叶轮机原理与设计-反动度(正式)

1、厦门大学航空系厦门大学航空系叶轮机原理与设计叶轮机原理与设计反动度反动度王奕首王奕首厦门大学航空系厦门大学航空系A.A.内容回顾与引入B.B.本讲主要内容（反动度）C.C.课后思考及预习本节内容提要本节内容提要一、基本概念一、基本概念三、定义与计算三、定义与计算 二、工作原理二、工作原理四、应用举例四、应用举例Turbine厦门大学航空系厦门大学航空系p 内容回顾内容回顾 A.内容回顾与引入内容回顾与引入 叶轮机械叶轮机械(透平机械、叶片机械透平机械、叶片机械)：回转式动力机械：回转式动力机械 1）原动机械原动机械(动力机动力机) 流体的动能、势能流体的动能、势能机械能机械能 汽轮机、燃气轮机

2、、水轮机及风力机汽轮机、燃气轮机、水轮机及风力机 2）被动机械被动机械(工作机工作机) 机械能机械能流体的动能和势能流体的动能和势能 透平压缩机、鼓风机、通风机、风扇透平压缩机、鼓风机、通风机、风扇以连续流动的流体为工质、以叶片为主要工作元件，实现工以连续流动的流体为工质、以叶片为主要工作元件，实现工作元件与工质之间能量转换的一类机械作元件与工质之间能量转换的一类机械汽轮机汽轮机厦门大学航空系厦门大学航空系 A.内容回顾与引入内容回顾与引入 汽轮机的工作原理汽轮机的工作原理用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机：用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机：将蒸汽的热能转换为机械能，

3、拖动其他旋转机械。蒸将蒸汽的热能转换为机械能，拖动其他旋转机械。蒸汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程：汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程：蒸汽热能蒸汽热能气流动能气流动能轴轴(转子转子)的机械能的机械能按照其做功按照其做功原理划分：原理划分：冲动式汽轮机冲动式汽轮机反动式汽轮机反动式汽轮机喷嘴喷嘴动叶动叶厦门大学航空系厦门大学航空系p 级级：完成由热能到机械能转换的汽轮机基本做功单元，在：完成由热能到机械能转换的汽轮机基本做功单元，在结构上由喷嘴结构上由喷嘴(静叶栅静叶栅)和其后的动叶栅所组成。和其后的动叶栅所组成。 B. 反动度反动度1 1主轴主轴2 2叶轮叶轮3 3动叶栅动叶栅4 4喷嘴（

4、静叶栅）喷嘴（静叶栅）5 5汽缸汽缸6 6排汽口排汽口转子转子一、基本概念一、基本概念p 静叶栅静叶栅(喷嘴喷嘴)：静叶按一定的距离和一定的角度排列形成：静叶按一定的距离和一定的角度排列形成静叶栅，静叶栅固定不动。静叶栅，静叶栅固定不动。p 动叶栅动叶栅：动叶按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形：动叶按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道。成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道。厦门大学航空系厦门大学航空系p 熵熵(S)：热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。：热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。 B. 反动度反动度p 焓焓(h)：单位质量的物

5、质所含的全部热能：单位质量的物质所含的全部热能(蒸汽所具有做功能力蒸汽所具有做功能力)p 焓降焓降：蒸汽做功能力的降低：蒸汽做功能力的降低,基本相当于汽轮机转化的能量基本相当于汽轮机转化的能量STQdSTQd2121pvuh2211221122hcq hcw 定常流动能量平定常流动能量平衡基本方程式衡基本方程式特点特点: q=0，c1c2所以有所以有 ws=h1-h2汽轮机依靠工质的汽轮机依靠工质的焓降而输出轴功焓降而输出轴功2212211()2hhcc所以有所以有特点：特点： q=0，w=0在喷管中，依靠工质的焓在喷管中，依靠工质的焓降而使工质流速增加降而使工质流速增加一、基本概念一、基本概

6、念p 滞止焓滞止焓(h*)：2/2h c2222常 数wuh定常绝热流动过程中，定常绝热流动过程中，h*在流线上是恒值在流线上是恒值厦门大学航空系厦门大学航空系p 蒸汽的冲动作用原理蒸汽的冲动作用原理 B. 反动度反动度二、工作原理二、工作原理走马灯（现代燃气涡轮工作原理的原始应用）走马灯（现代燃气涡轮工作原理的原始应用） 冲动力定义冲动力定义l 根据牛顿第二定律（动量方程）：当运动物体碰到另一个静根据牛顿第二定律（动量方程）：当运动物体碰到另一个静止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力

7、，这个力称小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力，这个力称为冲动力。为冲动力。厦门大学航空系厦门大学航空系 蒸汽冲动作用的特点蒸汽冲动作用的特点 喷嘴出口喷嘴出口 动叶通道动叶通道l蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩通道不收缩 B. 反动度反动度二、工作原理二、工作原理动叶叶型近似对称弯曲动叶叶型近似对称弯曲l冲动力的大小取决于单位时间内通过动叶通冲动力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化道的蒸汽质量及其速度的变化(动量定理动量定理)。厦门大学航空系厦门大学

8、航空系p 蒸汽的反动作用原理蒸汽的反动作用原理 B. 反动度反动度希罗球希罗球 反动力的定义反动力的定义l根据牛顿第三定律根据牛顿第三定律(力的相互作用原理力的相互作用原理)，当气体从容，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生器中加速流出时，要对容器产生个与流动方向相反个与流动方向相反的力，即称为反动力。的力，即称为反动力。l汽流在动叶片中降温降压向出汽边流动，由于蒸汽的汽流在动叶片中降温降压向出汽边流动，由于蒸汽的流动，使其对动叶产生反作用力，推动叶片运动，向流动，使其对动叶产生反作用力，推动叶片运动，向外输出机械功，即反动作用原理。外输出机械功，即反动作用原理。二、工作原理二、工作原理抛射

9、物质，获得反作用力抛射物质，获得反作用力 空心球体支承在两根垂直导管上，球下的容器内的水被加热时，蒸汽便沿着两根导管分别进入球内，从球上两根相反方向 的弯管喷出，由于喷气反作用，球便沿着与喷气流动相反的方向旋转厦门大学航空系厦门大学航空系蒸汽在动叶蒸汽在动叶通道内膨胀通道内膨胀 B. 反动度反动度 蒸汽反动作用的特点蒸汽反动作用的特点l反动力的大小取决于汽体压强的变化。反动力的大小取决于汽体压强的变化。l蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀

10、压力降蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力改变，产生冲动力Ft 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度口的相对速度w2大于进口相对速度大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力方向相反的反动力Fr。 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。推动动叶旋转作功。二、工作原理二、工作原理动叶叶型与喷嘴叶型相同动叶叶型与喷嘴叶

11、型相同厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度p 反动度的定义反动度的定义u衡量气体在动叶栅中的膨胀程度的参数叫做反动度或反力度衡量气体在动叶栅中的膨胀程度的参数叫做反动度或反力度三、定义与计算三、定义与计算判断有无反动力的作用及其大小是根据蒸汽在动叶栅中的判断有无反动力的作用及其大小是根据蒸汽在动叶栅中的膨胀程度膨胀程度(压强变化压强变化)运动反动度运动反动度k热力反动度热力反动度t12*12khhhh l(基元级基元级)运动反动度运动反动度k定义为：蒸汽通过动叶通道时的静定义为：蒸汽通过动叶通道时的静焓降与其滞止理想焓降之比，即：焓降与其滞止理想焓降之比，即：l(基元级基元级)热力

12、反动度热力反动度t定义为：蒸汽在动叶通道内膨胀时的定义为：蒸汽在动叶通道内膨胀时的 理想焓降理想焓降hb与蒸汽在整个级的滞止理想焓降与蒸汽在整个级的滞止理想焓降ht*之比，即：之比，即：*/tbthh 厦门大学航空系厦门大学航空系0点点 级前蒸汽状态点级前蒸汽状态点0*点点 汽流被等熵滞止到初速汽流被等熵滞止到初速 等于零的状态点等于零的状态点(滞止点滞止点)1点点 喷嘴出口点喷嘴出口点1s点点 等熵膨胀状态点等熵膨胀状态点2点点 动叶出口点动叶出口点 ht*级的级的理想理想滞止焓降滞止焓降 ht 级的级的理想理想焓降焓降 hn*喷嘴中喷嘴中理想理想滞止焓降滞止焓降 hb 动叶中动叶中理想理想

13、滞止焓降滞止焓降01s2ss 喷嘴和动叶均为等熵流动的过程线喷嘴和动叶均为等熵流动的过程线012s 喷嘴有损失、动叶等熵流动的过程线喷嘴有损失、动叶等熵流动的过程线蒸汽经过一级膨胀作功时在焓熵图蒸汽经过一级膨胀作功时在焓熵图上的热力过程线如右图上的热力过程线如右图级的热力过程线级的热力过程线 B. 反动度反动度p 反动度的计算反动度的计算三、定义与计算三、定义与计算1s2s2ss0h1h2hsho厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度三、定义与计算三、定义与计算2222121221*22222212121221()()()()()khhuuwwhhccuuww 22212222122

14、1()()kwwccww 对于圆柱面基元级对于圆柱面基元级(圆周速度相等圆周速度相等)*02ssthhh02ssthhh2*00002chhh12sssbhhh12sbhhh212hhh(基元级基元级)运动反动度运动反动度u k的值可以是正数、零或负值，主要取决于的值可以是正数、零或负值，主要取决于 的值的值222122221221()()()kwwccww 2222常 数wuh厦门大学航空系厦门大学航空系根据热力反动度根据热力反动度t定义定义*btthh *bbtnbnbhhhhhh *btthh *1ntthh 得得（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）由（由（1 1）知）知代入（代入（

15、2 2）得）得根据熵焓图的热力过程线根据熵焓图的热力过程线 B. 反动度反动度三、定义与计算三、定义与计算厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度三、定义与计算三、定义与计算p 反动度的特点反动度的特点注：平均直径是动叶顶部和根部直径的平均值注：平均直径是动叶顶部和根部直径的平均值u 两种反动度的定义，各有它运用的场合，但二者在数值两种反动度的定义，各有它运用的场合，但二者在数值上差别不大。上差别不大。u 反动度是无量纲量，是基元级设计的重要参数，会影响反动度是无量纲量，是基元级设计的重要参数，会影响到速度图的形状、做功能力大小和能量转换的效率到速度图的形状、做功能力大小和能量转换的效

16、率u 热力反动度热力反动度t用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度，用来衡量蒸汽在动叶栅中的膨胀程度，t 越大，越大， hb越大，蒸汽对动叶栅的反动力越大。越大，蒸汽对动叶栅的反动力越大。u 级的反动度沿动叶高度是不同的，一般用动叶平均直径级的反动度沿动叶高度是不同的，一般用动叶平均直径截面上的理想焓降所确定的热力反动度来表示，即平均截面上的理想焓降所确定的热力反动度来表示，即平均反动度反动度m 。厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度四、应用举例四、应用举例p 按反动度的大小对汽轮机级进行分类按反动度的大小对汽轮机级进行分类（1 1）冲动级冲动级 纯冲动级纯冲动级：m0，p1=p2，w1

17、=w2(k0) 工作特点工作特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀，而只改变其流动方向。在动叶栅中不膨胀，而只改变其流动方向。做功能力大、效率低、不采用。做功能力大、效率低、不采用。 结构特点结构特点：动叶叶型对称弯曲。：动叶叶型对称弯曲。纯冲动级纯冲动级0bh* nthh厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度四、应用举例四、应用举例带反动度的冲动级带反动度的冲动级( (一般简称冲动级一般简称冲动级) )： m=0.050.2 工作特点工作特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进叶栅中进行，只有一小部分

18、在动叶栅中进行，行，产生的反动力较小，主要利用冲动力产生的反动力较小，主要利用冲动力作功作功， 结构特点结构特点：作功能力比反动级大，效：作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高，应用广泛。率比纯冲动级高，应用广泛。带反动度的冲动级带反动度的冲动级* nbhh厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度四、应用举例四、应用举例复速级复速级： 复速级是在单列冲动级基础上的一种改复速级是在单列冲动级基础上的一种改进型式，即在单列动叶后增加一列导向进型式，即在单列动叶后增加一列导向叶片和一列动叶。叶片和一列动叶。 复速级的作功能力比单列冲动级大。复速级的作功能力比单列冲动级大。 通常在级的焓降很大，

19、喷嘴出口速度很通常在级的焓降很大，喷嘴出口速度很高时采用复速级。高时采用复速级。 为了提高复速级的效率，也可将其动叶为了提高复速级的效率，也可将其动叶设计成带有一定的反动度。设计成带有一定的反动度。 当第二列动叶出口速度仍然较大时，可当第二列动叶出口速度仍然较大时，可以再增加一列导叶和动叶，构成三列速以再增加一列导叶和动叶，构成三列速度级。度级。复速级复速级厦门大学航空系厦门大学航空系（2 2）反动级反动级：m0.5， p1p2 工作特点工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。作功的力冲动力和反动力各占一半相同。作功的力冲动力和反动力各占一半 结构结构：喷嘴和

20、动叶采用的叶型相同，而且对：喷嘴和动叶采用的叶型相同，而且对称。反动级的效率高于冲动级，但整级的理想称。反动级的效率高于冲动级，但整级的理想焓降较小。焓降较小。 B. 反动度反动度四、应用举例四、应用举例反动级反动级 喷嘴和动叶叶型相同，喷嘴和动叶叶型相同， 1=2， 2=1,= c1=w2， c2=w1222122221221=0.5()() kwwccww*12bthh厦门大学航空系厦门大学航空系 B. 反动度反动度p 根据反动度计算喷嘴和动叶的出口速度根据反动度计算喷嘴和动叶的出口速度四、应用举例四、应用举例2*2chhconst能量方程能量方程应用到喷嘴进口应用到喷嘴进口(0-0截面截面) 、出口、出口(1-1截面截面)和动叶出口和动叶出口(2-2截面截面)22*0100122sscchhh22*1010102()222-sssntchhchchh（1）*112-stcch（1）22212112()2ssbwhhwhw22212sbwwhw厦门大学航空系厦门大学航空系 级的反动度是叶轮的重要的特性参数，反动度的大小是随级的反动度是叶轮的重要的特性参数，反动度的大小是随工况工况而变化的，因此，从某些方面反映了叶轮级的工作状而变化的，因此，从某些方面反映了叶