透平机械结构和强度计算第1章
透平教学
SZ36-1 CEP
19
SZ36-1CEP(培训）
机械设备—透平
SZ36-1 CEP
1
简单介绍（SOLAR TURBINES）
透平是TURBINE的音译，也就是涡轮机的 意思。SZ36-1CEP使用的透平发电机组是由 美国Caterpillar公司的子公司索拉公司生 产 的 SOLAR TURBINES ， 型 号 是 MARS100— 15000 ， 额 定 电 压 6300V ， 额 定 输 出 功 率 10690KW ，频率 50HZ 。美国 SOLAR 公司生产 的都是以小功率的为主的发电机组，名字 是以行星取名，主要有火星（ Mars ）系列 ；土星（ Saturn ）系列；金牛（ Taurus ） 系列；半人马（Centaur）系列等，最大功 率是旅大油田即将使用大力神（ Titan) 系 列，功率大约为14250KW。
从动力涡轮单元出来的热气流，经过排气扩压管、膨胀 节和消音器之后，直接排入大气。排气温度在470～ 490℃左右，最大排气量在15 000 kg/h ～17 000 kg/h之间 。这些高温废气进入废热回收装置用来加热废热系统中的 盘管里面的导热油，热油循环泵为油的流动提供动力，从 而为整个平台提供热源。 18 SZ36-1 CEP
燃烧室组件（图例）
热 点 偶
喷 嘴 空气管汇 燃油管汇
SZ36-1 CEP
燃 气 管 汇
16
2.4
涡轮组件
涡轮组件包括筒形涡轮外壳、涡轮转子、定子 、喷嘴、涡轮叶片等。涡轮壳体的前部与燃烧 室壳体的尾部通过法兰连接，涡轮喷嘴安装在 涡轮壳体内。涡轮的转子有四级，前两级为高 压涡轮与透平压气机共轴，和燃烧室一起组成 燃气发生器。后两级涡轮为动力涡轮，用变速 齿轮箱与发电机联接。
燃气轮机教学课件12-透平1
一、二级间轮盘 二、三级间轮盘
一级轮盘 二级轮盘 三级轮盘
转子采用外围拉杆结构，共12根拉杆螺栓。
透平冷却
采用从压气机中抽气来冷却的方法。
分为两部分：
转子和静子的冷却 叶片冷却
根据冷却部位所需压力的高低，
冷却空气自压气机的不同级处引来。 冷却空气量： 约占压气机进口空气流量的10%以上。
静叶栅(0-1)
减 静
压 止
增 喷
管 速
气体与外界无功的交换
0
1 0
dp
1 2
(c02
c12 )
Lr1
c1>c0 p0>p1
1
2
(c12
c02
)
1 dpБайду номын сангаас
0 - Lr1
1 2
(c12
c22 )
(c2c0)
绝对动能 压能
冲动力做功
c12
c02 2
i0
i1
动叶栅
减压增速 转动喷管
且气流方向改变、转折 较大，2>>1 ；
那么气流以绝对速度c2 流出动叶栅，与叶栅额 线的夹角为2。
c2 w22 u22 2w2u2 cos 2
一般1=14~20°
u 动叶
c2 w2 u
sin 2
w2
sin c2
2
基元级的速度三角形
进出口速度三角形画在一起。 注意：
①一般轴向分速度不相等，c2z c1z ；
亚声速气流
画法:
(1)静叶在前,动叶在后
1
标注三个特征截面
(2) 叶片间通道截面渐缩
(3)叶片运动方向
2
叶腹→叶背
《透平机械测试技术》 第1、2章作业
《透平机械测试技术》第1、2章作业 一、 等精度条件下，测量某透平机械的转速、扭矩，其数据排列如下：1 2 3 4 5 6 7 n(min r )2999.94 2999.97 2999.99 3000.00 3000.02 3000.03 3000.05 T(m KN ∙) 954.75 954.75 954.78 954.80 954.82 954.84 954.86 求其功率值。
（已知30n T P π= KW ） 二、 精度为1.0级，量程为0－2000min r 的转速表测转速，请计算出指针示值为200min r 与1500minr 时可能出现的最大相对误差和绝对误差。
三、 火箭射程为2000km ，其射程偏离预定点不超过1km 。
而优秀射手能在距离50m 远处准确击中直径为2cm 的靶心，试评述两者射击的准确度。
四、 标准误差σ值的大小对其正态分布有什么影响？如图（a ）、（b ）、（c ）、（d ）为打靶结果，子弹落在靶子上的几种情况与测量精度相对应。
请用正态分布示意图表示各打靶图所显示的误差。
（a ） （b ） （c ） （d ）五、 某一阶压力测试系统的时间常数为0.5s ，如果阶跃压力从25MPa 降到5MPa ，试求2倍时间常数的压力和2s 后的压力。
并画出系统响应的示意图。
六、 某二阶测试系统，已知其固有频率为f ＝10KHz ，阻尼比ξ＝0.6，如果要求其幅值误差小于5％（()ωA ＝0.95），问其可测频率范围为多少？并画出系统响应的示意图。
设K=1。
七、 预测量消耗在负载电阻R 中的电功率P 的系统误差。
现已测得电流I ＝10.0±1％（A ），电压U ＝100.0±1％（V ），R ＝10.0±1％（Ω）。
请在IU P =，R I P 2=，R U P 2=三种方法中选择最佳测量方案，并对本例的各方案做出评述。
八、 制作传感器使用的敏感元件应满足的条件是什么？显示装置接受的标准信号有哪些？九、 描述测量系统的静态性能指标主要有哪些？温度漂移对测量系统静态特性的主要影响是什么？十、 测量系统的动态特性可从哪两个方面来分析? 工程上常采用什么方法进行分析？二阶测量系统动态响应的形式取决于哪些参数？十一、 书1、2章所有例题。
透平机械简介
第二部分： 透平机械分类
A、汽轮机的工质是蒸汽，具有热能。蒸汽来自燃 用矿物燃料的锅炉，或是来自核动力装置加热的蒸汽发 生器。它们产生的高温高压蒸汽以高速度经喷管送到蒸 汽透平，驱动转子旋转，输出动力。汽轮机主要用于火 力发电厂，驱动发电机发电；也用于远洋大型船舶和潜 水艇作为主机驱动螺旋桨，推进船舶。
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
轴流式压气机的空气流量为几公斤每秒到二百公斤每 秒，单级增压比一般约为1.1～2.0，效率约为0.85～ 0.88。多级轴流式压气机的增压比可达25以上。
轴流式压气机的面积小，增压比和效率都高，已广泛 用于燃气涡轮发动机中。
三、压缩机叶片的振动
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
还有一种燃气透平机用于火箭发动机，它作为压送火 箭推进剂（燃料和氧化剂）的输送泵的动力，由一个气 体发生器利用化学作用产生所需要的高温气体，吹动透 平旋转，带动输送泵运转。
另外，还有以压缩空气为工质推动透平旋转的，只能 作为微小动力用，这种透平称为空气透平。
第二部分： 透平机械分类
第二部分： 透平机械分类
按气体流动方向的不同，透平压缩机主要分为
轴流式 和 离心式 两类。
在轴流压缩机中，气体近似地沿轴向流动。 在离心压缩机中，气体主要沿径向流动。
透平机及工作原理
透平机及工作原理引言概述：透平机是一种常见的工程机械，广泛应用于发电厂、石油化工等领域。
它的工作原理是通过旋转的叶片将流体能转化为机械能。
本文将详细介绍透平机的工作原理，包括透平机的构造、工作过程以及其应用领域。
一、透平机的构造1.1 轴流透平机轴流透平机由进口导叶、转子、出口导叶等组成。
进口导叶用于引导流体进入转子，转子上安装有多个叶片，流体在叶片上产生压力变化，然后流经出口导叶排出。
轴流透平机的构造紧凑，适用于流量较大的场合。
1.2 径流透平机径流透平机由进口导叶、转子、出口导叶等组成。
进口导叶用于引导流体进入转子，转子上安装有多个叶片，流体在叶片上产生压力变化，然后流经出口导叶排出。
径流透平机的构造简单，适用于流量较小的场合。
1.3 混流透平机混流透平机结合了轴流透平机和径流透平机的特点，具有较高的效率和较小的体积。
它的构造包括进口导叶、转子、出口导叶等部分，流体在转子叶片上产生压力变化后排出。
二、透平机的工作过程2.1 进气过程在透平机工作开始时，流体通过进口导叶进入透平机。
进口导叶的角度和叶片的形状可以调节流体的流速和流量，以实现最佳的工作效果。
2.2 压缩过程流体进入转子后，受到叶片的旋转作用，流体的动能被转化为压力能。
叶片的形状和排列方式决定了流体的压缩程度。
2.3 排气过程经过压缩后的流体通过出口导叶排出透平机。
出口导叶的角度和叶片的形状可以调节流体的排气速度和方向，以实现最佳的排气效果。
三、透平机的应用领域3.1 发电厂透平机广泛应用于发电厂的汽轮机中。
透平机将燃气能转化为机械能，驱动发电机发电。
3.2 石油化工透平机在石油化工领域中用于压缩气体、提取石油等工艺过程。
它的高效率和可靠性使其成为石油化工设备中不可或缺的一部分。
3.3 航空航天透平机在航空航天领域中用于喷气发动机、涡轮增压器等设备中。
它的高性能和轻量化特点使得飞机和火箭等交通工具能够获得更强的动力。
四、透平机的优势4.1 高效率透平机能够将流体能转化为机械能的效率较高，可以充分利用能源。
透平机械结构和强度计算第1章
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1
8、枞树型叶根
叶片结构
(9)
1.1.2 叶根部分
广泛地应用于燃气轮机的透平叶片上，大功率蒸汽轮机的 长叶片上。 优点：枞树型叶根由轴向装入单独的叶根槽中，所以拆装方便； 由于叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载截面都 接近等强度。在同样的尺寸下，承载能力最高。 在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一边有间隙，燃气轮机 可以利用此间隙进行空气冷却；同时，松动配合的叶片可以自 动定心；间隙的存在，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀以 减少热应力。
(4)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 优点：结构简单，加工装配方便，工作可靠，短叶片中普遍采用 缺点：叶片离心力对轮缘两侧 产生弯矩，使轮缘有张 开的趋势，容易引起较 大的弯曲应力。
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(5)
1.1.2 叶根部分
C Vj Rj Fj ( x)xRj
2 2
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
6 V 5 IV III 3 2 1 j i II I F
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
叶片强度计算--拉应力
x
Ci
sj
F i+1
-1）
孙 涛 叶轮机械及流体工程研究所
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 等截面叶片底部截面的拉应力是 C （1-2） 2
(3)
透平叶片强度设计
透平叶片强度设计引言：透平叶片是透平机械中非常重要的组成部分，其强度设计对于透平机械的可靠性和安全性至关重要。
本文将围绕透平叶片强度设计展开讨论，并介绍一些常用的设计方法和注意事项。
一、透平叶片的作用和要求透平叶片是透平机械中承载气流动能的关键部件，其主要作用是将气流的动能转化为机械能，驱动透平机械的运转。
因此，透平叶片在工作过程中需要承受高温、高速的气流冲击和离心力的作用，要求具备较高的强度、刚度和耐磨性。
二、透平叶片的强度设计方法1. 强度计算方法：透平叶片的强度计算通常采用有限元分析方法，通过建立透平叶片的有限元模型，模拟叶片在工作条件下的受力情况，并计算叶片的应力和变形。
这种方法可以较为准确地预测叶片的强度和刚度，并进行合理的优化设计。
2. 材料选择：透平叶片的材料选择对于强度设计至关重要。
常用的透平叶片材料有高温合金、镍基合金等，这些材料具有较高的抗热、抗氧化和耐腐蚀性能，能够满足透平叶片在高温、高速工作环境下的要求。
3. 结构优化：为了提高透平叶片的强度，可以通过结构优化来改善叶片的受力分布和应力集中情况。
例如，采用曲线等厚度设计方法可以减少叶片的应力集中现象，提高叶片的强度和寿命。
三、透平叶片强度设计的注意事项1. 温度效应：透平叶片在高温工作环境下，会受到温度效应的影响，导致叶片的热膨胀和变形。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到温度效应对叶片强度的影响，并进行相应的校正。
2. 动态载荷：透平叶片在工作过程中，会受到气流的动态载荷作用，如气流的冲击和振动等。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到动态载荷对叶片的影响，并通过合理的设计和材料选择来提高叶片的抗冲击和抗振动能力。
3. 疲劳寿命：透平叶片在长期工作过程中，会受到气流的循环载荷作用，容易出现疲劳破坏。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到叶片的疲劳寿命，并进行相应的疲劳强度校核和寿命预测。
4. 制造工艺：透平叶片的制造工艺对于叶片的强度和质量也具有重要的影响。
第一章：叶片结构和强度计算
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
1-1 叶片结构——叶根部分
除以上三种叶根之外，还有外包型叶根（菌形叶根） 和燕尾形叶根等。
透平强度与振动
哈尔滨工业大学能源学院强度振动实验室 主讲人：张广辉
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
第一章 叶片结构和强度计算
1. 叶片结构 2. 叶片强度计算 3. 叶片截面的几何特性 4. 叶根和轮缘的强度计算 5. 叶片的高温蠕变 6. 叶片材料和强度校核
1-1 叶片结构——叶根部分
T形叶根的安装 圆周向装配式叶根
窗口：长度略大于叶 片节距，宽度比叶根 宽0.02～0.05mm
封口叶片 缺点：叶片损坏时增加拆卸工作量
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
1-1 叶片结构——叶根部分
叉形叶根
避免了T型叶根使轮 缘两侧张开引起的应力，强 度适应性好，随叶片离心力 增大，叉数可以增多，但是 装配比较费时，通常在整锻 转子和焊接转子上不使用。 中长叶片较多采用。
1-1 叶2、叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载面都接
近于等强度，在相同尺寸下，枞树形叶根承载能力强。 3、在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一变有间隙，可利
此间隙进行空冷；同时松动配合叶片可以自动定心；间隙存在 允许叶根和轮缘在受热后膨胀，减小热应力。 缺点：
1-1 叶片结构
LABORATORY OF INTENSITY AND VIBRATION HIT
《透平机械原理》课程学习辅导材料
《透平机械原理》课程学习辅导材料第一篇：《透平机械原理》课程学习辅导材料透平机械原理汽轮机的级：将高温、高压蒸汽所具有的热能转换为机械功的基本单元，主要是由一列喷嘴叶栅和一列动叶栅组成。
反动度：蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降与蒸汽在整个级的滞止理想焓降之比，用来衡量动叶栅中蒸汽的膨胀程度。
滞止参数：具有一定流动速度的蒸汽，如果假想蒸汽等熵地滞止到速度为零时的状态，该状态为滞止状态，其对应的参数称为滞止参数。
速度比：将（级动叶的）圆周速度u与喷嘴出口（蒸汽的）速度c1的比值定义为速度比部分进汽度：工作喷嘴所占的弧长与整个圆周之比。
调节级：外界负荷变化时，依靠依次启闭的调节阀改变汽轮机第一级的通流面积来改变机组负荷的级。
汽轮机的轮周效率：指1kg/s蒸汽在级内所做的轮周功与蒸汽在该级中所具有的理想能量之比。
过热度：蒸汽的温度比饱和温度还高的度数。
余速损失：蒸汽流出动叶的速度损失。
漏汽损失：汽轮机动静部件存在间隙，且间隙前后存在压力差，这使工作蒸汽的一部分不通过主流通道，而是经过间隙，由此形成的漏汽造成的损失。
冲动原理：蒸汽主要在喷管叶栅中膨胀，而在动叶栅中基本不膨胀，只随汽道形状改变其流动方向，汽流改变流动方向时对汽到产生离心力，这样的做功原理。
反动原理：蒸汽既在喷管叶栅中膨胀，也在动叶栅中膨胀，且膨胀程度大致相等，这样的做功原理。
按工作原理、热力过程特性、蒸汽流动方向、新蒸汽参数等对汽轮机进行分类，汽轮机可分为哪些类型？按新蒸汽参数分类时，相应类型汽轮机的新汽压力等级是什么？按工作原理可分为：冲动式汽轮机和反动式汽轮机按热力过程特性可分为：凝汽式汽轮机；调整抽汽式汽轮机；背压式汽轮机；中间再热式汽轮机。
按蒸汽流动方向可分为：轴流式汽轮机；辐流式汽轮机按新蒸汽参数可分为下列几种类型，相应的压力等级同时列于下面：低压汽轮机新汽压力为1.18~1.47 MPa;中压汽轮机新汽压力为1.96~3.92 MPa;高压汽轮机新汽压力为5.88~9.8 MPa;超高压汽轮机新汽压力为11.77~13.73 MPa;亚临界汽轮机新汽压力为15.69~17.65 MPa;超临界汽轮机新汽压力超过22.16 MPa;蒸汽对动叶片冲动作用原理的特点是什么？答：蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶汽道内不膨胀加速，只改变流动方向。
《透平机械原理(1)》绪论33页PPT
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
《透平机械原理(1)》绪论 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要
热力叶轮机械原理第一章 透平级工作原理5
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5）压力分布曲线：说明
I. 在叶栅通道中，从叶片背面到腹面的 相应两点之间，存在一个压力梯度， 这是由于气流在弯曲流道中流动产生 离心力所造成的，这是气流对叶栅作 功的来源。
II. 对冲击式叶栅，气流在进口斜切 部分中多了一个扩压段，因而流 动效率较低。
2. 次流损失： 汽流流过叶栅通道时，叶型腹面压力大于背面压力，即在流
道内产生一个横向压力梯度，从叶型腹面指向背面；
在叶栅中部，横向压力梯度与气体离心力相平衡，汽流质点 并不从叶片腹面向背面流动；
在叶栅上下端面存在边界层，而边界层中的气流速度远小于 边界层外的气流速度，所以边界层中气流产生的离心力场不 足以抵消叶栅的横向压力梯度。叶栅上下端面将产生从腹面 向背面的流动。这种流动称为二次流。并形成上下两个涡流 区，引起能量损失。
叶型后缘点 —— 叶型中线的后端点
⑤ 叶型弦长 —— 叶型前缘点与后缘点间的距离
⑥ 弯曲角
—— 叶型中线两端点处切线的夹角
⑦ 出口边厚度 —— 叶型尾部出汽边的厚度
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一、叶栅的型式及几何参数
1）叶栅的几何参数
等截面叶片
变截面叶片
⑧ 等截面叶片 —— 叶片型线沿叶高不变的叶片 ⑨ 变截面叶片 —— 叶片型线沿叶高变化的叶片
M>0.3～0.4时，随M增加， 叶型背面压力梯度增加，而 腹面压力分布形状基本不变， 边界层厚度减薄，型面损失 系数减小到最小值。
马赫数对叶型损失系数的影响
M>Mopt，叶栅流道背面上局部产生超音速气流，虽然整 个出口气流还是亚音速，但局部超音速气流产生激波，形
透 平 机 械-导论(部分内容删减)
安全注射系统 功能: 安全注射系统作为应急堆芯冷却系统的一部分，在核电站一回 路系统发生失水事故或二回路主蒸汽大量流失事故时，向堆芯 提供含浓硼酸的冷却剂流量，确保堆芯处于次临界，确保堆芯 剩余热量的导出以避免或限制堆芯损坏。 组成: 安注系统由化容上充泵，高压安注系统（包括安注箱），低 压安注系统，换料水箱，安全壳地坑等部分组成，这几个部分 互相配合使用共同完成堆芯应急冷却任务。
上充泵 / 安注泵——核二级泵
上充泵是涉及压水堆核电站安全的关键设备，可俗称为核电 站的一个重要“安全阀”，上充泵平时担当循环冷却供水，在 核反应堆出现停机、高温等意外时应急冷却防止爆炸 安注泵是核电站一回路安全注射系统的主要设备，当反应 堆主回路系统发生中、小破口失水事故时，该泵即应迅速启动 ，向反应堆内注水，以防止事故的进一步扩大，确保反应堆安 全。其特征在于，所述高压安注泵为卧式双壳体抽芯式多级离 心泵，泵的进口和出口垂直向上。结构设计耐热冲击性好，水 力设计、强度设计完全满足核电站安全注射系统的要求。
反应堆厂房
压水堆核电站 以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常 规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽 发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设 备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一 回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助 系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统，其 形式与常规火电厂类似。
透平机械
几点说明
主要内容
学习方法
上篇—— 蒸汽轮机（燃气轮机） 下篇—— 离心（轴流式压缩机）式压缩机 基本概念 基本理论
流体力学 工程热力学
气动热力计算方法 变工况运行基本知识
认识实习为主要先修课
透平机械关键零部件——数值计算方法
透平机械是一种常用的流体机械，其关键零部件的设计和分析对于正确理解其工作原理和性能具有重要意义。
在透平机械的设计中，数值计算方法被广泛应用于关键零部件的分析，如叶片、转子、导叶、壳体等。
本文将对透平机械关键零部件的数值计算方法进行详细介绍。
一、叶片的数值计算方法在透平机械中，叶片是起主要作用的关键零部件之一。
数值计算方法在叶片设计和分析中扮演着重要角色。
常用的数值计算方法包括有限元法、叶片元法和CFD方法。
1. 有限元法有限元法是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，它可以用来模拟和分析叶片的结构和力学性能。
通过建立叶片的有限元模型，可以对叶片的应力、应变、挠度等进行精确的计算和分析，为叶片的设计优化提供重要参考。
2. 叶片元法叶片元法是一种专门用于叶片流场计算的数值方法，它将叶片表面划分成小的网格单元，通过求解雷诺平均N-S方程和能量方程，可以得到叶片表面的压力分布、叶片载荷等信息，为叶片的气动设计提供重要依据。
3. CFD方法CFD方法是计算流体动力学的缩写，它是一种基于数值方法对流体流动进行模拟和分析的技术。
在透平机械叶片设计中，CFD方法可以用来模拟叶片的气动性能，如压力分布、流速分布、气动力等，为叶片的优化设计提供重要支持。
二、转子的数值计算方法透平机械的转子是承载叶片和受到流体作用的关键零部件，其设计和分析对透平机械的性能有着重要影响。
数值计算方法在转子设计和分析中具有重要作用，常用的方法包括有限元法、强度分析、模态分析等。
1. 有限元法有限元法可以用来对转子的结构强度、振动特性等进行计算和分析，通过建立转子的有限元模型，可以得到转子的应力、应变、振动模态等重要信息，为转子的设计和优化提供重要依据。
2. 强度分析转子在运转过程中会受到来自流体的压力和惯性力的作用，强度分析可以用来对转子的受力情况进行模拟和计算，为转子的安全工作提供重要参考。
3. 模态分析转子的振动特性对于透平机械的性能和安全运行具有重要影响，通过模态分析可以得到转子的振动模态和固有频率，为避免共振和减小振动噪音提供重要支持。
透平机及工作原理
透平机及工作原理引言概述：透平机是一种常见的动力设备，广泛应用于航空、发电、石化等领域。
本文将详细介绍透平机的工作原理，包括透平机的定义、结构、工作过程和应用领域。
正文内容：1. 透平机的定义和结构1.1 透平机的定义：透平机是一种利用流体动能转化为机械能的设备，通过流体的冲击力驱动转子旋转，从而产生功率。
1.2 透平机的结构：透平机主要由透平、转子、定子和轴承组成。
透平由叶片构成，转子和定子相互配合形成密封工作空间，轴承用于支撑转子。
2. 透平机的工作过程2.1 进气过程：流体通过进气口进入透平机，经过扩散器扩大截面积，使流体速度减小，压力升高。
2.2 压缩过程：流体进入透平机后，受到透平叶片的作用，流体的动能转化为机械能，同时流体被压缩，压力进一步升高。
2.3 燃烧过程：在透平机内部，流体与燃料混合并燃烧，释放出热能，进一步提高流体的温度和压力。
2.4 膨胀过程：燃烧后的高温高压流体通过透平叶片，使透平旋转，同时流体的温度和压力下降。
2.5 排气过程：流体通过排气口排出透平机，完成一个工作循环。
3. 透平机的应用领域3.1 航空领域：透平机广泛应用于飞机的发动机中，提供动力驱动飞机飞行。
3.2 发电领域：透平机被用于发电厂的汽轮机中，将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，驱动发电机发电。
3.3 石化领域：透平机用于石化厂的压缩机中，将气体压缩，提供工艺所需的高压气体。
总结：透平机作为一种重要的动力设备，在航空、发电、石化等领域有着广泛的应用。
本文从透平机的定义和结构开始，详细介绍了透平机的工作过程，包括进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程。
最后，列举了透平机的应用领域，包括航空、发电和石化。
透平机的工作原理及其应用领域的了解对于相关领域的工程师和研究人员具有重要意义。
透平机及工作原理
透平机及工作原理标题：透平机及工作原理引言概述：透平机是一种常见的动力机械设备，广泛应用于航空、航海、能源等领域。
其工作原理基于流体动力学和热力学原理，通过转子的旋转来产生动力。
本文将详细介绍透平机的工作原理及其应用。
一、透平机的基本构造1.1 透平机的主要部件包括转子、定子和进出口等。
1.2 转子是透平机的核心部件，其表面通常设计有叶片。
1.3 定子是用来固定转子并引导流体流动的部件。
二、透平机的工作原理2.1 流体通过进口进入透平机，经过叶片作用产生动能。
2.2 转子的旋转使流体受到离心力作用，加速流动。
2.3 流体在转子内部的压力和速度不断变化，最终通过出口排出。
三、透平机的应用领域3.1 航空领域：透平机广泛应用于喷气发动机，提供动力推进飞机飞行。
3.2 航海领域：透平机被用于船舶推进系统，提高船只的速度和效率。
3.3 能源领域：透平机被用于发电厂的汽轮机系统，转化燃料能量为电能。
四、透平机的优势4.1 高效率：透平机利用流体动力学原理，能够高效转换能量。
4.2 可靠性：透平机结构简单，运行稳定可靠。
4.3 适应性强：透平机可根据不同需求进行设计和调整，适用于各种工作条件。
五、透平机的发展趋势5.1 高温高压技术：透平机将逐渐向高温高压方向发展，提高能量转换效率。
5.2 材料技术创新：新材料的应用将提高透平机的耐磨性和耐高温性能。
5.3 智能化控制：透平机将逐渐实现智能化控制，提高运行效率和安全性。
结论：透平机作为一种重要的动力机械设备，在各个领域都有着广泛的应用。
通过深入了解透平机的工作原理和优势，可以更好地发挥其作用，并推动其不断发展和创新。
透平机资料珍藏版
第七章蒸汽轮机基础知识汽轮机的工作原理汽轮机的主要元件是由喷嘴（也称静叶）与动叶（也称叶片）两个部件组成。
喷嘴固定在机壳或隔板上，动叶固定在轮盘上。
蒸汽通过喷嘴时，压力下降，体积膨胀形成高速汽流，推动叶轮旋转而作功。
如果蒸汽在叶片中压力不再降低，也就是蒸汽在叶片通道中的流速（即相对速度）不变化，只是依靠汽流对叶片的冲击力量而推动转子转动，这类汽轮机称为冲动式，也称压力级，在工业中应用广泛。
如果蒸汽在叶片中继续膨胀（简称相对速度）比进口时要大，这种汽轮机的作功不仅由于蒸汽对叶片的冲击力，而且还有由于蒸汽相对速度的变化而产生的巨大的反作用力，因此这类汽轮机称为反动式汽轮机。
只有一列喷嘴和一列动叶片组成的汽轮机叫单级汽轮机。
由几个单级串联起来叫多级汽轮机。
由于高压蒸汽一次降压后汽流速度极高，因而叶轮转速极高，将超过目前材料允许的强度。
因此采用压力分级法，每次在喷嘴中压力降都不大，因而汽流速度也不高，高压蒸汽经多级叶轮后能量既充分得到利用而叶轮转速也不超过材料强度许可范围。
这就是采用多级汽轮机的原因。
如果由于蒸汽离开每一级叶片的流速仍高，为了充分利用汽流的动能，可用导向叶片将汽流引入第二排叶片中（每一个叶轮可安装二排叶片）进一步推动转轴做功，这称为速度分级，简称速度级（又称复速级）。
速度级常用于小型汽轮机，或汽轮机的第一级。
蒸汽轮机本体构成汽轮机包括汽轮机本体、调节保安装置及辅助设备三大部分。
一、蒸汽轮机本体蒸汽轮机本体包括：静体（固定部分）--汽缸、喷嘴、隔板、汽封等；转子（转动部分）--轴、叶轮、叶片等；轴承（支承部分）--径向轴承和止推轴承。
1、汽缸汽缸本身是水平剖分为上下部分，上下缸又各分有前后缸。
前缸因温度高用铸钢制造，后缸温度低用铸铁制造。
汽轮机组在起动或停机、增减负荷时，缸体温度均会上升或下降，会产生热胀和冷缩现象。
由于温差变化，热膨胀幅度可由几毫米至十几毫米。
但与汽缸连接的台板温度变化很小，为保证汽缸与转子的相对位置，在汽缸作为台板间装有适当间隙的滑销系统，其作用是：a、保证汽缸和转子的中心一致，避免因机体膨胀造成中心变化，引起机组振动或动、静之间的摩擦；b、保证汽缸能自由膨胀，以免发生过大应力而引起变形；c、使静子和转子轴向与径向间隙符合要求。
透平机械原理
一、多级汽轮机的轴向推力
1、作用于动叶片上的轴向力FZ1 2、叶轮两侧的压力差产生的轴向力FZ2 3、轴封凸肩上的轴向力FZ3 4、轮毂或转子凸肩上的轴向力FZ4 单级所受的轴向推力：Fi= FZ1+ FZ2 FZ3+ FZ4 汽轮机所受的总轴向推力FZ=ΣFZi （有围带时，考虑围带部分产生的轴向推
末级动叶出口截面上
Gz=πdzl2zρ2zc2zsinα2z
θ=dz/lz
c2
c
2 2
2H t
19
末级的平均直径：
dz
2z
Gz 2Htc2 sin2z
D1/dz≮0.6
c20.015~0.03
机组的级数：
z Ht (1 )
hm
20
第四节 多级汽轮机的损失
多级汽轮机的损失分为两类： 1. 外部损失：不直接影响蒸汽状态的损失； ➢ 外部漏气损失 ➢ 机械损失 2. 内部损失：直接影响蒸汽状态的损失； ➢ 汽轮机进汽机构的节流损失 ➢ 排气管损失
16
冲动式汽轮机级的节圆直径 dm一般总是由高压向低压增大。
反动式汽轮机，由于高压 级必须全周进汽，因而dm 必须小。
17
流量参数：
质量流量G kg/s或t/h 容积流量Gv m3/h 喷嘴 Gv=πDmlnc1sinα1 动叶 Gv=πDmlbw2sin β2 Gvz»Gv1 只有使Dm、ln、c1增大，保证Gv增大。 高压级： Gv变化较小，叶片高度较低，叶
高低齿及平齿轴封流量系数试验值 1—曲径轴封；2—光轴轴封
漏汽量基本计算公式的缺陷
31
ΔGl=μl ΔG’l
不同轴封齿形对应的流量系数
光轴轴封及修正系数
32
《透平机械原理》复习提要演示
§2—6 级内损失和级效率
一、级内损失：喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、扇形损失、
摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失。9种。
二、级的内效率、内功率、有效焓降；
i
hi ht*
三、完整的级的热力过程曲线：
思考题
1．喷嘴速度系数与哪些因素有关? 2．为什么在强度允许范围内，应尽量采用较窄的叶栅? 3．蒸汽在喷嘴的斜切部分膨胀时，为什么要产生汽流偏 转? 4．平面叶栅中的叶型损失有那些? 5．轮周功率的表达式有哪几种? 6．试分析μ1=1、μ1=0两种情况下轮周效率的表达式有何不 同? 7．何谓速比?纯冲动级、反动级、复速级的最佳速比表达 式各为什么? 8．在相同直径、转速、出汽角α1的条件下，纯冲动级、反 动级、复速级的焓降之比等于多少?
1） 计算级的反动度Ωm
2）若本级余速动能被下一级利用的系数
m 1=0.97，计算级的相对内效率ηri。
§2—7 级的二维和三维设计
前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流动模型为理论依据， 以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。按这种计算 方法设计的叶片，称为等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶高不变。显 然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。
hn*
（二）喷嘴截面积变化规律：
分析： dA M 2 1 dc
A
c
1.M 1,亚音速； 2.M 1, 超音速;
3.M=1,临界发生在最小截面.
压力、焓降、截面积、汽流速度、音 速、比容沿流动的变化规律
7
（三）流量计算
1，理想流量：
Gt
Anc1t 1t
An
c1t v1t
2，流量曲线：渐缩喷嘴流量曲线：
透平机械原理
透平机械原理1. 什么是渐缩斜切喷管的极限压比,什么是缩放喷管的极限压比,两者有何差别,2. 试述影响叶栅叶型损失的几何与气动参数有哪些,它们是怎样影响叶型损失的,3. 冲动级与反动级的反动度是怎样定义的,比较两种级的优缺点。
4. 某长叶片级采用等环量设计，即Cr=const,C=const,并且级后静压p沿叶高uz2 为常数，试绘出动叶根部、中径与顶部进、出口速度三角形。
5. 何谓局部进气率,什么时候采用局部进气率,6. 按等环量条件=const,=const设计的长叶片级，叶根反动度=0，动,C,Ch2uz叶出口根部周向速度C=0，试用动叶根部、中径和顶部进、出口速度三角2uh 形的变化说明反动度沿叶高的变化。
(不考虑损失)7. 已知:纯冲动式透平级(,=0)，根限圆周速度u=300米/秒，最佳速比(x)maxa=0.5,求该透平级能利用的最大焓降(h)。
optsmax8. 试说明直列叶栅中端部损失是怎样产生的,影响直列叶栅端部损失的几何与气动参数有哪些,它们是怎样影响端部损失的,9. 说明透平级静叶与动叶速度系数与的意义，并用速度系数表示级的静叶,,,h,h12,损失系数,和级的动叶能量损失系数,,，假设该级反动度12**hhss ,=0。
,10. 已知某低压级透平按等环量设计，根部反动度=0，背压p=const。
试画出h2,下列参数沿叶高的变化规律:，及反动度。
c,w,c,wp1122111. 凝气式汽轮机前轴封和后轴封的作用是什么,12. 已知短叶片透平级，级前参数p，T，初速C，级后压力p，静、动叶速度0002,,,系数=，反动度=0.5，d=d, C=0，试在i-s图上绘出该级的热力过程，122u ~~*******ii并标出绝对滞止焓，，，相对滞止焓i，i，相对滞止转焓,的iiiw1w212ww012位置。
13. 什么是最佳速比,在最佳速比下级的出口绝对速度c是否一定沿轴向, 214. 有一透平在湿蒸汽区工作，试用速度三角形和简单径向平衡方程说明在通流部应采取哪些防护措施，湿蒸汽损失有哪几部分组成。
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等截面叶片离心拉力
C FRml
2
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1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算
l
F(x)
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R0
x
dx
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.2 变截面叶片离心拉应力计算
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(3)
1.1.2 叶 根 部 分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(3)
1.1.2 叶 根 部 分
叶根
叶根
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
§1－1 叶片结构 1.1.2 叶根部分
(8)
7、叉型叶根 优点：加工比较简单，拆换叶片方便；避免了T型叶根使轮缘两侧 张开引起的弯应力，而且强度适应性好，随着叶片离心力的增大， 叶根叉数可以增多。 缺点：装配时钻铆孔不方便， 比较费工。 整锻转子和焊接转子 一般不采用叉型叶根。
§1－1 叶片结构
(6)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 装配：圆周向装配式。 在固定叶根的轮缘槽中有一个或两个窗口， 其长度比叶片结距略大，宽度比叶根宽 0.02~0.05毫米，以便将叶片依次装入轮槽中。 在窗口位置的叶片为封口叶片（又称末叶片）， 封口叶片用铆钉固定在轮缘上。
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(7)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 装配缺点： 周向装配式叶根的共同缺点是当叶片损 坏时，拆换必须通过窗口进行，因而必然牵 动许多完好叶片，增加装拆工作量。
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第一章 叶片的结构和强度计算
燃气轮机由于温度高，为了避免热应力而很少采用带状围带。 另外，由于拉金在气流通道中引起附加损失，所以通流部分要求高 效率的燃气轮机也很少采用拉金结构。
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孙 涛
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
透平机械结构和强度计算
1 考试课 2 参考书： 《透平零件结构和强度计算》 吴厚钰 《汽轮机原理 》 康松 等 《透平压缩机强度与振动》 刘士学 《机械工程手册》第72篇 机械工业出版社 《材料力学》 《理论力学》 其它力学资料、振动方面资料
能源与动力学院 叶轮机械与流体工程研究所 孙涛 综合实验2#楼 315 84707902 suntao@
-1）
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 等截面叶片底部截面的拉应力是 C （1-2） 2
(3)
F
lRm
结论：拉应力正比于透平转速的平方、叶片高度、材料密度 和平均半径，而与叶片的截面积无关，也就是说，增大叶片 截面积并不能降低等截面叶片的拉应力. 等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相同， 它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截面承受了整个型线部分 的离心力，所以离心拉应力最大。
C Vj Rj Fj ( x)xRj
2 2
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
6 V 5 IV III 3 2 1 j i II I F
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叶片强度计算--拉应力
x
Ci
sj
F i+1
(2)
叶片微段离心力 叶片x截面以上部分离心力
dC 2 F ( x)(R0 x)dx
Cx
2 l
F ( x)(R x)dx 叶片根截面以上部分离心力 C F ( x)(R x)dx F ( x)(R x)dx 叶片根截面以上部分离心拉应力
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(1)
从强度观点考虑，动叶片的结构分：叶片型线部分，叶根 部分和叶顶部分
1.1.1 叶型部分
1、符合气体动力学的要求，满足结构强度和加工方面要求 2、叶型分等截面和变截面叶型 3、一般 Dm / l >10的级 等截面叶型 4、一般 Dm / l <10的级 变截面叶型 改善流动和减少 离心力 Dm ---- 级的平均直径 l----叶片高度
离心力引起的应力：
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
1.2.2
(2)
叶片强度计算
叶片离心拉应力计算
变转速透平应以最高转速计算离心力。
选择计算工况：离心力与转速平方成正比，所以
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算
等截面叶片沿叶高各个截面所受的离心拉应力并不相 同，它是由叶顶向底部逐渐增大。底部截面承受了整个型 线部分的离心力，所以离心拉应力最大。
(1)
叶片强度计算
1.2.1 叶片受力分析 1)透平高速旋转时叶片自身质量和围带、拉金质量产生的离心力； 2)气流流过叶片产生的气流作用力。 3)叶片受热不均匀会引起热应力 1）离心力在叶片中产生拉应力； 2）离心力作用线不通过计算截面的形心时，由于偏心拉伸 还会产生弯应力。 3）离心力也可能在叶片中引起扭转应力。 4）热应力
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 围带和拉金的离心力是
(3)
Cs Fs t s 2 Rs
Cl Fl tl 2 Rl
式中 Fs、Fl------围带和拉金的横截面积； ts、tl -------围带和拉金的节距； Rs、Rl-----围带和拉金重心的半径。 作用在叶片型线底部的离心力和拉应力之和为 C Cs Cl C0 C Cs Cl F
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(12)
1.1.3 叶顶部分
围带的作用： 防止漏汽和调整叶片频率； 提高级效率和降低叶片动应力 拉金的作用： 调整叶片频率和减振，使叶片成组而降低动应 力。
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第一章 叶片的结构和强度计算§1－1
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1
8、枞树型叶根
叶片结构
(9)
1.1.2 叶根部分
广泛地应用于燃气轮机的透平叶片上，大功率蒸汽轮机的 长叶片上。 优点：枞树型叶根由轴向装入单独的叶根槽中，所以拆装方便； 由于叶根采用尖劈形，所以叶根和对应的轮缘承载截面都 接近等强度。在同样的尺寸下，承载能力最高。 在叶根和叶轮槽中，齿的非承载面一边有间隙，燃气轮机 可以利用此间隙进行空气冷却；同时，松动配合的叶片可以自 动定心；间隙的存在，允许轮缘和叶根在受热后能自由膨胀以 减少热应力。
叶片结构
1.1.3 叶顶部分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(13)
1.1.3 叶顶部分
围带通常为3~5毫米厚的扁平金属带，用铆接的方法固定在 叶片顶部。还有一种整体围带，即围带和叶片叶型作成一个整体。 根据振动方面的要求，围带之间可以焊接，也可以不焊接。整体围 带一般用于短叶片。 拉金一般是6~12毫米的金属丝或金属管，穿过叶片中间的拉 金孔，用银焊焊牢的称为焊接拉金；当拉金穿过叶片不焊牢，而且 与拉金孔有约0.5毫米的间隙，称为松装拉金，它主要的作用是造 成附加振动阻尼以减少振动应力。
第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2 叶片强度计算—拉应力
在进行强度计算时，已经知道相应的型线面积变化规律， 它往往难于用解析式表达和进行积分。根据面积沿叶高 的变化曲线，可以采用数值积分近似地算出各截面的拉 伸应力。 将叶片沿叶高等分为若干段（通常为5~10段）， 每段的长度为Δx，用j表示段号，用 i 表示截面号，此 时任意一段的离心力为：
(4)
1.1.2 叶根部分
6、T型叶根 优点：结构简单，加工装配方便，工作可靠，短叶片中普遍采用 缺点：叶片离心力对轮缘两侧 产生弯矩，使轮缘有张 开的趋势，容易引起较 大的弯曲应力。
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构
(5)
1.1.2 叶根部分
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－2
(3)
叶片强度计算
1.2.2.1 等截面叶片离心拉应力计算 整个型线部分质量的离心力：
C Fl Rm
2
（1-1）
式中 C----叶片离心力 （N） ρ---叶片材料密度 （kg / m3） F----叶片的横截面积 （m2） l-----叶片型线部分高度（m） ω---旋转角速度 （rad / s） ω=(2πn) / 60 ，n-----转速 （min Rm—叶片平均半径（m）
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第一章 叶片的结构和强度计算
§1－1 叶片结构