涡轮基本原理

Hale Waihona Puke Baidu 蒸汽透平图片
蒸汽透平图片
火电厂工作过程
大亚湾核电站
涡轮种类
•燃气涡轮
在燃气轮机上，进入涡轮的工质是燃烧室排出的高温高压燃气。
早期燃气轮机是作为飞机动力发展起来的，后来在地面发电上 也得到了广泛的应用。
在现代高涵道比涡轮风扇发动机上，高压涡轮级为一级和两级 组成，低压涡轮多为三级、四级、甚至五级组成。高压涡轮和 低压涡轮被安装在不同的转子轴上，这样增加了发动机工作的 灵活性，这样可以使高低压压气机和高低压涡轮工作在最佳的 工作状态下。
燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压涡轮 驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，还有发 电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。
涡轮种类
•带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片 带有叶冠形式的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。 叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶片根部应 力。 绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。
速度三角形
静子叶片进口速度大小和方向：气流以绝对速度C1、绝对气
流角1进入静子。
静子叶片出口速度大小和方向：在静子叶片中气流得到加速，
加速后的速度为C2，流动方向发生变化，出口绝对气流角2， 2近似等于叶片尾缘的叶片角。
由于出口气流存在偏转， 实际出口气流并不是完 全沿着叶片尾缘出口叶 片角方向流出。
第章 轴流涡轮原理和参数
1结构和用途
•轴流涡轮级是由一排不动的静子叶片和一排旋转的转子叶片 组成。
•在静子叶片中，气流膨胀，速度增加，流动方向发生变化， 由进口的轴线方向偏向周向方向，因此气流在离开静子叶片时， 具有较高的速度，在周向方向上存在一个较大的速度分量。气 流在进入转子后进一步膨胀，推动转子叶片绕涡轮轴旋转，从 而使涡轮轴发出功。
从动叶进口速度三角形 可以看出，动叶进口相 对 速 度 W2 是 比 较 小 的 ， 在动叶中气流又一次膨 胀加速，所以动叶出口 相对速度W3较大。
焓熵图
实际膨胀过程
1-2线段代表发生在静子叶片 内的膨胀过程。
2-3线段代表发生在转子叶片 内的膨胀过程。
在静子叶片中，绝对总压 代表损失。 在转子叶片中，相对总压 代表损失。
轴流涡轮速度三角形 一个典型的轴流涡轮级由一排静子叶片和一排转子叶片组成。
特征截面 涡轮进口截面定义为截面1， 静子叶片出口定义为截面2， 转子叶片出口定义为截面3。
三个速度分量 绝对速度、相对速度和叶片旋 转速度组成速度三角形。三个 速度矢量之间的关系由速度三 角形确定。
全部的角度为速度和 轴向之间的夹角。
涡轮种类
亚声速涡轮和超声速涡轮
•根据工质流经涡轮内部的速度的大小可以把涡轮划分成亚声 速涡轮和超声速涡轮
超声速涡轮单位质量流量工质能够做更多的功，也即这种涡 轮的功率密度更大，但相应效率会有所降低。
绝大多数大型燃气涡轮内部都是亚声速流动，只有很少的超 声速级存在。
绝大多数小型燃气涡轮都有超声速涡轮级，对于小型燃气轮 机尺寸大小是非常重要的。
•电厂发电使用到了各种类型的透平。
•除了小型轻型飞机，涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮喷气发动 机、涡轮轴发动机上都使用了涡轮，在飞机上使用的辅助动 力装置也使用涡轮部件。
•涡轮在工业上也有广泛的应用，如驱动各种工业泵的透平， 涡轮增压气器上的涡轮，过程膨胀机。
涡轮用途
表2涡轮应用领域
用于电厂发电的水利透平，蒸汽透平，燃气透平 涡轮发动机和直升机动力系统 飞机辅助动力装置 液体管线的泵驱动涡轮 气体液化和低温制冷膨胀机 空间动力系统
蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽在较少 数目的涡轮级内有效膨胀。
涡轮种类
•冲动式涡轮级和反动式涡轮级
根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反动度的 大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级(反动度为0)和反动式 涡轮级(反动度大于0)。
在后面将给出反动度的定义及具有不同反动度涡轮级的速度 三角形。
速度三角形
•转子叶片是以U2速度旋转，在相对坐标系中气流是以W2流进 转子叶片。 •依据转子进口的绝对速度大小和方向及转子旋转速度U值可
以确定转子进口相对速度W2和相对速度方向2。
进口气流角β2和进口叶片 角β2b之间的差值是攻角。
速度三角形
在转子出口相对气流速度为W3，相对速度方向为3，同样可以 确定出口绝对速度C3和绝对速度角3。
h01=h1+C12/2 =h2+C22 /2=h02 转子叶片
多级涡轮
涡轮种类
涡轮种类的划分形式有很多种
根据工质的不同可以分为水利透平、蒸汽透平和燃气透平。
•水利透平用于水利发电，工质是水。
•蒸汽透平多用于火电站和核电站发电。来自于锅炉的高温高 压蒸汽在由很多级涡轮组成的蒸汽轮机中膨胀，推动蒸汽透 平转动，透平带动发电机发电。在电场使用的蒸汽透平多超 过30级左右，这些涡轮级都安装在同一根轴上，即使这样， 常把蒸汽透平分成高压、中压和低压三部分。由于蒸汽透平 内的蒸汽膨胀比非常大，低压透平级的叶片高度是高压透平 叶片的高度的很多倍。
涡轮种类
表1对各种涡轮进行了分类。
表1 涡轮分类
水利透平，蒸汽透平，燃气透平 动力透平，驱动压气机透平，驱动涡轮透平 高压涡轮，低压涡轮 不带叶冠涡轮，带叶冠涡轮 压声速涡轮，超声速涡轮 冲动式涡轮，反动式涡轮
涡轮用途
表2给出了轴流涡轮的主要应用领域。
当然轴流涡轮还有很多其他的用途，在这里不一一列举。
理想膨胀过程
1-2s 线 段 代 表 静 子 叶 片 内 的 理想膨胀过程。
2-3s 三 线 段 代 表 发 生 在 转 子 叶片内的理想膨胀过程。
焓熵图
三个截面的滞止状态分别用下 标表示为：
截面1
01
截面2
02
截面3
03
对应静子叶片给出的是绝对滞 止状态，对应转子给出的是相 对滞止状态。
静子叶片
•通常情况下，涡轮级都具有上面的结构形式。
•也存在一些结构形式特殊的涡轮，比如在高压冲 动式蒸汽轮机上，静子叶片可能用一组离散喷嘴 代替。
•在实际应用中，使用单级涡轮不能发出足够的功 量，在这种情况下需要设计几级甚至很多级涡轮。 这些涡轮级可称为高压级、中压级和低压级。这 些涡轮级可能在不同的轴上，因此旋转速度也不 相同。