第一章 流体机械概述

第一节：流体机械的定义与分类流体机械原理、设计及应用一.流体机械定义流体机械是以流体（液体或气体）为工作介质与能量载体的机械设备。注意：广义而言，水轮机、泵、风机、蒸汽轮机和燃气轮机等机械都属于流体机械。但通常将汽轮机与燃气轮机作为热能动力机械进行深层次的研究。流体机械原理、设计及应用2.按流体性质分：考虑流体的种类按所用流体形态的不同可有液体介质和气体介质两类流体机械。这两类机械由于介质密度相差悬殊，因此在单位功率体积比上也相差很大，同时在介质密封的方法和具体结构上也大有差别。考虑流体的压缩性流体的压缩性不同，在进行能量转换时它们的工作过程也会有相应的差别。对可压缩流体在研究其工作过程时必须考虑流体密度的变化因素和相应产生的热力过程。流体机械原理、设计及应用3.按机械的作用功能分：工作机工作机是将机械能转换为流体能量的机器设备，获得高能量的流体。常见的有泵、风机、压缩机。原动机原动机是利用流体的能量，并通过机械的转换而获得机械能的机器设备。常见的有水轮机、汽轮机、液压马达。传动机传动机是利用流体的传递能量的原理实现动力传输的机器设备。常见的有液力传动和气力传动机械。流体机械原理、设计及应用第二节：流体机械的工作过程一.离心式泵与风机的工作原理当原动机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶片对流体沿它的运动方向作功．流体在惯性力的作用下，从中心向叶轮边缘流去并以很高的速度流出叶轮进入压出室（导叶或蜗壳），再经扩散管排出，这个过程称为压水（气）过程。由于叶轮连续地旋转，流体也就连续地排出、吸入，形成离心式泵与风机的连续工作。离心泵剖面图二.轴流式泵与风机的工作原理流体沿轴向流入叶片通道，当叶轮在原动机驱动下旋转时，旋转着的叶片给绕流流体一个轴向的推力（根据流体力学可知，流体对叶片作用有一个升力，同时根据作用力与反作用力相等的原理，叶片也作用给流体一个与升力大小相等方向相反的力，即这一推力），此叶片的推力对流体作功，使流体的能量增加并沿轴向排出。叶轮连续旋转即形成轴流式泵与风机的连续工作。泵与风机通过工作室容积周期性变化而实现输送流体的泵与风机。根据机械运动方式的不同还可分为往复式和回转式。三.容积式（又称定排量式）观看动画１观看动画２回转式观看动画１观看动画２无法归入前面两大类的泵与风机。这类泵与风机主要特点是利用具有较高能量的工作流体来输送能量较低的流体。例如，液环泵、射流泵等。四.其它类型的泵与风机观看动画１观看动画２上述三种类型的泵与风机中，用途最广泛的是叶片式泵与风机。这是因为，与其它类型相比，叶片式泵与风机具有效率高、性能可靠、容易调节等优点，特别是可以制成各种能头及流量的泵与风机以满足不同的需求。所以在火力发电厂及其它工业中得到了广泛的应用。因此，授课时将着重讨论叶片式泵与风机．流体机械原理、设计及应用第三节：流体机械的主要性能参数一.流量泵与风机在单位时间内所输送的流体量，通常用体积流量qV表示，单位为m3/s，m3/h。注意：测量时泵以出口流量计算，风机用进口流量计算。对于非常温的水或其他液体可以用质量流量qm来表示，其单位为kg/s,kg/h.qm和qv的换算关系为：qm=ρqv二、能头：单位重力或单位体积流体通过泵或风机所获得的机械能。对于泵：通常用扬程H表示，单位为m；g2gg2g2111222212VpZVpZEEH对于风机：通常用全压p表示，单位为Pa。211122222121VpVpp其中，下标“1”、“2”分别为泵与风机的进口和出口截面。流体机械原理、设计及应用风机的静压风机的全压减去风机出口截面处的动压pd2（通常将风机出口截面处的动压作为风机的动压）称为风机的静压。用pst表示，即：风机的静压有效功率用Pest表示，其计算式如下：2112d2st21ppppp1000stestVqpP流体机械原理、设计及应用三.功率和效率/gshPPtmsh/PP原动机传动装置泵与风机)kW(10001000eVVpqHgqP原动机配套功率Pgr=KPg，K为容量安全系数效率：传动效率：tm原动机输出功率：轴功率：传到泵与风机轴上的功率有效功率1.轴功率和有效功率流体机械原理、设计及应用2.内功率实际消耗于流体的功率称为内功率。等于有效功率和加上除轴承、轴封外在机器内损失掉的功率。PPPei3.内效率有效功率和与内功率之比称为内效率。%100PPiei流体机械原理、设计及应用%100eststPP静压效率是指风机的静压有效功率和轴功率之比，用st表示，即：4.全压效率和全压内效率5.静压效率和静压内效率全压效率是指风机的全压有效功率和轴功率之比，用st表示，即：%100estPP流体机械原理、设计及应用四.转速泵与风机轴每分钟的转数，通常用n表示，单位为r/min。五.其它基本性能参数此外，对于泵，还有泵的比转速（或型式数）、汽蚀余量（或吸上真空高度）等；对于风机，还有风机的比转速及无因次性能参数等，这些将分别在以后的有关章节中讨论。初识泵与风机1、从学科角度：泵与风机是流体力学的应用和发展。在火力发电厂中，泵与风机是实现动力循环的重要组成部分，是重要的辅机之一。因此，它是热能与动力工程及其相近专业的一门重要的专业基础课程，泵与风机的安全、经济运行对电厂的安全经济发电起着重要作用。2、从能量角度：泵与风机是一类能将原动机的机械能转换成被输送流体的压力势能和动能的流体机械。如果输送的流体是液体，则称为泵；输送的流体为气体，则称为风机。补充一、在国民经济建设中的地位1、泵与风机属通用机械的范畴：它们在国民经济的各个部门中应用十分广泛。农业方面：排涝、灌溉；采矿工业：坑道的通风及排水；冶金工业：各种冶炼炉的鼓风以及气体和液体的输送；石油工业：输油和注水；化学工业：高温、腐蚀性气体的排送；一般工业：厂房、车间空调以及原子防护设备的通风等.2、定量分析：据统计，泵与风机耗电约占全国总用电量的百分比逐步从原30%向40%过渡。可见其：数量之多应用之广地位之重二．在火力发电厂中的地位对电力部门的工作者，尤其关心泵与风机在电力工业的作用。1.从应用角度看：在火力发电厂中，向锅炉送水的给水泵、向汽轮机凝汽器送冷却水的循环水泵、排送凝汽器中凝结水的凝结水泵、排送热力系统中各处疏水的疏水泵、向热力网系统补水的补给水泵、向锅炉输送燃料的排粉机、向锅炉输送空气的送风机、排除锅炉烟气的引风机等都是电厂的重要辅助设备。此外，还有生水泵、工业水泵以及用来输送各种润滑油、药液、排除锅炉灰渣的特殊用泵等。总之，泵与风机在火力发电厂中的应用极为广泛，起着极其重要的作用。2.从经济角度看：泵与风机是电厂的耗电大户，特别是给水泵素有“电老虎”之称。据统计，各种泵与风机的耗电量约占厂用电的70%~80%（采用汽动给水泵除外）约为机组容量的5%~10%左右；其中泵约占50%，风机约占30%。由于泵与风机故障而引起停机、停炉的事例是很多的，并且由此造成了很大的直接和间接的经济损失，应引起我们的足够重视。经验表明，增加安全可靠性和提高效率相比，有着同等的甚至更大的经济效益。特别是随着机组向大容量、高效率、自动化方向的发展，对泵与风机的安全可靠性也提出了越来越高的要求。3.从安全角度看：例如：现代大型锅炉容量大、汽包的水容积相对较小，如果锅炉给水泵由于某种原因发生故障而中断给水，则汽包在一、二分钟甚至更短的时间内就可“干锅”，引发重大设备事故。此外，泵与风机的运行方式也直接影响到电厂的安全经济运行。所有这些都表明，泵与风机的安全经济运行是与整个电厂的安全经济运行密切相关的。三.泵与风机的发展趋势1.大容量国产300MW机组配两台给水泵功率5500KW国外1300MW机组配一台给水泵功率10000KW2.高速化上世纪60年代泵的转速3000r/min泵的转速7500r/min美国660Mw目的：减轻机器尺寸、重量提高经济效益3.自动化