已看-第六章+涡轮

叶轮机械原理

第六章涡轮作业11：p.171,3、6、29（第六章第一次作业）3.试用热焓方程和伯努利方程分析喷嘴环和工作轮中的能量转换过程。6.决定涡轮基元级速度三角形的主要参数有哪些？29.已知燃气流过涡轮叶栅时，，，，，，，并已知燃气绝热指数，。试求：

（1）喷嘴环中直总焓的大小及其变化；（2）工作轮中的相对总焓的大小及其变化；（3）工作轮出口的相对速度；（4）工作轮进出口的绝对总焓变化；（5）喷嘴环进口至工作轮出口绝对总焓变化；（6）轮缘功；（7）运动反力度。第一节涡轮工作原理第二节涡轮基元级第三节涡轮级和多级涡轮第四节涡轮特性第五节径流式涡轮第六节涡轮新技术的发展和应用主要内容第一节涡轮工作原理第二节涡轮基元级第三节涡轮级和多级涡轮第四节涡轮特性第五节径流式涡轮第六节涡轮新技术的发展和应用主要内容涡轮是一种将工质的焓转换为机械能的旋转式动力机械，是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一第一节涡轮工作原理第一节涡轮工作原理涡轮的一般形式：静子（导向器）+转子＝一级气流冲击工作轮旋转做功工作环境特点：高温、压力梯度第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理汽轮机（SteamTurbine）Kaplanturbine（转桨式水轮机）Peltonturbine（水戽式水轮机）第一节涡轮工作原理水轮机（HydraulicTurbine）第一节涡轮工作原理风力涡轮（风车，WindTurbine）第一节涡轮工作原理燃气涡轮（GasTurbine）第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠HPTurbineLPTurbineGasTurbine第一节涡轮工作原理燃气涡轮：HPT&LPTPowerTurbine(FreeTurbine)GasTurbine第一节涡轮工作原理动力涡轮（PowerTurbine）第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理径流式涡轮第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理非冷却式和冷却式涡轮叶片第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理单级涡轮和多级涡轮军用发动机的单级高低压涡轮民用发动机的多级高低压涡轮第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理常规与对转涡轮第一节涡轮工作原理常用的涡轮分类根据工质不同蒸汽轮机、水轮机、风车、燃气轮机根据驱动对象燃气涡轮（高压和低压）和动力涡轮根据出口速度亚音涡轮和超音涡轮根据流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数单级涡轮和多级涡轮根据气动布局常规涡轮和对转涡轮根据结构形式带冠和不带冠第一节涡轮工作原理带冠与不带冠第一节涡轮工作原理第二节涡轮基元级第三节涡轮级和多级涡轮第四节涡轮特性第五节径流式涡轮第六节涡轮新技术的发展和应用主要内容第二节涡轮基元级基元级第二节涡轮基元级涡轮基元的作用导叶的作用：膨胀加速＋导向动叶的作用：做功＋膨胀＋导向涡轮压气机叶栅通道形状的差异哪是压力面？第二节涡轮基元级气流通过涡轮基元级膨胀作功原理气体通过涡轮工作轮以后，动能和静焓都下降了。根据能量方程，在与外界绝热的条件下，气体对外所作的功等于静焓降和动能降之和，或等于总焓降从气流在工作轮叶栅中作相对运动的角度看，气体静焓降是由于相对运动速度增加以及在旋转坐标系中气流所处半径变化而改变的能量，可用下式表示：代入上式，可得第二节涡轮基元级气流通过涡轮基元级速度的变化燃气通过涡轮基元级膨胀作功，燃气的总温和总压都降低导向器：导向、膨胀导向器通道呈收敛形，气流膨胀加速（增大转子作功能力），气体静压p、静温T、静焓h相应降低。气流在导向器出口处的速度v接近声速，有时甚至略超过声速。速度v具有很大的切线方向分速度。由于涡轮的工作轮前缘以切线速度u1运动着，因此气流相对于工作轮前缘的运动速度为w1。012T0T1T2p0p1p2c0v1v2第二节涡轮基元级气流通过涡轮基元级速度的变化工作轮：出功、膨胀、导向气流在其中继续膨胀加速，气体静压p、静温T、静焓h进一步降低气流通过工作轮叶栅改变流动方向由于涡轮工作轮叶栅是收敛通道，气流在其中减压加速，不易产生分离，因此与压气机工作轮叶栅相比，涡轮工作轮叶栅可以有大得多的气流转折角Δβ，可以达到90～100°相对速度w2大于进口相对速度w1，绝对速度v2却小于工作轮进口绝对速度v1012T0T1T2p0p1p2c0v1v2第二节涡轮基元级涡轮基元级速度三角形第二节涡轮基元级涡轮基元级速度三角形决定涡轮基元级速度三角形的主要参数v1ua1v2uuv1a/v2a第二节涡轮基元级涡轮基元级反力度冲击式（冲动式、冲力式）u1＝u2v1a＝v2a

运动反力度

Ω＝0v1u-v2u＝2u，v1u－u＝u＋v2u，即w1u＝w2u动叶特征：进出口形状对称,气体流经动叶只拐弯不膨胀；膨胀比高、效率低C2uC2auw2uw1u第二节涡轮基元级涡轮基元级反力度反击式（反动式、反力式）u1＝u2v1a＝v2a

运动反力度

C2uC2aΩ＝0.5:c1u＝u＋c2u＝w2uc1和w2大致对称。w1u=c2u反力度大于零的涡轮称为：反力式涡轮。航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4第二节涡轮基元级负荷系数（能头系数、温降系数）物理意义：涡轮级的做功能力。负荷系数大，做功能力强，典型数值范围1.4-1.7。给定轮缘功时，可以根据无量纲参数HT、ΩT、v1a/v2a和静叶出口气流角

1，确定速度三角形或第二节涡轮基元级流量系数与基元级流通能力和叶片形状有关。在一定圆周速度下，流量系数大标志着气流轴向分速大，叶片高度减小Smith图效率第二节涡轮基元级涡轮基元中的流动等熵马赫数不同等熵Ma数的流道特征1.2<Ma2<1.4Ma2≤1.2第二节涡轮基元级涡轮基元中的流动第二节涡轮基元级涡轮基元中的流动反压降低第二节涡轮基元级涡轮基元中的流动反压继续降低第二节涡轮基元级涡轮基元中的流动反压继续降低原生膨胀波内尾波外尾波尾缘脱离激波内尾波反射波反射膨胀波原生激波第二节涡轮基元级叶型损失边界层内的摩擦损失和分离损失第二节涡轮基元级叶型损失边界层内的摩擦损失和分离损失尾迹损失及尾迹和主流的掺混损失第二节涡轮基元级叶型损失边界层内的摩擦损失和分离损失尾迹损失及尾迹和主流的掺混损失波阻损失压气机与涡轮的区别？第二节涡轮基元级叶型损失包括动能损失和再生热重热现象：再生热在后面级涡轮中的再利用第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响相对尾缘半径的影响第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响相对尾缘半径的影响Ma数的影响Ma~1.0Ma~1.1-1.2损失系数随设计马赫数的变化出口马赫数损失系数第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响相对尾缘半径的影响Ma数的影响Re数的影响第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响相对尾缘半径的影响Ma数的影响Re数的影响湍流度的影响第二节涡轮基元级影响损失的因素相对前缘半径的影响相对尾缘半径的影响Ma数的影响Re数的影响湍流度的影响攻角的影响作业12：p.171,13、p.172,31、3213.涡轮基元级的流动损失是由哪几部分组成？它与压气机基元级的是否完全一样？31.某台发动机转速n=11150r/min，第一级涡轮平均直径Dm=543mm。在叶中截面处，动叶基元进出口绝对速度V1=491m/s，α1=25.5°。求动叶基元进口相对速度W1的大小和方向。32.某涡轮级的轮缘功Lu=250kJ/kg，且中径处的下列参数为已知：α1=28°，负荷系数1.5，反力度为0.3，V1a/V2a=1，试画出该中径上的速度三角形。第一节涡轮工作原理第二节涡轮基元级第三节涡轮级和多级涡轮第四节涡轮特性第五节径流式涡轮第六节涡轮新技术的发展和应用主要内容将叶高不同半径上的基元级叠加起来

涡轮级将几个级串联起来

多级涡轮第三节涡轮级和多级涡轮第三节涡轮级和多级涡轮涡轮级的扭向规律简单径向平衡方程涡轮级设计中常用的扭向规律等环量扭向规律等a1角扭向规律通用扭向规律可控涡扭向规律机械能形式的能量方程C2uC2a半径↑，c1u、c2u↓,c1a、c2a不变

1和1↑，

2↓与压气机的区别？第三节涡轮级和多级涡轮等环量扭向规律第三节涡轮级和多级涡轮等环量扭向规律优点：流动无旋，va分布均匀，效率较高，而且计算简便，与实测数据比较一致缺点：反力度沿叶高变化剧烈，根部可能出现反力度过小C2uC2a半径↑，c1u、c1a↓动叶：Lu沿径向不变的条件优点：静叶基本上是直叶片，便于加工，而且便于做成空心叶片，进行内部冷却。承力支杆。改善反力度和静叶出口马赫数等参数的分布第三节涡轮级和多级涡轮等a1扭向规律为导叶特征而采用的扭向规律m=1，等环量扭向规律m=cos2a1，等a1扭向规律cos2a1<=m<=1，中间规律0<m<cos2a1，(小轮毂比)第三节涡轮级和多级涡轮通用扭向规律规定环量（或控制旋涡）沿叶片高度按一定规律变化，以获得反力度沿叶高较缓慢变化的长叶片设计方法。运用能反映变功、变熵和流线曲率等因素对流场影响的三维流场计算方法第三节涡轮级和多级涡轮可控涡扭向规律可控涡扭向规律优点：缺点：反力度沿叶高分布均匀，根部反力度提高，尖部反力度降低减弱静叶叶片表面边界层内潜移现象，避免了过多的附面层在根部的堆积，降低叶栅根部的能量损失多级涡轮可控涡设计中，增大动叶出口环量的设计改善动叶根部流动状态，减小顶部径向间隙漏气量；静叶根部出马赫数和动叶顶部出口马赫数相应减小反力度均匀化增大涡轮作功能力,但涡轮动叶出口的绝对气流角会偏离轴向较远（可达30°），出口级需加一排静叶将气流拐为轴向。第三节涡轮级和多级涡轮来流边界层横向流动端壁通道涡马蹄涡第三节涡轮级和多级涡轮级的流动损失叶型损失环面边界层引起的摩擦和涡损失第三节涡轮级和多级涡轮级的流动损失叶型损失环面边界层引起的摩擦和涡损失潜流损失、漏气损失第三节涡轮级和多级涡轮级的流动损失叶型损失环面边界层引起的摩擦和涡损失潜流损失、漏气损失冷气掺混损失直叶片倾斜弯叶片三维造型对负荷分布的影响本质上都是控制负荷的三维分布，最终达到控制二次流、叶片表面边界层等流动的目的端壁的控制第三节涡轮级和多级涡轮降低二次流损失方案叶尖带冠叶尖冷气射流叶尖负荷的影响机匣形状的影响叶尖形状的影响第三节涡轮级和多级涡轮降低泄漏损失方案涡轮效率和涡轮功率总绝热效率单级涡轮的效率范围：0.88-0.91涡轮功总功率

δse——二次流动损失系数第三节涡轮级和多级涡轮第三节涡轮级和多级涡轮为什么采用多级涡轮单级功率不够受到马赫数的限制，轴流式压气机圆周速度较低。如采用单级涡轮，则需加大圆周速度，可能造成涡轮的直径过，增大发动机迎风面积增大涡轮的最大尺寸受到限制或者需要保证一定的效率时多级涡轮的优点级数多，每级焓降较小，工作时圆周速度不高，涡轮的安全性好，寿命长级焓降减少，变工况性能也较好多级涡轮中，上一级的损失会引起下一级温度的升高，使各级理想焓降之和大于整个涡轮的理想焓降，这个现象称为重热现象多级涡轮滞止绝热效率范围：0.91-0.94第三节涡轮级和多级涡轮流动损失：绝热功：

多变功：轮缘功：假设各级的效率相等：

第三节涡轮级和多级涡轮多级涡轮的绝热效率高压涡轮低压涡轮第三节涡轮级和多级涡轮多级涡轮的绝热效率第一节涡轮工作原理第二节涡轮基元级第三节涡轮级和多级涡轮第四节涡轮特性第五节径流式涡轮第六节涡轮新技术的发展和应用主要内容第四节涡轮特性什么是涡轮特性按设计工况确定涡轮的几何参数涡轮常需要在非设计工况下工作涡轮特性是涡轮在设计和非设计工况下的性能

第四节涡轮特性涡轮的非设计工作状态涡轮常常是在与设计状态不同的工作状态下工作，称为非设计工作状态涡轮转速、涡轮前燃气总温、总压和涡轮后反压决定涡轮工作状态的参数涡轮的性能参数涡轮功LT效率流量Gg很多情况下涡轮（导向器）的流量通过能力决定了整个发动机的流量压气机和涡轮共同工作线第四节涡轮特性涡轮的相似准数满足几何、运动、动力相似Re>3.5～4.0X104相似准则（相似准数）：流量相似准数转速相似准数性能参数：第四节涡轮特性（下标3表示涡轮前燃气参数）静叶超临界工作时的涡轮相似准数第四节涡轮特性寻找新的相似条件来代替，以保持整个涡轮的流动相似涡轮相似准数为（，）涡轮通用特性曲线静叶喉部形成了阻塞状态虽然静叶进口马赫数保持不变，但出口马赫数大