華科大能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)課件第2章 葉片機(jī)械（透平機(jī)械）

第二章葉片機(jī)械（透平機(jī)械）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（主體部件少）理論復(fù)雜用途廣泛目前單機(jī)水平最大流量：660000m3/min(風(fēng)機(jī))

最高功率：8萬Kw(風(fēng)機(jī))，

130萬Kw(汽輪機(jī)組)

最大轉(zhuǎn)速：80萬r/min(膨脹機(jī))特點(diǎn)：流量大、功率大、轉(zhuǎn)速高；連續(xù)流動(dòng)；易損件少概況第一節(jié)典型結(jié)構(gòu)和級(jí)一、典型結(jié)構(gòu)葉輪蝸殼進(jìn)口1、單級(jí)單吸懸臂離心泵轉(zhuǎn)軸軸承軸承2、單級(jí)雙吸水平中開式離心泵葉輪蝸殼進(jìn)口進(jìn)口轉(zhuǎn)軸軸承軸承3、多級(jí)（4級(jí)）離心泵轉(zhuǎn)軸鍵4、單級(jí)離心通風(fēng)機(jī)特點(diǎn)：板金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸軸承軸承5、增壓器（單級(jí)壓縮機(jī)，單級(jí)渦輪機(jī)）

5-壓縮機(jī)葉輪(離心)6-擴(kuò)壓器7-空氣進(jìn)口8-出口離心壓縮機(jī)1-燃?xì)膺M(jìn)口2-噴嘴3-渦輪葉輪(軸流)4-出口軸流渦輪機(jī)6、空調(diào)用膨脹機(jī)

（單級(jí)壓縮機(jī)，單級(jí)膨脹機(jī)）

飛機(jī)上用兩個(gè)相同的徑流葉輪葉輪葉輪1-空氣入口2-壓氣機(jī)(17級(jí))3-燃油4-燃燒室

5-渦輪(3級(jí))6-噴管7、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)圖靜葉動(dòng)葉靜葉動(dòng)葉二、級(jí)（定義和表示）一個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪+固定元件(擴(kuò)壓器或?qū)~或噴嘴、蝸殼等)或者動(dòng)葉柵+靜葉柵定義分類常用徑流級(jí)軸流級(jí)葉輪葉輪葉輪葉輪蝸殼蝸殼擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器噴嘴噴嘴蝸殼徑向工作機(jī)徑向原動(dòng)機(jī)1、

徑流級(jí)（常用子午面和徑向面表示）◆子午面——通過旋轉(zhuǎn)軸的平面，也稱為軸面；面上葉片為旋轉(zhuǎn)投影?！魪较蛎鎰t是垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面。

2、軸流級(jí)（常用子午面和周向面表示）工作機(jī)級(jí)原動(dòng)機(jī)級(jí)葉輪噴嘴后導(dǎo)葉動(dòng)葉柵動(dòng)葉柵靜葉柵后導(dǎo)葉靜葉柵噴嘴子午面周向展開面原動(dòng)機(jī)級(jí)工作機(jī)級(jí)一.葉輪進(jìn)出口速度三角形1.

矢量定義：◆速度——絕對(duì)c、相對(duì)w、牽連u◆葉輪旋轉(zhuǎn)才有速度三角形2.

標(biāo)量關(guān)系：◆cu=c·cos(α)=u-cm·

ctg(β)◆α—絕對(duì)速度c與周向速度u的夾角◆β—相對(duì)速度w與周向速度u的反(正)方向夾角αβ第二節(jié)葉輪中能量轉(zhuǎn)換歐美表示反向u

正向αβWucβ3、一般由下面三個(gè)條件畫出：底邊u:u=2πrn/60底邊u上的高cm:cm=qm/(ρF)某角度或線段：例如Wuc高cmαβcu進(jìn)口的α1(或β1):與葉輪前導(dǎo)葉出口α1b有關(guān)出口的β

2(或cu2):與葉輪出口葉片角β2b等參數(shù)有關(guān)cm=wm=哪個(gè)分量

?cu=cm·tg(α)=u-cm·

ctg(β)離心葉輪速度三角形例1：葉輪的流量qv=56700m3/h,轉(zhuǎn)速n=2900rpm,出口直徑D2=0.88m,出口寬度b2=0.182m,出口角β2=β2b=50o,進(jìn)口直徑D1=0.6m,寬度b1=0.21m,進(jìn)口無預(yù)旋(c1u=0)，不可壓縮流體，請(qǐng)計(jì)算有關(guān)參數(shù)，并畫出進(jìn)出口速度三角形？(離心葉輪)解:⑴邊u1=πD1n/60=91.1m/s;u2=πD2n/60=133.6m/s;⑵u邊上的高c1m=c1r=qv/(πD1b1)=39.79m/sc2m=c2r=qv/(πD2b2)=32.06m/s⑶c1u=0

或α1=90o，進(jìn)口為直角速度三角形β2=β2b=50o，或W2u

=c2r

ctg

β2=27.35m/s或c2u=u2-c2r

ctg

β2=106.25m/s例1圖u1=91.1c1=c1r=39.79w1c2r=32.06u2=133.6w2c2w2uc2u=u2-w2u=27.35u的反方向β2=50o

動(dòng)葉柵原動(dòng)機(jī)動(dòng)葉柵工作機(jī)軸流葉輪速度三角形渦輪機(jī)進(jìn)、出口速度三角形例2、軸流葉輪的流量qv=38m3/s，葉片頂部直徑Dt=1.5m，根部直徑Dh=1.05m，轉(zhuǎn)速n=960rpm,氣流轉(zhuǎn)折角β2-β1=15o，進(jìn)口無預(yù)旋，不可壓縮流體，請(qǐng)計(jì)算葉片平均面上有關(guān)參數(shù)，并畫出進(jìn)出口速度三角形？解：在葉片平均面上，平均直徑為Dm=(Dt*Dh)0.5⑴邊u1=u2=πDmn/60=63.08m/s;

⑵高c1z=c2z=qv/[π(Dt2-Dh2)]=42.14m/s

⑶α1=90o，進(jìn)口為直角速度三角形；

由β1=arctg(c1r/u1)=33.745o得β2=β1+(β2-β1)=48.745o；

或計(jì)算w2u=c2z

ctg

β2=36.96m/s

或計(jì)算c2u都是為定底邊上的一個(gè)點(diǎn)例2圖c1=c1r=c2rw1w2c2w2uc2u=u2-w2uw1u-w2uc2u-c1uu=u2u=u1等高、等底的進(jìn)出口速度三角形；w1u-w2u=c2u-c1u

決定如下情況的機(jī)器形式，畫出各葉輪進(jìn)出口速度三角形，分析其特點(diǎn)。

①u1=u2=100m/s，w1=115m/s，α1=90°，w2=60m/s，軸向分速為常數(shù)，β2<90°。

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。例2-1.解：①u1=u2

是軸流式機(jī)械，w1>w2為擴(kuò)壓的工作機(jī)。由圖u=-w1u+c1u=-w2u+c2u

所以w2u-w1u=c2u-

c1u=

△cu；

w2z=w1z=c2z=

c1z=

c1m

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，

u1=лd1n/60=335.1m/s,u2=(d2/d1)u1=134.04m/s；

u1>u2

是徑流式機(jī)械，一般為膨脹的原動(dòng)機(jī)。c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。4.絕對(duì)速度分量：cm=cr?cm=cz

?第三節(jié)一元流動(dòng)分析一元：以流道中心線為坐標(biāo)，垂直該線的截面上參數(shù)取平均值討論：級(jí)中流動(dòng)參數(shù)變化；級(jí)或機(jī)器的性能；一、級(jí)中流體參數(shù)的變化（級(jí)工作原理概述）1、單級(jí)離心壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)(泵)=cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)=

h2*-h1*=cp(T2*-T1*

)由能量方程式：W

=∫dp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW滯止壓力p*=p+ρc2/2

加速加減接近等速功速2、單級(jí)軸流水輪機(jī)（原動(dòng)機(jī)）：活動(dòng)導(dǎo)葉葉輪擴(kuò)壓器固定導(dǎo)葉速度總水頭靜水頭δHhyh等速加速減速減速3、反動(dòng)式汽輪機(jī)

(9級(jí))工質(zhì)的絕對(duì)速度c有9次增加后又降低的過程（進(jìn)入導(dǎo)葉噴嘴速度增大，葉輪中速度下降），而靜焓、壓力隨流動(dòng)方向逐步下降。動(dòng)葉靜焓h壓力p速度C轉(zhuǎn)軸機(jī)殼靜葉二.級(jí)和機(jī)器的性能參數(shù)性能參數(shù)流量:質(zhì)量qm

(kg/s),容積qv(m3/s,m3/M,m3/h)

能量頭有關(guān)量:h(J/kg)，焓差，壓力(膨脹)比等經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)量:效率η等總能量:

功率P(J/s)有時(shí)還有噪聲、轉(zhuǎn)速等量關(guān)聯(lián)式：P=h

qm/η(工作機(jī))P=h

qm*η

(原動(dòng)機(jī))能量頭h的表示、分類！1.能量頭有關(guān)量:能量頭h(J/kg)，功w(J/kg)，焓差Δh(J/kg),揚(yáng)程H（m）,壓力差Δp(N/m2),

壓力(或膨脹)比，J/kg=Nm/kg=kg

(m/s2)m/kg=(m/s2)m;h=gHJ/kg=Nm/kg=

(N/m2)/(kg/m3);h=Δp/ρH=h/gΔp=ρh

◆工作機(jī)：多變能量頭hpol

=∫12dp/ρ（氣體有效能）級(jí)或機(jī)器進(jìn)出口的Δc2/2≈0，僅考慮h=hth則：◆原動(dòng)機(jī)：等熵能量頭hs

=–(∫12dp/ρ)s(氣體等熵焓降）

輪周功hu

=hth=hs

–δhhyh◆理論能量頭±

hth

=∫12dp/ρ+

δhhyh

hth=hpol

+δhhyh葉輪內(nèi)表面作功hth

(hu

)由伯努利方程±

w=±h

=∫12dp/ρ+Δc2/2+

Σδh

工作機(jī)取+原動(dòng)機(jī)取-hth=氣體有效能變化±δhhyh

兩種過程效率?輪盤摩擦損失輪盤摩擦損失內(nèi)泄露損失δhrδhv◆內(nèi)總能量頭

htot(hi)

=hth

±

非流道損失(如δhv+δhr)汽輪機(jī)的非流道損失為講義p88的級(jí)內(nèi)損失（已除了流道損失后介紹了6項(xiàng)）=有效能變化±δhhyh

±

非流道損失(如δhv+δhr)是否為與外界交換的總能量頭？hs原動(dòng)機(jī)he工作機(jī)流動(dòng)損失δhhyh

外泄露損失δhvo

內(nèi)泄露損失δhv

輪盤摩擦損失δhr

軸承摩擦損失δhm

原動(dòng)機(jī)hehpolhthhtot用圖表示各種能量頭和損失的關(guān)系<

hth

<htot<he

he<hu<hi<huhi、◆與外界交換的總能量頭

he=htot

(hi)

±

外部損失能量頭：多變能量頭hpol、等熵能量頭hs

理論能量頭hth、輪周功hu

總能量頭htot(

hi)、he等注：用焓差表示能量頭：等熵焓降Δhs

=等熵能量頭hs

有效焓降Δ

hn=輪周功hu

總焓降Δ

ht等=總能量頭htot

(

hi)、he等流體有效理論實(shí)際交換能(機(jī)械功)=流體有效能變化±有關(guān)損失

=不同定義的能量頭;原動(dòng)機(jī)取-，工作機(jī)取+損失分類損失內(nèi)容有效能變化交換能效率總

損

失

δht內(nèi)部損失

δhi

流道損失

水力損失δhhyh

原動(dòng)機(jī)

hs工作機(jī)hpol

huhth輪周效率ηu流動(dòng)效率ηhyh

內(nèi)效率ηi多變效率ηpol

外部效率ηe

非流道損失級(jí)內(nèi)露損失δhv

輪阻損失δhr等hihtot外部損失δhe

外露損失

δhvohehe機(jī)械損失

軸承等摩擦損失δhm

2.

效率和損失的分類效率η=得到能量/消耗能量；原動(dòng)機(jī)得到機(jī)械功，工作機(jī)消耗機(jī)械功習(xí)題12．

離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，葉輪內(nèi)外半徑分為25、40cm，葉片進(jìn)口寬度為8cm，出口流體相對(duì)流動(dòng)角為90?，葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度是徑向的并等于出口徑向速度100m/s，流動(dòng)效率70%，空氣密度不變，等于1.2kg/m3。求機(jī)器產(chǎn)生的壓力和所需要的內(nèi)功率？(δhv+δhr

=0.03hth)解：壓力與能量頭有關(guān)，用歐拉方程計(jì)算hth（歐拉功）出口：u2=nπD2/60=30002π0.4/60=125.66m/s

因β2=90°,所以cu2=u2進(jìn)口：cu1=0;hth=125.662=15790J/kghth0.7=11053J/kg=Δp/ρΔp=110531.2=13264Pahtot=hth+δhv+δhr

=1.03hthqm=ρc1r2πr1b1=15.08kg/sP=qm

htot=245244W=245kw習(xí)題13．

由如下參數(shù)確定級(jí)中流體有效能量的變化值、無限多葉片時(shí)的毆拉功hth∞和有限多葉片時(shí)的毆拉功hth：a)徑向向心透平轉(zhuǎn)速24000rpm,葉輪內(nèi)外直徑分為15、30cm，葉片進(jìn)出口幾何角分為70?、-25?，進(jìn)出口流體相對(duì)流動(dòng)角分為75?、-35?，葉輪進(jìn)出口徑向速度100m/s，流動(dòng)效率91%。b)軸流風(fēng)機(jī)周向速度100m/s,葉片進(jìn)出口幾何角分為45?、80?，進(jìn)出口流體相對(duì)流動(dòng)角分為40?、75?，葉輪進(jìn)出口軸向速度100m/s，流動(dòng)效率82%。解：歐拉方程中u、cu最好通過速度Δ先找到計(jì)