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）
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。
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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）
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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》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
叶轮机械原理
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。
它包括涡轮、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等，广泛应用于能源、动力、航空航天等领域。
叶轮机械的工作原理基于动量矩定理和欧拉方程。
在叶轮机械中，工质进入叶栅通道后，通过收敛或扩张的流道，速度逐渐增大或减小，工质在经过导向器时改变流动方向，然后冲击工作轮，使工作轮旋转做功。
涡轮是叶轮机械的一种，它包括静子和转子两部分。
气流以高速冲击涡轮工作轮旋转做功，气流经过涡轮基元级时，速度、压力、温度和焓都会发生变化。
涡轮的效率和经济性都与这些参数密切相关。
叶轮机械的设计和制造需要考虑到多种因素，如工质的物理性质、流道的设计、叶片的材料和形状等。
因此，在实际应用中需要根据具体情况进行设计和优化。
《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
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(西安交大)-演示文稿(3)
2 (sin 2 2 c2 z c2 c r zh 1 zh
2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)
2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
XJTU
5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
XJTU
② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r
c2uh 1 uh
2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)
2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
XJTU
5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
XJTU
② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r
c2uh 1 uh
叶轮机械原理 第二章.pdf
第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用作业21）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。
2）判断压气机转子所受轴向力是向前还是向后，并解释之。
第二章气体动力学和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:连续方程、能量方程、热力学第一定律方程、动量方程和动量矩方程。
本章重点介绍上述方程在叶轮机械中的应用。
在dt时间内流过面积dA的气体质量dm为：三、热力学第一定律方程第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用五、动量守恒方程→•→•→→→−=++′1221w m w m t p t p P第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用叶片在轴向方向受到的气体作用力为tp p w w m P a a a )()(2121−+−=•叶片在切向方向受到的气体作用力为)(21u u u w w m P −=•第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用六、动量矩方程)(1122r c r c m M u u −=•：单位时间内通过微元流股控制体进口和出口截面的气体质量；和：控制体进口和出口截面气流绝对速度的切向分量；•m u c 1u c 2第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用气体作用在叶轮机上的力矩与叶轮机作用在气体上的力矩大小相等，方向相反，。
在力矩作用下，气体对叶轮机的作功量：M ′M M M −=′M ′ℓu ´θM ′==dtM ω′= dtr c r c m u u ω)(1122−−•= m()Δ−1122r c r c u u −ω第二章气体动力学和热力学基本方程在叶轮机械中的应用单位质量气体对叶轮机作功为-ℓu ´/ = ==′u L m Δω)(1112r c r c u u −−)(1122u c u c u u −−叶轮机对单位质量气体所作轮缘功L u 为)(1122u c u c L L u u u u −=′−=。
叶轮机械原理 第二章
1
或 2 dp qe L f h2 h1 1
（q=qe+qf , qf＝Lf）
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
四、机械能形式的能量方程
绝对坐标系下的机械能形式的能量方程
2 dp C C Lu Lf 1 2 2 2 2 1
第二章
气体动力学和热力学基本方程
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
一、连续方程
在dt时间内流过面积dA的气体质量dm为：
dm c sin dAdt
在单位时间内流过dA的气流质量 d m为：
dm dm c sin dA dt
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
在叶轮机械中习惯于用气体总参数和流量函数 q(λ) 表示连续方程:
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
绝对坐标系下的热焓形式能量方程
2 C 2 C12 Lu qe h2 h1 h2 h1 2
无论对无粘流动还是有粘流动上述方程都是适用的。
用于叶轮机静子，轮缘如果气体与叶轮机静子之间热量交换qe也为零，即流动
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
单位质量气体对叶轮机作功为
Lu -ℓu´/ m = (c2u r1 c1u r1 ) = (c2u u2 c1u u1 )
叶轮机对单位质量气体所作轮缘功Lu为
Lu Lu (c2u u 2 c1u u1 )
在叶轮机械中的应用
相对坐标系下的机械能形式的能量方程
u u dp w w Lf 1 2 2
或 2 dp qe L f h2 h1 1
（q=qe+qf , qf＝Lf）
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
四、机械能形式的能量方程
绝对坐标系下的机械能形式的能量方程
2 dp C C Lu Lf 1 2 2 2 2 1
第二章
气体动力学和热力学基本方程
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
一、连续方程
在dt时间内流过面积dA的气体质量dm为：
dm c sin dAdt
在单位时间内流过dA的气流质量 d m为：
dm dm c sin dA dt
第二章
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
在叶轮机械中习惯于用气体总参数和流量函数 q(λ) 表示连续方程:
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
绝对坐标系下的热焓形式能量方程
2 C 2 C12 Lu qe h2 h1 h2 h1 2
无论对无粘流动还是有粘流动上述方程都是适用的。
用于叶轮机静子，轮缘如果气体与叶轮机静子之间热量交换qe也为零，即流动
气体动力学和热力学基本方程
在叶轮机械中的应用
单位质量气体对叶轮机作功为
Lu -ℓu´/ m = (c2u r1 c1u r1 ) = (c2u u2 c1u u1 )
叶轮机对单位质量气体所作轮缘功Lu为
Lu Lu (c2u u 2 c1u u1 )
在叶轮机械中的应用
相对坐标系下的机械能形式的能量方程
u u dp w w Lf 1 2 2
叶轮机械原理
$number {01} 汇报人：XX
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_第一章
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.
• 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，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
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
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
• 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.
• 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，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
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
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
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轴流式涡轮和向心式涡轮 冲动式涡轮和反力式涡轮 非冷却式涡轮和冷却式涡轮 单级涡轮和多级涡轮 常规涡轮和对转涡轮 带冠和不带冠
7.1 涡轮的基元级
➢基元级流动
0
12
静叶 0
旋转轴
动叶 12
工作轮
6
➢ 气流通过涡轮基元级速度的变化
❖导叶的作用：膨胀加速＋降温＋导向 ❖动叶的作用：做功＋膨胀＋导向
涡轮压气机叶栅通道形状的差异
➢涡轮基元级反力度
1 2
(
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：
给定轮缘功时，可以根据无量纲参 数HT，ΩT和C1a/C2a，静叶出口气流 角1确定速度三角形。
负荷系数大，做功能力强
根据Lu和H T确定圆周速度：
c2u
c2u
uu根cc2Ha据2Tc反tLwgu(力1H2c度T1aT和)c载 荷系数w 的定义：
c2a
cT2a/1u
cc1u2ac2u
2u
uc2a
ctcgH1u T2•u
哪是压力面？
➢ 气流通过涡轮基元级速度的变化
T0 p0
c1 T1
c2 T2
❖❖燃 温工 气 静气 和作 流 温通 总T轮 在过 压、：其涡 都静工中轮 降焓作继基 低h轮续进元 。叶膨一级栅胀步膨通加降胀道速低作也。，功呈气同，收体时燃敛，静气形气压的，p总、 ❖ 导流向通器过：工改作变轮气叶流栅方改向变。流导动向方器向通。道由呈收
0
1
2
❖因 为工 口此 w1。作 相气轮 对流出 速相口 度对w气于1，流工但的作是相轮对对前于速缘发度的动w2运大机动的于速绝进度 对坐标系来说，工作轮出口气流的绝
对速度c2却小于工作轮进口绝对速度c1
➢ 气流通过涡轮基元级膨胀作功原理
从能量方程推导得到的膨胀功公式为：
Lu
qe
Cp (T2
T1) C22
第七章 涡轮工作原理及特性
1
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）
➢叶型损失
边界层内的摩擦损失和分离损失 尾迹损失及尾迹和主流的掺混损失 波阻损失
19
7.2 涡轮基元级的损失
➢叶型损失
再生热＋动能损失＝流动损失
面积022ad+面积i 22adCD=面积02DC 压气机与涡轮的区别？
➢叶栅出口速度计算（静叶为例）
速度损失系数（实际速度/等熵理想速度）
c1 / cad c1 /
C12 2
Cp (T2
T1 ) h2*
h1*
qe
u22
u12 2
Cp (T2
T1
) w22 w12 2
h2w h1w
Lu
1 2
(w22
w12 )
1 2
(c12
c22 )
2 dp w22 w12
1
2
Lf
0
条件？进出口轮缘速度相等
压气机和涡轮轮缘功的比较？
速度三角形
反力式涡轮。
T
1
c1u c2u 2u
运动反力度
c
w
c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u c u
C2u
wu
w2u
u
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
HT
u(c1u c2u ) u2
cu u
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
H2Tc1u
得
c 1u
u
c u
(1cHc22u2TuTw)u(1
u
T
)
当 c2a和 一定时，HT上升，2下降，气流c2u偏 u离 H轴2T 向 (，1动T能)损失大
知c 1a
/
c 2
a和1，得
c ＝c 1a 1u
tan 1
c 2a
c 1a
/(c 1a
/
c 2a
)
➢流量因子/流量系数
c1a u
动叶？
20
➢影响损失的因素
1）相对前缘半径的影响 2）相对尾缘半径的影响 3）Ma数的影响 4）Re数的影响 5）湍流度的影响 6）攻角的影响
损失系数随设计马赫数的变化
损
失
系
数
Ma> 1.2
涡轮和压气机的对比
2
k
k 1
RT0*[1
(
p1 p0*
k 1
)k0.96-0.98）可确定 c1
动能损失：
L f
1 2
(c12ad
c12 )
c12 2
(1
1)
总压恢复系数：
p1* p0*
p1 / (c1) p1 / (c1ad )
(c1 /) (c1)
P 1
0
P2
2ad
2
CD
敛于形涡，轮气工流作膨轮胀叶加栅速是，收气敛体通静道压，p、气静流温T、
p1 c0
静在焓其h相中应减降压低加。速气，流不在易导产向生器分出离口，处因的
p2
速此度与c1接压近气声机速工，作有轮时叶甚栅至相略比超，过涡声轮速工。
速作度轮c1具叶有栅很可大以的有切大线得方多向的分气速流度转。折由角于
涡Δ轮β的，工可作以轮达前到缘9以0～切1线00速°度。u1运动着，
与基元级流通能力和叶片形状有关,在 一定圆周速度下，大的流量因子标志 着设计者想通过增大气流轴向分速的 办法来减小叶片高度 应用
14
➢涡轮叶栅中的流动
等熵马赫数定义：
Ma2
k
2
1
p1 p2
k 1
k
1
叶栅通道形式：
➢涡轮叶栅中的流动
➢涡轮叶栅中的流动
➢涡轮叶栅中的流动
18
7.2 涡轮基元级的损失
0
12
静叶 0
旋转轴
动叶 12
工作轮
10
➢涡轮基元级速度三角形
压气机速度△由哪些参数决定？
c
w
c c 1a
w
c 2a
u c1u
c u
c2u wu
u
Lu c2ur2 c1ur1
Lu u2c2u u1c1u
Lu ucu u(c2u c1u )
决定涡轮基元级速度三角形的主要参数有五个： C1u、α、C2u、u和C1a/C2a。
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
表7-1 常用的涡轮分类概念
蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、风车
根据工质在叶栅中速度
亚音涡轮和超音涡轮
根据驱动对象 根据工质流动方向 根据反力度可分为 根据是否冷却 根据级数 根据气动布局 根据结构形式
高压涡轮和低压涡轮/燃气涡轮和动力涡轮
7.1 涡轮的基元级
➢基元级流动
0
12
静叶 0
旋转轴
动叶 12
工作轮
6
➢ 气流通过涡轮基元级速度的变化
❖导叶的作用：膨胀加速＋降温＋导向 ❖动叶的作用：做功＋膨胀＋导向
涡轮压气机叶栅通道形状的差异
➢涡轮基元级反力度
1 2
(
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：
给定轮缘功时，可以根据无量纲参 数HT，ΩT和C1a/C2a，静叶出口气流 角1确定速度三角形。
负荷系数大，做功能力强
根据Lu和H T确定圆周速度：
c2u
c2u
uu根cc2Ha据2Tc反tLwgu(力1H2c度T1aT和)c载 荷系数w 的定义：
c2a
cT2a/1u
cc1u2ac2u
2u
uc2a
ctcgH1u T2•u
哪是压力面？
➢ 气流通过涡轮基元级速度的变化
T0 p0
c1 T1
c2 T2
❖❖燃 温工 气 静气 和作 流 温通 总T轮 在过 压、：其涡 都静工中轮 降焓作继基 低h轮续进元 。叶膨一级栅胀步膨通加降胀道速低作也。，功呈气同，收体时燃敛，静气形气压的，p总、 ❖ 导流向通器过：工改作变轮气叶流栅方改向变。流导动向方器向通。道由呈收
0
1
2
❖因 为工 口此 w1。作 相气轮 对流出 速相口 度对w气于1，流工但的作是相轮对对前于速缘发度的动w2运大机动的于速绝进度 对坐标系来说，工作轮出口气流的绝
对速度c2却小于工作轮进口绝对速度c1
➢ 气流通过涡轮基元级膨胀作功原理
从能量方程推导得到的膨胀功公式为：
Lu
qe
Cp (T2
T1) C22
第七章 涡轮工作原理及特性
1
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）
➢叶型损失
边界层内的摩擦损失和分离损失 尾迹损失及尾迹和主流的掺混损失 波阻损失
19
7.2 涡轮基元级的损失
➢叶型损失
再生热＋动能损失＝流动损失
面积022ad+面积i 22adCD=面积02DC 压气机与涡轮的区别？
➢叶栅出口速度计算（静叶为例）
速度损失系数（实际速度/等熵理想速度）
c1 / cad c1 /
C12 2
Cp (T2
T1 ) h2*
h1*
qe
u22
u12 2
Cp (T2
T1
) w22 w12 2
h2w h1w
Lu
1 2
(w22
w12 )
1 2
(c12
c22 )
2 dp w22 w12
1
2
Lf
0
条件？进出口轮缘速度相等
压气机和涡轮轮缘功的比较？
速度三角形
反力式涡轮。
T
1
c1u c2u 2u
运动反力度
c
w
c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u c u
C2u
wu
w2u
u
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
HT
u(c1u c2u ) u2
cu u
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
H2Tc1u
得
c 1u
u
c u
(1cHc22u2TuTw)u(1
u
T
)
当 c2a和 一定时，HT上升，2下降，气流c2u偏 u离 H轴2T 向 (，1动T能)损失大
知c 1a
/
c 2
a和1，得
c ＝c 1a 1u
tan 1
c 2a
c 1a
/(c 1a
/
c 2a
)
➢流量因子/流量系数
c1a u
动叶？
20
➢影响损失的因素
1）相对前缘半径的影响 2）相对尾缘半径的影响 3）Ma数的影响 4）Re数的影响 5）湍流度的影响 6）攻角的影响
损失系数随设计马赫数的变化
损
失
系
数
Ma> 1.2
涡轮和压气机的对比
2
k
k 1
RT0*[1
(
p1 p0*
k 1
)k0.96-0.98）可确定 c1
动能损失：
L f
1 2
(c12ad
c12 )
c12 2
(1
1)
总压恢复系数：
p1* p0*
p1 / (c1) p1 / (c1ad )
(c1 /) (c1)
P 1
0
P2
2ad
2
CD
敛于形涡，轮气工流作膨轮胀叶加栅速是，收气敛体通静道压，p、气静流温T、
p1 c0
静在焓其h相中应减降压低加。速气，流不在易导产向生器分出离口，处因的
p2
速此度与c1接压近气声机速工，作有轮时叶甚栅至相略比超，过涡声轮速工。
速作度轮c1具叶有栅很可大以的有切大线得方多向的分气速流度转。折由角于
涡Δ轮β的，工可作以轮达前到缘9以0～切1线00速°度。u1运动着，
与基元级流通能力和叶片形状有关,在 一定圆周速度下，大的流量因子标志 着设计者想通过增大气流轴向分速的 办法来减小叶片高度 应用
14
➢涡轮叶栅中的流动
等熵马赫数定义：
Ma2
k
2
1
p1 p2
k 1
k
1
叶栅通道形式：
➢涡轮叶栅中的流动
➢涡轮叶栅中的流动
➢涡轮叶栅中的流动
18
7.2 涡轮基元级的损失
0
12
静叶 0
旋转轴
动叶 12
工作轮
10
➢涡轮基元级速度三角形
压气机速度△由哪些参数决定？
c
w
c c 1a
w
c 2a
u c1u
c u
c2u wu
u
Lu c2ur2 c1ur1
Lu u2c2u u1c1u
Lu ucu u(c2u c1u )
决定涡轮基元级速度三角形的主要参数有五个： C1u、α、C2u、u和C1a/C2a。
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
表7-1 常用的涡轮分类概念
蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、风车
根据工质在叶栅中速度
亚音涡轮和超音涡轮
根据驱动对象 根据工质流动方向 根据反力度可分为 根据是否冷却 根据级数 根据气动布局 根据结构形式
高压涡轮和低压涡轮/燃气涡轮和动力涡轮