过程流体机械第二版思考题复习资料 完整版Word格式.docx
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阻塞和节流作用,密封面为活塞环外环面和侧端面(内环面受压预紧);
关键技术:
材料(耐磨、强度)、环数量(密封要求)、形状(尺寸、切口)、加工质量等。
☆思考题2.6动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法,以两级压缩机为例,分析一级切断进气,对机器排气温度,压力比等的影响。
两级压缩机分析:
1级切断进气→节流(实际ε1↑)→停止进气排气→2级节流(实际ε2↑)→(短暂)排气温度T2↑→(逐渐)停止进气排气(级间存气);
活塞力↑(ε↑),阻力矩变化。
☆思考题2.7分析压缩机在高海拔地区运行气量的变化规律并解释其原因。
高海拔地区当地大气压力即吸气压力ps↓,若排气压力pd不变,则名义压力比ε↑,根据(2-12)式和(2-11)式,容积系数λV↓,实际吸气量Vs0↓,容积流量qV↓。
☆思考题2.8一台压缩机的设计转速为200r/min,如果将转速提高到400r/min,试分析气阀工作情况。
定性分析,定量分析难。
如压缩机结构参数(行程s、缸径D1、阀片尺寸等)不变,则容积流量qV↑↑(理论增加一倍),使气阀流速和阻力损失↑↑(激增),进排气频率↑,阀片启闭速度↑,阀片撞击阀座程度↑(加剧),阀片寿命↓(缩短),故障概率↑(增加)。
解决问题需改变结构(缩短行程、减小缸径,增加气阀通道面积等)。
☆思考题2.9画出螺杆压缩机过压缩和压缩不足的指示图,并分析其对压缩机性能的影响。
压力比:
内压力比(工作腔压缩终压/进气压力)、外压力比(排气管压/进气压力);
(图2-42)内外压力比不相等时指示图。
过压缩:
内压力比>外压力比;
欠压缩(压缩不足):
内压力比<外压力比;
过压缩和欠压缩均增加功耗,等压力比减少功耗。
3离心压缩机
☆思考题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?
级典型结构(图3-2):
叶轮、扩压器、弯道、回流器,首级(增加吸气管)、中间级、末级(无弯道、回流器,增加蜗壳);
叶轮:
唯一做功元件。
闭式、半开式、双吸式(双面进气);
后弯(后向)型、径向型、前弯(前向)型;
扩压器:
能量转换元件(动能→压能,气流减速增压),无叶(片)型、叶片(有叶)型。
☆思考题3.2离心压缩机与活塞压缩机相比,它有何特点?
离心压缩机特点(与往复式压缩机对比)
压缩机
流
量
输出
压力
转
速
结
构
体积
重量
易损
件
运
单级
压比
级
数
热
效率
价
格
制造
要求
适用
主要
问题
离心式
大
稳定
高
紧
凑
较小
少
可
靠
低
多
较
大流量
中低压
不适用
小流量
往复式
中小
脉动
复
杂
故障
较低
中高压
中小流量
故障维修
压力脉动
优缺点
离心式优、往复式差
离心式差、往复式优
选用条件
☆思考题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φ2r的数值应在何范围之内?
连续方程:
质量守恒(流经任意截面流量)
qm=ρiqVi=ρinqVin=ρ2qV2=ρ2c2rf2=const(3-1)
qm为质量流量,kg/s;
qV为容积流量,m3/s;
ρ为气流密度;
f为截面面积;
c为法向流速;
qm=ρ2qV2=ρ2
τ2φ2ru2=ρ2
φ2r
(3-2)
D2为叶轮外径;
b2为叶轮出口轴向宽度;
b2/D2为叶轮出口相对宽度(0.025~0.065);
φ2r为流量系数(径向叶轮0.24~0.40,后弯叶轮0.18~0.32,β2A≤30º
强后弯叶轮0.10~0.20);
τ2为叶轮出口通流系数。
☆思考题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。
欧拉方程:
(叶轮机械基本方程)理论和实用表达式
Lth=Hth=c2uu2-c1uu1=
+
(3-4、5)
Lth为叶轮输出欧拉功;
Hth为理论能量头(接受能量/单位重流体),kJ/kg;
物理意义:
3部分能量,(离心力做功转静压能)+(动能增量)+(w减速转静压能)。
☆思考题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。
能量方程:
(热焓方程)Hth=
cp(T2―T1)+
=h2―h1+
=
(T2―T1)+
(3-12)
cp为定压比热,h为焓值,k为绝热指数,R为气体常数;
焓值+(动能增量)。
☆思考题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。
伯努利方程:
(压能损失方程)
叶轮功(叶片功)(含流动损失)Hth=
+Hhyd0-0′(3-14)
总功(全部损失)
Htot=
+Hloss0-0′=
+Hhyd+Hl+Hdf
(3-15)
(三部分)压能、动能、损失,忽略热交换和位能。
☆思考题3.7试说明级内有哪些流动损失?
流量大于或小于设计流量时冲角有何变化?
由此会产生什么损失?
若冲角的绝对值相等,谁的损失更大?
为什么?
级内流动损失
(1)摩阻损失Hf∝
(
平均气速);
(2)分离损失:
边界层(c→0)分离(回流),控制通道扩张角(锥度、扩压度,图3-8);
(3)冲击损失(叶轮、扩压器):
(叶轮为例,扩压器类似分析);
叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A,冲击分离损失(相当于扩张角↑);
流量/设计流量
(进气冲角)
i=β1A-β1
冲击面
分离区(漩涡区)
损失
(相同冲角)
原因
<(小qV)
正冲角i>0
工作面
(前面)
非工作面
(背面)
较大
分离区
易扩散
=(设计qV)
零冲角i=0
无
损失↓
>(大qV)
负冲角i<0
较稳定
(4)二次流损失:
垂直环流;
(5)尾迹损失:
叶尖绕流;
☆思考题3.8多级压缩机为何要采用分段与中间冷却?
分段与中间冷却:
分段(冷却、抽气)、中间冷却(耗功↓→等温过程)、工艺(排温,防腐蚀、分解、化合)。
☆思考题3.9试分析说明级数与圆周速度和气体分子量的关系。
级数与叶轮圆周速度u2和气体分子量μ的关系
u2↑,单级Lth↑→级数↓,但叶轮材料强度、气流马赫数Mw1和Mc2、叶轮相对宽度b2/D2(范围0.025~0.065)限制u2(<320~300m/s)。
表3-1
介质
气体分子量
μ[J/(kg•K)]
气体
常数
R
(同压比下所需)
多变压缩功
Hpol[kJ/kg]
级数
圆周
速度
u2[m/s]
机器(特征)Mμ2
材料
强度
重F-11
136.3↑
↓
16.97↓
1↓
186
限制u2
影响小
轻H2
2↓
↑
1319.45↑
32↑
280
☆思考题3.10示意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。
(图3-14)Htot=Hth+Hl+Hdf=Hpol+(
)/2+Hhyd+Hl+Hdf
说明:
Htot>Hth>Hpol>Hhyd>Hdf>Hl>(
)/2
☆思考题3.11何谓级的多变效率?
比较效率的高低应注意哪几点?
比较效率注意:
①.(教材)通流进出口(单级0-0′、整机多级in-out);
②.(教材)热力过程(多变、等熵、绝热);
③.(教材)设计工况点(最佳效率);
④.常用(多变效率)ηpol;
⑤.(多级)整机效率η(各级平均内效率),含分段中间冷却等作用;
⑥.判别:
同效率η对比(η↑优),知某η算总功Htot或Ni对比(Htot↓或Ni↓优)。
☆思考题3.12若已知级的多变压缩功和总耗功,尚须具备什么条件可求出级的能量损失和级内的流动损失?
由(3-32)(3-15)式(级能量损失)Hhyd+Hl+Hdf=Htot-(
)/2-Hpol≈(1-Hpol/Htot)Htot=(1-ηpol)Htot
由(3-14)式(级内流动损失)Hhyd=Hth-(
)/2-Hpol≈(1-Hpol/Hth)Hth=(1-ηhyd)Hth=[1-(1+βl+βdf)ηpol][Htot/(1+βl+βdf)]
流动效率ηhyd=Hpol/Hth=(1+βl+βdf)ηpol,c0′≈c0、Hl为漏气耗功、Hdf为轮阻耗功。
另有:
多变能头系数ψpol=ηhydφ2u=(1+βl+βdf)φ2uηpol(3-36)
求级能量损失和级内流动损失须知ηpol、(βl+βdf)、以与(准确)(
)/2;
多变效率ηpol反映级能量损失大小,流动效率ηhyd反映级内流动损失大小。
☆思考题3.13何谓离心压缩机的内功率、轴功率?
试写出其表达式,如何据此选取原动机的输出功率?
多级功率
(3-37式)总内功率Ni→+机械损失Nm→机械效率ηm(96%~98%)→(3-39式)轴功率Nz→+功率增量30%→(3-40式)原动机功率Ne。
☆思考题3.14如何计算确定实际气体的压缩性系数Z?
实际气体压缩性系数Z
计算:
范德瓦尔对比态方程(对应态原理),(3-41)式,压缩性系数Z=f(对比参数pc、Tc)。
☆思考题3.15简述混合气体的几种混合法则与其作用。
实际混合气体
法则:
凯法则(局限性)、徐忠法则(精确度)、极性物质混合法则。
☆思考题3.16示意画出离心压缩机的性能曲线,并标注出最佳工况点和稳定工况范围。
性能曲线
性能参数关系,列表、曲线和方程3种表示方法,有级(机)性能曲线,图3-15、图3-16。
特点:
①.曲线(主要3条):
压比ε-qVin流量或压力Δp-qVin、多变效率ηpol-qVin、功率N-qVin;
②.形状:
ε-qVin为↘形、ηpol-qVin为↗形、N-qVin为↗↘形(有ηmax点);
③.最佳工况点:
ηmax设计工况;
④.极限(危险)工况:
最小qVin(喘振)←→最大qVin(堵塞);
⑤.稳定工作范围:
极限工况之间;
⑥.来源:
试验测试;
⑦.要求:
ηmax↑,稳定工作范围↑(宽);
⑧.多级(机)特性:
(与单级对比)(qVin)max↓、(qVin)min↑,稳定工作范围↓(窄),曲线斜度↑(更陡峭)。
☆思考题3.17简述旋转脱离与喘振现象,说明两者之间有什么关系?
说明喘振的危害,为防喘振可采取哪些措施?
喘振工况
现象:
流量↓→个别叶道产生漩涡(边界层分离)→“旋转脱离”(叶道漩涡区逆向转动)→流量↓↓→大部叶道堵塞(旋转脱离漩涡团)→出口压力p↓→管网气流倒流→出口压力p↑→管网正流供气→流量↓反复倒流正流→喘振工况;
危害:
强烈振动、噪声、性能(p、η)下降、轴承和密封损坏、转子定子碰撞→机器严重破坏;
旋转脱离频率↑、振幅↓、影响叶片,管网影响较小;
喘振频率↓、振幅↑、机组管网影响极大;
防喘振措施:
出口降压(放空、旁路回流),调节(变速、预旋(导叶)、气量↑、停机),监测(qVin、p);
☆思考题3.18试简要比较各种调节方法的优缺点。
调节方法
原理
变特性
措施
优点
经济性
应用
出口节流
调节
节流
管特性斜率
管
阀门
简单方便
流动损失
差
常备
不常用
进口节流
机
简便省功
qVmin↓
节流损失
好
常用
可调
进口导叶
进气预旋
c1u(Hth)
导叶
经济性好
机构复杂
很好
轴流机
可调扩压
器叶片
调进口角
α3A
改善喘振
机构太复杂
较好
变速调节
平移机特性
变速
驱动
连续调节
经济性最好
需
变速驱动机
最佳
☆思考题3.19离心压缩机的流动相似应具备哪些条件?
相似理论有何用处?
相似条件:
几何(尺寸)相似、运动(进口速度△)相似、动力相似(重力、粘滞力、压力、弹性力、惯性力等相似、准数Re、Eu、M相等)、热力相似(热力过程相似,k、m、ηpol相等);
离心压缩机流动相似条件:
几何相似、叶轮进口速度△相似、特征马赫数M'
2u=M2u、等熵指数k′=k;
应用:
新型设计、模化试验(同机性能换算)、相似换算(不同机性能换算)、产品系列化(通用标准化);
性能换算:
完全相似换算(比例参数转速n、流量qV、功率N和相等参数压比ε、效率η、系数ψ,3-54~59式);
近似相似换算(特征M′≠M,或k′≠k)。
☆思考题3.20离心压缩机有哪些附属系统?
它们分别起什么作用?
它们由哪些部分组成?
管网系统:
输送,含管道、阀门、过滤器、消声器等;
增(减)速设备:
传动,齿轮变速箱;
油路系统:
润滑,管道和油站(油泵、油箱、过滤、冷却、仪表等);
水路系统:
冷却,含冷却器、管道、阀门、水箱等;
检测系统:
调节控制,信号检测(传感器、仪表)、传输(电缆)、处理(计算机)、记录(显示)等。
☆思考题3.21何谓转子的临界转速?
采用什么方法汁算它?
工作转速如何校核?
临界转速:
(转子弯曲振动)固有频率转速,1阶nc1、2阶nc2、…、n阶ncn等,主要考虑前3阶;
计算方法:
传递矩阵法(初参数法,精确解)、能量(瑞利)法(近似计算)、特征值法(求固频)、影响系数法(求强迫振幅);
校核条件:
(3-60)刚性转子n≤0.75nc1;
(3-61)柔性转子1.3nc1≤n≤0.7nc2。
☆思考题3.22转子的轴向推力是如何产生的?
采用什么措施平衡轴向推力?
为防止转子轴向窜动,对轴向推力与轴承有什么要求?
轴向力:
叶轮两侧压差、流体轴向动量差,方向指向叶轮入口;
轴向力平衡措施:
叶轮对排(对称平衡)、双吸(双面进气)叶轮、叶轮背叶片(背压↓)、平衡盘(末级叶轮后,盘前高压,盘后引入口低压,反向平衡力);
防轴向串动要求:
止推轴承、保留(3000~8000N)轴向力、(设置轴向)位移限制器、监测(轴向)位移。
☆思考题3.23何谓滑动轴承的动态特性?
何谓油膜振荡?
哪几种滑动轴承具有抑振特性?
滑动轴承特性:
静态特性,轴颈中心稳定(偏心距e和偏位角θ不变),(油压、油量、承载、阻力、温升);
动态特性,轴颈中心涡动(e和θ变化,径向速度
和涡动角速度
);
半速涡动:
涡动角速度ω涡<≈1/2ω(转子角速度),同方向持续,振幅较小;
①.收敛(阻尼力>推动力);
②.稳定(等功,轴心椭圆轨迹);
③.发散(阻尼力<推动力);
油膜振荡:
(涡动角速度)ω涡=nc1(1阶临界转速),频率保持,振幅极大;
(油膜振荡)防止方法:
转子(转子刚度↑、nc1↑、n工作↓,n工作<2nc1),轴承(抑振轴承);
抑振轴承:
原理(双多油楔、自调整、动压收敛)(图3-41)椭圆轴承、多油叶(不对称三油叶ThreeLobe)轴承、多油楔(四油楔)轴承、可倾瓦TiltingPad(活支五瓦块)轴承、垫块式止推轴承等。
☆思考题3.24有哪几种轴端密封?
试简述它们的密封原理和特点。
机械密封:
动静环,径向间隙(轴面)密封→轴向间隙(端面)密封,效果、寿命好,成本高,替代填料;
液膜(浮环)密封:
浮动径向间隙密封(液体润滑)+双端面密封,封液(>气压)强制向内外输送(回收);
干气(气膜)密封:
动静环→动环开槽→(旋转)气体动压→端面间隙→气封(润滑),启动、装配、振动问题;
离心压缩机:
状态监测+干气密封→工业实用保证(解决重大技术问题)。
☆思考题3.25试简述选型的基本原则,为何要确定经常运行的工况点?
技术指标:
参数qV、ε、η、N,工作点(余量)、变工况(调节)、安全(振动、装配);
经济指标:
价格、生产(周期)、寿命、备件、维护(技术)等;
其他:
管网(系统)、原动机、仪表(监测)、控制(调节)、安装、场地等。
确定经常运行工况点:
节能(高效点)、安全(防喘振、堵塞)、变工况(余量qV1~5%、Δp2~6%,性能换算)。
qVin计算=(1.01~1.05)qVin(3-72)
ε计算=[pin+(1.02~1.06)Δp]/pin(3-74)
☆思考题3.26有哪几种选型分类?
为何按流量选型?
为何按结构分类?
选型分类:
流量、压力、介质特点、结构型式;
流量选型原因:
不同流量→要求不同结构形式(回转、活塞、离心、轴流)、叶轮型式(普通、三元);
结构分类原因:
不同结构型式(级、气缸、叶轮)→适应不同流量、压力、性能要求;
☆思考题3.27试简要分析比较轴流式与离心式压缩机的性能特点?
轴流式与离心式压缩机性能比较:
结构
性能
轴流式
轴流叶轮、
扭曲叶片
(关键部件)
级间导流器
(机进口导流器
出口扩压器)
级c↑,
ε↓,
η↑
大流量、
低压
多级
串联
离心叶轮、
柱面叶片
扩压器、
弯道、
回流器
级c↓,
ε↑,
η↓
大中
流量
(变工
况差)
☆思考题3.28试简述三种选型的方法。
①.产品选型:
商品机型。
由已知条件要求直接查找产品目录选型,简单(单级)选型;
②.厂商选型:
设计机型(技术装备储备)。
由已知条件要求,方案计算、初选型式,与制造厂商议选型(大企业常用);
③.软件选型:
优化机型。
由已知条件要求,软件优化选型与性能预测,委托厂商设计制造;
选型软件(美国、中科院、西交大)。
价格、成本、厂商协作等问题。
4泵
☆思考题4.1离心泵有哪些性能参数?
其中扬程是如何定义的?
它的单位是什么?
性能参数
体积流量
(m3/s,m3/h)
质量流量
(kg/s,kg/h)
能量(压力)
(m,J/kg)
功率
(kW)
(%)
转速
(r/min)
汽蚀余量
(m)
qV
qm
扬程H
m=N·
m/N
有效Ne
轴N
η,ηV,
ηhyd,ηm
n
NPSHr
扬程HH=
+(Zout-Zin)m(4-4)
压能+动能+位能,泵内主要压能(动能和位能→0),单位N•m/N=m(单位重量液体能量增值)。
☆思考题4.2试写出表达离心泵理论扬程的欧拉方程式和实际应用的半经验公式。
基本方程
离心泵
欧拉方程
Ht=(u2c2u-u1c1u)/g=
m(4-11、12)
实用半经验
Stodola公式
(有限叶片影响)
(μ滑移系数)
Ht=μHt∞=(1―
ctgβ2A―
sinβ2A)
m(4-13、14)
☆思考题4.3简述汽蚀现象,并说明汽蚀的危害。
汽蚀Cavitation:
空化、空蚀,(来源)空洞、空泡、气泡;
水力机械特有的,在一定条件下因流体与气体相互转化引起的破坏现象。
汽蚀发生机理:
pK↓→局部pK<pV→液体汽化→气泡逸出体积↑→叶轮做功p↑→气泡凝结溃灭体积↓↓→空穴形成,液体合围→撞击、冲击流道(高压数百at、高温300℃、高频3000Hz)→剥蚀表面、扩展裂纹、电化学腐蚀;
(液体汽化、凝结、冲击、破坏)。
严重后果:
部件损坏(过流表面剥蚀、麻点、蜂窝、裂纹、穿孔);
性能下降(流量qV扬程H效率η↓);
噪声振动(气泡溃灭、液体撞击);
机器失效(抽空断流,气泡堵塞流道);
机器破坏(叶轮损坏、共振破坏)。
易汽蚀泵:
高温泵(锅炉给水泵)、轻油泵(夏季高温储运鹤管),pV↑。
☆思考题4.4何谓有效汽蚀余量?
何谓泵必需的汽蚀余量?
并写出它们的表达式。
有效汽蚀余量NPSHa(泵装置):
液流自吸液罐(池)经吸入管路到泵入口,高出汽化压力pV所富余的能量头(4-15、4-17式等);
NPSHa=
―
―HS=
―ΔHA-S―Hgm
泵必需汽蚀余量NPSHr(泵本身):
液流自泵入口到泵叶轮内压力最低pK处所消耗的能量头(静压能量头降低值);
NPSHr=λ1
+λ2
m(4-18)
λ1=1.05~1.3(流速与流动损失),λ2=0.2~0.4(流体绕流叶片压降)。
☆思考题4.5试写出泵汽蚀基本方程式。
如何根据该方程式判断泵是否发生汽蚀与严重汽蚀?
汽蚀基本方程式(发生汽蚀判别式)NPSHa=NPSHr,即
=λ1
(4-19)
汽蚀条件:
=泵开始发生,<严重汽蚀。
☆思考题4.6提高离心泵抗汽蚀性能应采取哪些措施?
试举例说明之。
根据汽蚀安全条件(4-17)、(4-18)式
―ΔHA-S―Hg>λ1
=NPSHr
抗汽蚀措施:
①.三方面措施:
NPSHa↑、NPSHr↓、改进叶轮材料;
②.pA↑:
吸液罐增压↑、叶轮入口诱导轮(叶轮前增压);
③.pV↓:
降温