叶轮机械原理
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叶轮机械原理-演示文稿(1)
……
→ 气 特 → 流 性 → → 加工工艺： 加工工艺：
气流马赫数 M、气流雷诺数 Re 、 气流进口角 α 0、β1(攻角 i = α 0 g − α 0 ) 气流湍流度
……
→ 叶型表面加工的粗糙度
ξ p = ξ p (α、t 、α s、M、 、∆、粗糙度、叶栅型式等 ) Re
热力叶轮机械原理（1） 主要影响型面损失的因素： 主要影响型面损失的因素： ① 叶型进口气流角度 α 0、β1/攻角 i 的影响
图1.31 冲击式叶栅表面的压力分布图
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
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。 ◆ 型面损失：叶型表面附近产生的损失。
图1.26 叶型表面边界层示意图
图1.27 叶栅尾迹区示意图
叶型表面边界层中的摩擦损失 摩擦损失； ① 叶型表面边界层中的摩擦损失； ② 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 涡流损失 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失 涡流损失。 ③ 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。
(a) 膨胀式叶栅压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
图1.30
冲击式叶栅的压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1） ◆ 叶型表面压力矢量图
XJTU
说明： 叶片背面至腹面的两相应点之间， 说明：① 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； 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。 ② 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。
XJTU
2）气动参数
表示方向： 表示方向： 气流进、出汽角（ ① 气流进、出汽角（ α 0、α 1、β 1、β 2 ） —— 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 冲角（攻角） ② 冲角（攻角） —— 叶栅进口几何角与气流角的差值。 叶栅进口几何角与气流角的差值。 喷管： 喷管： i = α 0 g − α 0 动叶： 动叶： i = β 1g − β 1
→ 气 特 → 流 性 → → 加工工艺： 加工工艺：
气流马赫数 M、气流雷诺数 Re 、 气流进口角 α 0、β1(攻角 i = α 0 g − α 0 ) 气流湍流度
……
→ 叶型表面加工的粗糙度
ξ p = ξ p (α、t 、α s、M、 、∆、粗糙度、叶栅型式等 ) Re
热力叶轮机械原理（1） 主要影响型面损失的因素： 主要影响型面损失的因素： ① 叶型进口气流角度 α 0、β1/攻角 i 的影响
图1.31 冲击式叶栅表面的压力分布图
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
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。 ◆ 型面损失：叶型表面附近产生的损失。
图1.26 叶型表面边界层示意图
图1.27 叶栅尾迹区示意图
叶型表面边界层中的摩擦损失 摩擦损失； ① 叶型表面边界层中的摩擦损失； ② 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 涡流损失 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失 涡流损失。 ③ 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。
(a) 膨胀式叶栅压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1）
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图1.30
冲击式叶栅的压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1） ◆ 叶型表面压力矢量图
XJTU
说明： 叶片背面至腹面的两相应点之间， 说明：① 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； 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。 ② 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。
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2）气动参数
表示方向： 表示方向： 气流进、出汽角（ ① 气流进、出汽角（ α 0、α 1、β 1、β 2 ） —— 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 冲角（攻角） ② 冲角（攻角） —— 叶栅进口几何角与气流角的差值。 叶栅进口几何角与气流角的差值。 喷管： 喷管： i = α 0 g − α 0 动叶： 动叶： i = β 1g − β 1
14-叶轮机械原理课程总结
惯性反动度：
2 u12 u2 2 2 2 u1 (1 D2 ) 2 c0 2
iner
u1
D2 D2 D1
速比 轮径比
叶轮机械原理课程总结
一、简答： 1、涡轮和压气机叶片与气流间的能量交换有何不同？ 2、写出轴流压气机基元级理论功的欧拉方程表达式， 并指明提高增压能力的途径。 3、什么是旋转失速？解释旋转失速产生机理。 4、画出反动度为0的轴流式涡轮机基元级的焓-熵图和 速度三角形。 2 cu dp 5、解释简单径向平衡方程 dr r 的物理意义。 6、解释多级涡轮重热现象。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械的定义： 具有绕旋转轴转动的转子； 工质对转子叶片进行连续绕流；
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
压气机相似准则：
1 2
G T1*
* p1 D2
nD T1*
叶轮机械原理课程总结
压气机特性线：
叶轮机械原理课程总结
二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：
2 u12 u2 2 2 2 u1 (1 D2 ) 2 c0 2
iner
u1
D2 D2 D1
速比 轮径比
叶轮机械原理课程总结
一、简答： 1、涡轮和压气机叶片与气流间的能量交换有何不同？ 2、写出轴流压气机基元级理论功的欧拉方程表达式， 并指明提高增压能力的途径。 3、什么是旋转失速？解释旋转失速产生机理。 4、画出反动度为0的轴流式涡轮机基元级的焓-熵图和 速度三角形。 2 cu dp 5、解释简单径向平衡方程 dr r 的物理意义。 6、解释多级涡轮重热现象。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械的定义： 具有绕旋转轴转动的转子； 工质对转子叶片进行连续绕流；
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
压气机相似准则：
1 2
G T1*
* p1 D2
nD T1*
叶轮机械原理课程总结
压气机特性线：
叶轮机械原理课程总结
二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：
叶轮机械原理-1
参数的变化规律和作功情况。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
1.2 喷管和动叶通道中的流动过程与通流能力
流动非常复杂：◆ 三元、粘性、可压缩、非定常流动
◆ 伴随有能量的转换 ◆ N-S方程描述
一、一元流动模型和方程 基本假定： ① 蒸汽在叶栅通道中的流动是定常流动
→ 在流动过程中，空间任何一点的蒸汽参数不随时间而变化； → 汽轮机运行工况一定时，各点参数不再变化。符合假设条件。
XJTU
蒸汽在通过透平级时，蒸汽热能向动能的转化过程，大部分是在 喷管中完成，小部分是在动叶栅中完成。 → 汽流对动叶施加一个离心力和一个反作用力； → 在汽流冲击力和反作用力共同作用下，透平级完成对外作功。
④ 复速级（速度级）
蒸汽热能主要在喷管叶栅中转化为动能， 而从喷管叶栅出来的高速汽流要在同一个叶轮 上的两列动叶栅中进行功的转化。 特点：四排叶栅 喷管叶栅 + 动叶栅1 + 导向叶栅 + 动叶栅2
代入能量方程，有：
c1s 2k ( RT0* RT1 ) k 1
* 0 * 0
k 1 p p1 k 2k 1 p* k 1 0
双列复速级
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
a) 冲动级
b) 反动级
c) 带反动度的冲动级
d) 双列复速级
图1.4 四种透平级叶栅通道示意图
热力叶轮机械原理（1） 二、级的主要问题和研究方法 ◆ 主要问题
从工作原理上讲，透平级的主要问题有三个方面：
XJTU
1）蒸汽在汽轮机通流部分中的能量转换和通流能力问题； 2）蒸汽的流动效率问题；
2 c12 c2 i2 w 能量方程： i1 2 2
叶轮机械原理-第二章单级蒸汽透平
二、通流部分结构参数 两方面的工作：
① 选择双列复速级的叶栅型式（成套选择）， 确定四列叶栅的高度； ② 进行双列复速级的热力计算（速度三角形、轮周功率 和轮周效率等的计算）。
→ 复速级的进口蒸汽状态参数： p0、t 0、c0 已知参数： → 复速级的出口压力： p2 → 复速级的转速： n
→ 复速级的流量或功率： G（N）
第二章 单级蒸汽透平
◆ 单级透平（汽轮机）： 只有一个透平级的透平（汽轮机）。 ◆ 单级蒸汽透平与透平级的区别
透平级
透平级
图2.1 轴流式汽轮机级与汽轮机纵剖面图
① 从结构上： 透平级: 仅是蒸汽透平的一个组成部分（工作单元）；
单级透平: 整机，它包括: 透平级（通流部分）， 汽缸、转子、进排汽管路、前后轴承箱、 汽封装置以及调节、保安系统等。
图2.3 回流式透平通流部分圆周截面
→ 特点：◆ 只有一排动叶栅，发挥三列复速级的作用； ◆ 蒸汽双向流过一列动叶栅。动叶是完全对称的。 有：
'' 2 1 1 1'' 2 2
l 2）， ◆ 动叶叶高不变（ l 2 l 2 c1'' ）， 但进汽速度差别很大（ c1 c1 相应的部分进汽度变化也很大（ e e e ）。
双列复速级透平的损失、功率和效率对应表 符 号
—— ——
计算根据
0.05
单 位
MPa MPa kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg —— kJ/kg kJ/kg kJ/kg kW kg/s
效率和功率名称
……………… ……………… 轮 周 效 实 际 轮 周 功 率 级 效 率 或 相 对 内 效 …… …… 率 率 率 内 内 效 功 透 透 平 平 透 平 有 用 功 率
《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：
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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
叶轮机械原理第二章 基本方程..
叶轮机械原理
第二章 气动热力学基本方程 在叶轮机械中的应用
在气体动力学和工程热力学中已介绍过描述气 体运动的基本方程（三大守恒）
连续方程 热焓形式的能量方程 机械能形式的能量方程 热力学第一定律方程 （广义伯努利方程） 动量方程（欧拉方程） 动量矩方程（叶轮机欧拉方程）
本章重点介绍上述方程在叶轮机械中的应用
i1w i2 w 2 w12 w2 c pT1 c pT2 2 2
热力学第一定律方程
热力学第一定律
dq c p dT 1
dp di
1
dp
在叶轮机中，气体微团从截面1运动到截面2， 气体从状态1变化到状态2，过程积分
q i2 i1
n 1 n 2 1 p n dp RT1 2 1 1 p1 n 1
机械能形式的能量方程
气体压缩过程——焓熵图
热力学第二定律： dq Tds 热力学关系式： ds
cp T dT R dp p
s2 s1 c p ln T2 T1
2
1
p 1 pd( ) RTd( ) RT ln 1 RT ln 2 1 2 p1
1
2
故，压缩功 Lis 1
2
1
dp RT ln
p2 p1
机械能形式的能量方程
绝热压缩过程：过程与外界无热交换且无损失，即 qe q f =0
p / k 常数
vu
扭速
Lu u vu
第二章作业
以两种不同形式的能量方程(热焓形式和机械能 形式)解释涡轮中的能量转换 判断压气机转子所受轴向力是向前还是向后， 并解释之
第二章 气动热力学基本方程 在叶轮机械中的应用
在气体动力学和工程热力学中已介绍过描述气 体运动的基本方程（三大守恒）
连续方程 热焓形式的能量方程 机械能形式的能量方程 热力学第一定律方程 （广义伯努利方程） 动量方程（欧拉方程） 动量矩方程（叶轮机欧拉方程）
本章重点介绍上述方程在叶轮机械中的应用
i1w i2 w 2 w12 w2 c pT1 c pT2 2 2
热力学第一定律方程
热力学第一定律
dq c p dT 1
dp di
1
dp
在叶轮机中，气体微团从截面1运动到截面2， 气体从状态1变化到状态2，过程积分
q i2 i1
n 1 n 2 1 p n dp RT1 2 1 1 p1 n 1
机械能形式的能量方程
气体压缩过程——焓熵图
热力学第二定律： dq Tds 热力学关系式： ds
cp T dT R dp p
s2 s1 c p ln T2 T1
2
1
p 1 pd( ) RTd( ) RT ln 1 RT ln 2 1 2 p1
1
2
故，压缩功 Lis 1
2
1
dp RT ln
p2 p1
机械能形式的能量方程
绝热压缩过程：过程与外界无热交换且无损失，即 qe q f =0
p / k 常数
vu
扭速
Lu u vu
第二章作业
以两种不同形式的能量方程(热焓形式和机械能 形式)解释涡轮中的能量转换 判断压气机转子所受轴向力是向前还是向后， 并解释之
《叶轮机械原理》课件
03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。
叶轮机械原理 第二章单级蒸汽透平
◆ 动叶叶高不变（ l2 ? l2? ? l2''）， 但进汽速度差别很大（ c1 ? c1? ? c1'' ）， 相应的部分进汽度变化也很大（ e ? e?? e??）。
图2.3 回流式透平速度三角形
图2.4 回流式汽轮机纵剖面图
③ 周向旋流式透平（Terry 透平） 特点：◆ 透平动叶汽道是在轮缘上直接铣出来的半圆形 斜槽，汽流通过动叶栅时的流动方向是圆周向 （同动叶旋转方向一致）； ◆ 这种透平可以利用较大的焓降，且结构简单。
计算公式：
? pk?pFra bibliotekk ?pk
?
??? cex ??2
?100 ?
pk
式中：λ—— 与排汽管结构形式和汽流速度有关的
阻力系数， λ=0.05~0.1（速度高取偏大值）
c2 —— 排汽管中的汽流速度。
凝汽汽轮机： 背式汽轮机：
c2m?/s8；0 ~ 120 c2m?/s4。0 ~ 60
在汽流速度范围内， 排汽管压力损失：
透 涉及: 从汽轮机进口到排汽口的流动情况和能量转换。
平 考虑: 级的喷管/动叶1/导叶/动叶2/余速损失
其它能量损失（如：进排汽节流损失、 摩擦损失、
鼓风损失、弧端损失、湿汽损失、漏汽损失等）
功率和效率：轮周功率、 内功率、 有用功率 轮周效率、 相对内效率等
◆ 单级蒸汽透平的功率： 0.5 kW ~ 3000 kW ◆ 单级蒸汽透平的用途：
其结构损失系数为： (1 ? 0.975)? u
蒸汽分子对环形叶轮产生 ④ 轮面摩擦损失： 的摩擦引起的损失。
⑤ 部分进汽损失： 由于部分进汽引起的能量损失。 ◆ 鼓风损失： 在不进汽弧段区域， 动叶栅的风扇作用所消耗能量；
热力叶轮机械原理第一章 透平级工作原理3
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2 1 (2 ~ 4 )
——
tg 2
w2 sin 2 w2 cos 2 u2
取定： 1
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2
——
tg 2
叶
圆周速度 u 2
绝对汽流速度 c2
大小 c1 2(1 )hs* u1 d m n / 60
w1 c12 u12 2u1c1 cos1
w2 21hs* w12 u2 d m n / 60
c2 w22 u22 2u2 w2 cos2
② 对双列复速级，轮周功（轮周功率）为：
Wu Nu Pu u Gu (c1u c2u c1u c2u )
2019/11/1
22
二、级的轮周功（轮周功率）
利用速度三角形的函数关系式，有：
c1 u1
w1
c2
w2 u2
w12 c12 u12 2u1c1 cos1 c12 u12 2u1c1u
hb、
' b
—— 分别是动叶2能量损失和能量损失系数；
hcc、c2—— 分别是余速 能量损失和能量损失系数；
2019/11/1
28
三、轮周效率
各项焓降和损失在 i - s 图上的表示方法
1) 级的等熵滞止焓降
h
* s
2) 喷管等熵滞止焓降 h1*s
3) 动叶等熵焓降 4) 级的有效焓降 5) 喷管实际焓降 6) 动叶实际焓降 7) 喷管能量损失
h2s 双
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2 1 (2 ~ 4 )
——
tg 2
w2 sin 2 w2 cos 2 u2
取定： 1
——
tg 1
c1
c1 sin 1 cos1 u1
取定： 2
——
tg 2
叶
圆周速度 u 2
绝对汽流速度 c2
大小 c1 2(1 )hs* u1 d m n / 60
w1 c12 u12 2u1c1 cos1
w2 21hs* w12 u2 d m n / 60
c2 w22 u22 2u2 w2 cos2
② 对双列复速级，轮周功（轮周功率）为：
Wu Nu Pu u Gu (c1u c2u c1u c2u )
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二、级的轮周功（轮周功率）
利用速度三角形的函数关系式，有：
c1 u1
w1
c2
w2 u2
w12 c12 u12 2u1c1 cos1 c12 u12 2u1c1u
hb、
' b
—— 分别是动叶2能量损失和能量损失系数；
hcc、c2—— 分别是余速 能量损失和能量损失系数；
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三、轮周效率
各项焓降和损失在 i - s 图上的表示方法
1) 级的等熵滞止焓降
h
* s
2) 喷管等熵滞止焓降 h1*s
3) 动叶等熵焓降 4) 级的有效焓降 5) 喷管实际焓降 6) 动叶实际焓降 7) 喷管能量损失
h2s 双
叶轮机械原理
叶轮机械原理
叶轮机械原理是通过旋转的叶轮来转化或传递能量的一种机械原理。
叶轮通常由装备在轴上的叶片构成，这些叶片通过旋转提供机械能或液压能。
叶轮的工作原理基于牛顿第三定律，即作用力与反作用力相等而方向相反。
当叶轮旋转时，它会通过叶片与流体之间的相互作用产生一个作用力。
这个作用力会将流体推动并转化为机械能。
叶轮机械用于很多不同的应用，例如水泵、涡轮机和风力发电机等。
在水泵中，叶轮通过转动将流体吸入并推出，提供压力和流动。
在涡轮机中，叶轮则通过流体的作用转动轴，从而驱动发电机或者其他机械设备。
风力发电机中的叶轮接收风的能量，将其转化为旋转能量，然后由发电机生成电力。
叶轮机械的效率取决于其设计和操作参数，例如叶轮的形状、角度和转速等。
优化这些参数可以提高叶轮机械的效率和性能。
同时，叶轮机械还需要定期的维护和保养，以确保其正常运行和寿命。
总之，叶轮机械原理是一种通过旋转的叶轮将流体能转化为机械能的重要机械原理。
它在各种领域中都有广泛的应用，并且对于能源转换和流体传输具有重要意义。
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
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。
叶轮机械原理72
叶轮机械原理727.3 涡轮级和多级涡轮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。
级空间的气流组织研究区域：叶片环轴向间隙简化径向平衡方程2 dp cu dr r2 dLu 1 1 d (cu r )2 dca 2 0 dr 2 r dr dr涡轮叶片设计中常用的变化规律：等环量设计，等a1叶片设计，通用扭向规律，可控涡设计级空间的气流组织等环量叶片cu r const ca const Lu const 1 arctanc1a c1u c 1 arctan 1a c1u u2 arctanc2 a c2u uc 优点：流动无旋，ca分布均匀，w w c c 效率较高，而且计算简便，与实测数据比较一致。
C2a 缺点：反力度沿叶高变化剧烈，u C2u c 根部可能出现反力度。
u 1a1uwu c u半径↑,c1u、c2u↓, c1a、c2a 1和1 ↑, 2 ↓ 与压气机的区别？3级空间的气流组织等a1叶片(静叶) 1 const Lu const c w半径↑,c1u、c1a ↓const 改善反力度和静叶出口马赫数等参数的分布cos 2 1 c1a r const 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，w c c 进行内部冷却。
承力支杆。
c1u rcos 2 11aC2a动叶：Lu沿径向不变的条件u c1uC2uuwu c u级空间的气流组织通用扭向规律m=1,等环量扭向规律c1u r const Lu const mm=cos2a1,等a1扭向规律cos2a1=m=1,中间规律0 m cos2a1,(小轮毂比)级空间的气流组织可控涡设计规定环量(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2 1 p cu sin cm 2 cos cm R c m r r m m cos sin cm cm 1 h* s cu (cu r ) T cm r cm r r r r cm m Rm 6级空间的气流组织优点：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减弱静叶叶片表面边界层内潜移现象，避免了过多的匀化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增大涡轮作功能力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。
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第一章
（一）轴流式
绪
论
轴流式压气机
转子
第一章
绪
论
轴流式涡轮
转子
第一章
绪
论
轴流泵
轴流式水轮机转子
第一章
（二）径流式
绪
论
离心式压气机
转子
第一章
绪
论
图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封； 9、隔板密封； 10、轮盖密封； 11、平衡盘； 12、推力盘； 13、联轴器； 14、卡环； 15、主轴； 16、机壳； 17、支持轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
第一章
绪
论
• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40 年所取得的进步 推重比翻一倍，达到15～20，
SFC下降40％～50％。
（Specific Fuel Consumption，单位燃油消耗率）
Comparison of CJ805 and GE90 Compressor Systems
CJ805 circa 1960 12.5:1 pressure ratio GE90 circa 1996 44:1 system pressure ratio
Booster
Fan
HP (core) compressor
第一章
绪
论
七、叶轮机械内部的复杂流动 • 叶轮机通常由多级组成，而每一级中又分成 转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和 机匣）； • 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶 轮机内流动的研究思路仍然可以追溯到在机翼 上首先研究成功的成果。
第一章
• 叶片造型 ；
• 三维数值分析；
绪
论
第一章
作业1
绪
论
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
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均， 中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
第一章
一、叶轮机的广泛应用
绪
论
风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、 水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
第一章
绪
论
第一章
绪
论
•叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿 用翼型绕流的成熟概念往往不能成功，必需考虑 叶轮机械本身的特殊性和复杂性。
•叶轮机内部流动的特殊性： 1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响； 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大； 3）叶轮机通常存在内外环壁边界。
叶轮机械原理
北京航空航天大学
能源与动力工程学院 流体机械系 二零零六年三月
第一章
• 本课程的学习
绪
论
• 作业（40％）、考试（60％）
• 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 编著 2006年
第一章
• 主要参考书：
绪
第一章
绪
论
S1和S2流面
第一章
绪
论
S1流面
第一章
绪
论
S2流面
第一章
绪
论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。
• 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
流动损失模型 和 落后角模型
第一章
绪
论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology , 综合高性能涡轮发动机技术）
UDF on Boeing 727 test bed
GP7200 for the Airbus A380
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
第一章
绪
论
二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
第一章
绪
论
• 叶轮机内部流动的复杂性：
1）流动的三维性 ；
2）流体的可压缩性 ；
3）流体的粘性 ；
4）流动的非定常性。
第一章绪论ຫໍສະໝຸດ 第一章绪论
八、叶轮机械内部复杂流动的简化 • 假设流动是定常的； • 假设流动是轴对称的；
• 假定粘性作用主要在边界层中。
第一章
绪
论
九、叶轮机械设计过程简介 • 子午面流道的确定； • 子午面（或S2m流面）上气流参数的确定；
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
The Third Jet Flight - May 15, 1941
British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engine
第一章
绪
论
• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。
•20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片 机设计的理论计算研究开始取得突破性进展。
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
五、叶轮机研究的意义
绪
论
• 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， 可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章
绪
论
离心式水泵
第一章
绪
论
向心式涡轮
第一章
（三）斜流式
绪
论
斜流式压气机
转子
第一章
绪
论
混合式压气机
第一章
绪
论
第一章
绪
论
涡轮增压器
第一章
绪
论
第一章
绪
论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度； • 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
•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等； •另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势能） 和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水泵、螺 旋桨、风扇、压气机等。
第一章
绪
论
三、叶轮机的主要形式 • 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流式、 径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
第一章
绪
论
六、航空叶片机的发展概况 • 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。 •人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
第一章
绪
论
1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
“飞行者”1号采用的活塞式发动机
论
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.