离心式流体机械中的流体力学问题

1流体机械的分类1.1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。1.2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1.3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100~650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（11.27～34.3）*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2流体机械的主要性能参数及性能曲线２.１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22212121()()()2VVpgZZpp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22212Vppp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hp，故风机的实际全压为thpppPt——理论全压则风机的气动效率为1hhttpppp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差，用水头表示，单位为单位水柱，也有单位汞柱2221212121()2ppVVHZZhhgg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h，故泵的实际扬程为tHHhHt——理论扬程则泵的水力效率为1httHhHH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tQQqq——气体泄漏量则风机的容积效率为qtQQQQq2、水泵流量同风机，但泵有时会采用质量流量三、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：effNpQ水泵：effNgHQ输入功率：单位时间内输入流体机械叶轮轴的能量风机：inttNpQ水泵：inttNgHQ轴功率：电机轴输出端的功率风机：sttmecNpQN水泵：sttmecNgHQNNmec——传动部分的机械损失，对应的效率为机械效率1smecmecmecssNNNNN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η表示。根据一、二、三中的描述可知qhmec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。２.２性能曲线流量为自变量，压力（扬程）、功率和效率等为因变量，也就是说这些参数随流量的变化趋势，如下图为某离心泵性能曲线3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３.１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３.２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4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始设计４.１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。４.２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。４.３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(η)；（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Q；（2）压力系数P；（3）比转速ns；（4）功率系数N；（5）效率η；（6）比噪声LdAs等。二、离心式通风机的结构(Thestructureofcentrifugalfans)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。蜗壳蜗壳蜗壳进风口叶轮蜗壳图1离心式通风机结构(a)回转面(b)子午面根据如上的结构，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β1A——叶片进口安装角β2A——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(Theinternalflowofcentrifugalfans)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)()()[(21)1(2122212221222222222,ccwwuuctgucucuPArut（1）其中的参数如图2所示。β2A为叶轮叶片的出口安装角，β2A90º为后向风机，β2A＝90º为径向风机，β2A90º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β2A成正比。考虑叶片的有限性和损失，风机的实际压力为)1(22222ArctgucuKP（2）其中的η为风机效率，且C2ru2C2β2AW2ω图2出口速度三角形3Mreh（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：)(sin1222222AAtgbdQuzuK（4）Weisner公式：7.0222sin1zcuKAu（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h）；（2）泄漏损失（对应效率为e）；（3）机械损失（对应效率为M）。风机产生流动损失的根本原因在于气体的粘性。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(ThedesignofThecentrifugalfans)1．设计方案的确定(Theschemeofdesign)明确设计条件：（1）流量(Q)；（2）压力(P)；（3）工作介质及其密度(ρ)；（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4321)2.1(PQn