资源描述
教 案
科目： 《泵与风机》
授课班级：11级高热一、二、五班
授课教师：李 静
单元
绪论
课题
绪论
课型
新授课
课时
2
教学目标
知识目标：掌握流体力学、泵与风机的概念，了解流体力学泵与风机在国民经济各行业中的应用。
技能目标：通过电力行业中的作用和地位来掌握本课题性质及任务。
德育目标：由设备的安全运行来分析事故原因，提高自身运行分析，从而确保安全经济运行。
教学重点
1、泵与风机、流体力学的概念
2、泵与风机、流体力学的发展概况
教学难点
一、 本课程学习的目的。
二、 本课程学习的任务。
教学方法
讲授、分析
教学媒体
多媒体课件、讲解、讨论、分析
授课时间
教材分析
本课题阐明了流体力学、泵与风机及理论等概念，泵与风机是火力发电厂中必不可少的重要设备，通过学习本课程的性质及学习的目的和任务，使学生建立对本课的初步认知，认识到专业课学习对后续课程的重要性。
教后记
布置作业
P3 0-1、0-5
作业情况
教 学 过 程
备注
引入课题：
泵与风机是电厂热力设备运行专业的一门主干专业课程教材。
讲授新课：
一、 本课程的性质及学习的目的和任务
1、学习本课程的目的与任务
本课程是热能与动力工程及其相近专业的一门重要的专业基础课程。泵与风机属于通用机械的范畴，在国民经济的各部门应用十分广泛。在火力发电厂中，泵与风机是实现动力循环的重要组成部分，是重要的辅机之一。为了实现泵与风机的安全经济运行，首先，必须掌握泵与风机的基本原理、性能、结构、及运行调节等方面的必要知识，掌握泵与风机性能试验技术。同时，随着泵与风机设备的不断更新和高技术驱动装置的投入，还需不断地提高运行操作技术和管理水平。为今后从事专业技术工作和科学研究打下必要的基础。
流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律的一门科学。我们知道，在力的作用下，一切物质都呈现或多或少的变形，一个给定的力产生一个确定的变形，如果撤去这个力之后，变形消失，这种变形叫做弹性变形；如果在撤去这个力之后，产生永久变形，这种变形就叫做塑性变形；而无论在多么小的剪切力的作用下，变形都连续不断地无限增加，这样的变形就叫做流动。流体就是流动的物质。
流体力学与当代科学技术的联系
当代，随着科学和技术的发展，流体力学已经深入到各个科技领域与生产部门。目前，已经很难找出一个技术部门与流体力学没有或多或少的联系。例如，航空与航海，飞机与轮船的外形、操纵性、稳定性、向流力提出了广泛的课题，近代发展的宇宙飞行器脱离和重返大气层等，都离不开流体动力学及空气动力学的基本原理。
其次，水利工程的建设，河流的治理及利用，水库、大型水利枢纽的设计与建造，洪峰预报，环境污染预报，河流泥沙的预测（例如黄河的泥沙）都与流体力学紧密相联。再其次，如气象科学中的天气预报也绝对离不开流体力学，天文学中，有研究组成星云的气状物质运动的宇宙流体力学。
在工业部门，石油化工、冶金、土建、甚至于象粮食加工、面粉输运都离不开流体力学。在医学部门，又出现了一门新的科学－生物流体力学(这是一门边缘科学)，研究人体内血液的流动，研制人工心脏等都要根据流体力学的基本原理。还有，近年来发展的磁流体力学。
流体力学与本专业的联系
对于我们电力工业，尤其对我们热动专业的学生。由于在电力工业中无论是水电站，还是火力发电厂，以及原子能电站，地热电站，它们的工作介质均是流体。所以，动力设备的设计和运行都必须服从流体力学的规律。此外，汽轮机叶片最优形式的设计，泵与风机叶片的最优形式的设计，都必须掌握流体力学的基本理论。
流体力学发展史上的重要学者
流体力学作为一门独立的学科，开始于伯努利（1700－1783）和欧拉（1707－1783）所处的18世纪。伯努利首先采用了流体动力学这个术语（并将流体静力学和水力学包括在这门科学之内），并且他还发现了以他的名字命名的著名的伯努利方程。欧拉则创立了理想流体的运动方程，并且发展了有关教学理论。19世纪初期和中期，纳维尔（1785－1836）和斯托克斯（1819－1903）分别导出了粘性流体的运动方程式即N－S方程，并且，斯托克斯被看作是近代流体力学理论的奠基人。20世纪以后，儒可夫斯基（1847－1921）发展了机翼外力理论，对机翼设计作出了杰出的贡献。普朗特（1875－1953）在1904年提出了划时代的边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的概念协调起来。并且，由于升力理论和边界层理论的建立，使流体力学脱离了纯理论的研究而开始了与工程实际相结合。
再过两年，你们要走上工作岗位。今后，你们不论走进科研还是生产部门，流体力学都是一个重要基础。另外，热力学、流体力学、传热学三门课，统称为热工基础，又是互有联系的，学好流体力学，也为后续课程如传热学、燃烧学、泵与风机、锅炉原理、汽轮机原理等课程打下坚实的基础。
2、学习方法
①．及时复习有关知识：本课程以“流体力学”为其主要先修课程。学生应及时复习“流体力学”的基本理论（如动量矩方程、连续方程、能量方程、管路水力计算、翼型及叶栅原理、边界层的基本概念及其分离现象和相似原理等），以便更好地理解和掌握泵与风机的相关知识。
②．培养良好的作题习惯：
l 列出已知和所求；
l 画出示意图（如有必要）；
l 对问题进行分析和简化处理；
l 列出数学描述（包括规范的书写格式）；
l 求解（要有代入数据的过程）
l 对所得结果进行不同层次的讨论（如结果的正误、涉及了哪些知识点、结果有否推广应用的价值等）
③．树立工程概念：注重分析和解决问题的方法，不要过于追求细节的东西，对一些繁琐的公式不一定要求死记硬背。但是，应：
•记住一些常用数据的取值或大致范围；
•树立节能理念。为此我们曾做过如下实验：
【例题】 某电厂300MW机组采用简易导流器调节的G4-73-11№28D型送风机转速为n=730r/min，当导流器全开时其工作点位于最高效率点上。
A：（1）试绘出当流量裕量为1.0时，风机出力与风机运行效率关系曲线。
（2）若机组负荷分布为：
负荷分布
100%
90%
80%
70%
60%
年运行小时
2000
2000
1800
1000
200
试确定该风机的年耗电量。
B：若将上题中的简易导流器改为轴向导流器，（1）、（2）问题的情况又如何？
【要求】分两组完成问题A、B其一即可。
【目的】使学生能从“总量的概念”上了解某种风机全年的能耗情况；但我们更深层的目的是考察学生是否有“节能理念”，为此提示学生两小题可以相互参考。
【结果】虽然学生均按题目要求正确完成了其中一个小题的计算任务，但没有一名同学将A、B两小题的结果互相比较，从而得出那种风机导流器更经济。这从某种程度上说明学生的“节能理念”还没有建立起来。
【分析】综合能力的培养并不是一蹴而就的，需要从点点滴滴作起。比如，平时可多加强“比较引申法”、“题后思考的层次”等方面的训练。
3、在国民经济建设中的地位
1）泵与风机属通用机械的范畴：它们在国民经济的各个部门中应用十分广泛。
农业方面：排涝、灌溉；
采矿工业：坑道的通风及排水；
冶金工业：各种冶炼炉的鼓风以及气体和液体的输送；
石油工业：输油和注水；
化学工业：高温、腐蚀性气体的排送；
一般工业：厂房、车间空调以及原子防护设备的通风等。
2）定量分析：据统计，泵与风机耗电约占全国总用电量的百分比逐步从原30%向40%过渡。
数量之多
可见其： 应用之广
地位之重
4、在火力发电厂中的地位
对电力部门的工作者，尤其关心泵与风机在电力工业的作用。
1、从应用角度看：图 0-2所示为火力发电厂系统简图。由图可以看出，在火力发电厂中，向锅炉送水的给水泵、向汽轮机凝汽器送冷却水的循环水泵、排送凝汽器中凝结水的凝结水泵、排送热力系统中各处疏水的疏水泵、向热力网系统补水的补给水泵、向锅炉输送燃料的排粉机、向锅炉输送空气的送风机、排除锅炉烟气的引风机等都是电厂的重要辅助设备。此外，还有生水泵、工业水泵以及用来输送各种润滑油、药液、排除锅炉灰渣的特殊用泵等。总之，泵与风机在火力发电厂中的应用极为广泛，起着极其重要的作用。
图 0-2 火力发电厂系统简图
1—锅炉汽包；2—过热器；3—汽轮机；4—发电机；5—凝汽器；6—凝结水泵；7—除盐装置；8—升压泵；
9—低压加热器；10—除氧器；11—锅炉给水泵；12—高压加热器；13—省煤器；14—循环水泵；15—射水抽气器；16—射水泵；17—疏水泵；18—补给水泵；19—生水泵；20—生水预热器；21—化学水处理设备； 22—灰渣泵；
23—冲灰水泵； 24—液压泵； 25—工业水泵； 26—送风机； 27—排粉风机； 28—引风机； 29—烟囱
2、从经济角度看：泵与风机是电厂的耗电大户，特别是给水泵素有“电老虎”之称。据统计，各种泵与风机的耗电量约占厂用电的70%~80%（采用汽动给水泵除外）约为机组容量的5%~10%左右；其中泵约占50%，风机约占30%。
3、从安全角度看：由于泵与风机故障而引起停机、停炉的事例是很多的，并且由此造成了很大的直接和间接的经济损失，应引起我们的足够重视。经验表明，增加安全可靠性和提高效率相比，有着同等的甚至更大的经济效益。特别是随着机组向大容量、高效率、自动化方向的发展，对泵与风机的安全可靠性也提出了越来越高的要求。
例如：现代大型锅炉容量大、汽包的水容积相对较小，如果锅炉给水泵由于某种原因发生故障而中断给水，则汽包在一、二分钟甚至更短的时间内就可“干锅”，引发重大设备事故。此外，泵与风机的运行方式也直接影响到电厂的安全经济运行。所有这些都表明，泵与风机的安全经济运行是与整个电厂的安全经济运行密切相关的。
二、流体力学、泵与风机现状及其发展趋势
1、 流体力学发展简史
1）第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段
公元前2286年－公元前2278年
大禹治水——疏壅导滞（洪水归于河）
公元前300多年
李冰 都江堰——深淘滩，低作堰
公元584年－公元610年
隋朝 南北大运河、船闸应用
埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展
系统研究
古希腊哲学家阿基米德《论浮体》（公元前250年）奠定了流体静力学的基础
2）第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学 成为一门独立学科的基础阶段
1586年 斯蒂芬——水静力学原理
1650年 帕斯卡——“帕斯卡原理”
1612年 伽利略——物体沉浮的基本原理
1686年 牛顿——牛顿内摩擦定律
1738年 伯努利——理想流体的运动方程即伯努利方程
1775年 欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程
3）第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉（理论）、伯努利（实验）
工程技术快速发展，提出很多经验公式
1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量）
1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）
1732年 比托——比托管（测流速）
1797年 文丘里——文丘里管（测流量）
理论
1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）
第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展
理论分析与试验研究相结合
量纲分析和相似性原理起重要作用
1883年 雷诺——雷诺实验（判断流态）
1903年 普朗特——边界层概念（绕流运动）
1933-1934年 尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系数）
流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科
2）流体力学、泵与风机的应用
（1）舰船、航空、航天（飞机的（风洞）实验、火箭上天）；
（2）城市给排水；
（3）水利、水电（三峡水利工程）；
（4）矿山应用。
小结：流体力学、泵与风机的理论将在我国电力及其他相关行业的高速发展中发挥着越来越重要的作用。
掌握各过程线的含义
此处为重点
建立对电厂的感性认识
重点讲述
培养学习情趣
单元
单元一 流体及其压力的概念
课题
课题一 流体及其基本物理性质
课型
新授课
课时
2
教学目标
知识目标：了解流体的概念、应用原理，流体的惯性、黏性、压缩性和膨胀性及其影响因素，力学模型的定义及其意义。
技能目标：通过流体性质来分析电厂中流体的运行。
德育目标：流体的黏性是流体流动过程中的能量损失的主要因素，使得电厂的经济效益差，我们可以通过降低流体的黏性，来提高电厂的效率。
教学重点
1、内摩擦力定律。
2、流体的力学模型。
教学难点
一、 流体的基本物理性质。
二、 了解流体层间的相对运动与内摩擦力的简单计算。
教学方法
讲授、分析、比较
教学媒体
黑板、粉笔
授课时间
教材分析
本课题通过分析流体的基本物理性质对于流体做功经济性会有重要影响，黏性是引起流体运动时能量损失的根本原理，应重点研究。通过学习能够定性分析流体的基本物理性质来提高电厂的经济性。
教后记
布置作业
P13 1-1、1-2、1-5
作业情况
教学过程：
备注
引入课题：
流体在受到外在切向应力作用时，会产生不同特性的基本变形，流体也不例外，下面来具体研究一下。
讲授新课：
一、 流体的概念
1、流体的定义
在物理性质上，流体具有受任何微小的剪切力都能产生连续变形的特性，即流体的流动性。
2、流体的形式
自然界物质存在的主要形态:固态、液态和气态.
液体和气体是流体
液体
气体
微观
分子排列紧密
分子排列松散
流动性
易流动，只受压力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的剪切力就产生变形或流动
有固定的体积
没有固定的体积
二、 流体的基本物理性质
（一）惯性
1、定义：物体保持原有运动状态的一种物理性质，是一切物质的共有属性，因此，它也是流体的固有属性。
2、同种类的流体用质量量度，质量大则惯性大。
3、不同种类的流体之间，密度大的流体，惯性大。
l 对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积，其中质量，则该点密度需要用极限方式表示
l 对于密度处处相同的均质流体，其密度ρ＝M／V。
l 液体的相对密度：液体的重量与同体积4ºC蒸馏水重量之比。
l 影响流体密度的因素
（1）、流体的种类
液体的密度比气体的密度大的多。
(2)、温度和压力
一般情况下，液体的密度随压力和温度的变化很小，气体的密度随压力和温度的变化很大。故通常在压力和温度变化较小时，液体的密度取某一定值。
几种常见流体的密度：
在4℃、101325Pa下水的密度是1000kg/m3
在0℃、101325Pa下空气密度是1.293 kg/m3
在0℃、101325Pa下水银密度是13600 kg/m3
对气体来说可以用热力学中的理想气体状态方程来表示：
(二)、压缩性和膨胀性
1、压缩性：
（1）定义：温度不变时，流体的体积在压力作用下体积缩小的性质。
（2）体积压缩系数：温度不变时，压强增加一个单位，体积的相对变化量。
或
式中：dV——体积改变量
V——原有体积
dp——压强改变量
负号说明：保证永远为正，Δp与ΔV符号相反。
（3）单位：1/Pa 或1/大气压
（4）说明：液体压缩性很小
ΔV很小→→液体
2、膨胀性：
（1）定义：压力不变时，流体的体积随温度升高而增大的性质。
（2）膨胀系数α：压力不变时，温度增加一个单位，体积的相对变化量。
α＝
——温度改变量
（3）单位：1/ºC 或 1/K
（4）说明：由于液体膨胀性很小——在实际计算中，一般不考虑液体的膨胀性。
3、弹性系数
单位：帕（Pa）
例题1-1当压强增加5×104Pa时，某种液体的密度增长0.02%，求该液体的弹性系数。
解：
(三)、流体的黏性
1. 举例说明流体的黏性
在两个互相接触的流体层 间，速度快的流体层对速度慢的流体层会产生一个拖力；速度慢的流体层对速度快的流体层产生一个阻力，如图所示。拖力和阻力是大小相等、方向相反的一对力，分别作用在两个相邻的流体层上，称为内摩擦力。
2. 牛顿内摩擦定律
内摩擦力公式为
F——内摩擦力，单位：牛顿（N）
μ——动力粘性系数，与流体性质、温度有关,单位：Pa.S
A——接触面积
——速度梯度,表示与流速相垂直的方向上的速度的变化率。
3、切应力τ：单位面积上的内摩擦力
公式说明：
（1）单位：N/m2
（2）符合的流体——牛顿流体
不符合的流体——非牛顿流体
（3）公式适用条件：牛顿流体做层流运动
例1-2长度1m，直径200mm水平放置的圆柱体，置于内径206mm的圆管中以1m/s的速度移动，已知间隙中油液的相对密度为0.92，运动黏度5.6×10-4m2/s，求所需拉力为多少？
解：间隙中油的密度为
（kg/m3）
动力黏度为
（Pa·s）
由牛顿内摩擦定律
由于间隙很小，速度可认为是线性分布
（N）
3、流体的黏度及影响因素
w 流体黏性强弱可用动力黏度的大小来衡量。
w 流体的动力黏度主要与流体的种类及温度有关，液体黏性随温度升高而减小，气体黏性随温度升高而增大 。
w 流体的动力黏度与其密度的比值称为运动黏度，用符号ν表示，即
四、流体的力学模型
（1）不可压缩流体：V 变化为零，可近似的看作实际流体：又称为粘性流体，即真实流体μ≠0 ，能量损失 ≠ 0 流体在运动中因克服摩擦力必然要做功，所以粘性也是流体中发生机械能量损失的根源。
（2）理想流体：假想没有粘性的流体μ＝0 ，能量损失＝0。
（3）理想的不可压缩流体：μ=0 ，能量损失=0，V 变化为零，流体只有惯性。
小结：流体力学也是遵循由浅入深，由简到繁，由特殊到一般的认识规律。
重点掌握
明确各过程线的含义
必须首先看影响因素
此处为难点，结合实际讲解
单元
单元一 流体及其压力的概念
课题
课题二 流体的压力及其表示
课型
新授课
课时
2
教学目标
知识目标：流体上两大类力的定义，熟练阐述流体总压力、平均压力、静压力、动压力的定义符号，熟练绘出压力关系图。
技能目标：指出压力关系图中各自压力相互间的关系。
德育目标：通过压力图表的相互关系，制定安全压力表操作规程，从而提高工作效率。
教学重点
1、流体的动压力和静压力
2、绝对压力、相对压力、真空值三者间的关系
教学难点
1、 流体动压力和静压力的比较
2、 绝对压力、相对压力、真空值三者间的关系图
教学方法
讲授、分析、比较
教学媒体
黑板、粉笔
授课时间
教材分析
在热力发电厂中，通过各种设备的压力表对设备的压力进行控制，对安全运行起着重要的指导作用，因而准确分析压力表的测量结果，进行电厂设备的有效控制至关重要。
教后记
布置作业
P13 1-6、1-7、1-8
作业情况
教学过程：
备注
引入课题：
研究流体机械运动的规律时，必须首先分析作用在流体上的各种力。
讲授新课：
一、流体压力的概念
（一）、作用在流体上的力
作用在流体上的力按特点的不同，可分为表面力和质量力两种类型。
1、表面力
作用在流体上的力按特点的不同，可分为表面力和质量力两种类型。
l 定义：指作用在所取分离体表面上的力，它的大小与流体的表面积成正比。
l 分类： 法向力（压力）： P＝p·A——垂直于作用面
切向力（内摩擦力）：T＝τ·A——与作用面相切
2、质量力
l 定义：质量力是作用在流体内每一个流体质点上的力，它的大小与流体的质量成正比。
l 分类：质量力一般包括：流体受到的重力（G=mg）；用达朗伯原理来研究流体运动时，虚加在流体质点上的惯性力（F=ma）也是质量力。另外，磁性流体在磁场中受到的磁场力和带电流体在电场中受到的电场力等都是质量力。
w 流体力学研究中一般将单位质量流体受到的质量力称为单位质量力，用表示。
表示。单位质量力在三个坐标轴方向上的分量分别用fx、fy和fz表示，则
（二）流体的静压力和动压力
1、流体的静压力
l 定义：作用在流体单位面积上的法向力称为流体的静压力，简称压力，用符号p表示，单位为Pa。
设微小面积上的总压力为，则
平均静压力：
ΔP
ΔA
点静压强：
2、流体的动压力
l 定义：流体处于运动状态时某点的压力成为该点的流体动压力
二、流体压力的表示
（一）压力的表示方法
根据压强的计量基准和使用范围的不同，流体的压强可分为绝对压强、相对压强和真空。
1. 绝对压强 以完全真空为基准来计量的压强称为绝对压强，用符号P表示。流体的绝对压强为零，达到完全真空，在实际中是达不到的。特别当容器中盛有液体时，只要压力降到液体的饱和蒸汽压力，液体便开始汽化，压力便不再降低。
2. 相对压强 以大气压强为基准计算的压强，称为相对压强或表压强，用符号Pg表示。 绝对压强和相对压强之间的关系为式中
在工程实际中，用于测量压强的仪表一般都处在大气的环境中，压力表的指示值中没有包括大气压强，所以为相对压强。
3. 真空压力及真空值 若流体的绝对压强低于大气压强，即表压强为负值时，我们就说流体处于真空状态或负压状态。真空状态时流体的静压强可用真空值Pv表示，真空值为大气压强与绝对压强的差值，即表示
真空度是指真空值与当地大气压比值的百分数，通常用HV 表示，即
×100％＝×100％
（二）、压力的计量单位
1、用单位面积上所承受的力表示Pa
1Pa=1N/m2
2、用液柱高度表示
常用一个标准大气压下，4℃的水柱或0℃的水银柱高度表示，单位使毫米水柱或毫米汞柱
3、用大气压表示
一种：标准大气压（物理大气压），是指0℃时在纬度45℃处海平面上大气的平均绝对压力值
另一种：每平方厘米的面积上受到1kgf的压力值
w气的平均绝对压力值
另一种：每平方厘米的面积上受到1kgf的压力值
压强度量方法
单位名称
单位符号
单位换算关系
应力单位法
帕
pa
1pa=1N/m2
液柱高度法
米水柱
mH2O
1mH2O=9.807´103pa
液柱高度法
毫米汞柱
mmHg
1mmHg=13.6mmH2O
=133.3pa
工程大气压法
工程大气压
at
1at=10mH2O
=736mmHg=9.807´104pa
标准大气压（温度为0℃时海平面上的压强，即760mmHg）用符号atm表示，1atm=101.325kPa
小结：灵活运用绝对压力、相对压力、真空值的关系式去求解各种表压力。
在理解的基础上掌握
明确各过程线的含义
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