叶轮机械原理

2
k
k 1
RT0*[1
(
p1 p0*
k 1
)k
]
由 p1 / p0* 和总温，（0.96-0.98）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
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
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，
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
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
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
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
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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
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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
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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 /
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
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Cp (T2
T1) C22
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
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➢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
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7.2 涡轮基元级的损失
动叶？
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➢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
➢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：
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
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
0
12
静叶 0
旋转轴
动叶 12
工作轮
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➢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。
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
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➢ 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