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1、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
2、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
3、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
4、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,H
5、SJ,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
6、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
7、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m3s、ls或m3h质量流量：单位为kgs、kgmin或kgh,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,
8、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（NmNm）,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：,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：,水轮机水头与电站水头的关系：,H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：,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
9、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,扬程之间的关系,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（rmin）,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,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,或,华中科
10、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
11、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
12、,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,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,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,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
13、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,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,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
14、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
15、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
16、：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，
17、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
18、技大学能源与动力学院水机教研室,HSJ,水力机械概述,现代设计方法 现代设计方法在传统的经验设计的基础之上，引入内部流动分析（CFD）、性能预估计算、优化设计理论、工质物性计算以及强度计算和CAD、CAM等先进技术，发展为现代水力机械的设计体系。直接用三元流动分析方法求解反问题在技术上尚有困难，所以实际的设计过程是一个反复依次求解正、反问题的过程。,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,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,软件名称 功能和用途 适用部件 SDRC-IDEAS 实体造型 几何分析 水轮机所有部件 刚、强度分析 TASCflow CFD求解 前后处理器 水轮机所有部件 性能预测 ICEMCFD 通流部件网格划分 水轮机所有部件 bbX 转轮设计 转轮 Turbogrid 转轮网格划分 转轮 SWIN Excel 通流部件设计 蜗壳、固定导叶、活动导叶、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,
