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1、第一章：叶片式式流体机机械概述述1-11 叶片片式流体体机械的的工作过过程 叶片式式流体机机械中的的能量转转换，是是在带有有叶片的的转子及及连续绕绕流叶片片的流体体介质之之间进行行的。叶叶片与介介质间的的作用力力是惯性性力。该该力作用用在转动动的叶片片上，因因而产生生了功（正正或负视视力矩和和叶轮运运动方向向而定）。一、 叶片式流流体机械械的组成成元件 吸入部部分（直直锥形，环环形，半半螺旋形形）1. 引引流部分分 蜗壳（导导水机构构） 叶叶轮2.做功功部分（转转子） 转转轮涡轮 蜗蜗壳（导导流器，导导叶）3.出流流部分 尾水管以风扇或或泵为例例说明特特点特点：具有一一个带有有叶片的的转子工作
2、时时介质对对叶片连连续绕流流 介质作作用于叶叶片的力力是惯性性力 部分流流体机械械有一个个静止的的叶栅。以轴流式式流体机机械为例例说明工工作过程程在上述例例子中，转转子叶片片在自由由空间转转动，经经过叶轮轮的介质质，由于于叶片力力矩的作作用，而而有一个个圆周方方向的速速度分量量。依动动量矩定定理流出出叶轮的的液体有有一个圆圆周方向向的分速速度，在在叶轮后后，由于于该分速速度引起起附加的的能量损损失，为为了消除除这个损损失故在在叶轮后后增加一一个静止止的导叶叶（叶栅栅）用来来消除介介质的圆圆周分速速度。这这种流体体就有一一个静止止的叶栅栅，简称称导叶。我我们主要要研究的的也是这这种机械械。在轴流
3、式式原动机机中（TT），介介质沿轴轴线方向向先进入入导叶，导导叶的作作用是使使得介质质速度的的大小及及方向发发生了变变化，切切一部分分压力能能转换为为圆周方方向速度度所对应应的动能能。然后后介质进进入转轮轮，由于于转轮叶叶片的作作用，使使介质的的速度方方向又变变为轴线线方向。与与速度的的方向发发生改变变时由于于惯性作作用引起起作用于于叶片的的力矩使使转轮旋旋转。转转轮带动动轴旋转转，轴带带动发电电机或其其他机械械旋转，从从而使流流体的能能量转换换为电能能或机械械能。为为了最大大限度利利用流体体的能量量，理论论上从转转轮流出出的介质质不再有有圆周方方向的运运动。(压力为为最小，此此压力是是多少？
4、)相反，作作为工作作机（PP），介介质及叶叶片转动动的方向向和原动动机刚好好相反，介介质从轴轴向进入入叶轮，从从叶轮中中流出的的介质具具有圆周周方向的的速度分分量，然然后在导导叶作用用下消除除圆周运运动又回回到轴向向。从上面的的讨论还还可以得得出：叶片式式流体机机械介质质速度圆圆周分量量的变化化即叶轮轮前后介介质动量量矩的变变化与能能量转换换过程有有紧密的的关系。介质在进入或流出流体机械前后都没有圆周方向的分量（即介质对转轮轴线的动量矩为零），也就是说介质动量矩的变化是在转轮内产生的。而研究流体机械就是设法使能量转换的效率在转轮内尽可能的高（在满足工作的前提下）。在轴流式式流体机机械中，轴轴面
5、上（以以后解释释），介介质的流流动方向向（m-x）是是和轴线线平行的的，故叫叫轴流式式。若在轴面面上，流流体流动动方向（mm-x）以以径向为为主，叫叫径流式式。如图图（1-2）在在外径处处为径向向，在叶叶片内径径处转为为轴向，但但叶片基基本上是是径向，就就叫径流流式。若在轴面面上，流流体流动动方向，既既不是径径向，也也不是轴轴向，叫叫混流式式，见图图（1-3）注意：在在轴流式式流体机机械中，动动量矩的的变化仅仅体现在在流体质质点圆周周速度的的变化上上。而在径流流或混流流式流体体机械中中，动量量矩的变变化不仅仅体现在在流体质质点圆周周速度的的变化上上，而且且体现在在流体质质点距轴轴线距离离的变化
6、化上。另外，对对于原动动机T，流流体介质质经过导导叶后，速速度增加加而压力力降低，一一部分压压力能转转换成速速度能。在在转轮中中，介质质的压力力能和速速度能都都有一部部分转换换成机械械能。若若介质流流出转轮轮后，速速度、压压力进一一步降低低，这种种叶轮机机械叫反反击式或或反动式式。对于于工作机机则相反反。另外外，对于于原动机机如果导导叶出口口处压力力已降为为零，则则介质在在动叶中中将只有有速度变变化而无无压力变变化，此此种叶轮轮机械叫叫冲击式式或冲动动式。在在冲击式式叶轮机机械中，工工作介质质一般只只从叶轮轮整个圆圆周的一一部分进进入叶轮轮。即在在叶轮旋旋转一周周过程中中，工作作介质通通常只从
7、从叶轮整整个圆周周的一部部分进入入叶轮，也也就是说说，在叶叶轮叶片片旋转一一周的过过程中，只只有一部部分时间间予于能能量的交交换，一一部分时时间不参参与。如如冲击式式水轮机机，静叶叶是一个个喷嘴；图1-4的汽汽轮机，喷喷嘴仍然然为叶栅栅形状，蒸蒸汽仍然然是从部部分圆周周进入动动叶片。1-11 叶叶片式流流体机械械的主要要性能参参数表征流体体机械性性能的参参数叫性性能参数数一、 流量q单位时间间内通过过机器的的介质的的量（体体积或质质量）称称为流量量。体积流量量qv m3/s LL/s m3/n质量流量量qm kg/s kgg/miin kg/h特点：依依质量守守恒定律律，流体体机械在在稳定条条
8、件下工工作时，如如果忽略略机器内内部的泄泄露，通通过流体体机械各各断面的的质量流流量是相相同的。对对不可压压缩介质质，qvv也将保保持不变变。对于于可压缩缩介质，体体积随压压力和温温度的变变化而变变化，所所以，各各断面的的体积流流量也将将是不同同的（在在质量流流量qmm 保保持不变变）。在在通风机机中，将将体积流流量也称称为风量量。二、水头头，扬程程，压力力，能量量头，压压缩比 是单单位质量量（体积积）的介介质与叶叶轮所交交换的能能量，是是衡量叶叶轮做功功能力的的参数。此此参数可可用机械械进入出出口断面面单位质质量（或或体积）介介质所具具有的能能量的差差值来衡衡量。不不同的流流体机械械叫的名名
9、字不同同。 不可压压介质a) 液体介质质： 泵、水水轮机以以液体为为工作介介质，以以液柱高高表示单单位重力力的液体体具有的的能量方方便直观观。在水水轮机中中进出口口能量的的差值叫叫水头，在在叶片泵泵中叫扬扬程。单单位为mm(N m/NN=m)。对于不可可压介质质，不需需要考虑虑内能的的变化，所所以能量量差值只只有压力力能、位位置能、及及速度能能。 则：对对不可压压介质有有：分别用于于泵（介介质吸收收能量），水水轮机（介介质放出出能量）（）对对于水轮轮机定义：HHst电站站静水头头，是上上下游水水位差 由于上下下游水面面一般均均为大气气压 Pss=Pp=1aatm上下游水水库河道道流速一一般很小
10、小，故电电站水头头考虑引水水管路损损失 ，故故水轮机机水头和和水电站站水头关关系为：H=HHst-H（）泵泵a) 装置扬程程HG ：表表示泵将将单位重重力液体体介质从从下游容容器抽到到下游容容器所需需要做的的功 依定义： 为管管路损失失一般容器器的流速速很小，故故又可定定义装置置静扬程程为：一般泵稳稳定工作作时，HHG=H, 故故有 HH=HGG=Hstt+H 泵的扬程程是单位位重量的的液体泵泵进口能能量的增增量（HH）。扬程：指指泵本身身具有特特性的参参数，和和抽送液液体种类类无关。但但和泵所所处地方方的位置置有关，即即和重力力加速度度有关，在在不同的的重力条条件下， H值不不同，在在失重条
11、条件下，HH无意义义，但一一般泵用用在地球球上，gg相差不不大，故故可以。能量头：如果用用质量作作为液体体量的度度量，得得到一个个与重力力无关的的能量指指标，称称为能量量头（或或叫比能能，比功功）它是是单位质质量液体体在流体体机械进进出口液液体具有有的能量量的差值值,h 单位：()风风机：工作介质质是气体体，但由由于进出出口压力力变化很很小，工工程上仍仍可以将将其流动动的内介介质视为为不可压压缩流体体。对于于风机进进口出口口，能量量差如何何表示？一般用用压升来来表示风风机进出出口断面面上单位位体积（1m3）气体能量差值，记为PtF ,单位Pa(N/m2)能量差值值包括压压力差值值、动能能差值，
12、故故全压又又叫风压压。静压PssF，通通风机的的静压指指全压与与出口动动能之差差。风机一般般不用液液柱高表表示（二）可可压缩介介质 当介质质可压缩缩时，介介质的能能量变化化包括宏宏观的动动能及介介质的内内能。而而内能的的大小与与介质的的焓值有有关，介介质流过过机械后后焓值的的变化量量，不仅仅和叶轮轮所作的的功大小小有关，而而且与机机器内部部的热力力学过程程及热量量传递有有关。故故在透平平压缩机机中，用用能量头头表示单单位质量量 (11kg)气体的的能量变变化量，故故 (式式中忽略略了重力力作的功功)当不考虑虑损失时时，上式式还可写写为 （hh=u+pv）上式说明明，叶轮轮对气体体作的功功，一部
13、部分使气气体压力力升高，另另一部分分使速度度增加，而而压力的的升高，体体现为焓焓值的增增加.对于压缩缩机，用用能量的的变化量量并不能能完全的的反映叶叶轮做功功能力，因因为，对对于可压压介质，机机器的工工作状况况不仅和和进出口口压力变变化量有有关，还还和进口口压力绝绝对值及及热力学学过程有有关，（从从 可知知）不同同压力下下，不同同，这是是因为不不同压力力下体积积不同，故故在压缩缩机中用用压缩比比 表示示能量提提高的程程度。三、转速速 n (rppm)四、功率率P 及及效率功率P 对工作作机是机机器输入入功率 kkw功率P对对原动机机是机器器输出功功率)介质质不可压压机器功率率机器都有有损失存存在，故故机器功功率和流流体功率率有差值值，故用用 来衡衡量损失失大小故 对于原原动机 对对于工作作机）介质质可压效率定义义更复杂杂，这是是因为内内能变化化使焓值值变化，影影响了机机器内部部的热力力学过程程，也改改变了机机器工作作，其效效率定义义后讲五、特性性曲线1-3 叶片片式流体体机械的的机构型型式一、水轮轮机的结结构一、常见见泵的结结构