型的空气动力特性曲线 指升力系数cyl和阻力系数cxl与冲角之间的关系曲线。
失速点
Flow separation at higher angle of attack
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
翼型的极曲线 指升力系数cyl和阻力系数cxl之间的关系曲线。
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
孤立翼型及叶栅翼型的空气动力特性
轴流式泵与风机的叶片设计要点： (1) 较大的升阻比，即较小的升力角 (2) 保证冲角小于失速角
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
D 4
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 流体在叶轮中的运动及速度三角形
速度三角形
C v1 A v2 u
2
E
D w2 w1
w∞
2 ∞ 1 B
2
v1u v2u w w2u 2 2 w wa v u 1u a 2 2
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论
翼型及叶栅的主要几何参数
中弧线 翼型安装角a 前缘点、后缘点 弦长b 弯度f 厚度 弦长b 展弦比 冲角 前驻点、后驻点 栅距t 稠度
栅距t u
1.2 轴流式泵与风机的叶轮理论 • 轴流式泵与风机的升力理论