第五节叶栅气动特性与叶栅损失

冲角的影响（冲动式叶栅）冲动式叶型对冲角更为敏感
i 1p 1
i 0 在叶型腹面的进口段出现扩压段
i 0 在叶型背面出现显著的扩压段
雷诺数的影响
Re1 c1b

Re 2 w2b

自动模化流动雷诺数 反动式 Re 2 (5 ~ 7) 105
冲动式 叶型损失系数随雷 诺数的变化不大。
弧上产生局部超音速汽流(虽整 个出口汽流还是亚音速)，从而 产生冲波，引起冲波损失，虽
然M的增加使摩擦损失减小， 但在数值上不能弥补冲波损失，所以叶型损失增加。
平面叶栅出口气流角
2 ( 1,t , b, Re 2, M 2, ~,叶型形状等 )
M2<0.5 时
K1 1.11 K 2 2.0
叶 是栅为的了主减要小原这因种之 不一 利。 影冲响动。式叶栅取β2<β1正
附面层摩擦损失：
与叶型表面光洁度及压力分布有关 减小该项损失的措施： a)在冲动级中采用一定的反动度，以增加汽流流速 b)减少叶片数并相应增大相对节距，以减少汽流流经的表面积
2．附面层脱离引起的涡流损失
汽流产生涡流的 原因：附面层中 汽流动能因摩擦 阻力而逐渐被消 耗，在扩压段中 动能一部分要转 变为压力能，又 要克服摩擦功。
流态；层流紊流的过渡点 分离点
4)扩压段的存在，有利于附面层的分离；
5)冲动式的能量损失一般大于反动式；
6）附面层在出气边分离，形成尾迹和尾迹涡迹损失。
K
o2
K 0.06 ~ 0.27
p f
3．尾迹损失
由于叶型出口边总有一定的厚度Δ，沿每 只叶片背面和腹面而来的两部分汽流在离开 叶栅之后不能立刻汇合，因而在出口边之后 形成充满涡流的尾迹区，如图所示。
称为叶栅稠度。它表示叶栅中叶片排列的疏 密程度，这是对叶栅性能有重要影响的参数。
6．相对高度（展弦比）I/b ：叶片高度与 弦长之比；
7．出口截面宽度a：是指一叶片出口边到 相邻叶片背弧间所作外切圆的直径，说明叶 片间所构成的气流通道的特点；
8. 叶片进、出口角α0g、β1g、 α1g、β2g :中 弧线在叶片进、出口边的切线与额线之间的 角度；
(1)希望实现预期的速度图，并使流动损失 小，以便发出所需功率和通过给定的气体流 量。
(2)沿叶片内弧的速度从前线到尾缘均匀、 连续地增加，没有扩压段。在极个别情况下， 也可以允许有一小段是等速的，然后加速到 底。叶背型面的速度分布更重要，通常在叶
背的前线和中间部分，气流应该较快地加 速，然后逐渐地减慢加速，井在喉部达到最 大速度。根据不同叶栅，叶背尾绿部分也允 许有一小段扩压，但是其正压力梯段要尽量 短，开始扩压的点要尽量往后移，以推迟由 层流到紊梳的过渡并避免附面层的分离。
叶型的弯曲角 2 p 1p
气流冲角i
i 1p 1
气流落后角δp p 2 2 p
（一） 叶栅的型式
➢喷嘴叶片：静子叶片 ➢动叶: 转子叶片 ➢叶栅：相同叶片构成汽流流道的组合体 ➢静叶栅：静叶组成静止的 ➢动叶栅：动叶组成转动的 ➢环形叶栅：汽轮机采用 ➢直列叶栅：展布在平面内的叶栅，径高比大 ➢冲动式叶栅（含导向叶栅）：p1≈p2 ➢反动式叶栅：（静、动） p1>p2 渐缩 ➢缩放叶栅：εn≤0.3时采用
叶型背面产生层流附面层脱离的情况
(四) 马赫数的影响
当叶栅在马赫数M＞0.3的条件下工作时，压力分布曲线、损 失系数和汽流出口角都将随从的改变而变化。这就是汽体的可 压缩性对叶栅特性的影响。
存在一个叶型损失系数最小的最佳马赫数。M在小于最佳值的 范围内，随着M的增加，沿汽流方向压力降落的速度增加，附 面层随之减薄，从而使摩擦损失减小；M超过最佳值后再继续 增加时，就会在叶栅汽道的背
轴流透平叶栅综合试验数据
•Ainley-Dunham 经验公式；
叶型损失； 端部损失； 叶栅出气角；
Ainley-Dunham 经验公式
叶型损失
Ainley 公式
失速冲角: 使叶型损失系数等于零冲角下, 叶型损失系数两倍时的正冲角。
p p . p(i 0) p(i 0)
三、叶栅的损失
平面叶栅中的汽流流动损失，包括叶型损失 和端部损失两部分。
叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能 量损失。用叶栅吹风试验所得到的叶栅压力分 布曲线可以用来分析叶栅轮周力的来源和叶型 损失的机理。
（叶型损失包括叶型表面附面层中的摩擦损 失、附面层脱离引起的涡流损失、叶片出口边 尾迹中的涡流损失(尾迹损失)和近音速和超音 速汽流所产生的冲波损失。）
p
pi p1
c 2 1t 1t
2
冲动式叶栅与反动式叶栅表面压力分布是不同的:
1)叶片背面: p 下降，C增加,达到最小值后，开始回升，p 。
2)叶片腹面：进冲口动开式始的p段
下降更快，也更低，回升也增大； 减速，继而开始 、加速；
3)沿叶片表面压力不同的分p 布规律，影响到叶型p表面的附面层的
时，上下两
端旋涡刚好
汇合。
四、影响叶栅损失的因素
(一)相对节距 的影响
最佳相对节距：除与马赫数和雷诺数有关，还与汽流的转折
角、出汽边厚度和叶栅流道收敛程度系数k有关。
t (t)opt ：附面层增厚
t (t)opt：摩擦和尾迹损失增大
冲动式
t opt 0.55 ~ 0.70
p 4 ~ 6%
损失沿叶栅高度的分布趋于不均匀，图中ξn 或ξb称为叶栅损失系数，是衡量叶栅损失大 小的指标。 ξn=ξp+ ξe ξp:叶型损 失系数 ξe:端部损 失系数
总损失沿叶高的分布
各种试验表明，影响端部损失的因素很多。 诸如叶型、相对节距、安装角、进汽角等， 其中最主要的因素是相对叶高。叶片处于相 对极限叶高

2
h* 1s
对于动叶：
b

h* 2s

h2
1b

2
h* 2s
衡量叶栅损失性能的指标：
1）速度系数 2）能量损失系数 3）总压损失系数
总压损失系数：压力
损失在喷嘴和动叶中压
降的份额。
n
p0* p1*

p1* p1
b

pw* n pw* b pw* b p2
本节主要分析喷嘴损失与动叶损失产生的 物理因素和影响因素，同时分析与汽轮机 流量、功率有关的叶栅出气角及其影响因 素，以便热力设计时能选用气动性能良好 的静动叶栅，确定完善的几何尺寸，构成 所需的透平级。
小汽流进口角即正冲角所造成的叶型损失的 增加比负冲角更严重。
叶栅的前缘半径越小，冲角特别是正冲角所 造成的损失越严重。新式亚音速叶栅的前缘相 对半径往往取得较大，以保证叶栅在变工况下 工作时仍有较稳定良好的气动性能。
冲角的影响（反动式叶扩压段 i 0 在叶型背面出现显著的扩压段
(二)叶型特性
叶型是指叶片的横截面形状，它的周线 叫做型线，叶型的几何性质和参数：
1．中弧线：叶型所有内切圆圆心的连线；
2．弦线：叶型内弧侧进口边与出口边的切 线，也叫外弦；
3．叶型折转角：中弧线入口端与出口端切 线的夹角，表示叶型的折转程度；
4．弦长b—叶型入口端至出口端在该钱方 向的距离，这是叶型大小的代表性尺寸。
3）叶片出气边的尾迹涡流损失；
4）冲波损失
p f
式中p —叶型损失系数； f、 —分别称摩擦损失系数和尾迹损失系数；
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(一)叶型损失的机理
1．附面层中的摩擦损失
附面层中摩擦损失的大小与叶栅表面的租 糙度和压力分布密切相关。若叶型表面某段沿
汽流流动方向压力降落较快。则汽流在这段上 加速较大，加速汽流总是倾向于使附面层减薄， 从而使摩擦损失减小；反之，加速较小的汽流 使流动介质堆积，附面层增厚，而使摩擦损失 增加，这也是冲动式叶栅摩擦损失大于反动式
影响端部损失的主要因素：相对高度 l l
b
汽流在端面附面层内流速 小，产生的离心力不足以 平衡凹凸两面的压差。
汽流在上下端面的附面层 内产生了自凹弧向背弧的 横向流动，二次流。
凡是能使叶栅汽道中横向 压力差增大的因素，均会 引起端部损失的增加。
如叶型、相对节距和进汽 角等。
2. 影响端部损失的因素 端部损失使冲栅总流动损失增加，并使总
反动式
t opt 0.65 ~ 1.0
p 1.8 ~ 2.5%
(二)安装角αs的影响 安装角的大小直接影响汽道的形状，所以
也就影响到叶型的压力分布曲线和汽流的出 汽角。因此，对一定的叶型来说，不同的安 装角就有不同的叶型损失。存在一个最佳安 装角。
（三）气流角和冲角的影响
改变进汽角α1(β1)，将使叶型表面的压力分 布发生变化。
尾迹区内汽流压力和速度与主流的压力 和速度相差很大，两部分汽流经过相互拉扯 之后，叶栅后的汽流逐渐均匀化。均匀化后 的汽流速度低于原来的主流速度，汽流动能 减小，减小部分称为尾迹损失。
尾迹损失与Δ /a成正比。
4．冲波损失
在冲动式叶栅进出口处、反动式叶栅的出 口处及叶片背弧的某些地方，有时会出现超 音速汽流，因而也会产生冲波。汽流经过冲 波后，压力突升，流速显著下降，叶型损失 急剧增加。这些由冲波引起的损失称为冲波 损失。冲波损失最终表现为叶型损失，故不 必单独计算。
1 7( 0.02)

p
p(

0.02)


/t
Dunham 端部损失
为实验系数，它取决于叶栅流 道的收敛度和叶栅的高度
气流出口角
M2<0.5
M2=1
小结
级的造型设计的主要要求：
造型设计的任务是恰当地把气动参数和几 何参数结合起来，最后确定叶片的几何形状。