泵與風機第一章-2

1、1-2 軸流式泵與風機的葉輪理論軸流式泵與風機的葉輪理論一、概述一、概述 軸流式軸流式屬屬高比轉(zhuǎn)數(shù)高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵與風機，其特點是流量大、的泵與風機，其特點是流量大、揚程（風壓）低。揚程（風壓）低。 此外，與離心式比較結(jié)構(gòu)上還具有以下特點：此外，與離心式比較結(jié)構(gòu)上還具有以下特點： （1）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，外型尺寸小，重量輕。）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，外型尺寸小，重量輕。 （2）動葉可調(diào)）動葉可調(diào), 具有較寬的高效區(qū)具有較寬的高效區(qū) （3）裝有葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)，制造安裝精度要求高）裝有葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)，制造安裝精度要求高 （4）噪聲大于離心式）噪聲大于離心式立式軸流泵立式軸流泵電動機位置電動機位置較高，沒有較高，沒有

2、被水淹沒的被水淹沒的危險，這樣危險，這樣其葉輪可以其葉輪可以布置得更低，布置得更低，淹沒到水中，淹沒到水中，啟動時可無啟動時可無需灌水或抽需灌水或抽真空吸水。真空吸水。 軸流式葉輪的軸面投影圖和平軸流式葉輪的軸面投影圖和平面投影圖面投影圖 軸流式泵與風機的工作原理軸流式泵與風機的工作原理n當流體與翼型葉片作相對運動時，當流體與翼型葉片作相對運動時，流體流體繞翼型葉片，繞翼型葉片，在葉片在葉片的的凸面上斷面小，流速大，壓強低，凸面上斷面小，流速大，壓強低，而在葉而在葉片的片的凹面斷面大，流速小，壓強高，凹面斷面大，流速小，壓強高，在葉片的凸、在葉片的凸、凹產(chǎn)生一壓強差，這一壓強差作用在垂直于機翼

3、的凹產(chǎn)生一壓強差，這一壓強差作用在垂直于機翼的有效面積上，就有效面積上，就產(chǎn)生一指向凸面的力，產(chǎn)生一指向凸面的力， 即升力即升力.軸流式泵與風機的工作原理軸流式泵與風機的工作原理n根據(jù)作用力與反根據(jù)作用力與反作用力定律，葉作用力定律，葉片對流體產(chǎn)生一片對流體產(chǎn)生一大小相等、方向大小相等、方向相反的反作用力，相反的反作用力，即反升力，流體即反升力，流體在葉輪中運動時，在葉輪中運動時，由于反升力的作由于反升力的作用，使流體的能用，使流體的能量獲得提高量獲得提高。 二二、流體在葉輪中的運動及速度三角形、流體在葉輪中的運動及速度三角形圓柱坐標（徑向、軸向、周向）圓柱坐標（徑向、軸向、周向）軸流式葉輪的

4、流動狀態(tài)時，常做軸流式葉輪的流動狀態(tài)時，常做如下假設：如下假設：n圓柱層無關性假設圓柱層無關性假設,即認為葉輪即認為葉輪中流體微團是在以泵與風機的中流體微團是在以泵與風機的軸線為軸心線的圓柱面（稱為軸線為軸心線的圓柱面（稱為流面）上流動，且相鄰兩圓柱流面）上流動，且相鄰兩圓柱面上的流動互不相干，也就是面上的流動互不相干，也就是說，在葉輪的流動區(qū)域內(nèi)，說，在葉輪的流動區(qū)域內(nèi)，流流體微團不存在徑向分速體微團不存在徑向分速。n流體是流體是不可壓縮不可壓縮的。的。圓柱面圓柱面n機翼型葉片的橫截面稱為機翼型葉片的橫截面稱為翼型翼型，它具有，它具有一定的幾何型線和一定的空氣動力特性。一定的幾何型線和一定的

5、空氣動力特性。 n由相同翼型等距排列的翼型系列稱為由相同翼型等距排列的翼型系列稱為葉葉柵柵。這種葉柵稱為。這種葉柵稱為平面直列葉柵平面直列葉柵 （一）平面直列葉柵（一）平面直列葉柵 1、翼型的主要幾何參數(shù)、翼型的主要幾何參數(shù) 1）骨架線。骨架線。 通過翼型內(nèi)切圓圓心通過翼型內(nèi)切圓圓心 的連線，稱為骨架線或中弧線。的連線，稱為骨架線或中弧線。 2）前緣點、后緣點。前緣點、后緣點。骨架線與型線的交點，前端稱骨架線與型線的交點，前端稱前緣點前緣點，后端稱，后端稱后緣點后緣點。 3）弦長弦長b.前緣點與后緣點連接的直線稱翼弦。翼弦的長度稱為弦長前緣點與后緣點連接的直線稱翼弦。翼弦的長度稱為弦長 4）翼

6、展翼展L。垂直于紙面方向葉片的長度稱為翼展。垂直于紙面方向葉片的長度稱為翼展。 5）展弦比。展弦比。翼展與弦長之比翼展與弦長之比 L/b，稱為展弦比。，稱為展弦比。 6）彎度彎度f。弦長到骨架線的距離，稱為彎度（撓度）。弦長到骨架線的距離，稱為彎度（撓度）。最大撓度最大撓度 7）厚度。厚度。翼型上下表面之間的距離稱為翼型厚度。翼型上下表面之間的距離稱為翼型厚度。最大厚度最大厚度 8）沖角沖角a。翼型前來流速度的方向與弦長的夾角稱為沖角。翼型前來流速度的方向與弦長的夾角稱為沖角。沖角在翼弦以沖角在翼弦以下時為下時為正沖角正沖角示，以上時為示，以上時為負沖角負沖角。 9）前駐點、后駐點。前駐點、后

7、駐點。 來流接觸翼型后，開始分離的點來流接觸翼型后，開始分離的點(此點速度為零此點速度為零)，稱，稱前前駐點駐點；流體繞流翼型后匯合的點；流體繞流翼型后匯合的點(此點速度也為零此點速度也為零)，稱，稱后駐點后駐點。翼型的幾何參數(shù)翼型的幾何參數(shù)1.骨架線骨架線2.前（后）緣點前（后）緣點3.弦長弦長4.翼展翼展5.展弦比展弦比6.彎度彎度7.厚度厚度8.沖角沖角9.前（后）駐點前（后）駐點2葉柵及其主要的幾何參數(shù)葉柵及其主要的幾何參數(shù)(1)列線或額線列線或額線 葉柵中翼型各對應點的連線。葉柵中翼型各對應點的連線。(2)柵距柵距 在葉柵的圓周方向上，兩相鄰翼型對應點的距離。在葉柵的圓周方向上，兩相

8、鄰翼型對應點的距離。(3)軸線軸線 與列線相垂直的直線。與列線相垂直的直線。(4)葉柵稠度葉柵稠度 弦長與柵距之比。弦長與柵距之比。(5)葉片安裝角葉片安裝角a 弦長與列線之間的夾角。弦長與列線之間的夾角。(6)流動角流動角1、2 葉柵進、出口處相對速度方向和圓周速葉柵進、出口處相對速度方向和圓周速度反方向之間的夾角。度反方向之間的夾角。（二）、速度三角形（二）、速度三角形與離心式葉輪比較，與離心式葉輪比較，相同點相同點有：有：1 1流體在葉輪內(nèi)的運動仍是一種復合運動，即：流體在葉輪內(nèi)的運動仍是一種復合運動，即： wu圓周速度圓周速度u 仍為：仍為：60Dnu2絕對速度軸向分量的計算式：絕對速

9、度軸向分量的計算式：T222h()/4VaqDD與離心式葉輪比較，與離心式葉輪比較，不同點不同點有：有：在同一半徑上，在同一半徑上，u1= u2=u，且且w1a=w2a=w a= 1a= 2a= a在在同一半徑同一半徑上葉柵前后的圓周速度相等，即上葉柵前后的圓周速度相等，即u1= u2=u，并且，并且由于流體流動的連續(xù)性及不可壓假由于流體流動的連續(xù)性及不可壓假設設，葉柵前后相對速度和絕對速度的軸向分量也，葉柵前后相對速度和絕對速度的軸向分量也相等，即相等，即w1a= w2a = w a= 1a = 2a = a 。因。因此可將進、出口速度三角形畫在一起此可將進、出口速度三角形畫在一起 翼型進口

10、及出口速度三角形的重疊 與與比較，不同點是：比較，不同點是：葉葉柵改變了柵前來流速度的方柵改變了柵前來流速度的方向和大小。向和大小。取葉柵前后相對速度取葉柵前后相對速度w1和和w2的幾何平均值的幾何平均值w 作作為等價于單個翼型時無窮遠處的來流速度，其大小和方向由為等價于單個翼型時無窮遠處的來流速度，其大小和方向由速度三角形確定速度三角形確定 幾何平均值：幾何平均值： w=(w1+w2)/2 單個機翼和葉柵的工作是有差單個機翼和葉柵的工作是有差別的別的 （三）、能量方程（三）、能量方程離心式泵與風機的能量方程同樣適用于軸流式泵與風機中：離心式泵與風機的能量方程同樣適用于軸流式泵與風機中：在同一

11、半徑上，葉輪進、出口速度三角形中在同一半徑上，葉輪進、出口速度三角形中u1= u2=u，且且 1a= 2a= a)()(1121122uuvvguuuHuuTg所以：所以：2211cot;cotauauvuvvuv又：又：)cot(cot12avguHT得：得：扭速扭速三、能量方程三、能量方程 軸流泵軸流泵 12(cotcot)TauHvg2222211222TvvwwHgg能量方程的分析：能量方程的分析：1.因為因為u1=u2=u，所以軸流式的泵與風機的揚程遠低于，所以軸流式的泵與風機的揚程遠低于離心式。離心式。2.當當1=2時時，流體不能從葉輪中獲得能量，只有當，流體不能從葉輪中獲得能量，

12、只有當12時，時，流體才能獲得能量，二者差值越大，獲得的流體才能獲得能量，二者差值越大，獲得的能量越多。能量越多。3.該方程是該方程是總能量和流動參數(shù)總能量和流動參數(shù)之間的關系，沒有涉及之間的關系，沒有涉及翼翼型和葉柵幾何參數(shù)型和葉柵幾何參數(shù)之間的關系，因此不能用于軸流式泵之間的關系，因此不能用于軸流式泵與風機的設計。與風機的設計。 4.為了提高流體獲得的壓力能，應加大葉輪進口的相對為了提高流體獲得的壓力能，應加大葉輪進口的相對速度，使速度，使w1 w2，因而葉輪進口截面應小于葉輪出口，因而葉輪進口截面應小于葉輪出口截面，所以截面，所以常采用翼型葉片常采用翼型葉片。軸流式泵與風機的工作原理軸流

13、式泵與風機的工作原理除可以采用研究離心式泵與風機時所采用的除可以采用研究離心式泵與風機時所采用的方法外，還可采用方法外，還可采用機翼理論進行分析機翼理論進行分析。四、軸流式泵與風機的升力理論四、軸流式泵與風機的升力理論（一）孤立翼型的空氣動力特性（一）孤立翼型的空氣動力特性對翼展為對翼展為L的翼型，升力為的翼型，升力為作用于翼型上的阻力為作用于翼型上的阻力為2112xxvFcbl2112yyvFcbl（二）、孤立翼型及葉柵的空氣動力特性（二）、孤立翼型及葉柵的空氣動力特性1.孤立翼型的空氣動力特性孤立翼型的空氣動力特性a. 升力：升力：作用在單位翼展上的升力為（作用在單位翼展上的升力為（理想流

14、體理想流體）vFy1bvcy121這里這里2211vbcFyy所以所以若翼展長為若翼展長為L，則升力為：，則升力為：2211vblcFyyb. 阻力：阻力：作用在單位翼展上的升力為（作用在單位翼展上的升力為（考慮粘性考慮粘性）主要是主要是摩擦阻力摩擦阻力和和壓差阻力壓差阻力：2211vblcFxx阻力系數(shù)1xc升力角升力角沖角沖角 C、升阻比：、升阻比：11tanyxFFd.翼型空氣動力特性曲線翼型空氣動力特性曲線 翼型的空氣動力特性曲線翼型的空氣動力特性曲線e.翼型的極曲線翼型的極曲線 翼型的極曲線翼型的極曲線1111tan1xyxyccFFu極線的極線的斜率斜率就是升阻比；就是升阻比；u從

15、坐標原點引極曲線的從坐標原點引極曲線的切切線線就得到最大升阻比；就得到最大升阻比；2.葉柵的空氣動力特性葉柵的空氣動力特性理想流體繞流葉柵翼型時，作用在翼型上的升力為：理想流體繞流葉柵翼型時，作用在翼型上的升力為：wFyw相對速度的幾何平均值相對速度的幾何平均值實際流體繞流葉柵翼型時，作用在翼型上的實際流體繞流葉柵翼型時，作用在翼型上的升力升力和和阻力阻力為：為：若翼展長為若翼展長為L，則，則升力為升力為：2211wblcFyy2211wblcFxx阻力為阻力為升力系數(shù)的修正升力系數(shù)的修正：用平板直列葉柵的修正用平板直列葉柵的修正1yyccL L與葉柵的相對柵距與葉柵的相對柵距t/b、翼型安放

16、角、翼型安放角aa有關有關。做出平板等價葉柵做出平板等價葉柵 步驟：步驟：根據(jù)根據(jù)t/ba、aa查得查得L L的值。的值。五、軸流泵與風機的基本型式五、軸流泵與風機的基本型式1.只裝葉輪只裝葉輪圓周分速度使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，導致能量損失。適圓周分速度使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，導致能量損失。適用于用于低壓風機低壓風機。2.葉輪葉輪+后導葉后導葉出口導葉消除了圓周分速度的旋轉(zhuǎn)運動，將動能轉(zhuǎn)化出口導葉消除了圓周分速度的旋轉(zhuǎn)運動，將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高了效率。適用于為壓力能，提高了效率。適用于高壓軸流風機高壓軸流風機。3.前導葉前導葉+葉輪葉輪入口處產(chǎn)生負預旋，在非設計工況下能量損失較大，入口處產(chǎn)生負預旋

17、，在非設計工況下能量損失較大，機器效率較低。機器效率較低。4.前導葉前導葉+葉輪葉輪+后導葉后導葉入口處導葉可調(diào)，出口速度為軸向，效率高，流量調(diào)入口處導葉可調(diào)，出口速度為軸向，效率高，流量調(diào)節(jié)范圍大，但制造、加工、操作比較困難。節(jié)范圍大，但制造、加工、操作比較困難。軸流式泵與風機的葉片加工成扭曲形是為了（軸流式泵與風機的葉片加工成扭曲形是為了（）A增加葉片強度增加葉片強度 B增加葉片剛度增加葉片剛度C使葉頂至葉根處揚程相等使葉頂至葉根處揚程相等D避免泵與風機振動避免泵與風機振動n軸流式泵與風機可分為四種基本類型，它們軸流式泵與風機可分為四種基本類型，它們分別是單個葉輪型、分別是單個葉輪型、_、

18、_和和_。n軸流式葉輪入口處葉片稍加厚作成機翼型斷軸流式葉輪入口處葉片稍加厚作成機翼型斷面，其主要目的是為了提高流出葉輪的流體面，其主要目的是為了提高流出葉輪的流體的的_能。能。n軸流式泵屬于軸流式泵屬于_式泵中的一種式泵中的一種,它它的性能特點是的性能特點是_。n在在相同轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸相同轉(zhuǎn)速和葉輪尺寸下，為什么離心式葉輪的揚下，為什么離心式葉輪的揚程（或全壓）比軸流式的高得多？程（或全壓）比軸流式的高得多？n研究軸流式泵與風方機葉輪的理論基礎是研究軸流式泵與風方機葉輪的理論基礎是 。n泵與風機的能量方程式的理論基礎是泵與風機的能量方程式的理論基礎是( ) 動量定理動量定理 動量矩定理動量矩定理 運動微分方程運動微分方程 伯努里的方程伯努里的方程對軸流式泵與風機描述比較正對軸流式