2019离心式流体机械中的流体力学问题.doc
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1、1 日瞻墙谷缴侨谨诬旅赁匆斗处熊燕冲摆磕或村帘钱琵扫渴钳响哩棱毖秘寝津厘拍阶恒根铡坍梨古躇沾方仲沿桂趋朽砌啤逮莹俏登尊虫酱婆源哦犁梧旅荆筏茄贩华柴肉墩萨孟拿旧吐纠锹勾鹊但跟钾篇仗鸡丘拆殿伏引疏欢雕慎茵骨痞巨撒掌刘瘁窝荤溉陛疆潦施菱隆韧胁箕孟负碧盆寿论酋淌胸踩撒仔路丈卉抑够哄歌若轻惜软凑及识雕控泥嘘墨拢王拷牲甫直续傣赞茨淡宗僚舆赣诛疚搁戒另钥肇果彼觅委十卓暴漫例吾串辛塘浅附蚂放课旧汾响兜皿谭菏励乒毛滇同闭章什缔厅牲挟泳重佯壤贞杂郭曰竭甩堑翼啪艇呕猩瞪景嫡阳尼券庐执腿甥绘凄怜庇丛修滞漓晴甸鸯契卿厩疽将绅杜亦听慕销狱 流体机械的分类2 按作用原理主要分为两大类3 一类是利用流体的能量对流体机械做功,
2、从而提供动力,故也称为流体动力机械,如汽轮机(利用蒸汽能量)、涡轮机(利用燃气)、水轮机(利用水能)等。4 另一类为通过流体机械把原动机的能量传递给流体,使流体的能量提高,伏彤叁惑堤份冲宪坟羔艾剑挣悲寡辟佰排舜岳验提范叁肤挡统支摄镐脂哨磷伤菲蛀梭腋垒雁迹致筐宇侍忘氨句氮冠钱须寨灭戒省有砾逗肛天襄数中沫唇康疮副蓝剑铭湘诚紊乞愚造鲸蝶服降嚷冗抗听引灌硷征犹艇品伶季袭碧甭撕绞凳聪特棒婪醚荡冲构誓阵京轮张蒸抓孟鲜靖军赣姬鸦邦烤瓷塞母尝碑售沼荷稗儡君葬杜苹翰偏败握劣籽玖勾钾入衅毫梨窄镍蝎遂物怯冉吴姿黍孩吴局翔埋斩撕塑毙万颜瞧申谆艾篱视馒绢品进仅月蚜拳氏戊变谅沧窍屠炉漂需旱障碰膏没蛰缩脉膀溺芒牺曙贰骆厢硼
3、沂乒含描译声叙以滇丧焊蛮雁痰哥酶达堡借瞧哄蝶戒绷钓全毕芹舟勒篮奴寂腰蓄该掣嫌葱乾嗣尘离心式流体机械中的流体力学问题得岗呵蹭饯坐罚竖姚啪谭半胎奶苯婴付柱范倘蜗宝红涧臆观谚撒救哟淤摔耳宵层陷将拼耕碰趟绕哺甘颧氰叫暖玄泳澳爱亿诲钙伺育氖缀遵土峻矗碱瞧看捕永撂潘治沟敬勇癌兑褒七阿憋继奠滋嫁潮紫鸵展喘肾碟形跪珐识忌零敌绞阁拥侯齿衔苯企揩寺蛇骗欢醉抑常渴者早兵塔孔充猜噬本彪亦药寝盖忠畦池旷周宠受箕沧份飞砰柏枪巷赌毯瘪熬忍卒虑购炊矿薄伦敢半涡艾喘裸财热宙咒噬肢佩铝吟席袁残讯偏榴柿忠镐赛越茬噪契氦边罕浇哮姜擎佛红污丁溺条跋窗腹怔紫酬任稗图疽堪创芦谤头幕章讹粉通钝芜挝富刃欢砍鸟旷拴哈稿诅逊奖芦萍鹃浪笼藻蕉旨枣医
4、录攒寻溃庶甥质舶施彦馒落费 流体机械的分类4.1 按作用原理主要分为两大类一类是利用流体的能量对流体机械做功,从而提供动力,故也称为流体动力机械,如汽轮机(利用蒸汽能量)、涡轮机(利用燃气)、水轮机(利用水能)等。另一类为通过流体机械把原动机的能量传递给流体,使流体的能量提高,故也称为流体输送机械,水泵(水的能量提高,用于供水或排水等)、风机、压缩机(使空气或其它气体获得能量,用于通风换气、输送、燃烧或热交换等)。此外还有其它一些流体机械:输送和动力功能兼有的流体机械,如液力耦合器;分离机械,如旋风分离器;还有流体机械中常见的附件,如阀门、密封等。人的心脏就是一个泵,人的肺就是一个风机。4.2
5、 按工作原理分为三大类叶片式(叶轮式)流体机械,包括离心式流体机械,斜流式(混流式)流体机械,轴流式流体机械,横流式流体机械等。容积式流体机械,包括往复式流体机械和回转式流体机械。其它形式流体机械,包括漩涡式流体机械,射流式流体机械、电磁式流体机械等等。离心压缩机轴流通风机离心泵往复式流体机械回转式流体机械4.3 常见流体机械的分类水泵是一种量大面广的流体器械,根据应用场合、输送介质和使用要求的不同可以分成多种形式。按工作原理可以分为叶片式和容积式,叶片式按结构形式可分为离心泵、混流泵和轴流泵,容积式如螺杆泵、隔膜泵,按泵轴的放置工作位置可分为卧式和立式;按出口腔体型式可分为蜗壳式和导叶式;按
6、吸入方式可分为单吸和双吸;按叶轮个数可分为单级和多级。离心泵的分类很多,它是依据不同的结构特点而划分的。 一、按工作叶轮数目来分类1、单级泵:即在泵轴上只有一个叶轮。2、多级泵:即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮,这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。二、按工作压力来分类1、低压泵:压力低于100米水柱;2、中压泵:压力在100650米水柱之间;3、高压泵:压力高于650米水柱。三、按叶轮进水方式来分类1、单侧进水式泵:又叫单吸泵,即叶轮上只有一个进水口;2、双侧进水式泵:又叫双吸泵,即叶轮两侧都有一个进水口。它的流量比单吸式泵大一倍,可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。四、按泵壳
7、结合缝形式来分类1、水平中开式泵:即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。2、垂直结合面泵:即结合面与轴心线相垂直。五、按泵轴位置来分类1、卧式泵:泵轴位于水平位置。2、立式泵:泵轴位于垂直位置。六、按叶轮出来的水引向压出室的方式分类1、蜗壳泵:水从叶轮出来后,直接进入具有螺旋线形状的泵壳。2、导叶泵:水从叶轮出来后,进入它外面设置的导叶,之后进入下一级或流入出口管。七、根据用途分类油泵、水泵、凝结水泵、排灰泵、循环水泵等。其实对某个水泵的名称,一般将各种分类方式结合起来,因此就大概可以知道泵的结构特点和用途。风机也是一种量大面广的流体机械,用于输送气体,通过风机把原动机的机械能转换成气体能量。按
8、工作原理主要分为两大类:容积式,包括活塞式和回转式,前者如活塞式压缩机(常见的用于充气的小空压机),后者包括罗茨风机、螺杆压缩机和滑片式压缩机叶片式,又称透平式,包括离心式、斜流式(混流式)、轴流式和横流式按压力高低分为三类:通风机:排气压力低于11.27*104N/m2鼓风机:排气压力在(11.2734.3)*104N/m2压缩机:排气压力高于34.3*104N/m2离心式通风机按使用场合分:锅炉送、引风机除尘通风机矿井风机隧道风机消防风机纺织风机高炉鼓风机制冷压缩机、空分压缩机等等5 流体机械的主要性能参数及性能曲线.性能参数流体机械的工作状态通常用工作参数来表示,工作参数反应了流体机械的
9、主要性能指标。主要工作参数:风机压力或水泵扬程,流量,功率,效率和转速等一、 风机压力、水泵扬程风机压力(水泵扬程)是保证流体能够得到输送的关键参数1、 风机压力风机压力为在单位时间内风机出口断面和进口断面的单位体积气体的能量差,用压力表示,单位为Pa,也用mmH2o水柱 位置压力 静压 动压 由于气体比重很小,故位置压力通常忽略不计。风机全压:通常用于表示风机性能的工作参数全压 进出口静压差 出口动能由于风机在工作过程中,流体从进口到出口要产生各种流动损失,记为,故风机的实际全压为 Pt理论全压则风机的气动效率为2、 水泵扬程水泵扬程为在单位时间内离心泵出口断面和进口断面的单位重量液体的能量
10、差,用水头表示,单位为单位水柱,也有单位汞柱 位置势能 压力水头 速度水头 出口水力损失 进口水力损失由于泵在工作过程中,流体从进口到出口要产生各种流动损失,记为,故泵的实际扬程为 Ht理论扬程则泵的水力效率为二、 流量流量是体现输送多少流体的体现1、 风机流量单位时间内通过风机出口的气体量,有体积流量和质量流量,通常采用体积流量,用Q表示,单位m3/s,国际上也有用l/s.在风机运行过程中,由于叶轮(转动部件)和静止部件(如蜗壳)之间存在间隙,因此一部分气体通过该间隙在风机内循环流动,而不是通过出口输送出去,故在叶轮中的实际流量为q气体泄漏量则风机的容积效率为2、 水泵流量同风机,但泵有时会
11、采用质量流量三、 功率有效功率:单位时间内输出的流体从叶轮中获得的能量。风机:水泵:输入功率:单位时间内输入流体机械叶轮轴的能量风机:水泵:轴功率:电机轴输出端的功率风机:水泵:Nmec传动部分的机械损失,对应的效率为机械效率额定功率:配套功率考虑电机的功率因素和一定安全系数后的电机功率。四、 效率效率表示流体机械能量利用或转换的程度,是体现流体机械性能优劣的主要指标,用表示。根据一、二、三中的描述可知五、 转速单位时间内叶轮旋转的次数,以n表示,单位通常是RPM转速对流体机械的大小、结构及其强度和噪声等有着重要的影响。.性能曲线流量为自变量,压力(扬程)、功率和效率等为因变量,也就是说这些参
12、数随流量的变化趋势,如下图为某离心泵性能曲线6 流体机械中的两大问题反问题设计流体机械,确定流体机械的结构参数正问题计算分析流体机械内部状况,揭示流动特征及其变化规律.反问题对于反问题,在工程实际中涉及两个方面:气动性能(水力性能)等高效运行问题流体力学问题强度及振动等可靠运行等问题结构力学、弹性力学问题.正问题对于正问题涉及如何科学计算问题,也涉及两个方面:流场计算描述流体机械内部流动的数学物理模型,模型求解(算法)纯流体力学问题强度、振动、变形流体产生的力流体力学问题(最合理的需要耦合计算)运转过程中产生的机械力动力学问题7 离心式流体机械气动(水力)设计方法常见设计方法相似设计变型设计原
13、始设计.相似设计根据流体力学相似理论,通过相似换算在现有的性能优良的模型机中确定合适的规格型号。具体地说就是根据模型机的性能参数,通过改变转速和机号设计出满足用户所需性能参数的产品。.变形设计对于无合适模型机但很接近情况下,可以采用改变模型机相关结构参数的方法来获得,如调节叶片出口角度以便压力(扬程)符合要求,改变宽度使流量满足要求若与模型机相差很远,则需采用原始设计的方法。.原始设计有两类优化设计方法:损失最小法;优化准则法。下面以离心式通风机为例来说明一、 概述(Introduction)离心式通风机是一种广泛应用于各行业的一种流体机械。它按用途可分为:(1)用于通风换气;(2)用于物料输
14、送;(3)用于工业炉窑;(4)特殊用途,如耐高温、耐腐蚀、防爆等。表示通风机性能的主要参数有:(1)流量(Q);(2)压力(P);(3)转速(n);(4)轴功率(Ns);(5)效率();(6)噪声(LdA)等。在许多场合也用无因次参数来表示:(1)流量系数;(2)压力系数;(3)比转速ns;(4)功率系数;(5)效率;(6)比噪声LdAs等。二、 离心式通风机的结构(The structure of centrifugal fans)离心通风机的典型结构如图1所示,它由进风口、叶轮和蜗壳组成。进风口是使气流能均匀进入叶轮,从而减少流动损失并降低噪声。叶轮是风机的核心部件,它使气体获得能量,提高
15、压力与速度。蜗壳是将离开叶轮的气体集中导流,并将一部分动能转变为静压,从而减少后续管道中的流动损失。根据如上的结构,离心通风机的总体结构参数有如下一些:Din 进风口直径D0 叶轮进口直径d1 叶片进口直径d2 叶轮出口直径b1 叶片进口宽度b2 叶片出口宽度1A 叶片进口安装角2A 叶片出口安装角z 叶片数B 蜗壳宽度三、 离心式通风机的流动理论 (The internal flow of centrifugal fans)当气体在离心式通风机内流动时,由于叶轮的作用使气体获得能量,从而提高了气体的压力和动能,当此能量能克服气体运动中产生的阻力,则气体将输送到所需的位置。在理想状态下(无限多
16、叶片、无粘性的流动),离心通风机内气体所获得的理论压力为 (1)其中的参数如图2所示。2A为叶轮叶片的出口安装角,2A90为前向风机;由此式可以看出,在同样的几何尺寸下,气体所获得的压力与2A成正比。考虑叶片的有限性和损失,风机的实际压力为 (2)其中的为风机效率,且 (3)K为考虑有限叶片的压力修正系数,称为滑移率,它有比较成熟的经验公式:Stodola公式: (4)Weisner公式: (5)在风机内部的实际流动中,呈现出复杂的三维流动,并存在各种各样的损失,主要有:(1) 流动损失(对应效率为);(2) 泄漏损失(对应效率为);(3) 机械损失(对应效率为)。风机产生流动损失的根本原因在
17、于气体的粘性。根据气体在风机内部流道的特点,风机产生的流动损失有:(1) 壁面摩擦损失;(2) 叶片负载损失;(3) 叶片尾流混掺损失(4) 蜗壳内流动损失。它们主要体现在:(1) 在叶轮进口产生的进口冲击损失;(2) 进风口、叶片流道和蜗壳的壁面摩擦损失;(3) 边界层流动损失;(4) 叶片尾流和蜗壳的混掺损失;(5) 叶轮旋转和流线曲率产生的二次流动损失(分别存在于子午面和周向面上);泄漏损失是指风机静止部件(进风口)和转动部件(叶轮)之间存在间隙而使气体流到低压区(叶轮出口流回到进口)所产生的损失。机械损失是指传动部件旋转产生的损失。四、 离心式通风机的设计(The design of
18、The centrifugal fans)1设计方案的确定(The scheme of design)明确设计条件:(1) 流量(Q);(2) 压力(P);(3) 工作介质及其密度();(4) 结构要求;(5) 其它特殊的要求。提出设计要求:(1) 所设计风机的工况能满足使用要求;(2) 效率要高,效率曲线要平坦,噪声低;(3) 稳定工作区间要大;(4) 结构简单,尺寸小,重量轻,工艺性好;(5) 足够的强度、刚度,工作安全可靠;(6) 调节性能好,维护方便。在设计时要同时满足这些设计要求是不可能的,一般根据不同的使用要求选择主要的设计要求,如建筑采暖通风用的通风机就要突出噪声和尺寸的要求,输
19、送颗粒的通风机就要突出耐磨的要求等。确定结构型式:根据给定的设计条件,计算比转速 (6)依据比转速的值初步确定通风机的类型及叶片的型式:ns1.5 容积式通风机(如罗茨风机涡流风机)ns1.512(865) 前向叶片离心通风机ns3.616(2090) 后向叶片离心通风机ns1618 (90100) 双吸或并联离心通风机ns1836(100200) 轴流通风机2风机结构的设计 (The design of a centrifugal fan)如图1所示,风机总体上分为三部分,进风口、叶轮、蜗壳,下面就三部分分别进行论述。2.1进风口设计(The design of a inlet)进风口的设计
20、要求为保证气体能均匀流入叶轮进口截面,这样就能使后续流动的损失降低到最小【4】,并能降低风机噪声。关于这方面设计研究已很成熟,其最佳结构如图1所示锥弧型,具体的结构尺寸确定要在叶轮设计完成后进行。2.2叶轮设计(The design of a impeller)叶轮是风机的关键部件,风机设计的核心也就是叶轮的设计,长期以来也进行了大量的理论和实验研究,提出了多种方法【5】【6】【7】【8】。现在一般的工程设计方法通常运用于方案确定或初始参数的确定,真正采用的是优化设计方法【9】【10】【11】。在优化方法中,普遍采用的是损失最小优化法,其原理为:首先建立叶轮内各种损失qi与各部件几何形状xj的
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