第一章：葉片式流體機械概述

§1-1葉片式流體機械的工作過程

葉片式流體機械中的能量轉換，是在帶有葉片的轉子及連續繞流葉片的流體

介質之間進行的。葉片與介質間的作用力是慣性力。該力作用在轉動的葉片上，

因而產生了功（正或負視力矩和葉輪運動方向而定）。

一、葉片式流體機械的組成元件

吸入部分（直錐形，環形，半螺旋形）

1.引流部分

蝸殼（導水機構）

葉輪

2.做功部分（轉子）轉輪

渦輪

蝸殼（導流器，導葉）

3.出流部分

尾水管

以風扇或泵為例說明特點

特點：①具有一個帶有葉片的轉子

②工作時介質充葉片連續繞流

③介質作用于葉片的力是慣性力

④部分流體機械有一個靜止的葉柵。

以軸流式流體機械為例說明工作過程

在上述例子中，轉子葉片在自由空間轉動，經過葉輪的介質，由于葉片力矩的作

用，而有一個圓周方向的速度分量。依動量矩定理流出葉輪的液體有一個圓周方

向的分速度，在葉輪后，由于該分速度引起附加的能量損失，為了消除這個損失

故在葉輪后增加一個靜止的導葉（葉柵）用來消除介質的圓周分速度。這種流體

就有一個靜止的葉柵，簡稱導葉。我們主要研究的也是這種機械。

在軸流式原動機中（T）,介質沿軸線方向先進入導葉，導葉的作用是使得介

質速度的大小及方向發生了變化，切一部分壓力能轉換為圓周方向速度所對應的

動能.然后介質進入轉輪，由干轉輪葉片的作用，使介質的速度方向又變為軸線

方向。與速度的方向發生改變時由于慣性作用引起作用于葉片的力矩使轉輪旋

轉。轉輪帶動軸旋轉，軸帶動發電機或其他機械旋轉，從而使流體的能量轉換為

電能或機械能。為了最大限度利用流體的能量，理論上從轉輪流出的介質不再有

圓周方向的運動。（壓力為最小，此壓力是多少？）

相反，作為工作機（P）,介質及葉片轉動的方向和原動機剛好相反，介質從

軸向進入葉輪，從葉輪中流出的介質具有圓周方向的速度分量，然后在導葉作用

下消除圓周運動又回到軸向。

從上面的討論還可以得出：①葉片式流體機械介質速度圓周分量的變化即葉

輪前后介質動量矩的變化與能量轉換過程rr緊密的關系。②介質在進入或流出流

體機械前后都沒有圓周方向的分量（即介質對轉輪軸線的動量矩為零），也就是

說介質動量矩的變化是在轉輪內產生的。而研究流體機械就是設法使能量轉換的

效率在轉輪內盡可能的高（在滿足工作的前提下）。

在軸流式流體機械中，軸面上（以后解釋），介質的流動方向（m-x）是和軸

線平行的，故叫軸流式u

若在軸面上，流體流動方向（m-x）以徑向為主，叫徑流式。如圖（1-2）在

外徑處為徑向，在葉片內徑處轉為軸向，但葉片基本上是徑向，就叫徑流式。

若在軸面上，流體流動方向，既不是徑向，也不是軸向，叫混流式，見圖（1-3）

注意：在軸流式流體機械中，動量矩的變化僅體現在流體質點圓周速度的變化上。

而在徑流或混流式流體機械中，動量矩的變化不僅體現在流體質點圓周速

度的變化上，而且體現在流體質點距軸線距離的變化上。

另外，對于原動機T,流體介質經過導葉后，速度增加而壓力降低，一部

分壓力能轉換成速度能。在轉輪中，介質的壓力能和速度能都有一部分轉換成機

械能。若介質流出轉輪后，速度、壓力進一步降低，這種葉輪機械叫反擊式或反

動式。對于工作機則相反。另外，對于原動機如果導葉出口處壓力已降為零，則

介質在動葉中將只有速度變化而無壓力變化，此種葉輪機械叫沖擊式或沖動式。

在沖擊式葉輪機械中，工作介質一般只從葉輪整個圓周的一部分進入葉輪。即在

葉輪旋轉一周過程中，工作介質通常只從葉輪整個圓周的一部分進入葉輪，也就

是說，在葉輪葉片旋轉一周的過程中，只有一部分時間予于能量的交換，一部分

時間不參與。如沖擊式水輪機，靜葉是一個噴嘴；圖1-4的汽輪機，噴嘴仍然為

葉柵形狀，蒸汽仍然是從部分圓周進入動葉片。

§14葉片式流體機械的主要性能參數

表征流體機械性能的參數叫性能參數

一、流量q

單位時間內通過機器的介質的量（體積或質量）稱為流量。

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體積流量qvm/sL/sm/n

質量流量qmkg/skg/minkg/h

特點：依質量守恒定律，流體機械在穩定條件下工作時，如果忽略機器內部

的泄露，通過流體機械各斷面的質量流量是相同的。對不可壓縮介質，qv

也將保持不變。友于可壓縮介質，體積隨壓力和溫度的變化而變化，/以，

各斷面的體積流量也將是不同的（在質量流量qm保持不變）。在通風機中，

將體積流量也稱為風量。

二、水頭，揚程，壓力，能量頭，壓縮比

是單位質量（體積）的介質與葉輪所交換的能量，是衡量葉輪做功能力的

參數。此參數可用機械進入出口斷面單位質量（或體積）介質所具有的能量

的差值來衡量。不同的流體機械叫的名字不同。

〈一〉不可壓介質

a）液體介質：泵、水輪機以液體為工作介質，以液柱高表示單位重力的

液體具有的能量方便直觀。在水輪機中迸出口能量的差值叫水頭，在葉

片泵中叫揚程。單位為m（Nm/N=m）。

對于不可壓介質，不需要考慮內能的變化，所以能量差值只有壓力能、

位置能、及速度能。

則：對不可壓介質有：

H=±1----------+------------+（Z-Z,）J

pg2g2

土分別用于泵（介質吸收能量），水輪機（介質放出能量）

（i）對于水輪機

定義：Hst電站靜水頭，是上下游水位差

由于上下游水面一般均為大氣壓Ps=Pp=1atm

上下游水庫河道流速一般很小，故電站水頭

Pg2g

考慮引水管路損失A77,故水輪機水頭和水電站水頭關系為：H=Hst-AH

（ii）泵

a）裝置揚程HG：表示泵將單位重力液體介質從下游容器抽到下游容器所需要

做的功

依定義：，，=△」+三_￡

+z-zv+AH為管路損失

Pg2gr?

一般容器的流速很小，故又可定義裝置靜揚程為:

口=-P-p-_--Ps+Zd—z,

Pg

一般泵穩定工作時，HG=H,故有H=HG=HSI+AH

泵的揚程是單位重量的液體泵進口能量的增量（H）。

揚程：指泵本身具有特性的參數，和抽送液體種類無關。但和泵所處地方的位

置有關，即和重力加速度有關，在不同的重力條件下，H值不同，在失重條件

下，H無意義，但一股泵用在地球上，g相差不大，故可以。

能量頭：如果用質量咋為液體量的度量，得到一個與重力無關的能量指標，稱

為能量頭（或叫比能，比功）它是單位質量液體在流體機械進出口液體具有的

能量的差值,h

222

h=gH=P'I+&-+/＞（z2-z/）］單位：N-m/kg=mIs

P2

（iii）風機：

工作介質是氣體，但由于進出口壓力變化很小，工程上仍可以將其流動的內介

質視為不可壓縮流體。對于風機進口出口，能量差如何表示？一般用壓升來表

示風機進出口斷面上單位體積（1m3）氣體能量差值，記為RF,單位Pa（N/m?）

能量差值包括壓力差值、動能差值，故全壓又叫風壓。

PtF=Pl-Px+P---

靜壓P$F,通風機的靜壓指全壓與出口動能之差c

C：c~

PSF=PtF-=Pl-P\+

風機一般不用液柱高表示

（二）可壓縮介質

當介質可壓縮時，介質的能量變化包括宏觀的動能及介質的內能。而內能的大

小與介質的焰值有關，介質流過機械后培值的變化量，不僅和葉輪所作的功大

小有關，而且與機器內部的熱力學過程及熱量傳遞有關。故在透平壓縮機中，

用能量頭表示單位質量（1kg）氣體的能量變化量，故

〃=〃2-九+/^=。〃（72-彳）+用工（式中忽略了重力作的功）

當不考慮損失時，上式還可寫為（h=u+pv）

上式說明，葉輪對氣體作的功，一部分使氣體壓力升高，另一部分使速度增加,

而壓力的升高，體現為焰值的增加.

對于壓縮機，用能量的變化量并不能完全的反映葉輪做功能力，因為，對于可

壓介質，機器的工作狀況不僅和進出口壓力變化量有關，還和進口壓力絕對值

及熱力學過程有關，（從以〃可知）不同壓力下，即不同，這是因為不同

壓力下體積不同，故在壓縮機中用壓縮比￡表示能量提高的程度。

三、轉速n(rpm)

四、功率P及效率〃

功率P對工作機是機器輸入功率kw

功率P對原動機是機器輸出功率

i)介質不可壓

機器功率pf=pgq、H=hqm=qvplF

機器都有損失存在，故機器功率和流體功率有差值，故用〃來衡量損失大小

故%對于原