液力传动与流体机械 第五章 流体机械的典型结构和用途

四、水锤泵
图5-34圆管内流动
水锤泵演示视频：
图 5-35水锤泵
五、气泡泵
图5-36 气泡泵
六、电磁泵
图5-37 导电型 电磁泵
图5-38 磁流体发电
5.4 泵
泵的种类很多，主要有叶片泵、容积 泵和其他类型的泵(如水锤泵、射流泵等)。 泵是一种通用机械，应用极为广泛。 用于国民经济的各个部门中，凡是有液体 流动的地方，就会有泵在工作。其主要应 用范围是：农田排灌、石油化工、动力工 业、城市给排水系统、采矿和造船工业、 宇航火箭燃料供给以及生命科学领域内如 人造心脏等。 视频
图5-41为我国制定的双吸泵系列型谱
图5-41 单级双吸离心泵系列型谱图
下面逐一介绍叶片泵的结构形式及主要用途。 （一） 旋涡泵结构型式及用途 旋涡泵的类型及结构形式有W型、WX型 及WZ型等几种，其主要工作机构包括叶轮、 泵体和泵盖以及由他们组成的环形流道，液 体由吸入管进入流道，并经过旋转的叶轮获 得能量，被输送到排除管，完成泵的工作过 程。
W型旋涡泵为单级悬臂式如图5-42所 示
1 =Cv 射流速度有下式计算：
2gH
图5-19 冲击式水轮机的工作原理
现以图5- 19 来说明冲击式水轮机的 工作原理 。单个喷嘴的 流量用表示，作用于水斗的圆周 方向的力为，根据动量定理
功率：
转轮效率：
八、流体传动装置的工作原理 流体传动包括液体传动和气体传动。 液体传动又分为液压传动和液力传动。
6）相对弯度—翼型最大弯度与弦长之比。 7）曲率角—翼型后缘点处骨线的切线与翼 弦的夹角。 8）翼展长度—机翼的横向宽度，简称展长。 9）展弦比—展长与弦长之比。
图5-11 翼型的动力特性 a）特性曲线 b)极限图
（二）常用翼型
1、哥廷根翼型
图5-12 哥廷根翼型
2、RAF-6翼型（英国翼型）
p2 p1 h = p2 p1
p1 p2 h = p1 p2
对流体动力机械
pm表示零部件间相对运 以 psh 表示轴功率， 动时的机械摩擦损失功率，则机械效率定义 为：
对流体输送机械
psh pm m = psh
对流体动力机械
psh m = psh pm
总效率可有下式计算：
（四）叶栅效率
叶栅效率定义为：
H h c = H 式中， H为总能头， h 为水力损失。 1 在叶片式流体机械中 = c w sin 1 u sin( )
源自文库
显然， 角越小翼型质量越高，叶栅的效率也 就越高。
六、横流式流体机械
图5-17是横流式机械的工作原理示意图。
第五章 流体机械的 典型结构和用途
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 叶片式流体机械 容积式流体机械 其他形式的流体机械 泵 风机和压缩机 水轮机和涡轮机 流体机械装置
5.1 叶片式流体机械
一、叶片式流体机械中的基本概念


绝对坐标系—固连于地球的坐标系； 绝对运动—相对于绝对坐标系的流体运动； 相对坐标系—固连于转动叶轮的坐标系； 相对运动—相对于相对坐标系的流体运动; 牵连运动—绝对坐标系对相对坐标系的运动;
图5-39 叶片泵的使用范围
图5-40为 国际标准 单级悬臂 式离心泵 的系列型 谱图。
图5-40 单级离心泵系列型谱图
图5-40为国际标准(IS02858)单级悬臂式 离心泵的系列型谱图。图中每一产品的 使用范围是一个曲线构成的四边形，上 面一条曲线就是泵的特性曲线，下面一 条曲线是泵叶轮切割后形成的特性曲线， 左右边界线是切割抛物线，曲线框中的 数字代表泵的型号，其中带有下划线的 型号，泵的转速为1475r／min，其余的 泵的转速为2950r／min。
p 为多变效率。 式中，
二、回转式流体机械
根据转子结构不同，常用的回转式机械有 以下几种。 1、啮合式
（1）齿轮式
图5-23 齿轮式 a)外啮合式 b)内啮合式 c)内啮合式
（2）多叶式
b）
图5-24 多叶式 a)双叶式 b)单叶式 c)三叶式
c）
2、螺杆式
（1）单螺杆式
图5-25 单螺杆式
图5-1 轴面流动
图5-2 流面和绝对流线
图5-3表示了流体的绝对速度、相对速度和牵连 速度的关系，由这三种速度矢量组成的三角形称 为流体质点运动的速度三角形。
图5-3
速度三角形
二、叶片的作用及欧拉扬程
叶片和流体之间存在相对运动，由于叶片压力 面和负面之间的压力差而产生升力。升力的产生机 理可以用流体力学中所谓的“环量(circulation)” 来加以解释。
图5-6 离心式机械
离心式流体机械
蜗壳
扩压器
叶轮
叶轮出口横截面 ——圆柱面
图5-7 离心式流体机械
四、叶片式流体机械
u2 2 u1 1 叶片式流体机械基本公式：H th g
cot b 2 b2 2 cot 1 b1 1 1 2 u 1 m g D2b2 2u2
实际轴效率有下式计算 对流体输送机械 n 1 n M n p1 p2 Psh 1 plm n 1 1 p1 对流体动力机械 n 1 n n p1 p2 Psh plm M 1 n 1 1 p1
图 5-13
3、BИΓΜ翼型
图5-14 BИΓΜ翼型
4、NACA翼型
图5-15 NACA翼型的几何尺寸
5、791翼型 6、圆弧翼型
l 2 R R h 2
2 2
l2 h R 8h 2
（三）直列叶栅 相同机翼以一定间隔按同样状态直线排 列即构成直列叶栅。其主要几何参数有： 1）列线— 各翼型相应点的连线。 2）栅轴—垂直于列线的直线。 3）叶栅距—在同一叶栅轴线上，二相邻翼 型的相应点间的线段长度。 4）叶栅稠密度 —即翼型弦长与栅距的比值， 有时将其倒数t/l称为叶栅的相对栅距，叶栅 稠密度时表示叶栅中翼型排列的疏密程度， 是对叶栅性能有重要影响的参数。
（2）双螺杆式
图5-26 双螺杆式
（3）三螺杆式
图5-27 三螺杆式
3、偏心式
（1）滑片式
图5-28 滑片式
（2）回转滑阀式
（3）摇动滑阀式
图5-29 回转滑阀式
图5-30 摇动滑阀式
5.3 其他形式的流体机械
一、摩擦式
图5-31 摩擦式
二、涡流式
图5-32
漩涡式
三、射流式
图5-33 射流式机械
3.扩压器
(1) 叶片扩压器
(2) 无叶扩压器
5-9 扩压器
五、轴流式流体机械
如图5-10所示，轴流式机械由叶轮、壳体和导叶等组成。根 据所需要的扬程，分为单级和多级式。
图5-10 轴流式机械
（一）翼型及其动力特性
垂直于翼展轴线的机翼剖面叫做翼型。 机翼和翼型的有关几何参数的定义如下： 1）骨线—翼型内各内切圆圆心的连线。 2）翼弦—翼型前缘和后缘之间的连线。 3）厚度—翼型上下面在与翼弦垂直的方向上的 距离。 4）相对厚度—翼型最大厚度和弦长之比。 5）弯度—骨线与翼弦之间的距离，用h表示。
对流体输送机械
( p2 p1 )qv = psh
psh = ( p2 p1 )qv
对流体动力机械
几种效率之间的关系如下：
hml
工作介质是气体时，如 图5-22所示，其容积因 压缩和膨胀而发生变化。 因此，即使在理想工作 状态下，吸入效率也不 可能为1.
图 5-22 工作介质是气 体的往复式机械
（5）翼型的安放角—翼型的弦与叶栅列线 间的夹角，翼型中线（或骨线）在前、后 缘之切线与叶栅列线夹角分别叫做翼型的 进口安放角和出口安放角， （6）流动角—流动方向与栅轴之间的垂直 距离。 （7）转向角—流入角与流出角之差。 （8）叶栅宽度 —前后缘点叶栅轴线之间 的垂直距离。
图5-16 直列叶栅 a)叶栅 b)作用力
假设理想的往复式机械的压缩或膨胀是多变 过程，其质量流量及功率由下式给出
qm,0 suc,th 1V0 N
对流体输送机械
n 1 n p1 n p2 P q 1 th m ,0 1 n 1 p1 对流体动力机械 n 1 n p1 n p2 P 1 th qm ,0 1 n 1 p1 式中，1 为吸入口气体密度；n为多变指 数；为理想吸入效率。
环量:

s ds
升力:
FL
图5-4 速度环量
图5-5 翼型升力
三、离心式流体机械
图5-7介绍了离心式 流体机械的结构，图中 上半部分是多级泵、下 半部分是水轮机的示意 图。在叶轮中，叶片前 后呈喇叭型的圆板称为 盖板，有前后盖板的叶 轮叫闭式叶轮，只有后 盖板的叫半开式叶轮， 前后盖板都没有的称为 开式叶轮。
一、叶片泵的结构形式及用途 叶片泵的结构型式按其比转速ns的大 小及叶轮的型式可分为五大类：旋涡泵、 部分流泵、离心泵、混流泵以及轴流泵。 按泵轴的位置形式又可分为立式和卧式两 大类。如根据压出室型式、吸入方式、叶 轮的级数以及不同的使用条件和要求还可 分为如下类型。 视频
叶片泵的使用范 围如图5-39所示。 由于叶片泵的应 用范围很广，各 种不同的使用场 合，要求叶片泵 的结构、材料及 传动方式等都有 所不同。
由上式可知， 曲线为一条过（0，2）
的直线
5-8 叶片出口安装角和叶片形状
2.叶轮出口附近流动的滑动 离心式机械转轮（叶轮）内流体的实 际三元流动情况，可以近似认为是轴向漩 涡与流经不动叶轮时的均匀相对流动的迭 加 。如图5-8 所示 。
在叶轮进口处，轴向涡旋运动的方向 和叶轮的旋转方向相同，其速度三角形如 vu1 vu1 vu分 图5-8所示。因此， ，该 量的增加是叶轮本身的作用造成的。
图5-17
横流式流体机械
对不可压缩流体，横流式机械的流量和理论 扬程由下式计算得：
qV vr1r11b vr 2r22b
1 H th u2 (v 2 v 1 ) g
七、冲击式流体机械
图5-18 冲击式流体机械
冲击式流体机械主要是指冲击式水轮机。如图5-19 所示，水由喷管引入，在喷嘴处将压能转换成动能，形 成高速射流流入转轮的水斗，冲动转轮旋转以输出动力， 水流流量由喷嘴内部设置的针阀控制。
要包括缸体，活塞（或柱塞），吸入阀和排出阀。
现以流体的理想工作过 程的 示功图（图 5- 21） 来说明往复式流体机械 的工作 原理 ，所谓理想 工作过程是指液体在缸 体内没有流动损失，没 有泄漏并完全充满缸体。
图 5-21 工作介质是 液体 的往复式机械
由于液体进出缸体及通过阀门时会产生 流动损失，使吸入过程中缸体内的压力 小于p1,排出过程中的压力高于p2,用 p1 , p2 分别表示吸入和排出过程中缸体内的平 均压力，则流动效率可如下计算 对流体输送机械
流量系数
，扬程系数 的定义如下
qv vm 2 Au2 u2 2 gH 2v02 2 u2 u2
式中，A为叶轮的特征面积，这里取叶轮出口的环 状面积 2 r b
2 2
由叶轮出口速度三角形得：
v 2 u2 vm 2 cot b 2 v 2 1 cot b 2 u2 2
图5-20 液体传动机构的组成
液力传动分为三大类型： 1、液力变矩器视频 2、液力耦合器视频 3、液力机械传动
5.2 容积式流体机械
容积式流体机械根据运动方式可分为往 复式和回转式两类。 一、往复式流体机械
往复式流体机械通常由两部分组成。一部分
是 直接和 流体进行能量交换的工作端，另一部分
是和其他机械进行动力传递的传动端。工作端主
为叶轮直径， 为流体密度， 其中 D b 叶轮宽度。
为
反击系数：
hth (u u ) ( ) Hth 2(u2 2 u1 1 )
2 2 2 1 2 2 2 1
反击系数大的叶轮称为反击式叶 轮，反击系数小的称为冲击式叶轮。
1.性能曲线和叶片出口安放角的关系