叶轮机械原理-演示文稿(1).ppt

1、西安交通大学 能源与动力工程学院 动力机械及工程系 王新军,热力叶轮机械原理 Principle of Thermal Turbomachinery,1.6 叶栅气流特性,实际流动导致汽流在叶栅通道内的流动有损失：, 损失的大小是通过速度系数 和 来体现的；, 和 是表示粘性力对理想流动的影响， 是一个总体影响的表征；, 没有深入说明流动损失产生的原因、影响损失 的因素以及损失产生的物理本质。, 叶型 型线 叶型中线 叶型前缘点 叶型后缘点 叶型弦长 弯曲角 出口边厚度 等截面叶片 变截面叶片,1）叶栅/叶片的几何参数,一、叶栅的型式及几何参数, 叶片的截面形状。, 叶型周线（轮廓线）。, 叶

2、型内各内切圆圆心的轨迹线。, 叶型中线的前端点。, 叶型中线的后端点。, 叶型前缘点与后缘点间的距离。, 叶型中线两端点处切线的夹角。, 叶型尾部出汽边的厚度。, 叶片型线沿叶高不变的叶片。, 叶片型线沿叶高变化的叶片。, 叶栅平均直径： 叶片高度: 相对叶高: 叶栅节距: 相对节距: 叶片安装角: 叶片的进口几何角: 叶片的出口几何角: 叶栅宽度: 叶栅进、中间、出口通道的宽度:,叶片弦长、叶高、型线 平均直径、节距、安装角,叶片中间截面的直径。,叶片通流部分高度。 叶高与弦长的比值。,叶栅中相邻两叶片对应点的距离。 节距与弦长的比值。,叶型弦线与叶栅额线的夹角。,叶型中线前端点切线与额线的

3、夹角。 叶型中线后端点切线与额线的夹角。,叶栅前、后回转面间的距离。,三处内切圆的直径。, 确定了叶片的大小、形状 确定了叶片的相对位置,2）气动参数,表示方向： 气流进、出汽角（ ） 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。, 冲角（攻角） 叶栅进口几何角与气流角的差值。,喷管：,动叶：,表示大小：, 气流速度： 叶栅进、出口的气流绝对速度 或相对气流速度 。, 气流马赫数：, 气流雷诺数： （ ）, 速比： （ ）,二、叶栅损失及叶栅实验,1）叶栅能量损失的构成, 型面损失：,叶型表面上产生的损失, 端部损失：,叶栅通道上、下两端面处产生的损失, 冲波损失：,在近音速和超音速气流中产生的波损

4、,2）叶栅能量损失的衡量（两种方法 ）：, 叶栅能量损失系数：, 叶栅速度系数：,能量损失系数与速度系数的互相转换：,图1.29 平面叶栅风洞实验台示意图,3）叶栅试验,试验叶栅,测点,测 点,网 格,加速段,实验内容:, 叶型表面压力分布, 叶栅出口截面各点的速度, 叶栅出口气流的实际方向,目的：分析叶栅中损失产生的位置和原因， 确定改进叶型几何结构，减少流动损失， 提高叶栅流动效率。,目的：确定气流流线上的速度大小及流动损失， 获得叶栅通道内的叶栅各项损失和总损失。,目的：确定气流出口角度随各参数的变化规律。,三、压力分布曲线,横坐标：叶型表面各测点的相对位置,纵坐标：叶型表面压力系数,静

5、叶：,动叶：,(a) 膨胀式叶栅压力分布曲线, 理想情况下（如虚线所示）： 驻点：速度为零，压力系数：, 离开驻点：压力沿叶栅的背面和腹面均匀下降， 出口压力系数： ;速度逐渐增大。, 实际情况下（如实线所示）：,驻点：压力系数,背弧压力系数： 快速下降； 缓慢变化； 快速下降至过度； 恢复至,图1.30 冲击式叶栅的压力分布曲线,图1.31 冲击式叶栅表面的压力分布图, 叶型表面压力矢量图,说明： 叶片背面至腹面的两相应点之间， 存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源； 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。,四、型面损失和冲波损失, 型面损失：叶型表面附近产生的损失。, 叶型表面边

6、界层中的摩擦损失；, 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失；, 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。, 叶型表面边界层中的摩擦损失,原因：粘性摩擦阻力,位置：整个叶片表面附近, 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失；,原因：扩压流动，边界层脱离壁面，形成涡流。,位置：扩压段区域，主要在叶型背面接近出口边处。, 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。,原因：叶片出口边两股气流汇合，形成旋涡。,位置：叶栅出口后的一段区域, 冲波损失：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。,位置：激波产生的区域,原因：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。, 型面损失的影响因素,叶 几 栅 何 主 参 要 数,气 特 流 性,加工工

7、艺：, 叶栅类型（膨胀式/冲动式叶栅）, 叶型进、出口几何角（ ）, 节距 （相对节距 ）, 安装角（ ）, 叶片出口边厚度（ ）, , 气流马赫数 M、气流雷诺数 Re, 气流进口角 (攻角 ), 气流湍流度, , 叶型表面加工的粗糙度,图1.34 膨胀式叶栅压力分布曲线及损失系数,主要影响型面损失的因素：, 当进口汽流角在 范围变化时， 压力分布变化不大，对型面损失的影响较小。, 当进口汽流角下降到45时，扩压段增大，型面损失增大。, 叶型进口气流角度 /攻角 的影响, 叶栅相对节距 对型面损失的影响, 当 时，流量增大；背弧扩压段增大；边界层增厚， 甚至脱离；型面损失系数增大。, 当 时

8、，背弧扩压段减小，边界层中的损失减小； 边界层及尾迹区在叶栅通道比例增大，型面损失系数增大。,图1.36 马赫数对叶型损失系数的影响, 气流马赫数M 对型面损失的影响, 在 下，叶栅通道内局部发生超音速，产生冲波 损失；且冲波可能导致边界层脱离，使尾迹区损失增大。, 随马赫数着的进一步增大，激波后压力高于叶栅出口压力， 可以改善背弧出口边附近的流动，总损失也随之下降。,五、端部次流损失,1）端部损失产生的原因和位置, 叶栅通道的四个组成表面：, 叶栅通道上、下两端面边界层中的摩擦损失, 叶栅通道上、下两端部产生的涡流损失（次流损失）。, 端部损失：叶栅通道上、下两端面处产生的能量损失。,原因：

9、汽流在叶栅通道上、下两端面形成边界层。 由于粘性摩擦而产生能量损失。,位置：叶栅通道的上、下两个端面附近。,原因：叶栅上、下两端形成的两个旋涡区， 引起可观的能量损失次流损失。,位置：叶栅通道的上、下两个端部涡流区域。,(a) 双旋涡示意图 (b) 边界层和压力分布示意图 1-内弧； 2-背弧； 3-压力图； 4-边界层增厚区； 5-双旋涡 图1.37 叶栅中的次流图谱,叶型损失,二次流损失,图1.37 叶栅中二次流示意图,二次流损失：模型1,二次流损失：模型2,二次流损失：模型3,二次流损失：模型4,2）端部损失的计算,叶栅损失系数 = 型面（含冲波）损失系数 + 端部损失系数,叶高平均 损

10、失系数,叶高平均 端部损失 系 数,叶栅速度系数： （喷管） （动叶）,3）端部二次流损失的主要影响因素, 相对叶高 对端部损失的影响,当,当,当,：上、下两个端部旋涡正好汇合；,：端部二次流结构不会发生任何变化。 端部损失的绝对值保持不变。 端部损失系数平均值反比于叶高。,：上、下两个旋涡互相重叠、干扰和强化。 端部损失绝对值和平均值都增大。 端部损失系数随叶高减小急剧增大。, 叶栅型式对端部损失的影响,结论：膨胀式叶栅的端部损失 冲动式叶栅的端部损失,原因： 冲动式叶栅的转角和厚度较大， 汽流产生的离心力强， 使叶型腹面压力远大于背面压力， 造成强烈的二次流，涡流损失大。, 冲动式叶栅出口

11、扩压段大， 边界层厚度增大，汽流分离情况严重， 相应的能量损失也大。,六、叶栅出口气流角 （ ）,主要影响因素：, 叶栅相对节距 对出口气流角的影响, 叶型安装角 （ ）对出口气流角的影响,结论：叶型安装角 出口汽流角正比增大, 马赫数 M 出口气流角的影响,结论： 在MMcr时，M 出口汽流角,结论：相对节距 出口汽流角 （ ）,七、环形叶栅及其损失,1）环形叶栅的特点及损失, 环形叶栅的相对节距 不是一个常数， 而是随半径成正比的增大。, 带来额外流动损失, 环形叶栅中汽流的运动轨迹是螺旋形运动, 带来额外流动损失,环形损失：环形叶栅中产生的额外损失（损失增加部分）,2）环形损失的计算,经

12、验公式：,说明：当径高比 时， 在总损失系数中所占比例很小，可以忽略； 当径高比 时， 在总损失系数中所占比例大， 应考虑环形损失的影响。,1.7 叶栅试验数据的应用,一、试验数据的表达方式, 平面叶栅空气动力特性指标与影响因素, 型面损失 端部损失 出口汽流角,特 性 指 标,影 响 因 素, 叶栅相对节距 叶栅相对叶高 安装角, 叶栅试验数据表达方法1 （三幅主曲线图 + 二幅修正曲线图）,主 曲 线 图, 叶栅出口汽流角曲线图：, 叶栅型面损失系数曲线图：, 叶栅端部损失系数曲线图：,辅 助 曲 线, 叶栅出口汽流马赫数M 对损失系数的修正曲线, 叶栅进口汽流角（攻角）对损失系数的修正曲

13、线, 叶栅试验数据表达方法2 （二幅主曲线图 + 三幅修正曲线图）,主 曲 线 图, 叶栅出口汽流角曲线图：, 叶栅总损失系数曲线图：,辅 助 曲 线, 叶栅出口汽流马赫数 对 损失系数的修正曲线：, 叶栅进口汽流角（攻角） 对损失系数的修正曲线：, 叶栅相对节距对损失系数的修正曲线：,图1.40 国产HQ叶型及动力特性曲线,HQ-1（动叶）,HQ-2（静叶）,图1.41 原苏联的叶型及动力特性曲线,P-3021A型（动叶）,C-9012A型（静叶）,二、试验数据的应用, 选择喷管叶栅和动叶栅的型式，并确定两个叶栅 的叶片高度；, 透平级的热力计算（包括：级速度三角形计算、 轮周功率和轮周效率

14、等的计算）。,两方面工作：,计算特点： 叶栅型式选择受到 级气动参数 的影响； 热力计算 又需要叶栅的 特性试验曲线； 整个热力设计过程是一个迭代过程。,1）透平级的热力设计参数,直接给定 的参数,选 定 的参数, 透平级的进口蒸汽状态参数：, 透平级的出口压力：, 透平级的转速：, 透平级的流量或功率：, 透平级的反动度：, 透平级的速比：, 喷管出口汽流角度：, 动叶出口汽流角度：,计算确定的参数：, 气动参数：速度三角形； 轮周功率和轮周效率计算； 内功率和内效率等的计算。, 几何参数：喷管和动叶的叶型； 透平级的平均直径； 喷管和动叶的叶片高度； 部分进汽度 ,2）透平级的热力设计过程

15、（初步计算迭代计算）,初步计算：, 初步选取喷管叶栅和动叶叶栅的速度系数, 确定喷管出口汽流速度c1, 确定级的平均直径dm, 透平级速度三角形计算,确定： （进口速度三角形） （出口速度三角形）, 初步确定喷管叶栅通流面积、叶片高度和部分进汽度,喷管叶栅通流面积：,喷管叶栅所占弧段长度与级平均直径处圆周长度的比值,部分进汽度：,叶片高度：, 初步确定动叶栅通流面积和动叶栅高度,动叶栅通流面积：,动叶叶高：, 确定透平级的超高, 超高： 1.5 4.0 mm, 如果: 1.5 4.0 mm，,则需要重新选择反动度 ； 从开始重新计算直到满足。, 选择喷管叶栅和动叶栅型式，并初步确定喷管叶栅和 动叶栅的相对节距、安装角,根据初步计算 的气动参数, 选择合适的喷管叶栅和动叶栅,根据叶栅特性 试验曲线及数据, 初步确定喷管/动叶叶栅的相对节距,根据汽流角度 和相对节距, 在叶型特性曲线 查出 和 。, 初步确定叶栅内的流动损失系数和速度系数,根据初步计算的叶高 确定的相对节距 查出的安装角, 在叶栅特性曲线分别查出： 型面损失系数： 端部损失系数：, 喷管能量损失系数： 动叶能量损失系数：, 喷管速度系数： 动叶速度系数：, 将得到的速度系数与前面