叶轮机械原理_第七章3概论
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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：
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_第七章1
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
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
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。
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
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
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
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。
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
泵与风机课件--泵与风机的叶轮理论
送
叶轮类型包括 离心式、轴流 式、混流式等， 适用于不同的 流体输送场景
叶轮的分类
离心式叶轮：叶片沿径向分布，适用于低压、大流量场合
轴流式叶轮：叶片沿轴向分布，适用于高压、小流量场合
混流式叶轮：叶片沿径向和轴向混合分布，适用于中压、中流 量场合
旋流式叶轮：叶片沿径向和轴向旋转分布，适用于高压、大流 量场合
铸造工艺：砂型铸造、金属型铸造、离心铸造等 材料选择：不锈钢、铸铁、铝合金、铜合金等 铸造方法：重力铸造、低压铸造、高压铸造等 材料性能：耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等 铸造缺陷：气孔、缩孔、裂纹等 铸造工艺优化：提高铸造质量，降低成本，提高生产效率
焊接工艺与材料选择
焊接工艺：包括电弧焊、激光焊、电子束焊等 材料选择：根据叶轮的工作环境和性能要求选择合适的材料，如不锈钢、铝合金、钛合金等 焊接质量控制：通过无损检测、金相分析等方法确保焊接质量 焊接工艺优化：通过优化焊接参数、改进焊接设备等方法提高焊接效率和质量
斜流式叶轮：叶片沿斜向分布，适用于低压、中流量场合
轴向流叶轮：叶片沿轴向分布，适用于低压、大流量场合
叶轮的工作原理
叶轮是泵与风机的核心部件，负责将流体能量转化为机械能
叶轮由叶片和轮毂组成，叶片负责将流体能量转化为机械能，轮毂负责支撑叶片
叶轮通过旋转将流体吸入，加速，排出，பைடு நூலகம்现流体能量的转换 叶轮的工作原理涉及到流体力学、机械工程等多个学科领域
风压：气流通过叶轮的压力
叶片角度与风量、风压的关系：叶片角度越大，风量越大，风压越小；叶片角度越小， 风量越小，风压越大。
叶片形状对风量与风压的影响
叶片形状：影响 风量与风压的主 要因素
叶片形状与风量： 叶片形状不同， 风量也不同
叶轮类型包括 离心式、轴流 式、混流式等， 适用于不同的 流体输送场景
叶轮的分类
离心式叶轮：叶片沿径向分布，适用于低压、大流量场合
轴流式叶轮：叶片沿轴向分布，适用于高压、小流量场合
混流式叶轮：叶片沿径向和轴向混合分布，适用于中压、中流 量场合
旋流式叶轮：叶片沿径向和轴向旋转分布，适用于高压、大流 量场合
铸造工艺：砂型铸造、金属型铸造、离心铸造等 材料选择：不锈钢、铸铁、铝合金、铜合金等 铸造方法：重力铸造、低压铸造、高压铸造等 材料性能：耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等 铸造缺陷：气孔、缩孔、裂纹等 铸造工艺优化：提高铸造质量，降低成本，提高生产效率
焊接工艺与材料选择
焊接工艺：包括电弧焊、激光焊、电子束焊等 材料选择：根据叶轮的工作环境和性能要求选择合适的材料，如不锈钢、铝合金、钛合金等 焊接质量控制：通过无损检测、金相分析等方法确保焊接质量 焊接工艺优化：通过优化焊接参数、改进焊接设备等方法提高焊接效率和质量
斜流式叶轮：叶片沿斜向分布，适用于低压、中流量场合
轴向流叶轮：叶片沿轴向分布，适用于低压、大流量场合
叶轮的工作原理
叶轮是泵与风机的核心部件，负责将流体能量转化为机械能
叶轮由叶片和轮毂组成，叶片负责将流体能量转化为机械能，轮毂负责支撑叶片
叶轮通过旋转将流体吸入，加速，排出，பைடு நூலகம்现流体能量的转换 叶轮的工作原理涉及到流体力学、机械工程等多个学科领域
风压：气流通过叶轮的压力
叶片角度与风量、风压的关系：叶片角度越大，风量越大，风压越小；叶片角度越小， 风量越小，风压越大。
叶片形状对风量与风压的影响
叶片形状：影响 风量与风压的主 要因素
叶片形状与风量： 叶片形状不同， 风量也不同
叶轮机械原理_第七章3
多级涡轮后面级涡轮作功能力急剧下降（比前面级涡轮相对下降更多）， 而后面级涡轮正是充当驱动低压压气机的低压涡轮，低转速时低压压气机 恰恰消耗的单位功大。
发动机的低压转子自动降低转速，低压压气机自动退出喘振。 转速增大，涡轮的总压降高于设计值。高压压气机进入或临近喘振状态 高压涡轮（位居多级涡轮最前）单位作功能力增加较少（远低于后面级涡 轮的增幅）,不能满足高压压气机需求单位功的增加 高压转子自动降低转速，退出或远离喘振工况
涡轮的相似工作条件
静叶叶栅处于临界或超临界工作时
静叶喉部形成了阻塞状态
虽然静叶进口马赫数保持不变，但 出口马赫数大小和方向随涡轮后反 压改变而变化。 动叶进口相似条件无法保持，整个 涡轮的相似工作状态遭到破坏。
* mg T3* p3 f4 n
寻找新的相似条件来代替，以保 持整个涡轮的流动相似。
涡轮特性
涡轮的非设计工作状态
涡轮常常是在与设计状态不同的工作状态下工作，称 为非设计工作状态 涡轮转速、涡轮前燃气总温、总压和涡轮后反压决定 涡轮工作状态的参数
u
u u
u c1 c1 d
u c1 c1 du c1 来自1 d涡轮的相似工作条件
涡轮特性线的其它形式
Ma4u , Mau , u T4 , n T3*
* * * Ma4 a , p3 p4 , p3 p4 , p3 p4
气流通过涡轮基元级膨胀作功原理
设计发展趋势
1 n
当 减小, c4a / c3a减少, 后面级轴向速度减少程度大, 而静叶出气角1变化不大, 因此静叶出口速度下降迅速,使得后面级涡轮做功能力下降程度大
多级涡轮的特性
双转子发动机“自动”防止喘振的机理
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：
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》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-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
能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论
本质上是压力损失
2、容积损失qV
本质上是流量损失 3、机械损失
本质上是力矩(功率）损失
编辑课件
能源与动力装置基础
2. 效率和损失的分类
损失分类 损失内容 有效能变化 交换能
效
率
总
内 部 损 失
流道 损失
非流 道损
水力损失
δhhyh
级内露损 失δhv 轮
原动机
hs
损 δhi 失
阻损失 δhr 等
hu hth
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
第一节叶轮机械的典型结构
单级汽轮机
编辑课件
能源与动力装置基础
工作原理
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
叶轮内的流动过程: 以轴流式叶轮为例
叶片式机器的特点：
❖ 具有一个带有叶片的转子 (叶轮impeller或转轮runer)；
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
圆柱面
展开成平面
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮
A2Rb
编辑课件
A(rt2 rh2)
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解
c＝cr+cz+cu=cm+cu cm=cr+cz
滞止压力p*=p+ρc2/2
加速 加功 减速 接近等速
由能量方程式：W = ∫dp/ ρ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW = cp(T2-T1)+0.5(c22-c编1辑2)课=件 h2* -h1* =cp(能T源2与* 动-力T装1*置)基础
2、容积损失qV
本质上是流量损失 3、机械损失
本质上是力矩(功率）损失
编辑课件
能源与动力装置基础
2. 效率和损失的分类
损失分类 损失内容 有效能变化 交换能
效
率
总
内 部 损 失
流道 损失
非流 道损
水力损失
δhhyh
级内露损 失δhv 轮
原动机
hs
损 δhi 失
阻损失 δhr 等
hu hth
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
第一节叶轮机械的典型结构
单级汽轮机
编辑课件
能源与动力装置基础
工作原理
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
叶轮内的流动过程: 以轴流式叶轮为例
叶片式机器的特点：
❖ 具有一个带有叶片的转子 (叶轮impeller或转轮runer)；
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
圆柱面
展开成平面
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮
A2Rb
编辑课件
A(rt2 rh2)
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解
c＝cr+cz+cu=cm+cu cm=cr+cz
滞止压力p*=p+ρc2/2
加速 加功 减速 接近等速
由能量方程式：W = ∫dp/ ρ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW = cp(T2-T1)+0.5(c22-c编1辑2)课=件 h2* -h1* =cp(能T源2与* 动-力T装1*置)基础
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。
叶轮机原理
1.3
科研重点
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9)
汽轮机的发展概况（续）
Байду номын сангаас
通流部分性能优化 末级长叶片的开发 强度振动 高温材料的研制 工艺的改进 自动化控制 冷凝器 双相流的研究（特别是原子能汽机） 老机组的改造
1.3
1) 2) 3)
汽轮机的发展概况（续）
汽轮机气动设计和试验研究技术； 汽轮机强度与振动研究； 汽轮机寿命评估与可靠性技术； 汽轮发电机组轴系动力特性技术研究； 汽轮机焊接转子技术； 超超临界火电机组耐热钢材料研究； 高温部件强度设计技术； 1400mm钛合金长叶片； 汽轮机产品的发展趋势。
国内大学：
清华大学、西安交大、哈工大、大连理工、航空院校、 上海交大、上海理工
国外大学：
MIT、剑桥、加州工学院
国外企业：
GE、ABB、R-R、三菱、日立、Siemens
国内企业：
大型国有或合资的汽轮机公司、压缩机、石油化工、电 力系统、航空、造船等领域研发机构
1.3
汽轮机的发展概况（续）
国内 ：1949年国内总的装机容量168万kW， 水力发电181万kW。 截止2006年底，国内总装机容量约为3.9亿KW。
蒸汽轮机和燃气轮机应用于动力工业上，是为了 驱动发电机供给大量的电能或驱动其他动力机械（如 大型水泵或高炉鼓风机等），以满足日益发展的工农 业生产的需要。目前发电厂的发动机主要是蒸汽透平。 燃气透平在航空上已大量被采用。作为发电厂用的燃 气轮机目前在我国还处在实验研究性的试制阶段,随 着燃气轮机技术的不断完善和天然气能源开发应用的 比重加大,燃气轮机发展迅速,正在成为世界火电的主 要动力和许多国家经济发展的关键技术。而随着我国 “西气东输”国家重大工程实施和东南沿海地区液化 天然气进口与气站建设,燃气轮机及其联合循环电站 发展前景广阔.
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单级涡轮的特性
1: n T3* n T3* d
➢膨胀比对流量的影响?
➢膨胀比对效率的影响?
*降低+n/
T
T3* 不变
u / c1增大,1 常数
1角增大,i减小...
➢膨胀比对功相似参数
的影响?
k 1
LT T3*
k
k 1
R
1
1 T*
k
T*
➢膨胀比对 2 的影响?
w2 , 2基本不变 2
寻找新的相似条件来代替，以保 持整个涡轮的流动相似。
p3*
p4
或
* T
p3*
p4*
涡轮相似参数为
* T
n T3*
动叶进口相似条件无法保持，整个 涡轮的相似工作状态遭到破坏。
mg T3* p3* f4 n
T3*
,
* T
LT T3* f5 n
T3*
,
* T
T* f6 n
T3*
,
* T
涡轮通用特性，涡轮特性线
多级涡轮的特性
双转子发动机“自动”防止喘振的机理
发动机转速降低时（设压气机进口总温不变），涡轮的总压降将会小于设 计值（因为压气机总增压比下降导致下降）。
多级涡轮后面级涡轮作功能力急剧下降（比前面级涡轮相对下降更多）， 而后面级涡轮正是充当驱动低压压气机的低压涡轮，低转速时低压压气机 恰恰消耗的单位功大。
** p3*
T* f2 n T3* , mg T3* p3*
k1
LT
k
k
1
R
T3*
1
1
T*
k
T*
涡轮中的流动相似时，涡轮功相 似参数也为定值 LT T3*
涡轮的相似工作条件
➢静叶叶栅处于临界或超临界工作时
静叶喉部形成了阻塞状态
虽然静叶进口马赫数保持不变，但 出口马赫数大小和方向随涡轮后反 压改变而变化。
多级涡轮的特性
多级涡轮在非设计工作状态情况下，各级落压比的分配和 各级间作功量将会按怎样的比例变化?
c3a A3 3 c4a A44
3 4 p3 p4 1 n
1
c4a c3a
A3 A4
p3 p4
n
当 减小, c4a / c3a减少,后面级轴向速度减少程度大,而静叶出气角1变化不大,
因此静叶出口速度下降迅速,使得后面级涡轮做功能力下降程度大
发动机的低压转子自动降低转速，低压压气机自动退出喘振。
转速增大，涡轮的总压降高于设计值。高压压气机进入或临近喘振状态
高压涡轮（位居多级涡轮最前）单位作功能力增加较少（远低于后面级涡 轮的增幅）,不能满足高压压气机需求单位功的增加
高压转子自动降低转速，退出或远离喘振工况
涡轮特性线的其它形式
Ma4u , Mau ,u T4 , n T3* Ma4a , p3* p4 , p3* p4* , p3 p4
涡轮特性
➢ 涡轮的非设计工作状态
涡轮常常是在与设计状态不同的工作状态下工作，称 为非设计工作状态
涡轮转速、涡轮前燃气总温、总压和涡轮后反压决定 涡轮工作状态的参数
u
c1
u
c1
d
u c1 u c1 d
u
c1
u
c1
d
涡轮的相似工作条件
➢几何相似，运动相似和动力相似
动力相似，主要是要求对应点的雷诺数和马赫数相等。
➢ 气流通过涡轮基元级膨胀作功原理
➢设计发展趋势
其中马赫数相等，包括 Maa 和 Mau。而Maa相应于 mg T3* p3* （做流量相似参数），Mau 对应于 n T3* (转速相似参数）
对于几何相似的涡轮，当静叶处于亚临界工作情况下，雷诺数 处于自模范围时，只要 n T3*，mg T3* p3*分别相等，其流动就相似
流动就相似 ,无因次参数落压比和效率也应分别相等