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1、第五章流体机械原理本章学习目标以流体为工作介质，与流体进行机械能交换的机械我们称之为流体机械。例如透平发动机，透平压缩机，风机，水泵等等都是典型的流体机械。又如喷气发动机,往复式发动机.压缩机亦属于流体机械.以流体为工作介质,与流体进行动量交换的机械,也属于本章讨论的范围.本章将要着重讨论下列问题:(1)各种类型的透平机械的工作原理;(2)孤立机翼的升力原理以及与翼形有关的各种工程问题.第一节透平机械工作原理1.透平机械的类型.从透平机械的子午面上看,凡流体运动方向基本沿轴线者,则称为轴流式透平机械;凡是流体运动方向
2、基本沿径向者,则成为径流式透平机械;凡流体运动方向介于上述两种情况之间者,则称为混流式透平机械.典型的离心透平机械如图所示.离心式水泵和离心式风机均为此种结构.它的主要部件包括动轮,壳体,进口段,扩压器等等.动轮上装有叶片,它们与流体之间进行功的交换.典型的多级轴流式透平机械如图示,其中每一级有一组与机壳固接在一起的固定叶片,另有一组与动轮固接在一起的运动叶片.我们分别称它们为固定叶栅和动轮叶栅.流体通过动轮叶栅并与它进行机械能交换,在子午面上看,气流沿轴向进入透平,最后由轴向流出透平.典型的螺旋桨式透平如图所示.流
3、体基本上沿轴向流过螺旋桨所扫过的平面.混流式透平如图所示,流体在装有叶栅的动轮中流动,在子午面上看,它们既具有轴向速度,又具有径向速度,故称为混流式透平.2.透平机械的欧拉方程.以混流式透平作为分析对象,具有普遍意义.取叶轮所占据的空间作为控制体,如图所示虚线为控制体.此控制体并不随叶轮转动,是惯性坐标系中的控制体.分别以表示进出口截面的平均半径.这里,只讨论不可压流体.首先对控制体建立连续方程.,式中,分别为进出口绝对速度在子午面上的分量.对控制体建立动量矩方程.外界对于控制面作用的摩擦力不计,由于控制面的轴对称性
4、,控制面的法线都位于相应的子午面上,故作用在控制面上的压力对z轴不产生力矩.外界通过动轮的轴向控制面传递的力矩以表示,式中,为进出口绝对速度在周线方向的分量.根据动量矩守恒原理,单位时间内流入控制体的动量矩与外界对控制体所加的力矩,之和等于单位时间内控制体的动量矩.此式称为透平机械的欧拉方程.外界对控制体输入的有效功率为:式中为进出口轮周切线速度.对于>0的情况,外界对控制体做功,此为透平机械压缩机(泵,风机,压气机等等),对于<0的情况,控制体对外界做功,此为透平发动机(气轮机,水轮机等等)第一节轴流式透平机械的流
5、动特性1.轴流透平的欧拉方程.我们来考察一个具有简单级的动轮的工作原理,如图所示.气流以轴向速度进入固定叶栅，固定叶栅使气流的压力能转换为动能，并改变流动方向，然后流入动轮叶栅，如图所示，固定出口处的气流绝对速度以表示，当地动轮切线速度以表示，与切线之间的夹角以表示。动轮叶栅进口处得气流相对速度以表示。与切线的夹角以表示。动轮叶栅出口气流的相对速度以表示，当地的切线速度以表示。与切线的夹角以表示。由于进出口截面相同，故由连续方程知：,由图中的速度图知：于是欧拉方程可写成：这就是轴流式透平机械的欧拉方程。对于压缩机，，
6、故要求,即要求。对于发动机，，故要求，即要求。将此结果绘于图上，可以清楚的看到，气流通过动轮前后，其绝对速度所产生的变化。2．轴流式冲击透平欧拉方程.对于冲击式透平，其欧拉方程的形式更为简单。冲击式透平是一种特殊透平，气流在其动轮叶片进出口的相对速度相等，即，而且气流夹角，满足，如图所示。在此条件下，有：代入到欧拉方程中，可得：又由于，故上式又可写成：此为冲击透平的欧拉方程。第一节径流式（离心式）透平机械流动特性离心泵是典型的径流式透平机械，现以单级离心泵为例，分析径流透平的性能特征。单级离心泵如图示。在子午面上看，
7、流体由轴向流入，通过动轮，使气流沿径向流出。在动轮叶片的通道中，流体与叶片之间产生了机械能的交换。为了阐明径流透平的工作原理，现以等宽度叶片的离心泵作为分析对象。取动轮所占据的空间作为控制面，如图中的虚线所示：由连续方程知：式中，分别为叶轮进出口流体绝对速度在径向的分量，b为叶片宽度。由上式可以得到：即：由图中几何关系知：将它们及连续方程代入到欧拉方程中去：单位质量流量的理论功率可写成：若令则单位质量流量的无量纲功率的表达式可写成：若进口处无导叶，则气流沿径向进入动轮，此时，故无量纲功率表达式可写成：应当指出，上述各
8、式中的为气流相对于旋转叶轮的平均出口角。的叶轮称作径向叶轮，的叶轮称作后弯叶轮，的叶轮称作前弯叶轮如图。三种叶轮的无量纲功率特性曲线走向不同如图示。在离心泵的动轮出口，通常装有扩压器，以使流体的动能转化为压力能。最简单的一种扩压器为无叶扩压器。无叶扩压器为动轮出口后的环状空间。为简单起见，我们在此只分析等宽度的环状无叶扩压器，其结构如图示。取环
