叶轮机械原理第三章(5).
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叶轮机械三元流理论(课堂PPT)
rm
Am
Dwr dm
0
dm dt
Dwr dm
wm
1
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（六、完全径向平衡方程）
b
wm wr wz
2 29
完全径向平衡方程
rm
Dw dt
r
Dwr dm
wm
b
wm
A
wr
wz
D(wdmsmin)wm
wr wmsin)(
w msinD dm m w w m 2coD d sm
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（四、流面动方程
Drw(wr)2 1p
径向
dt
r
r
D dw twrwr 2wr 1r p 周向
Dwz 1 p
轴向
dt z
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（五、基本方程---运动方程 ） 23
流面流动方程
< 3~5,不适用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（二、径向流动的产生）
11
12
S2流面
精确定义: 翘曲的S2流面 简化定义: 1.中心S2流面(内切圆) 2.平均S2流面(几何参数) 3.无穷多叶片假设(中弧线) 4.周向平均(S1计算得到)
设计中的作用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（三、S1,S2流面的概念）
U1
p
r
c rzcr c rzcur cz cz czz
Z 1 p
z
6
二、简化条件
1、不考虑径向流动效应 cr 0
2、间隙内轴向均化 3、间隙内周向均化 4、定常
0 z 0
0 t
5、忽略体积力 7
PO320叶轮机械原理pdf
《叶轮机械原理》课程教学大纲
课程基本信息（Course Information） 课程代码 （Course Code） *课程名称 （Course Name） 课程性质 (Course Type) 授课对象 （Audience） 授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Instructor） PO320 *学时 （Credit Hours） 48 *学分 （Credits） 3
教学内容 概论 流道中的一 元流动 参观 透平级工作 原理 4 12 学时 2 4 教学方式 课堂教学 课堂教学 课外进行 课堂教学 课堂教学 章节作业 章节作业 资料查阅 现代叶轮 机械的设 计特点 章节作业 章节作业 章节作业 章节作业 复习 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交报告、 交 流 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 作业及 要求 基本要求 考查方式
叶轮机械原理
Principles of Turbomachinery 专业选修课 本科三年级
中文
机械与动力工程学院
叶轮机械研究所
工程热力学、空气动力学、流体力学、理论力学
忻建华 课程网址 tion）
作为动力机械，热力叶轮机械在能源利用和能量转换中占有非常重要 的位置。从发电、供热、能源勘采，一直到海、陆、空运载工具的推进领 域，已得到非常广泛的应用。可以说，没有叶轮机就没有现代的电力工业； 没有叶轮就没有现代的航天、航空、航海等事业。该课程是能源、动力和 航空航天专业的核心专业课程。 本课以热力学、传热学、气动力学和理论力学为基础，着重介绍燃气 轮机和蒸汽轮机工作原理和结构，使学生深刻地了解一次能源重要的能量 转换装置之一燃气轮机蒸汽轮机在国民经济发展中的重要作用，熟练地掌 握叶轮机械中的气体流动、能量转换、损失形成等重要工作过程及设计计 算理念，较为清晰的了解叶轮机械发展过程的中遇到的技术瓶颈，以拓宽 学生的知识面，为后需续的蒸汽轮机、燃气轮机的设计和研究提供坚实的 理论基础和实际能力。
课程基本信息（Course Information） 课程代码 （Course Code） *课程名称 （Course Name） 课程性质 (Course Type) 授课对象 （Audience） 授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Instructor） PO320 *学时 （Credit Hours） 48 *学分 （Credits） 3
教学内容 概论 流道中的一 元流动 参观 透平级工作 原理 4 12 学时 2 4 教学方式 课堂教学 课堂教学 课外进行 课堂教学 课堂教学 章节作业 章节作业 资料查阅 现代叶轮 机械的设 计特点 章节作业 章节作业 章节作业 章节作业 复习 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交报告、 交 流 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 作业及 要求 基本要求 考查方式
叶轮机械原理
Principles of Turbomachinery 专业选修课 本科三年级
中文
机械与动力工程学院
叶轮机械研究所
工程热力学、空气动力学、流体力学、理论力学
忻建华 课程网址 tion）
作为动力机械，热力叶轮机械在能源利用和能量转换中占有非常重要 的位置。从发电、供热、能源勘采，一直到海、陆、空运载工具的推进领 域，已得到非常广泛的应用。可以说，没有叶轮机就没有现代的电力工业； 没有叶轮就没有现代的航天、航空、航海等事业。该课程是能源、动力和 航空航天专业的核心专业课程。 本课以热力学、传热学、气动力学和理论力学为基础，着重介绍燃气 轮机和蒸汽轮机工作原理和结构，使学生深刻地了解一次能源重要的能量 转换装置之一燃气轮机蒸汽轮机在国民经济发展中的重要作用，熟练地掌 握叶轮机械中的气体流动、能量转换、损失形成等重要工作过程及设计计 算理念，较为清晰的了解叶轮机械发展过程的中遇到的技术瓶颈，以拓宽 学生的知识面，为后需续的蒸汽轮机、燃气轮机的设计和研究提供坚实的 理论基础和实际能力。
叶轮机械原理
• 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
第一章 绪 论
• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压 力低的地方，沿流向是顺压梯度；
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义 • 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
“飞行者”1号采用的活塞式发动
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在 德国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
第一章 绪 论
• 叶片造型 ； • 三维数值分析；
第一章 绪 论
作业 1）1以能量转换形式区分，叶轮机械有哪两类？并举例。
2）叶轮机械存在几种典型的流动形式？分别是什么？ 3）什么是S1流面？什么是S2流面？ 4）叶轮机内部流动的复杂性主要体现在哪些方面？
第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原理、 设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋康， 清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
第一章 绪 论
• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压 力低的地方，沿流向是顺压梯度；
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义 • 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
“飞行者”1号采用的活塞式发动
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在 德国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
第一章 绪 论
• 叶片造型 ； • 三维数值分析；
第一章 绪 论
作业 1）1以能量转换形式区分，叶轮机械有哪两类？并举例。
2）叶轮机械存在几种典型的流动形式？分别是什么？ 3）什么是S1流面？什么是S2流面？ 4）叶轮机内部流动的复杂性主要体现在哪些方面？
第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原理、 设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋康， 清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
《叶轮机械原理》PPT课件
反力式涡轮。
T1c1 u2 u c2u
运动反力度
c
w c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u cu
C2u u wu
w2u
二者差异？ 航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4
➢载荷系数/负荷系数
H Tu(c1 u u 2c2 u) u cu
物理意义：涡轮级的做功能力 典型数值范围1.4-1.7 HT↑，冲击涡轮速度三角形
➢涡轮基元级反力度
21(w22 w12) Lu
u1＝u2 c1a＝c2a
Ω＝0 c1u－c2u＝2u， c1u－u＝u＋c2u，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。
称为“冲击式”涡轮
Ω＝0.5，c1u＝u＋c2u＝w2u c1和w2大致对称。w1u=c2u
u
反力度大于零的涡轮称为：
❖《叶轮机械原理》PPT 课件
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涡轮工作原理及特性
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
2
涡轮工作原理及特性
➢涡轮的一般形式：静子〔导向器〕+转子＝一级。 ➢气流以高速冲击工作轮旋转做功 ➢工作环境特点：压力梯度、温度
3
涡轮分类〔工质不同〕
按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮、燃气
涡轮。。。
4
根据工质
叶轮机械原理 第三章.ppt
气方向；
• 降低静叶设计难度。
由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋， 一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效 率急剧下降的问题 。
第三章 轴流压气机的工作原理
第五节 压气机平面叶栅流动
亚声速基元级
动叶和静叶的叶栅通道以及气 流相对于动叶和静叶的流动都 有着共同的特点：
•气流在沿流向扩张的通道中减 速扩压流动；
的因素之一。
w1
c1
u1 u'1
第三章 轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c1a的选取
• c1a影响压气机的迎风面积；
• 过大的c1a易导致流动堵塞 和流动损失增大 ，尤其是
在动叶的根部区域（叶片密、
叶片厚）；
• Ma超过0.75后，q(Ma)增 大不明显；
M c1a
M c1a
第三章 轴流压气机的工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理
第四节 基元级的速度三角形分析
•多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而 其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高 叠加而成。 •压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增 压，基元级构成了轴流压气机的基础。
第三章 轴流压气机的工作原理
•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元 级又是从确定基元级的气动参数开始。 •速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增 压和低流阻损失等性能有着重要的影响。
前缘小圆的半径增
大、叶型的最大厚度
大和其位置靠近前缘、
中弧线的挠度大和其
位置靠近前缘等因素，
都会使叶栅的临界 减小。
M
ac
r
第三章 轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布
叶轮机械原理西安交大演示文稿PPT学习教案
vdp sdx cdc
忽略侧面的 粘性阻力，有：
cdc vdp 0
对于绝热的理想 （等熵）流动，有：
p pvk const
k
带入上式得：
c1s
2k k 1
p0
0
1 (
p1 p0
k 1 )k
c0
2k k 1
R
T0
1
(
p1 p0
)
k 1 k
c0
第16页/共146页
4 ） 能 量 方程
cr
Hale Waihona Puke pcr p0*(2
k
) k1
k 1
（ 空气：cr 0.528
）
临界密度：
cr
0
(
pcr p0
)
1 k
；cr 过 0热.5蒸46汽：
A1
Acr
G
A1 1c1
Acr
G
cr ccr
第29页/共146页
2 ） 喷 管 中的 实际流 动过程
向心式透平级 第4页/共146页
离心式透平级
◆ 按 蒸 汽 在 静 叶栅 和动叶 栅中的 能量转 换情况 分：
冲动级、反动级、带反动度的冲动级、复速级
轴 流 式 透 平 级：
蒸汽在通过透平级时，它所释放的热能全部在喷管中
① 冲动级：
转化为蒸汽的动能；在动叶栅中蒸汽不再膨胀加速， 而只是改变汽流的流动方向。
根据动量 方程：
可以看出 ：动能↑ → 速 度↑（ ）→ → 流动 过程： 膨胀过 程 → 理想 无损失 情况:等 熵膨胀 过程
cdc dp 0
dc 0
dp 0
第21页/共146页
② 几何条件 根 据 等 熵 过 程方程 ： 代 入 动 量 方 程：
3-轴流压气机原理
Lu
W12
W22
C22
C12
U
2 2
U12
2
2
2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轴向速度Ca的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
预旋的影响
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理—— 第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数
等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流
能力。
ca V u Fu
式中：V——气体的容积流量，
F——垂直轴向的环形通道面积。 当流量一定时， Φ值大小直接影响通流面积。如果要求压气机 迎风面积小， Φ应取的值大。对轴流式压气机的平均半径基元级，
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
圆周速度u的选取
叶轮机械原理西安交大-演示文稿3
一、等 1 角流型
等 角1 ：就是喷管出口的汽流角度 1
沿径向是不变的。 即： 1 0
r
XJTU
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
可以看出：① 进口（0-0）截面：轴向进汽（C0u = 0） 出口（2-2）截面：轴向排汽（C2u = 0） → 不存在离心力场：径向分速度Cr =0
有： d 1 r1d r 1d z1d z0
XJTU
得到： lnc1lnrco2s1 0
lnc1rco2s1 0
c rco2s1 1
const
其中： c1u c1cos1 c1z c1sin1
1 const
1-1截面：
c rcos21 1u
●
●
●
计算 起点
计 算
计算 终点
r —r r—h 叶片相对半径。
点
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
② 速度 C1
c 1 2 c 1 2 u c 1 2 z c 1 2 r c 1 2 z c 1 2 u(h rhr)2
其中：C1z = const； C1r = 0； C1ur = const = C1uhrh
采用简单径向平衡方程来描述：
1
p
c
2 u
r r
③ 在三个特征截面上，所有汽流参数沿轴向
的偏导数均等于零，即： 0 z
④ 轴对称流动，即：
0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 流型计算
1) 在汽轮机级的进口（0-0）截面： 参数作为已知条件给出，或是上一级计算的结果。
2) 在轴向间隙（1-1）截面：
XJTU
静动 叶叶
图3.9 反动度沿叶高的变化
等 角1 ：就是喷管出口的汽流角度 1
沿径向是不变的。 即： 1 0
r
XJTU
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
可以看出：① 进口（0-0）截面：轴向进汽（C0u = 0） 出口（2-2）截面：轴向排汽（C2u = 0） → 不存在离心力场：径向分速度Cr =0
有： d 1 r1d r 1d z1d z0
XJTU
得到： lnc1lnrco2s1 0
lnc1rco2s1 0
c rco2s1 1
const
其中： c1u c1cos1 c1z c1sin1
1 const
1-1截面：
c rcos21 1u
●
●
●
计算 起点
计 算
计算 终点
r —r r—h 叶片相对半径。
点
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
② 速度 C1
c 1 2 c 1 2 u c 1 2 z c 1 2 r c 1 2 z c 1 2 u(h rhr)2
其中：C1z = const； C1r = 0； C1ur = const = C1uhrh
采用简单径向平衡方程来描述：
1
p
c
2 u
r r
③ 在三个特征截面上，所有汽流参数沿轴向
的偏导数均等于零，即： 0 z
④ 轴对称流动，即：
0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 流型计算
1) 在汽轮机级的进口（0-0）截面： 参数作为已知条件给出，或是上一级计算的结果。
2) 在轴向间隙（1-1）截面：
XJTU
静动 叶叶
图3.9 反动度沿叶高的变化
叶轮机械原理作业教材
叶轮机械原理作业张硕 201520503005离心通风机设计设计一台离心通风机，其流量Q=90000m³/h ，压力P=4000pa ，介质为空气，进气状态为通风机的标准状态。
要求确定流通部分的形状和尺寸，并进行主要零部件的强度计算和材料选用。
一、叶轮设计制定390000/360025/Q m s ==；P=4000pa;进口压力pa P in 101325=，进口温度︒=20in t ，空气密度3/205.1m kg air =ρ (1)转速、叶片出口角和轮径的确定 选取转速n=1300r/min ， 比转速为6.71400025130054.554.5n 4343=⨯⨯=⨯=PQ s根据比转速值，由图5-5预选8.0=ψ，根据比转速和压力系数估算出叶片出口角2b β：︒---=⨯-⨯⨯+=⨯-⨯+=3.32107966.23835.06.711044.128.0107966.23835.0n 1044.1232532s 5-b 2ψβ 2b β值与通风机的压力P 关系密切。
经过多次试算，为了保证获得所需要的通风机压力，确定︒=352b β。
压力系数为：()815.06.711044.135107966.23835.02253=⨯⨯-⨯⨯+⨯=--ψ圆周速度为：()s m Pu 44.90815.02.14000222=⨯⨯==ρψ329.114.3130044.906013006022=⨯⨯==πu D取整，确定m D 3.12=()s m u 44.8860130014.33.16013003.12=⨯⨯=⨯=π853.044.8822.140002222=⨯==u P ρψ(2)确定叶轮入口参数。
由式（7-10），叶轮入口喉部直径为：330110)1(25.3v n n Q D ηνμτξ-=，由于是径向自由入口，轮毂比0d==D ν。
采用锥弧形集流器，叶轮入口截面气流充满系数10=μ。
叶轮机械原理-演示文稿(3)
XJTU
完全径向平衡方程简化为： ◆ 当Cr = 0 时，完全径向平衡方程简化为：
2 1 ∂p cu = ρ ∂r r
（简单径向平衡方程） 简单径向平衡方程） 径向平衡方程
可以看出： ◆ 可以看出：
① 即使径向分速度 =0 ，但只要存在周向分速度 ： 即使径向分速度Cr 但只要存在周向分速度Cu： 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， ② 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律 沿叶片高度的变化规律。 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律。
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 长叶片透平级的特点： 长叶片透平级的特点： 透平级的特点
① 长叶片级的圆周速度沿径向变化很大
uh =
πd h n
60
< um =
πd m n
60
< ut =
πd t n
60
② 长叶片级的反动度沿径向变化很大
Ω h < Ωm < Ωt
③ 长叶片级的速度三角形沿径向变化很大
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
⑥ 有径向梯度的离心力场 在级进口（ 截面、出口（ 截面， → 在级进口（0-0）截面、出口（2-2）截面， 很小或为零， 由于周向分速度 Cu 很小或为零， 不存在离心力场， 不存在离心力场， → 在叶栅通道和轴向间隙（1-1）截面处， 在叶栅通道和轴向间隙（ 截面处， 轴向分速度很大， 轴向分速度很大， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 且由于Cr≠ 圆弧线的曲率半径变化， 且由于 ≠0，圆弧线的曲率半径变化， 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 梯度
4 流体机械原理课件 第三章 叶轮
比较表
考虑轴向涡 不考虑轴向 影响 涡影响 150.8 174.3
35524.7 36945.7 41068.7 42711.5
误差
15.6% 15.6% 15.6%
C2u (m/s) wth (J/kg) wtot (J/kg)
wpol (J/kg)
ε Pout (MPa)
28078.7
1.792 0.215
m k 1.1548 pol 76% 5.67 m 1 k 1 1 1.1548
wth c2uu2 c1uu1 150.784 235.6 35524.7 J / kg
wtot wth (1 l df ) 35524.71 1.04 36945.7 J / kg
wpol wtot pol 36945.7 76% 28078.73J / kg
28078.73 1 1 1.1 RTin 5.67 197.57 231.3
1
wpol
w pol
1 RTin 1
(1.1) (1.1)5.67 1.792
2 2u 2
流体机械原理 闻苏平主讲
此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本 方程式。 说明： 主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、 叶片出口角和叶片数有关
流体机械原理 闻苏平主讲
r1 sin b 2 1 kcr 1 0.7 1 f r2 cr Z exp 8.16sin 2 A / Z
1
1
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1
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叶轮机械原理
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叶轮机械原理
目录
• 叶轮机械概述 • 叶轮机械基本原理 • 叶轮机械设计参数及性能分析 • 叶轮机械结构特点及材料选择 • 叶轮机械运行特性及故障诊断技
术 • 叶轮机械发展趋势及挑战
01
叶轮机械概述
定义与分类
定义
叶轮机械是一类利用叶轮旋转运 动实现能量转换或传递的机械设 备。
多功能化、集成化
为了满足不同领域的需求，叶轮机械将向多功能 化、集成化方向发展。
当前面临主要挑战和问题
1 2
设计制造难度大
叶轮机械设计制造涉及多个学科领域，技术难度 较大。
能耗高效率低
当前部分叶轮机械存在能耗高效率低的问题，亟 待解决。
3
智能化程度不足
当前叶轮机械的智能化程度相对较低，难以满足 日益增长的需求。
04
叶轮机械结构特点及材料选 择
结构类型与特点分析
离心式叶轮机械
主要由进气口、叶轮、扩 压器、蜗壳等组成，具有 结构简单、紧凑、高效率 等特点。
轴流式叶轮机械
由进气室、导叶、叶轮、 扩压器等组成，具有流量 大、压力低、效率高、结 构紧凑等优点。
混流式叶轮机械
结合了离心式和轴流式的 特点，具有较宽的运行范 围和较高的效率。
应用领域与前景
应用领域
叶轮机械在能源领域（如火力发电、水力发电、风力发电等 ）、化工领域（如石油炼制、化肥生产等）、航空航天领域 （如飞机发动机、火箭推进器等）以及交通运输领域（如汽 车、船舶等）都有广泛应用。
前景
随着科技的不断进步和工业的不断发展，叶轮机械的应用领 域将进一步拓展，同时对其性能、效率和可靠性等方面的要 求也将不断提高。未来，叶轮机械将朝着更高效、更环保、 更智能的方向发展。
叶轮机械原理
目录
• 叶轮机械概述 • 叶轮机械基本原理 • 叶轮机械设计参数及性能分析 • 叶轮机械结构特点及材料选择 • 叶轮机械运行特性及故障诊断技
术 • 叶轮机械发展趋势及挑战
01
叶轮机械概述
定义与分类
定义
叶轮机械是一类利用叶轮旋转运 动实现能量转换或传递的机械设 备。
多功能化、集成化
为了满足不同领域的需求，叶轮机械将向多功能 化、集成化方向发展。
当前面临主要挑战和问题
1 2
设计制造难度大
叶轮机械设计制造涉及多个学科领域，技术难度 较大。
能耗高效率低
当前部分叶轮机械存在能耗高效率低的问题，亟 待解决。
3
智能化程度不足
当前叶轮机械的智能化程度相对较低，难以满足 日益增长的需求。
04
叶轮机械结构特点及材料选 择
结构类型与特点分析
离心式叶轮机械
主要由进气口、叶轮、扩 压器、蜗壳等组成，具有 结构简单、紧凑、高效率 等特点。
轴流式叶轮机械
由进气室、导叶、叶轮、 扩压器等组成，具有流量 大、压力低、效率高、结 构紧凑等优点。
混流式叶轮机械
结合了离心式和轴流式的 特点，具有较宽的运行范 围和较高的效率。
应用领域与前景
应用领域
叶轮机械在能源领域（如火力发电、水力发电、风力发电等 ）、化工领域（如石油炼制、化肥生产等）、航空航天领域 （如飞机发动机、火箭推进器等）以及交通运输领域（如汽 车、船舶等）都有广泛应用。
前景
随着科技的不断进步和工业的不断发展，叶轮机械的应用领 域将进一步拓展，同时对其性能、效率和可靠性等方面的要 求也将不断提高。未来，叶轮机械将朝着更高效、更环保、 更智能的方向发展。
燃气轮机原理结构及运行维护
60.75
NOx排放（mg/Nm3）
开启时间（点火到FSNL ）
带负荷时间
25ppm 10-15min30-50（ 25ppm）
从230MW到460MW仅 热态开启满负
需11.5min
荷不不小于
6min
原则25分到375MW 迅速 10分钟到
25
2.1 整体构造-总体构造
压气机
燃烧室
透平
26
2.1 整体构造-构造对比
为了使机组旳 热效率和比功 到达最大值， 还必须合理选 择最佳压比。
提升燃气轮机 机组热效率旳 措施还有采用 回热循环和燃 气-蒸汽联合循 环旳方案。
提升燃气轮机 机组比功旳种 措施还有采用 间冷循环和再 热循环。
13
1.1 基本原理-影响原因
环境温度旳影响
14
1.2 叶轮机械原理-引言
15
1.2 叶轮机械原理-对比简介
rpm 约2023
rpm
3330
t
440
t
93
m 17.3×5.8×5.8
级
17
轴流式
水平
18
拉杆轮盘
1
S109FB
~420 ~2400 3300 309.642
84 10.5×5×5
18 轴流式
水平 18.3 拉杆轮盘
1
SGT5-4000F(4)
396 1560 3240 312 130 10.8x5.2x4.9
绝热膨胀过程3→4s ：面积34sp1*p2*3就是透平膨胀做功
lts
cp (T3*
T4*)
c
pT3*
(1
1
m
)
等压放热过程 4s → 1：面积4s1s1s34s则是燃气排气耗能 q2 cp (T4* T1*)
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第三章
轴流压气机的工作原理
•气流到达每一个槽道的中 和特征线位置时，气流的方 向是相同的，总是平行于中 和点B或E的切线方向；
•只要流动堵塞和激波贴体， 则在不同反压下，来流相对 吸力面B或E点的攻角为零 （唯一攻角）。
第三章
轴流压气机的工作原理
在实际的三维叶片通道
中，即使某基元级处于堵
塞状态，如果激波脱体，
进入压气机的流量减少，
唯一攻角也不一定存在。
第三章
第六节
轴流压气机的工作原理
压气机一级中的流动
当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就 出现了： •端壁附面层流动； •端壁角区流动； •端壁间隙产生的间隙流动； •端壁半径变化产生的径向流动。 压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。
第三章
轴流压气机的工作原理
c u r
2
相平衡的压力梯度;
•动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转， 2 u 离
r
第三章
轴流压气机的工作原理
•在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是 潜移流动的方向与动叶相反，由叶尖向叶根潜移流动 。 •叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体 的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的 流动损失。
第三章
轴流压气机的工作原理
•在间隙比较小的情况下， 间隙流动中泄漏流占主要 部分 •压力面的气体动能高、 压力大，具有推迟或减小 吸力面气体流动分离的能 力
第三章
轴流压气机的工作原理
（3）通道涡流动 •主流区压力面静压高，端壁 区压力面静压低; •压力面附近的气流从静压高 处流向低静压处，占据了端壁 的气流通道; •沿端壁流向静压更低的吸力 面，在吸力面角区卷起，形成 横跨整个叶栅通道的旋涡流动。
第三章
轴流压气机的工作原理
•正激波脱体，正激 波强度大； •斜激波贴体，斜激 波强度弱。
第三章
超声速叶栅流动特征：
轴流压气机的工作原理
•在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情 况下，由叶片引起的对流场的扰动可以传播到叶栅进口额 线以前
•叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整 气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流动。这 样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即唯一 攻角
第三章
轴流压气机的工作原理
•动叶中的通道涡也是由压 力面附近高静压的气体通过
端壁附面层流向吸力面而产
生的。 •动叶尖部的间隙涡与尖部 通道涡的旋向相反，二者之
间有相互抑制作用，
动叶叶栅的通道涡和间隙涡
第三章
轴流压气机的工作原理
（4）叶片表面附面层潜移流动
动叶表面附面层内的潜流
•流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 cu 产 生的离心力
第三章
轴流压气机的工作原理
•流动处于堵塞状态（反 压变化的信息不能前传至 槽道激波前的超音区）； •来流轴向速度分量为亚 声速； •激波附体（流量不随反 压变化）。
第三章
轴流压气机的工作原理
•存在中和点B（E）及中 和特征线。 •气流经过BC段＋DE段膨 胀波时的折转角与气流 通过叶片2的外伸激波时 的折转角大小相等、方 向相反。
第三章
Байду номын сангаас
轴流压气机的工作原理
（来流Mw1不变）
反压 p 2 对超声速叶栅流动特征的影响
第三章
轴流压气机的工作原理
a、反压降低 b、反压提高
激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位 置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波 处流通面积的减小使得流量开始减小；
第三章
轴流压气机的工作原理
（反压p2不变）
一、亚音压气机一级中的流动特征 （1）端区附面层流动
•在端壁角区，端壁附面层和叶 片表面附面层中低能气体的相 互阻滞; •角区的附面层增长很快，使得 角区比其它区域更加容易产生 流动分离。
第三章
轴流压气机的工作原理
（2）径向间隙流动
倒流
泄漏流
倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位 压气机的加功和增压能力下降、效率下降
静子叶栅的通道涡
第三章
轴流压气机的工作原理
•通道涡的特点是成对出现， 旋向相反，各占叶栅通道 的一半
•叶片的弯度越大，所形成 的通道涡越强烈
静子叶栅的通道涡
第三章
轴流压气机的工作原理
h
0.50
0.25
0.00 80
k
100 2
通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转 （落后角< 0）和亏转（落后角>平均落后角）现象。
第三章
轴流压气机的工作原理
（5）二次流动损失
•在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、 潜流、泄漏流和通道涡）称为二次流动，由二次流动造成的损失 被称为二次流损失。 •一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要 集中在叶根、叶尖两个端区。 •设计轴流压气机，可在动叶的端区多安排一些加功量，抵消端 区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。
来流Ma数对超声速叶栅流动特征的影响
第三章
轴流压气机的工作原理
当来流 M a1 继续增大，外伸激波和槽道激波会变 得很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动， 表明叶栅出口反压对于这时的 M a1 来说太低了。
第三章
轴流压气机的工作原理
来流方向对超声速叶栅流动特征的影响
第三章
轴流压气机的工作原理
第三章
轴流压气机的工作原理
第三章
轴流压气机的工作原理
减少D点以前的型面转折角度数 ，可以降低D点处的 Ma数，从而可有效降低激波造成的流动损失。
方法是将叶型的吸力面进口段设计成：
•小转折角(多圆弧叶型) •零转折角（平直进口段叶型） •负转折角的型面（预压缩叶型） Ma1> 1.6 Ma1 < 1.2～ 1.6
第三章
轴流压气机的工作原理
五、超声速进口气流在平面叶栅中的流动特征 现阶段进口气流的相对速度马赫数大于 1.0情况只 发生压气机的转子上，即动叶进口气流的相对马赫 数 M w1>1.0。 在目前的轴流压气机技术水平的条件下，动叶进 口气流的轴向速度马赫数 M c1a仍然小于1.0。 这样，叶片对气流的扰动（激波和膨胀波）可以 传播到叶栅进口（额线）以前并影响栅前流场。
第三章
轴流压气机的工作原理
二、超、跨声速级（动叶）流动特征 •超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级； •超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对 M w1 都大于1.0。