泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論與性能(張勝亮)

1、第二節(jié)泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論一、離心式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論離心式泵與風(fēng)機(jī)是由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪上的葉片就對(duì)流體做功，從而使流體獲得壓能及動(dòng)能。因此，葉輪是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體能量的主要部件。(1)離心式葉輪葉片型式對(duì)HT∞的影響一般葉片的型式有以下三種：葉片的彎曲方向與葉掄的旋轉(zhuǎn)方向相反，稱為后彎式葉片。葉片的出口方向?yàn)閺较颍Q徑向葉片。葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，稱為前彎式葉片。前彎式葉片產(chǎn)生的能頭最大，徑向式次之，后彎式最小

2、。對(duì)流體所獲得的能量中動(dòng)能和壓能所占比例的大小比較可知：后彎式葉片時(shí)，流體所獲得的能量中，壓能所占的比例大于動(dòng)能；徑向式葉片做功時(shí)，壓能和動(dòng)能各占總能的一般；前彎式葉片做功時(shí)總能量中動(dòng)能所占的比例大于壓能。那么，對(duì)離心泵而言，為什么一般均采用后彎式葉片，而對(duì)風(fēng)機(jī)則可根據(jù)不同情況采用三種不同的葉片形式，其原因如下：在轉(zhuǎn)速n、葉輪外徑、流量及入口條件均相同的條件下，前彎式葉片產(chǎn)生的絕對(duì)速度比后彎式葉片大，而液體的流動(dòng)損失與速度的平方成正比。

3、因此，當(dāng)流體流過葉輪及導(dǎo)葉或蝸殼時(shí)，其能量損失比后彎葉片大。同時(shí)為把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能，在能量轉(zhuǎn)換過程中，必然又伴隨較大的能量損失，因而其效率遠(yuǎn)低于后彎式葉片。反之，前彎式葉片有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)其和后彎式葉片的轉(zhuǎn)速、流量及產(chǎn)生的能頭相同時(shí)，可以減小葉輪外徑。因此，可以減小風(fēng)機(jī)的尺寸，縮小體積，減輕質(zhì)量。又因風(fēng)機(jī)輸送的流體為氣體，氣體的密度遠(yuǎn)小于液體，且摩擦阻力正比于密度，所以風(fēng)機(jī)損失的能量遠(yuǎn)小于泵。鑒于以上原因，在低壓風(fēng)機(jī)中可采用前彎式葉片

4、。二、軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論（一）、概述軸流式和離心式的泵與風(fēng)機(jī)同屬葉片式，但從性能及結(jié)構(gòu)上兩者有所不同。軸流式泵與風(fēng)機(jī)的性能特點(diǎn)是流量大，揚(yáng)程(全壓)低，比轉(zhuǎn)數(shù)大，流體沿軸向流入、流出葉輪。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，重量相對(duì)較輕。因有較大的輪轂動(dòng)葉片角度可以作成可調(diào)的。動(dòng)葉片可調(diào)的軸流式泵與風(fēng)機(jī)，由于動(dòng)葉片角度可隨外界負(fù)荷變化而改變，因而變工況時(shí)調(diào)節(jié)性能好，可保持較寬的高效工作區(qū)。鑒于以上特點(diǎn)，目前國外大型制冷系統(tǒng)中普遍采用軸流式風(fēng)機(jī)

5、作為鍋爐的送引風(fēng)機(jī)、軸流式水泵作為循環(huán)水泵。今后隨著容量的提高，其應(yīng)用范圍將會(huì)日益廣泛。(二)、軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪理論1、翼型和葉柵的概念由于軸流式泵與風(fēng)機(jī)的葉輪沒有前后蓋板，流體在葉輪中的流動(dòng)，類似飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼與空氣的作用。因此，對(duì)軸流式泵與風(fēng)機(jī)在研究葉片與流體之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系時(shí)，采用了機(jī)翼理論。為此下面介紹翼型，葉柵及其主要的幾何參數(shù)。翼型機(jī)翼型葉片的橫截面稱為翼型，它具有一定的幾何型線，和一定的空氣動(dòng)力特性。翼型見圖：呈直

6、線關(guān)系變化，來決定。（1）后彎式葉輪，qVT增加時(shí)，逐漸減小，如圖2－30（a）所示；（2）徑向式葉片，qVT增加時(shí)，恒定，如圖2－30（b）所示；（3）前彎式葉片，qVT增加時(shí)，逐漸增大，如圖2－30（c）所示；以上的直線為理論的－qVT性能曲線。由于考慮到有限葉片數(shù)和粘性流體的影響，需對(duì)上述曲線進(jìn)行修正?，F(xiàn)以β2a∞90o的后彎式葉片為例，分析曲線的變化。考慮實(shí)際流體粘性的影響，并減去因摩擦、擴(kuò)散和沖擊而損失的揚(yáng)程。除此之外，還需考

7、慮容積損失對(duì)性能曲線的影響，因此，還需減去相應(yīng)的泄漏量q，即得到實(shí)際揚(yáng)程和流量的性能曲線qvH，如圖2－31中e線所示。對(duì)風(fēng)機(jī)的性能曲線qv－p分析和泵的qv－H分析相同。2、流量和功率（qv－P）性能曲線以后彎式葉輪為例，在流量與流動(dòng)功率(qVTPh)曲線上加一等值的(實(shí)際上qV大時(shí)△Pm稍小些)機(jī)械損失功率△Pm再考慮到泄漏量的影響即得到qVP性能曲線。當(dāng)qVT=0時(shí)，軸功率不為零，由此，將流量為零的這一工況稱為空載工況，此時(shí)的功率

8、就等于泵與風(fēng)機(jī)在空轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械損失功率△Pm和容積損失功率△PV之和。3、流量與效率（qv－η）性能曲線泵與風(fēng)機(jī)的效率等于有效功率與軸功率之比，即η＝PｅP＝ρｇqvＨ1000P由上式可見，效率η有兩次為零的點(diǎn)，即當(dāng)qv＝0時(shí)，η＝0，當(dāng)H=0時(shí)，η=0。因此，qvη曲線是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)與橫坐標(biāo)軸相交于qv＝qvmax點(diǎn)的曲線。這是理論分析的結(jié)果，實(shí)際上qv－H性能曲線不可能下降到與橫坐標(biāo)軸相交，因而qv－η曲線也不可能與橫坐標(biāo)軸相交。

9、如圖234所示，實(shí)際的qv－η性能曲線位于理論曲線的下方。曲線上最高效率ηvmax點(diǎn)，即為泵與風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。性能曲線是制造廠通過實(shí)驗(yàn)得到的。載入泵與風(fēng)機(jī)樣本，供用戶使用。以風(fēng)機(jī)為例，實(shí)際使用中，為方便起見，一般將上述曲線按同一比例畫在一張圖中，如右圖所示，不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)，其性能曲線也不同。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)風(fēng)量發(fā)生改變時(shí)，風(fēng)壓隨風(fēng)量的增大而減??；功率隨風(fēng)量的增大而增大；風(fēng)機(jī)效率存在一個(gè)最高值。相應(yīng)于最高效率下的風(fēng)

10、量、風(fēng)壓和軸功率稱為通風(fēng)機(jī)的最佳工況。在選擇風(fēng)機(jī)或風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使其實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效率不低于最高效率的90％。這也就確定了一臺(tái)風(fēng)機(jī)其風(fēng)量的允許調(diào)節(jié)范圍。4、離心泵與風(fēng)機(jī)性能曲線的分析（1）當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，工況為空轉(zhuǎn)狀態(tài)。這時(shí)候，空載功率Po主要消耗在機(jī)械損失上，而這會(huì)導(dǎo)致局部水溫迅速升高以致汽化。因此，為防止汽化，一般不允許在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行（除特殊注明允許的外）。（2）離心泵與風(fēng)機(jī)，在空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，軸功率最小，一般為設(shè)計(jì)軸功率的百分之三十左右，為