第五节叶栅气动特性与叶栅损失共68页
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第五节 叶栅试验与叶栅损失
了解叶栅损失（叶型与端部损失）产生的原因及减 小方法。 一、叶栅的几何特性 平面叶栅的几何特性可分为叶型和叶栅特性两部分。
径高比D10 l
re f 2 8e
叶型厚度Cmax
叶型的弯曲角 2p1p
气流冲角i
i1p1
气流落后角δp p22p
（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
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
K0.0~ 60.27
o2
pf
3．尾迹损失
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。）
4）冲波损失
pf
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；
下一页
(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
(c) 150迎角绕流
(d) 200迎角绕流
翼面压力分布
(a)小迎角无分离
(b)厚翼型后缘分离 (c )薄翼型前缘分离
小迎角无分离时，粘性作用对翼面压力分布没有本质改变
翼 型 的 升 力 曲 线
1.5.3
叶栅损失
叶型损失 端部损失
叶型损失：
1）附面层摩擦损失；
2）附面层分离的涡流损失；
3）叶片出气边的尾迹涡流损失；
5． 出口边厚度Δ：如出口边型线为圆弧， 则厚度Δ就是圆弧的直径。
6． 截面几何特性——包括叶型的截面积A， 重心坐标，对惯性主轴的惯性矩J和抗弯刚度 W等。
(三)叶栅特性
叶型沿额线方向以同样的间隔和角度排 列成叶栅，其几何特性及参数：
1．额线：各叶片入口边及出口边的公切线 分别称为前额线和后额线，额线的方向与叶 片圆周运动的方向相一致；
叶栅性能的实验方法
右边U形管 液面差为p0’
1）总压损失系数n
中间和左边U形管中 的液面差之比。
2)n
B p0' B
B为大气压
压比:
n
p amb
p
' 0
p amb
压力系数:
p
pi p1
1t
c
2 1t
2
冲动式叶栅
•反动式叶栅
翼型绕流图画
(a)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ00迎角绕 流
(b) 50迎角绕流
翼型绕流图画
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；
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。
bh2s*h21b2
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
p
* 0
p
* 1
p
* 1
p1
b
p
* w
n
p
* w
b
p
* w
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。
(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。
p
pi p1 c2
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
2．安装角αs、βs ——弦线与额线的夹角； 3．节距（栅距） tn：两相邻叶型上对应点 之间沿额线方向的距离；
4．叶栅宽度B：前、后额线之间的垂直距 离。这是一个重要的结构参数，轮盘或静叶 隔板的宽度都直接和它有关。显然，B与b和 αs、βs间有确定的关系；
5．相对节距（栅距）：t t /b 其倒数b/t
9. 径高比d/l
➢ 攻角θ：进气角与叶片进口角之差，
θ =β1g - β1，汽流冲击内弧为正 ➢ 偏离角 出气角与叶片出口角之差
➢ 进、出气角α0、β1 、α1、β*2 : 叶片进、出 口处气流方向与圆周方向之间的夹角；
二、叶栅试验和气动特性
叶栅效率 对于静叶：
nh1s*h11n2
h* 1s
对于动叶：
了解叶栅损失（叶型与端部损失）产生的原因及减 小方法。 一、叶栅的几何特性 平面叶栅的几何特性可分为叶型和叶栅特性两部分。
径高比D10 l
re f 2 8e
叶型厚度Cmax
叶型的弯曲角 2p1p
气流冲角i
i1p1
气流落后角δp p22p
（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
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
K0.0~ 60.27
o2
pf
3．尾迹损失
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。）
4）冲波损失
pf
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；
下一页
(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
(c) 150迎角绕流
(d) 200迎角绕流
翼面压力分布
(a)小迎角无分离
(b)厚翼型后缘分离 (c )薄翼型前缘分离
小迎角无分离时，粘性作用对翼面压力分布没有本质改变
翼 型 的 升 力 曲 线
1.5.3
叶栅损失
叶型损失 端部损失
叶型损失：
1）附面层摩擦损失；
2）附面层分离的涡流损失；
3）叶片出气边的尾迹涡流损失；
5． 出口边厚度Δ：如出口边型线为圆弧， 则厚度Δ就是圆弧的直径。
6． 截面几何特性——包括叶型的截面积A， 重心坐标，对惯性主轴的惯性矩J和抗弯刚度 W等。
(三)叶栅特性
叶型沿额线方向以同样的间隔和角度排 列成叶栅，其几何特性及参数：
1．额线：各叶片入口边及出口边的公切线 分别称为前额线和后额线，额线的方向与叶 片圆周运动的方向相一致；
叶栅性能的实验方法
右边U形管 液面差为p0’
1）总压损失系数n
中间和左边U形管中 的液面差之比。
2)n
B p0' B
B为大气压
压比:
n
p amb
p
' 0
p amb
压力系数:
p
pi p1
1t
c
2 1t
2
冲动式叶栅
•反动式叶栅
翼型绕流图画
(a)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ00迎角绕 流
(b) 50迎角绕流
翼型绕流图画
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；
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。
bh2s*h21b2
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
p
* 0
p
* 1
p
* 1
p1
b
p
* w
n
p
* w
b
p
* w
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。
(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。
p
pi p1 c2
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
2．安装角αs、βs ——弦线与额线的夹角； 3．节距（栅距） tn：两相邻叶型上对应点 之间沿额线方向的距离；
4．叶栅宽度B：前、后额线之间的垂直距 离。这是一个重要的结构参数，轮盘或静叶 隔板的宽度都直接和它有关。显然，B与b和 αs、βs间有确定的关系；
5．相对节距（栅距）：t t /b 其倒数b/t
9. 径高比d/l
➢ 攻角θ：进气角与叶片进口角之差，
θ =β1g - β1，汽流冲击内弧为正 ➢ 偏离角 出气角与叶片出口角之差
➢ 进、出气角α0、β1 、α1、β*2 : 叶片进、出 口处气流方向与圆周方向之间的夹角；
二、叶栅试验和气动特性
叶栅效率 对于静叶：
nh1s*h11n2
h* 1s
对于动叶：