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通过第二讲和本讲的学习

我们已经了解了流体机械中

所有过流部件的工作原理

明白了各过流部件在流体机械能量转换当中的作用

我们知道在能量转换过程中

不可避免的伴随着能量损失

根据损失特性我们可以把流体机械中的

能量损失分为三类

第一类是流动损失

是指由于介质具有粘性

而在流动过程中引起的压力损失

也称为水力损失

第二类是泄漏损失

由于结构的原因

流体机械转子和壳体之间肯定会有间隙

通过这些间隙的

泄漏会引起流量损失

也称为容积损失

还有机械损失

是指机械摩擦引起的功率损失

通常这些损失我们采用

相应的效率来定量的描述它们

分别为水力效率

容积效率和机械效率

通过研究导致各种损失的原因

可以帮助我们改进

流道和结构设计

来降低各类损失

达到提高机组效率的目的

我们先来看由于介质具有

粘性所引起的水力损失

引起水力损失的原因很多

第一种是粘性引起的

沿程摩擦损失

存在于整个过流通道中

最典型的例子就是

可以用莫迪图进行

计算的圆管道沿程损失

第二种是边界层发生

分离引起的损失

引起流动分离的主要

原因是沿着流动方向压力升高

或者说是存在逆压梯度

主要发生在扩压器中

因此需要合理的设计扩散度

避免流动分离的发生

比如水轮机的

尾水管锥度一般3~5°

很少超过12°的

第三种是冲击损失

譬如在转轮进口

如果相对液流角

不等于叶片安放角

那么产生冲角造成

叶片头部出现流动分离

引起冲击损失

本质上来说

冲击损失也是一种分离损失

第四种是过流通道内

由于压力分布不均匀

导致流体质点出现与

主流方向垂直的横向流动

即二次流

二次流除直接引起损失外

还会使主流流场

发生畸变而引起损失

除了以上讨论的

四种比较典型的类型外

水力损失还有很多

其他原因引起的损失

比如非对称的转轮入口条件

会造成转轮内部流动

发生周期性变化

一方面这种非定常

流动本身会引起损失

另一方面周期变化的

入流条件会使进口

冲角不断变化

冲击损失也时大时小

总体而言

介质的粘性是引起流体

机械内部水力损失的根本原因

但是由于损失的大小跟

流动的微观结构相关联

不同流道类型和流动条件下

流动的微观结构都不大相同

水力损失原因复杂多变

是流体机械学科流动

分析的魅力所在

如果记单位重量流体的水力损失为ΔH

那么对于水泵而言

泵的有效扬程H

等于理论扬程Hth-ΔH

水力效率ηh等于H/Hth

也等于1-ΔH/Hth

对于水轮机而言

单位重量流体传递给

水轮机的理论水头Hth等于实际水头H-ΔH

水力效率ηh等于Hth/H

等于1-ΔH/H

泵和水轮机的水力效率

计算公式是个倒数关系

我们再来看容积损失

它是由于旋转件和固定件的间隙内的流体泄漏

而导致的能量损失

对常规离心泵来讲

一个是通过叶轮前盖板

与泵盖之间的密封部位的间隙处

即前腔室

从叶轮出口高压侧泄漏到

叶轮进口低压侧的泄漏流量

这部分泄漏流量又会被叶轮吸入再次获得能量

混合后从叶轮出口流出

这样就形成了一个小的

泄漏循环流量

它不断从叶片获得能量

然后消耗在间隙的流动中

这部分流量实际上没有泄露

只是在不断的消耗能量

应该计入水力损失

而叶轮后盖板与泵体之间的后腔室

同样道理

会泄露出去

形成流量的损失

这部分泄漏的流量就是容积损失

对混流式水轮机来说

从上冠腔和下环腔泄漏出去的

流体都没有将能量传递给转轮

而是直接泄漏了

这两部分泄漏的流量就是容积损失

而对于泵与风机来说

前腔室的流体在转轮

内部不断循环损失能量

后腔室的流体从转轮

获得能量后流到外部

自然也就损失了

很明显

泄漏量的大小与作用在间隙两端的

压力差及间隙的大小

形状有关

对于通风机来说

由于它的压差较小

所以密封形式比较简单

会在转轮和壳体之间

保留一个很小的间隙

如果间隙是轴向方向

那么它采用的是套口式密封

径向方向则采用的是对口式密封

其中对口式密封所泄漏的

流量是沿与主流垂直的方向

进入转轮会干扰主流

而且这个位置正好是容易

发生流动分离的地方

因此应避免使用对口式密封

对于水头或扬程很高

但是流量较小的机组

容积损失在总损失中

会占很大的比例

因此为了提高机组效率

会采用更复杂一点的密封结构

比如在离心泵中会采用a结构的密封

减小泄漏流量对主流的干扰

B和C结构的密封在环形间隙里增加了若干小室

加大了密封的阻力

减少了泄漏

这两种密封的结构并不十分复杂

因此获得了广泛的应用

D和E是单齿和双齿结构密封

泄漏量最小 但过于复杂

这里还要提一点的是

密封结构的轴承效应和流体的压力脉动

可能会引起转子的自激或受迫振动

对于D和E形的密封

当间隙很小时稳定性较差

因此在压力特别高的情况

不能为了减小泄漏量

过分追求复杂的密封结构与极小的间隙

如果记泄漏量是ΔQ

那么对于泵与风机

实际流入转轮的理论流量

Qth等于进口流量Q+ΔQ

容积效率ηv等于Q/Qth

等于1-ΔQ/Qth

对于水轮机来说

实际流入转轮的理论流量Qth等于Q-ΔQ

容积效率ηv等于Qth/Q

等于1-ΔQ/Q

水轮机和泵的容积效率

计算公式也是倒数关系

下面来分析机械摩擦引起的能量损失

机械损失可以分为轴系

轴承等部位摩擦所引起的损失

以及流体介质与转轮外表

面及壳体摩擦引起的损失

也称为圆盘损失

圆盘损失也是流体介质

从旋转部件靠摩擦获得的能量

但不是通过绕流叶片而获得

与转轮内部流动状况无关

因此圆盘损失不是流体

介质流动引起的水力损失

摩擦损失与转速的n次方有关

往往要通过试验实测来确定这个n是多少

不同原因引起的摩擦

损失的n大小还不一样

如果机械损失功率为ΔP

那么泵与风机中

实际传递给叶轮的功率

Pth等于轴功率P-ΔP

等于ρgQthHth

机械效率ηm等于Pth/P等于1-ΔP/P

对于水轮机实际流入转轮的

功率Pth=ρgQthHth

传递给发电机的轴功率P等于Pth-ΔP

它的机械效率ηm等于P/Pth

也即1-ΔP/Pth

这样

水轮机和泵的机械摩擦效率计算公式也是倒数关系

借助这张能量平衡图再来理解一下

机组的能量传递过程

先来看泵与风机的情况

输入功率即从电机或原动机

传递到轴上的功率为P

克服轴承与填料密封等等引起的

摩擦损失ΔPm和圆盘损失ΔPr后

直接传递给叶片的功率为

叶片的功率全部传递给了水流

因此Pth等于ρgQthHth 水流从叶轮获得能量为Hth

克服吸入口

叶轮和压水室等流道部件

内部的流动损失ΔH后

水流实际获得的

能量H就等于Hth-ΔH

又由于存在后腔室泄漏

引起的容积损失ΔQ

排出泵或风机的实际流量Q等于Qth-ΔQ

这样

最后排出流体的输出功率为Pf=ρgQH

机组的效率就等于

输出功率Pf/输入功率P

我们把水力效率

容积效率和机械效率的定义代入进来

最后可以得到泵与风机的

效率等于水力效率

容积效率和机械效率的乘积

再来分析水轮机的能量传递过程

对水轮机来说

流体输入的功率为机组蜗壳入口的

流体功率Pf=ρgQH

除去上冠腔和下环腔泄漏的流量ΔQ

实际进入转轮发电的

理论流量Qth就等于Q-ΔQ

水流进入水轮机流道后要克服蜗壳

导叶 转轮和尾水管等流道部件内部的水力损失

这样单位重量液体传递给

叶片的能量为理论水头Hth等于H-ΔH

这样转轮实际从水流中

获得的功率Pth等于ρgQthHth

转轮获得的能量克服机械摩擦损失

和圆盘摩擦损失ΔPm+ΔPr后

传递到水轮机轴端

这个水轮机轴端输出功率

及水轮机的输出功率P

等于

同样 也可以推导出水轮机的效率

等于其水力效率 容积效率和机械效率的乘积

我们已经详细分析了流体机械内

存在的三类损失以及对应的

效率计算公式

通过推导

发现对于流体机械而言

其水轮机或泵与风机的总效率都等于水力效率

容积效率和机械效率三者的乘积

这些计算公式整理后如表所示

给出了泵与风机以及水轮机的水力效率

容积效率和机械效率计算公式

水头或扬程

流量和功率之间的关系

这里 强调一下

特别要注意分析理解原动机和工作机的能量传递过程

及理论流量理论水头或

理论扬程和理论功率与实际流量

水头或扬程和功率之间的区别