水力机械现代设计方法第一章：水力机械概述

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械原理与设计主讲教师：孙建平张双全华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ第一章水力机械概述水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第一节水力机械的定义流体机械是指以流体为工作介质的机械设备。流体机械的工作过程，是流体的能量与机械的机械能相互转换过程或是不同能量的流体之间能量传递的过程。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述原动机和工作机：能量传递的方向不同华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述原动机将流体的能量转换为机械能用于驱动其他的机械设备。水轮机、汽轮机、燃气轮机、风力机、各种液压马达和各种气动工具等。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述工作机则将机械能转换为流体的能量，以便将•流体输送到高处•有更高压力的空间•克服管路阻力将流体输送到远处例如各种泵、风机和压缩机等。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述流体机械可分成容积式和叶片式：取决于流体与机械相互作用的方式。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述容积式流体机械：工作介质处于一个或多个封闭的工作腔中，工作腔的容积是变化的，机械与流体之间的相互作用力主要是静压力。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述例如往复活塞式流体机械：活塞与缸体形成一个封闭工作腔，介质与机械间的相互作用力为活塞表面的压力。当介质推动活塞运动时，是原动机。当活塞推动介质流动时，是工作机。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶片式流体机械的特点：具有一个带有叶片（动叶）的转子（叶轮impeller或转轮runer）；工作时介质对叶片连续绕流；介质作用于叶片的力是惯性力；流体由壳体与静止叶栅的引入。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述涡壳、固定导叶、活动导叶、转轮华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述泵体、叶轮、导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶片式机器中流体圆周分速度的变化及其意义：原动机：cu=0—（涡壳）导叶—cu—叶轮—cu=0工作机：cu=0—叶轮—cu—导叶（涡壳）—cu=0华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述结论：叶轮进、出口cu的变化与叶轮所转换的能量成正比；机器进口处通常没有cu机器出口处，通常不希望有cu通过动叶与静叶以及涡壳的配合，可以满足以上要求。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶片式流体机械可分成反击式和冲击式：取决于流体在叶轮内的压力与速度的变化情况华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述反击式叶轮：流体的压力和速度都发生变化，流体与叶片交换的能量中既有压力能（势能）也有速度能（动能）；华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述反击式机器包括：（轴流式、径流式和混流式（斜流式））华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述轴流式机组华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述在反击式机器中：原动机静叶：c↑，p↓，但p0；叶轮（转轮）中，c↓，p↓工作机叶轮（转轮）中，c↑，p↑，静叶中，c↓，p↑华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式叶轮：流体的压力是不变的，流体与叶片交换的能量中只有速度能（动能）。原动机静叶：c↑，p↓至p=0；叶轮（转轮）中，c↓，p不变工作机无冲击式！！！华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式水轮机转轮（水斗）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述水力机械：以液体为工作介质叶片式华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述水力机械的主要类型有：切击式水轮机、双击式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机、轴流式水轮机、离心泵、混流泵、斜流泵、轴流泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第二节水力机械在国民经济中的应用电力工业水利工程化学工业石油工业采矿工业航天技术环保部门华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第三节水力机械的主要性能参数流量、水头（扬程）、转速、效率、空蚀、水压脉动参数，称为水力机械的性能参数。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述一、流量Q单位时间内通过机器的介质的量（体积或质量）称为流量。体积流量：单位为m3／s、l／s或m3／h质量流量：单位为kg／s、kg／min或kg／h华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水头、扬程以液柱高度表示的机器进、出口断面单位数量液体能量的差值H水轮机中：称为水头叶片泵中：称为扬程单位：m（N·m／N＝m）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述计算公式：Hppgccgzz[()]212222212±号是分别用于泵与水轮机，液体通过泵时吸收能量，而通过水轮机时释放能量。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述电站水头与电站静水头的关系：HppgccgzzHpspspsst'222水轮机水头与电站水头的关系：HHHstΔH为引水管路的水力损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述泵装置扬程：HppgccgzzHGpspsps222H——全部管路损失的总和装置扬程：泵将单位重力液体介质从下游容器抽送到上游容器所做的功。在系统处于稳定状态时，装置扬程必等于泵的扬程。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述装置静扬程Hppgzzstpsds扬程之间的关系HHHHGst华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述三、转速n转速n是叶轮（转轮）旋转的速度。单位：转每分（r／min）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述四、功率P与效率工作机（泵）：功率P为机器的输入功率原动机（水轮机）：功率P为机器的输出功率单位：kW华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单位时间内通过机器的介质的能量变化总量（流体功率）可表示为HgqPvf损失的存在，机器功率与流体功率之间有一差值P。用效率来衡量损失的大小，则有TfPPPfPP或1)(PPf华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述五、叶片式流体机械的特性曲线水力机械的各个性能参数并不是固定的，在机器运行过程中，将随着环境和调节过程而变化。但各参数的变化并不是独立的，而是相互关联的。一般说来，可将水头（扬程）H、功率P和效率视为转速n和流量q的函数。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述泵性能曲线：注意工况的概念最优工况设计工况华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第四节水力机械的结构形式一、叶轮的配置方式多级配置华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述多流配置华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水轮机的结构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述轴流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述导水机构活动导叶固定导叶转轮蜗壳尾水管华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述贯流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述活动导叶发电机转子转轮叶片尾水管全贯流式：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述灯泡贯流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述发电机转轮尾水管转轮活动导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述混流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述蜗壳尾水管转轮活动导叶固定导叶导水机构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述斜流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述切击式水轮机转轮喷嘴喷针调节机构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述三、叶片泵的结构用途广泛，结构种类繁多华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单级单吸悬臂式离心泵叶轮泵体（蜗壳）泵盖悬架（轴承支架）轴华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单级双吸水平中开式离心泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶轮泵体轴华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述压水室为双涡壳华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述潜水电机叶轮蜗壳潜污泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述节段式多级泵中段进水段出水段平衡盘导叶叶轮华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述双壳泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述双壳体泵外壳体内壳体（中段）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述蜗壳式多级泵（水平中开式多级泵）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述立式轴流泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述四、立式水轮机结构特点不同参数机组的结构和尺寸差别很大，按照轴和轴承的数量和位置并从振动试验角度将立式机组的主要结构类型分为以下几种：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述特点：推力轴承位于发电机的上方，三个导轴承。运行可靠，厂房高度高，机组结构不够紧凑。适用于转速200转/分的中小型机组。悬垂式华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述伞式（推力轴承在下机架上）特点：推力轴承位于发电机的下面，有二个导轴承，上机架为非承重机架。机组结构紧凑，可以降低厂房地高度。适用于转速较低的大型机组。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述伞式（推力轴承在顶盖上）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述半伞式（推力轴承在下机架上）特点：推力轴承位于发电机的下面，有三个导轴承，上机架为非承重机架。适用于大型机组。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述半伞式（推力轴承在顶盖上）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第五节水力机械理论与设计方法的现状与发展华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述一、水力机械内部流动分析准三维解：将三维流动简化为两个相关二维流面，即s1、s2流面，在s1和s2流面上迭代求解。三维Euler解：将三维N-S方程中的粘性项略去，得到三维Euler方程，在求解域中解Euler方程。三维粘性解：从平均NS方程出发，辅以一定的湍流模式，求解平均NS方程。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水力机械设计方法一元理论：假定转轮轴面速度沿过水断面均匀分布。二元理论：假定转轮轴面流为轴对称有势流动。“一元半”理论：认为转轮轴面流动既不是均匀流动也不是有势流动，根据工程经验直接给定轴面速度的分布规律。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述传统的设计方法避免计算的困难，不得不引入一些简化条件，以求用简单的方法对流动进行分析计算，并在此基础上确定通流部件的几何尺寸。由于这些简化而产生的误差，则通过经验进行修正或通过试验进行改进。一般的步骤为：简化——经验——数表——修正——模型试验华中科技大学能源与动力学院水机教