《流体机械原理》思考题.docx

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《流体机械原理》思考题

《流体机械原理》思考题

1.绘制水轮机的分类图表

2.绘制水泵的分类图表

3.水轮机的主要过流部件有哪些？

各部分的主要作用是什么？

作用原理是什么？

有哪些主要的形式？

P30P57（原理）（与ppt对照看）

答：

水轮机的主要过流部件有：

引水室，导水机构，转轮，尾水管。

1引水室的作用是将水流按所需要的速度（大小和方向）引入转轮。

其原理是引水室内速度矩保持不变。

主要形式：

开式引水室，闭式引水室。

2导水机构作用是控制和调节水轮机的流量，以改变水轮机的功率，适应负荷的变化；在非蜗壳式引水室中，导水机构还用来改变水流方向，以适应转轮需要。

其原理是导叶转动，改变了水流的方向及过水断面的大小，从而改变流量大小。

主要形式：

径向导水机构（圆柱式），斜向或圆锥式导水机构，轴向或圆盘式导水机构。

3转轮作用是改变水流方向并产生能量。

其原理是水流对转轮叶片做功，使水的动能和压力能转换为转轮机械能。

主要形式：

混流式，斜流式，轴流式（定桨式和转桨式）。

4尾水管作用是将离开转轮的水引导至下游并利用转轮出口水流的部分能量。

原理是能量守恒（伯努利方程）原理。

主要形式：

直锥式，弯管，肘形。

4.水泵的主要过流部件有哪些？

各部分的主要作用是什么？

作用原理是什么？

有哪些主要的形式？

P32P62（原理）（与ppt对照看）

答：

水泵的主要过流部件有：

吸水室，叶轮，压水室（扩压元件）。

1吸水室作用是按要求的速度和方向将流体引入叶轮。

其原理是吸水室中速度矩不变和连续性原理。

主要形式：

直锥管形（包括喇叭形），弯管形，半螺旋形，环形。

2叶轮的作用是改变流体流动方向并对流体做功。

其原理是功能转换原理。

主要形式：

离心式，混流式，斜流式，轴流式。

3压水室的作用是将从叶轮流出的流体收集起来并送往下一级或管道中，同时将其部分速度能转换成压力能以进一步提高压力。

原理是连续性定理和动量矩守恒定理。

主要形式：

蜗壳，环形吸出室，叶片式扩压器（径向导叶），无叶扩压器，组合式，空间导叶，轴向导叶。

5.水轮机的轴功率、液流功率，输出功率有何区别？

如何换算？

P86

答：

轴功率为水轮机转轮获得功率：

Pth=ρgQvthHth

液流功率为水轮机的输入功率：

Pf=ρgQvH

输出功率为电动机获得功率：

P=Pth—ΔPm（机械损失）—ΔPr（圆盘损失）

6.水轮机内的主要损失是什么？

各损失与水轮机效率间的关系如何？

P77

答：

水轮机内的主要损失是流动损失（水力损失）。

水力效率ηh：

容积效率为ηv：

机械效率ηm：

7.什么是同步转速？

答：

同步转速是指旋转磁场的转速，用n0表示。

定子绕组的旋转磁场与转子的转

速相同（理想空载，实际运行不可能出现）。

8.水轮机的水头和泵的扬程如何定义？

P22

答：

水轮机进出口断面单位重量流体具有的能量差为水头。

泵进出口断面单位重量流体具有的能量差为杨程。

9.水轮机的几个典型工作水头如何定义？

答：

最大水头：

是允许水轮机运行的最大净水头。

最小水头:

是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。

设计水头：

是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。

加权平均水头：

是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机

水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。

10.水轮机速度三角形的各速度分量间的关系如何分析？

P46

答：

绝对速度（C）=相对速度（W）+牵连速度（U）

绝对速度轴面分量（Cm）=相对速度轴面分量（Wm）

绝对速度圆周分量（Cu）=相对速度圆周分量（Wu）+牵连速度（U）

11.何谓叶片安放角、相对液流角、绝对液流角、冲角？

P46

答：

叶片安放角βb：

在流面上，叶片骨线沿相对流线方向的切线与—U方向夹角。

相对液流角β：

速度三角形中W和—U的夹角。

绝对液流角α：

速度三角形中C和U的夹角。

冲角：

相对液流角与叶片安放角的差角。

P（72）

12.绘制转轮进出口速度三角形时，各速度分量或角度如何计算？

P50

答：

圆周速度U：

由转轮进出口直径和转速直接求出。

轴面速度Cm：

由水轮机转轮流量和与轴面流速相垂直的过水断面面积求出。

绝对速度C：

进口三角形：

转轮进口水流绝对速度方向角α1可近似等于该工

况下导叶出口角α0；出口三角形：

转轮叶片出口水流相对速度

方向角β2与叶片出口角βe2相等。

综上求出速度三角形即可求出所有速度分量与角度。

13.考虑叶片数有限、有进口冲角、有叶片排挤时速度三角形各分量该如何确定？

答：

圆周速度U：

由转轮出口直径和转速直接求出

轴面速度Cm：

由流量和考虑排挤系数（叶片数有限）时过水断面面积求出

（水轮机：

Cm1=Qηq／（πDBK）水泵：

Cm1=QηqK／（πDB））

相对液流角：

由叶片安放角和进口冲角求出

（水轮机：

Δβ1=β1—β1e水泵：

Δβ=β1e—β1）

综上可求出三角形各分量。

14.水力机械基本方程代表了什么物理意义？

P51

答：

（1）水力机械的基本方程（欧拉方程），实质是能量平衡问题。

即在不考虑损

失的情况下，每单位重量的流体从叶片所获得的能量或者传递给叶片的能量。

（2）流体流经叶片，若获得能量（工作机），速度矩增加；若减少能量（原动机），

速度矩减少。

若Hth=0,即外力矩M=0，表明没有叶片作用，此时流体的速度

矩保持常数。

因此基本方程建立了流体能量和运动参数之间的关系。

（3）由基本方程知，动叶片与流体交换的能量，与叶片进出口速度矩的差值及角

速度有关。

所以对于径流或混流式机组，工作机多为离心流动,r2>r1;原动机

多为向心流动，r1>r2。

对于轴流式机组，r1=r2，能量的转换取决于周向

速度的增减。

15.一般认为水轮机和水泵最优工况时进出口液流有何特点？

此时基本方程可写为何种形式？

答：

水轮机（P74）:

最优工况时液流无冲击进口（β1=βb），法向出口（α2=90º）。

基本方程：

g▪Hth=Cu1▪U1

水泵（P72）：

最优工况时叶轮叶片进口无旋，无冲击进口，扩压器叶片进口处无冲击进口。

基本方程：

g▪Hth=Cu2▪U2

16.在偏离最优工况时速度三角形与最优工况时有何区别？

这会对水轮机或水泵的水力性能有何影响？

P72

答：

偏离工况下，机器效率会下降，偏离严重时，还会出现振动，空化等现象，甚

至根本不能运行。

17.滑移产生的原因及其带来的影响是什么？

P92

答：

滑移是由叶片数有限而使叶片导向能力减弱引起的。

轴向旋涡是径流或混流式

叶轮中导致滑移更主要原因。

影响：

①滑移引起的无限叶片数理论扬程的减少与损失不同。

滑移→叶

轮输出（原动机）或输入功率（工作机）减少→叶轮转换能量的

功能下降。

②滑移→流动状态变化→引起附加损失。

（滑移知识点：

定义一：

б=1—ΔCu2／U2定义二：

μ=Hth／Hth∞

对水轮机：

出口实际相对液流角大于安放角，Cu2增加，理论水头减少。

对水泵：

出口实际相对液流角小于安放角，Cu2减少，理论扬程减少 。

）

18.反击度是如何定义的？

它与转轮（叶轮）的形状有何关系？

P96

答：

定义：

叶轮的势水头（势扬程、静压升）与理论水头（理论扬程、理论压升）的比为叶轮的反击度。

反击度与转轮（叶轮）形状关系：

前弯叶片（βp>90º）：

0<Ω<0.5,流道扩散大，损失大，对相同的Hth，转轮D小。

径向叶片（βp=90º）：

Ω=0.5

后弯叶片（βp>90º）：

0.5<Ω<1,流道扩散小，损失相对小；对相同的Hth，转轮D大。

19.通过改变活动导叶参数来调节流量和功率的方式有哪些？

举例说明。

P59

答;

可以通过改变B0，α0，βb2可以调节流量和功率。

例如：

在现代水轮机中，通常采用改变α0的方法，在转桨式水轮机（轴流、斜流）中，则同时改变α0和βb2。

20.设蜗壳内的流动为平面轴对称有势流，蜗壳和座环内的流动有何规律。

P57

答：

蜗壳和座环内流动规律为速度矩为常数，并且径向速度与半径之积为常数。

21.尾水管的回能系数如何计算？

何谓动态真空和静态真空？

P60

答：

动态真空：

转轮出口出2、尾水管出口5两处动能差引起的2处压强P2的减小值。

静态真空：

转轮出口与下游水面的高度差Z引起的2处压强P2的减小值。

22.水力机械的相似判据是什么？

两流动相似的必要和充分条件是什么？

P106

答：

水力机械的相似判据是：

在几何上，长度成比例，角度相等；

物理现象中，标量相似，矢量相似。

两流动相似的必要条件是：

两流动比转速相等。

两流体相似的充分条件是：

在几何相似的条件下，相似准则对应相等。

（斯特劳哈尔数Srp=SrmSr=L／c·t

欧拉数Eup=EumEu=P／ρ·c²

弗劳德数Fr=c²／g·L

雷诺数Re=c·L／ν=ρ·c·L／μ）

23.水轮机的四个相似定律指的是什么？

有何意义？

答：

水轮机第一相似定律（相似水轮机在相似工况下转速换算关系）：

水轮机第二相似定律（相似水轮机在相似工况下流量换算关系）：

水轮机第三相似定律（相似水轮机在相似工况下功率换算关系）：

水轮机第四相似定律（相似水轮机在相似工况下力矩换算关系）：

24.水轮机和水泵的各单位参数如何定义？

单位是什么？

P109

答：

水泵单位参数：

①流量系数：

将Sr的倒数定义为流量系数（Φ=Q／n·D³）

②压力系数：

在欧拉数表达式中，取叶轮直径D为特征长度，取机器全压为特征

压力，取叶轮的圆周速度U2为特征速度，所得表达式即为压力系数

（Ψ=H／（D²·n²））

③功率系数：

流量系数和压力系数的乘积（）

水轮机参数：

①单位转速（r／min）：

将压力系数的平方根的倒数定义为单位转速（）

②单位流量（m³／S）：

流量系数与单位转速的乘积（）

③单位功率（KW）：

将单位流量带入功率表达式中得到（）

25.为什么说“不考虑雷诺数的影响，同一台离心泵在转速变化时相似工况位于一条抛物线上”？

P111

答：

在不考虑雷诺数时，对不同转速a，b两点，根据水泵相似关系换算得：

Qv,a/Qv,b=na/nbHa/hb=na²/nb²由此得：

H=kQ²（系数k在不同工

况时不同），所以，转速变化时相似工况位于一条抛物线上。

26.水力机械比转速如何定义？

与单位参数间有何关系？

P125

答：

定义一：

将单位转速和单位功率表达式中消去直径D所得表达式为比转速

定义二：

比转速是相似流体机械在相似工况下工作时，当水头（杨程）为1m、

功率为1KW时流体机械所具有的转速。

比转速与单位转速和单位功率关系（水轮机）：

（m·KW）

比转速与流量系数和压力系数关系（水泵）：

27.水力机械按比转速从低到高是如何分类的？

水力机械的比转速与水力性能、几何参数间有何关系？

P127

答：

水力机械按比转速从低到高分类（ns↑H↓Q↑）：

水轮机：

切击式，（斜流式，）混流式，轴流式

水泵：

离心泵，混流泵，轴流泵

比转速与水力性能：

低比转速流体机械最优工况点在高水头（扬程或全压），小流量。

高比转速流体机械最优工况点在低水头（扬程或全压），大流量。

比转速与水力损失：

高比转速流体机械流道较短，较小，叶片较平顺，叶片的

水力损失较少，而由于流量较大，对水轮机转轮出口的动能增加，要求尾

水管的回能系数增加。

对泵和风机，叶轮进口速度较高，对吸入室要求较

高。

低比转速水轮机流道较长，较大，叶片较弯，叶片的水力损失较大。

比转速与机械损失：

在同样功率时，高ns机组叶轮直径小→机械损失↓

在同样直径和转速时，机械损失相近，但高ns机组流量大，功率大→相

对机械损失↓。

比转速与容积损失：

高ns机组水头（杨程）低，流量大，间隙两端压差小

→容积损失↓。

比转速与几何参数：

转轮的进出口直径比随比转速的增加而增加。

转轮高压边相对高度（和导叶相对高度）随比转速的增加而增加。

一般低压侧的安放角约为（15º~25º），因此，高比转速水力机械的高压

边安放角较小，叶片较平顺，而低比转速水力机械却相反。

28.水力机械内损失包含几部分？

各部分损失与流量、水头（扬程）、功率间有何关系？

P129*

答：

水力机械损失包含：

流动损失（摩擦损失和冲击损失），容积损失，机械损失。

流动损失：

摩擦损失与流速平方成正比，冲击损失与流量偏离最优工况程度的

平方成正比。

流动损失与流量，水头等不是单调的，有一最小值。

容积损失：

水头（杨程）低，流量大，间隙两端压差小→容积损失↓。

机械损失：

在同样直径和转速时，机械损失相近，流量大，功率大→相对机械

损失↓。

29.在效率换算时，模型效率用什么工况的效率？

P127

答：

在功率换算时：

水轮机，模型效率用最优工况（最优单位转速时的最大功率的工况）的效率。

水泵，模型效率用最高效率（全压效率）的工况。

30.水轮机或水泵空化发生的条件？

答：

空化发生条件是：

水轮机或水泵内压力最低点的压力Pk≤Pv（Pv=2400Pa）。

31.水轮机空蚀的分类和典型发生部位？

P139

答：

按空化发生的部位分分类：

翼型空化，间隙空化，局部空化，空腔空化。

按空化发生的过程分分类：

空泡空化（游动型空化），薄膜空化（带状空化），

脱流空化，超空化。

水轮机转轮发生部位（一般为翼型空蚀）：

轴流式—叶片背面

靠近轮缘和出口边；混流式—叶片背面（靠近出口边、下环和进

口）和下环立面。

水泵常见空蚀区域：

离心泵—进口边背，面及后盖板上。

轴流泵—进口边背面

及靠近轮毂处、导叶进口边背面及转轮室。

32.水泵空蚀的典型发生部位？

P145

答：

水泵空蚀典型部位：

离心泵—进口边背，面及后盖板上。

轴流泵—进口边背面

及靠近轮毂处、导叶进口边背面及转轮室。

33.空蚀和泥沙磨损有何区别和联系？

答：

区别：

泥沙磨损：

1、破坏形态：

划痕或麻点—沟槽—鱼鳞坑---穿孔---出水边锯齿型沟槽

2、金相：

金属的金相组织不变，仍具有金属光泽。

3、发生部位：

一般发生在叶片的正面，严重时在叶片背面也可能发生。

空蚀破坏：

1、破坏形态：

海绵状针孔—蜂窝状透孔---穿洞。

2、金相：

金属组织变疏松，金相破坏，表面灰暗。

3、发生部位：

一般发生在叶片的背面，叶片正面也可能发生。

联系：

水流中的泥沙改变了清水的物理性质和流动特性，使水的空化压力发生变

化，空蚀提前发生。

泥沙等杂质的存在增加了水流中的气核，促进了空蚀。

原本

不易发生空蚀的部位，由于冲蚀作用造成材料表面凹凸不平，亦发生空蚀。

空化

的出现，增大了水流的紊流程度，加速了泥沙的充蚀作用。

空泡溃灭时，冲击压

力波的反复作用引起材料疲劳破坏，为泥沙冲蚀创造了条件。

总之，冲蚀与空蚀

相互作用，加大了磨蚀破坏。

34.水轮机的空化系数和装置空化系数如何定义？

分别与哪些因素有关？

P153

答：

空化系数：

装置空化系数：

与水力机械的机型、运行工况（）有关，而与其的运行水头（扬程）

无直接关系。

只与水力机械的安装高度和水头（扬程）有关。

35.水轮机的安装高程如何确定？

（P158）答：

36.水轮机的吸出高度、允许吸出高度有何区别？

水泵的吸入高度和允许吸入高度，吸入真空度有何区别。

答：

水轮机：

吸出高度，在一定空化系数条件下，不发生空化的吸出高度，高于这个

高度，水轮机可能发生空化。

水泵：

吸入高度，与泵安装高度的基准面相同，即

。

37.水泵的吸出高度如何确定？

（P159）答：

吸入高度由安装高度确定。

38.预防汽蚀和改善汽蚀性能有些什么途径？

答：

一、合理设计结构和翼型。

二、采用抗空化材料。

三、合理选择安装高程。

四、合理选择运行范围。

五、采用适当的补气装置。

六、阴极保护法。

39.轴向力的由来？

减小轴向力的主要措施有哪些？

答：

轴向力是由于叶片两侧沿轴向存在压力差而产生的。

措施：

1，减压孔或减压管。

2，背叶片。

3，转轮（叶轮）的对称布置。

40.开式和闭式试验台各有何特点？

适合何种试验？

（P285，P287）答：

开式试验台装置系统的进口、出口均是开式的，即与大气相通。

主要用于流体机械能量特性试验即效率特性试验，此外还可进行强度及力特性试验以及过流部件结构试验研究等。

闭式试验台装置系统是循环封闭系统，即与大气相隔绝。

可用于能量试验，又可进行特殊要求的试验，如水泵或水轮机的空化特性试验等。

41.做水力机械的能量实验时，需要测量哪些参数？

测量步骤如何？

（P285）答：

42.做水力机械的空化实验时，需要测量哪些参数？

测量步骤如何？

答：

测量参数及步骤：

1）对某一工况（H,n,a）,做能量校核试验，计算（n1’,Q1’,η）等参数

2）保持工况不变，降低尾水压力（Pa）,逐次纪录Q,N,η等参数，直致功率明显下

降（发生汽蚀）。

计算每点的（n1’,Q1’,N1’,η，σp）等值。

空化时：

σp<σ

3）逐次提高尾水压力（Pa），重复2步。

直至汽蚀现象完全消失。

按一定规律改变

工况，重复1，2，3步。

43.混流式水轮机和转桨式水轮机的综合运行特性曲线由哪些曲线组成？

（P282）答：

混流式综合特性曲线：

等效率线，等开度线，等空化系数线，5%功率限制线。

运转特性曲线：

等效率线，等吸出高度线，5%功率限制线。

转桨式综合特性曲线：

等效率线，等开度线，等空化系数线，等叶片转角线。

运转特性曲线：

等效率线，等吸出高度线，功率限制线（空化限制）。

44.水轮机的综合特性曲线形状与水轮机的比转速有什么关系？

各类水轮机适合用于什么类型的电站？

为什么？

（P282）答：

a） 等开度线的斜率：

高比转速：

单位流量随单位转速的增加而增加；低比转速：

单位流量随单位转速的增加而减少。

b） 最优工况点：

高比转速水轮机的最优工况点单位转速和单位流量都较高。

低

比转速水轮机的最优工况点单位转速和单位流量都较低。

c） 最高效率圈形状：

高比转速水轮机的最高效率圈较狭长陡峭；低比转速水轮

机的最高效率圈扁平；中等比转速水轮机最高效率圈位于二者之间。

45.水轮机的工作特性曲线有哪些？

特征点的物理意义？

（P277）答：

工作特性曲线有：

功率与流量关系曲线（P—qv），效率与流量关系曲线（η—qv）

特征点：

①Qk（空载流量），功率为零时，流量不为零，对应空载开口。

②Qnp（极限流量），流量为此时，功率达到最大，为极限功率。

③Q0（最优流量），流量为此时，效率达到最高。

46.水轮机的空载流量、空载水头的意义？

（P278）答：

空载流量：

功率为零时的流量。

此时流量很小，水流作用与转轮的力矩仅能克服阻力而维持转轮以额定转速旋转，没有输出功率。

空载水头：

功率（转速或流量）为零时的水头。

此时能量完全用于克服转轮阻力。

47.什么是飞逸工况、飞逸转速？

如何计算飞逸转速？

如何防止发生飞逸？

（P279）答：

飞逸工况：

一定水头和开度下，负荷力矩为零时的工况。

飞逸转速：

一定水头和开度下的最大转速。

（飞逸工况下的转速）

计算：

防止：

在停机关闭导叶时，先以较快速度关到一定程度，然后缓慢减小开度直至全

部关闭。

48.水轮机的编号规则？

（ppt最后一讲）

答：

类型比转速表示的水轮型号主轴布置形式引水形式以厘米表示的转轮直径

49.水轮机选型计算时中直径、转速计算公式中，流量、水头等参数应如何取值？

50.水泵的特性曲线包含哪些曲线？

不同比转速的水泵特性曲线有何差别，对泵运行有何影响。

（P276）答：

特性曲线包括：

线性（工作）特性曲线（理论扬程曲线（Hth—qv），实际扬程曲线

（H—qv），功率流量曲线（p—qv），效率流量曲线（η—qv），不同

比转速下曲线（H，np—qv））

综合特性曲线（以Qv—H（p，h，ε）坐标下的等转速线）

低比转速水泵的效率随负荷的变化小，高效工作区宽；高比转速水泵的效率随负荷

的变化较为剧烈，高效工作区较窄（原因：

高比转速的流道宽，轴面上不同流线上

流动情况差别较大，非设计工况下，易于产生二次流动使损失增加）。

51.水泵的串并联运行的特点。

（P300）答：

串联特点：

流量相等，扬程为相同流量时各泵的扬程之和。

并联特点：

扬程相等，流量为相同扬程时各泵的流量之和。

52.旋转失速现象如何解释。

（P294）答：

流量减小，叶片背面出现流动分离，对流动形成阻塞作用，导致水力损失大大增加，扬程急剧下降，并造成机器运行不稳定，导致旋转失速。

53.水泵轴向力可用哪些方法平衡？

答：

1，减压孔或减压管。

2，背叶片。

3，多级泵的平衡鼓。

4，节段式多级泵的平衡。

5，叶轮的对称布置。

54.推导泵的理论扬程-流量曲线，画图描述泵的无穷叶片数假设下的扬程-流量曲线至实验得到的扬程-流量曲线的过程。

（P276有推导）

55.水泵的运行工况点如何确定与调节？

（ppt第十八讲泵的运行特性：

3—工况调节）

56.具有驼峰的水泵特性曲线在什么情况下运行是不稳定的？

答：

驼峰曲线存在一极大值点，在该极大值的左侧，扬程随流量的增加而增加，运行是

不稳定。