第三章、叶片式流体机械中的能量转换

《化工过程流体机械》总结、思考、公式、习题（第三章）2009.10.15（内容总结及思考题）第三章叶片式压缩机§ 3.1 离心压缩机的结构类型3.1.1 离心压缩机的基本结构3.1.2 主要零部件3.1.3 典型结构小结：1．基本结构级、段、缸、列；首级、中间级、末级；叶轮、扩压器、弯道、回流器、吸气室、蜗壳；2．主要零部件叶轮（后弯型，相对宽度b2/D2，直径比D1/D2）；扩压器（叶片、无叶片）；3．典型结构单级、多级，水平中开型、高压筒型等。

思考题：[2] 3-1．何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？§ 3.2 离心压缩机的工作原理3.2.1 工作原理3.2.2 基本方程3.2.3 压缩过程3.2.4 实际气体小结：1．工作原理离心压缩机特点（优缺点）；关键截面参数（s、0、1、2、3、4、5、0'）；2．基本方程连续性、欧拉方程，焓值方程（热焓形式）、伯努利方程（压损形式）；3．压缩过程等温压缩、绝热压缩、多变压缩过程（过程指数m、绝热指数k）；4．实际气体压缩性系数Z、混合气体（ρ、R、c p或c v、k）。

思考题：[2] 3-2．离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？[2] 3-3．何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中b2/D2和φr2的数值应在何范围之内？[2] 3-4．何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。

[2] 3-5．何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。

[2] 3-6．何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。

[2] 3-14．如何计算确定实际气体的压缩性系数Z？[2] 3-15．简述混合气体的几种混合法则及其作用。

§ 3.3 离心压缩机的工作性能3.3.1 能量损失3.3.2 性能参数3.3.3 单级特性3.3.4 多级特性3.3.5 性能换算小结：1．能量损失流动（摩阻、分离、冲击、二次流、尾迹、M）、轮阻、内漏气损失；2．性能参数能头、功率、效率，级中气体状态参数（温度、压比、比容）；3．单级特性能头（压比）、功率、效率特性，喘振和堵塞工况、稳定工况区；4．多级特性特性（曲线陡、喘振限大、堵塞限小、稳定区窄）、影响（u2、μ）；M、k）、完全相似和近似相似（k＝k'）换算。

流体机械原理总复习第一部分：流体机械概述一、流体机械分类⏹按能量传递方向分类⏹按流体与机械的作用方式分类⏹按工作介质分类⏹其它流体机械类二、水力机械主要部件重点：水轮机过流部件泵的主要过流部件三、流体机械主要工作参数的定义重点：1）水头、扬程、压升的定义。

2）工作机与原动机效率的定义。

第二部分：流体机械过流部件工作原理一、流体机械过流部件图示方法（理解轴面，轴面投影图，流面、流线等概念）二、速度三角形的意义及绘制方法三、变工况速度三角形分析四、流体机械基本方程（欧拉方程）1、叶片式流体机械欧拉方程2、理论扬程（水头）3、第二欧拉方程4、反作用度（反击度）5、有限叶片数对能量转换的影响五、水力机械其他过流部件工作原理1、蜗壳（压水室）工作原理（速度矩为常数）2、活动导叶的工作原理1）流量调节方程的推导2）水轮机流量调节方式3、尾水管的工作原理4、水泵的吸入室5、水力机械过流部件内部流动特征比较（重要）六、流体机械能量与损失分析（原动机与工作机的区别！）1、流体机械能量分析（对原动机与工作机，各损失的分析）2、容积损失3、机械损失4、水力损失5、效率（原动机与工作机的区别！）第三部分：相似理论在流体机械中的应用一、水轮机单位参数二、水泵单位参数三、水轮机单位参数换算关系四、泵的单位参数换算关系五、比转速及其与水力机械几何形状、水力性能的关系六、水力机械效率换算关系及单位参数换算第四部分：水力机械的空化、泥沙磨损与磨蚀一、空化的概念及空化发生条件二、水力机械空化参数：装置空化余量，必须空化余量，空化系数，装置空化系数，空化比转速。

吸出高度，名义吸出高度，容许吸出高度，水轮机安装高程吸上高度，容许吸上高度吸上真空度，容许吸上高度，泵的安装高程泵的空化余量与叶片进口安放角的关系三、空化的比尺效应与热力学效应四、空化防护措施第五部分：水力机械特性一、水力机械力特性二、流体机械特性曲线的分类三、泵（风机）的特性曲线不同比转速泵特性曲线特点四、水轮机的特性曲线3类线性特性曲线模型综合特性曲线特点真机运转综合特性曲线特点不同比转速水轮机特性曲线特点五、水轮机模型实验及综合特性曲线绘制方法1）混流式2）轴流转桨式六、泵的模型实验及特性曲线绘制第六部分：泵的运行特性一、泵与管网系统的联合工作1）管路特性曲线2）泵的运行工况点3）工况点稳定性分析二、泵的串并联运行三、泵的工况调节。

Chapter 3 流体运动的基本方程组本章任务：建立控制流动的基本方程组，确定边界条件。

§3.1系统和控制体系统（sys ）指给定流体质点组成的流体团，相当于质点或刚体力学中的研究对象——物体；系统在流动过程中可以不断改变自己的位置和形状，但维持其连续性，始终由固定的那些流体质点组成。

系统与外界可以有力的相互作用，可以有动量和能量交换，但是没有物质交换。

控制体（CV ）指流动空间内的一个给定空间区域（子空间），其边界面称为控制面（CS ）。

控制体一旦选定，其大小、形状和位置都是确定的，有流体不断出入。

物质体元即流体微团。

物质面元可以看成由连续分布的流体质点（看成是没有体积的几何点）构成的面元，物质面元在流动过程中可以变形，但始终由这些流体质点组成。

物质线元可以看成连续分布的流体质点（看成是没有体积的几何点）构成的线元，或者说是连续分布的流体质点的连线线元，物质线元在流动过程中可以变形，但始终由这些流体质点组成。

时间线就是物质线。

（三者如同面团、薄饼和面条） §3.2雷诺输运定理设(),f r t 代表流动的某物理量场（可以是密度场、温度场、动量密度分量场、能量密度场等），t 时刻某流体团（即系统）占据空间τ，取该空间为控制体。

t 时刻该流体团的总f 为()(),I t f r t d ττ=⎰。

（3-1）此I 也是t 时刻控制体内的总f 。

设t t δ+时刻（0t δ→）该系统运动到如图所示位置，占据空间τ'，此时系统的总f 为()(),I t t f r t t d τδδτ'+=+⎰。

（3-2）该系统总f 的随体导数()()()0lim t I t t I t DI t Dt tδδδ→+-=。

（3-3）将空间II τ分为与空间I τ重合的部分2τ和其余部分1τ，空间I τ去除2τ后剩余部分记为3τ，于是13ττττ'=+-，（3-4）进而()()()()13I t t I t t I t t I t t τττδδδδ+=+++-+，（3-5）可得()()()()()130lim t I t t I t t I t t I t DI t Dt tττττδδδδδ→+++-+-=()()()()31000lim lim lim t t t I t t I t t I t t I t t t tττττδδδδδδδδδ→→→+++-=+-， （3-6）其中第一项()()()0limt I t t I t I t t t ττδδδ→+-∂=∂。

流体力学在机械设计中的能量传递与转换对于机械设计来说，能量传递与转换是其中一个重要的方面。

而在这一过程中，流体力学扮演着至关重要的角色。

本文将探讨流体力学在机械设计中的能量传递与转换方面的应用。

1. 流体力学与能量传递流体力学研究了流体在不同条件下的运动和力学性质。

在机械设计中，流体力学涉及到了能量的传递与转换。

通过对流体的运动、压力和速度等因素进行研究，能够更好地理解能量是如何在机械系统中传递和转化的。

2. 流体力学在水泵设计中的应用水泵作为流体的能量转换装置，将机械能转化为流体的动能。

流体力学通过研究流体在水泵内的流动和压力等特性，可以优化水泵的设计，提高其能效。

泵的设计参数如叶轮的形状、进出口通道的布局等，都会直接影响水泵的效率和能量传递效果。

3. 流体力学在液压传动系统设计中的应用液压传动系统在机械设计中得到广泛应用，它利用液体的性质来传递力和能量。

流体力学研究了液体在管道内的流动特性，通过分析液体的压力、流速和密度等因素，可以准确地计算液压系统内的能量传递和转换效率。

合理的设计液压传动系统可以提高机械系统的工作效率和控制精度。

4. 流体力学在风力发电机设计中的应用风力发电机通过将风能转化为机械能，并进一步转换成电能。

流体力学研究了空气在叶片上的流动特性，通过优化叶片的形状和布局等因素，可以提高风力发电机的利用效率。

同时，流体力学的研究也可以帮助设计师准确计算出风力对风力发电机叶片的影响，从而保证其结构的稳定性和安全性。

5. 流体力学在润滑设计中的应用流体力学在机械设计中还应用于润滑系统的设计。

润滑系统通过在摩擦表面形成润滑膜，减少摩擦和磨损，从而提高机械系统的可靠性和寿命。

流体力学的研究可以帮助设计师选择合适的润滑材料和优化润滑系统的结构，以确保能量在摩擦表面的传递和转化的有效性。

总结：流体力学在机械设计中的能量传递与转换方面有着广泛的应用，从水泵到液压传动系统，再到风力发电机和润滑设计，流体力学的研究都为机械系统的性能提升和能量利用效率的提高做出了贡献。

第一章流体机械的定义及分类习题1、流体具有的能量主要包括哪几个方面？2、什么是流体机械？根据什么将流体机械分为叶片式流体机械和容积式流体机械？3、什么是往复式流体机械和回转式流体机械？试分别列举几种型式。

第二章叶片式流体机械概述习题1、水轮机和水泵的基本工作参数有哪些？各是如何定义的？2、什么是流体机械？根据什么将流体机械分为叶片式流体机械和容积式流体机械？3、什么是往复式流体机械和回转式流体机械？试分别列举几种型式。

4、往复式泵的工作原理是什么？5、齿轮泵的工作过程是什么？齿轮泵的容积效率怎样计算？6、反击型水轮机的主要过流部件名称及作用是什么？试以混流式为例绘出其单线图。

7、根据水轮机利用水流能量方式的不同将水轮机分为哪两大类？又根据转轮区域水流流动方向特征的不同将反击式水轮机分为了几种？试分别说出各自的特点和使用范围。

8、反击式水轮机由哪四大部件组成？试分别说出它们的作用。

9、试说明液力变矩器的组成和工作原理。

10、什么是气压传动？以剪切机为例，说明气压传动的工作原理。

11、试推导往复泵吸水、压水过程中活塞上压强的表达式。

12、试证明：单作用往复泵安装空气室活塞克服管路摩擦所作的功，与不装空气室活塞克服管路摩擦所作的功之比为。

假定摩擦系数不随速度变化。

第三章叶片式流体机械中的能量转化习题1、总扬程为25m，流量为3m3/min，泄漏量为流量的3%的离心泵以1450rpm的转速运转时，泵的轴功率为14.76kw，机械效率取，试求下列值：（1）泵的有效功率；（2）泵的效率；（3）容积效率；（4）水力效率。

2、水轮机效率实验时在某一导叶开度下测得下列数据：蜗壳进口处压力表读数P=22.6×104p a，压力表中心高程H m=88.5m，压力表所在钢管直径D=3.35m，电站下游水位Ñ=85m，流量q v=33m3/s，发电机功率P g =7410Kw，发电机效率ηg=0.966，试求机组效率及水轮机效率。

第二章 叶片式流体机械的能量转换2-1流体在叶轮中的运动分析一、几个概念及进出口边符号确定流体机械叶片表面一般是空间曲面，为了研究流体质点在 叶轮中的 运动规律，必须描述叶片。

叶片在柱坐标下是一曲面方程),,(θθθz r =，但解析式一般 不可能获得。

工程上借助几个面来研究： 基本概念1．平面投影： 平面投影是将叶片按工程图的做法投影到与转轴垂直的面上。

2．轴面（子午面）：通过转轮上的一点和转轮轴线构成平面：（一个转轮有无数个轴面，但是每个轴面相同）3．轴面投影：它是将叶片上每一点绕轴线旋转一定角度投影到同一轴面上的投影，叫轴面投影。

4．流线 5．迹线6．轴面流线进出边符号确定：（本书规定） P 代表高压边 P 对风机，泵，压缩机，一般S 代表低压边 出口边对水轮机进口边S 对风机，泵，压缩机，一般是进口边，对水轮机是出口边二、叶轮中的介质运动 1．速度的合成与分解：流体机械的叶片表面是空间曲面，而转轮又是绕定轴旋转的，故通常用圆柱坐标系来描述叶片形式及流体介质在转轮中的运动。

在柱坐标中，空间速度矢量式可分解为圆周，径向，轴向三个分量。

u z r C C C C rr r r ++= 将C z ,C r 合成得C m , z r m C C C rr r +=C m 位于轴面内（和圆周方向垂直的面），故又叫轴面速度。

2．绝对运动和相对运动：在流体机械的叶轮中，叶片旋转，而流体质点又有相对转轮的运动，这样根据理论力学知识质：叶轮的旋转是牵连运动。

流体质点相对于叶轮的运动叫相对运动，其速度叫相对速度，这样，流体质点的绝对速度为 这两速度的合成，即 u w C r r r += 其中 u r是叶轮内所研究的流体质点的牵连速度在流体机械的静止部件内，没有牵连速度，相对运动的轨迹和绝对运动重合。

用速度三角形，表示上述关系，即得：依速度合成分解，将C 分解为沿圆周方向的分量C u 及轴面上的分量C m ，从速度三角形知：C m =W m u u W C u r r r +=或u u W C u r rr −=叶轮内，每一点都可作出上述速度三角形。