向心透平PPT课件
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
二、向心透平初步设计
轴流透平设计参数：
流量（给定） 转速（给定） 功率（给定） 反动度（选取） 载荷系数（选取） 内效率（选取）
向心透平设计参数：
流量（给定） 转速（给定） 功率（给定） 轮径比（选取） 速比（选取） 内效率（选取）
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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、方便利用导向叶
片进行流量调节 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
静叶栅出口速度受反动度影响， 若反动度过小不利于应用惯性力作功
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
马赫数对速比及反动度的影响
➢高膨胀比设计参数，为避免出口超音速应选用较 高反动度； ➢相应的选用较高速比； ➢根据速度系数范围相对应的最小、最大马赫数确 定相应膨胀比的范围
minmax
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢叶轮加速因子的限制作用 ➢1、叶轮出口平均流速应大于叶轮进口流速 ➢2、不允许在叶轮流道中出现局部扩压流动
加速因子的定义 w 2
w1
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢加速因子的影响因素
用加速因子作校核计算可间接限定速比及反动度的应用范围
.
叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
百度文库
w22s w12 2
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平的反动度
iner gas
惯性反动度：
u12 u22
iner
2 c02
2
2
u1 (1 D2 )
2
u 1 速比
D 2 D2 D1
轮径比
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
增大惯性反动度有利与提高叶轮焓降。 途径： 1、减小轮径比（受结构条件限制） 2、增大速比（提高转速）
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
单位质量工质所产生的力矩
轮周功
H uc1 2 2c2 2u1 2 2u2 2w 2 2 2w 1 2
由于克服离心力所产生的膨胀功是无损失转化来的
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平的反动度
H s12 H st
叶轮的等熵焓降
Hs12
u12u22 2
与轴流式相比
I* w1
I* w2
在相同膨胀比情况下由于 圆周速度的减小可以使相对 速度的变化减小
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
由上述特点可以看出： 1、向心透平叶轮出口相对速度较低； 2、相对速度低、牵连速度下降可以降低余速损失 3、流动损失与平均流速相关，流速低流动损失小 流动效率高。 4、动叶速度系数对透平效率影响不敏感，叶轮加 工精度要求低。
冲角的限制作用
1、径向叶片叶轮入口叶 片角等于900； 2、叶轮流道中的全部能 量损失中入口冲击损失占 较大比例；
3、负冲角对能量损失影 响较小，正冲角影响大
.
建议冲角范围： 最大不超过：
叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
➢由于惯性力可抑制压力面边界层的发展向心透平可在 较大的负冲角条件下工作； ➢考虑向心叶轮的滑移现象建议采用负冲角； ➢从结构设计角度，适当采用正冲角有助于减小速比 （正冲角使气流经叶轮弯角增大，气动反动度增加）
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叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
由速度三角形关系可以看出：
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
速比的表达式：
u1cos1 1(1ttaan n 1 1)
应用冲角范围可大致确定向心透平速比范围
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢叶轮进口绝对气流角一般在12~23度范围内 ➢高膨胀比、小流量、转速受负荷限制的透 平很难保证相对气流角在80度以上，这种情 况下应设计成反弯叶轮。
二、向心透平设计方案参数的选择
1、试求法 2、最佳轮周效率法 3、筛选法：
通过分析透平膨胀比、马赫数、转速、许用 应力等因素确定透平的速比及反动度的数值
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
透平膨胀比和马赫数的限制作用
静叶出口马赫数： 1、大于1流动损失增加， 且变工况性能差 2、亚音速流动马赫数低 粘性影响大不利于获得较 高的速度系数
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
与单级轴流透平比较： 余速损失小轮周效率高 动叶的气动性能要求低 可组成结构紧凑的机组 利用可调的导向叶片实现 流量调节
.
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
相对坐标系下的伯努利方程：
dpw 22u22 Iw *u22 const
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
气流出口角为90度不一 定对应向心透平效率最 高点
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
1、提高反动度有利于减少静叶流动损失 2、提高反动度低马赫数下难以获得较高的速度系数 3、但提高反动度应提高速比 4、向心透平的漏气损失与轮盘摩擦损失较大(机械 效率低)
依靠经验确定总反动度是不可取的 向心透平的总反动度与下列参数相关：
1、 D2、 、 、 u1
与轴流式相比增加了轮径比
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平效率：
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
速比在很大程度上影响向心透平的经济性与结构 1、高反动度的情况下最佳效率点对应速比高； 2、向心透平的效率中影响因素增加了轮径比 3、与轴流透平相比，向心透平的动叶相对能量损失、 余速损失较小
增大轮径比则使其趋向轴流，取值应小于0.55
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
气动反动度反映气流在叶轮中膨胀情况
冲动式叶轮：
w2 w1
gas
H2 Hst
2
反动度远大于相对能量损失的叶轮称为反动式叶轮
从一元流动角度考虑叶轮应加速膨胀， 不应设计为纯冲动式叶轮。
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
1、叶根加速因子的限制 叶根受离心力影响最严重，校核叶根加速因子 使其值大于1； 2、结构方面的限制 叶轮应满足连续方程，前面所考虑的因素仅仅 影响叶轮内的能量转换过程，并未考虑质量守 恒的要求。
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叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
二、向心透平初步设计
轴流透平设计参数：
流量（给定） 转速（给定） 功率（给定） 反动度（选取） 载荷系数（选取） 内效率（选取）
向心透平设计参数：
流量（给定） 转速（给定） 功率（给定） 轮径比（选取） 速比（选取） 内效率（选取）
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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、方便利用导向叶
片进行流量调节 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
静叶栅出口速度受反动度影响， 若反动度过小不利于应用惯性力作功
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
马赫数对速比及反动度的影响
➢高膨胀比设计参数，为避免出口超音速应选用较 高反动度； ➢相应的选用较高速比； ➢根据速度系数范围相对应的最小、最大马赫数确 定相应膨胀比的范围
minmax
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢叶轮加速因子的限制作用 ➢1、叶轮出口平均流速应大于叶轮进口流速 ➢2、不允许在叶轮流道中出现局部扩压流动
加速因子的定义 w 2
w1
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢加速因子的影响因素
用加速因子作校核计算可间接限定速比及反动度的应用范围
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叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
百度文库
w22s w12 2
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平的反动度
iner gas
惯性反动度：
u12 u22
iner
2 c02
2
2
u1 (1 D2 )
2
u 1 速比
D 2 D2 D1
轮径比
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
增大惯性反动度有利与提高叶轮焓降。 途径： 1、减小轮径比（受结构条件限制） 2、增大速比（提高转速）
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
单位质量工质所产生的力矩
轮周功
H uc1 2 2c2 2u1 2 2u2 2w 2 2 2w 1 2
由于克服离心力所产生的膨胀功是无损失转化来的
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平的反动度
H s12 H st
叶轮的等熵焓降
Hs12
u12u22 2
与轴流式相比
I* w1
I* w2
在相同膨胀比情况下由于 圆周速度的减小可以使相对 速度的变化减小
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
由上述特点可以看出： 1、向心透平叶轮出口相对速度较低； 2、相对速度低、牵连速度下降可以降低余速损失 3、流动损失与平均流速相关，流速低流动损失小 流动效率高。 4、动叶速度系数对透平效率影响不敏感，叶轮加 工精度要求低。
冲角的限制作用
1、径向叶片叶轮入口叶 片角等于900； 2、叶轮流道中的全部能 量损失中入口冲击损失占 较大比例；
3、负冲角对能量损失影 响较小，正冲角影响大
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建议冲角范围： 最大不超过：
叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
➢由于惯性力可抑制压力面边界层的发展向心透平可在 较大的负冲角条件下工作； ➢考虑向心叶轮的滑移现象建议采用负冲角； ➢从结构设计角度，适当采用正冲角有助于减小速比 （正冲角使气流经叶轮弯角增大，气动反动度增加）
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叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平
由速度三角形关系可以看出：
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
速比的表达式：
u1cos1 1(1ttaan n 1 1)
应用冲角范围可大致确定向心透平速比范围
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
➢叶轮进口绝对气流角一般在12~23度范围内 ➢高膨胀比、小流量、转速受负荷限制的透 平很难保证相对气流角在80度以上，这种情 况下应设计成反弯叶轮。
二、向心透平设计方案参数的选择
1、试求法 2、最佳轮周效率法 3、筛选法：
通过分析透平膨胀比、马赫数、转速、许用 应力等因素确定透平的速比及反动度的数值
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
透平膨胀比和马赫数的限制作用
静叶出口马赫数： 1、大于1流动损失增加， 且变工况性能差 2、亚音速流动马赫数低 粘性影响大不利于获得较 高的速度系数
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
与单级轴流透平比较： 余速损失小轮周效率高 动叶的气动性能要求低 可组成结构紧凑的机组 利用可调的导向叶片实现 流量调节
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
相对坐标系下的伯努利方程：
dpw 22u22 Iw *u22 const
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
气流出口角为90度不一 定对应向心透平效率最 高点
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
1、提高反动度有利于减少静叶流动损失 2、提高反动度低马赫数下难以获得较高的速度系数 3、但提高反动度应提高速比 4、向心透平的漏气损失与轮盘摩擦损失较大(机械 效率低)
依靠经验确定总反动度是不可取的 向心透平的总反动度与下列参数相关：
1、 D2、 、 、 u1
与轴流式相比增加了轮径比
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
向心透平效率：
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
速比在很大程度上影响向心透平的经济性与结构 1、高反动度的情况下最佳效率点对应速比高； 2、向心透平的效率中影响因素增加了轮径比 3、与轴流透平相比，向心透平的动叶相对能量损失、 余速损失较小
增大轮径比则使其趋向轴流，取值应小于0.55
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
气动反动度反映气流在叶轮中膨胀情况
冲动式叶轮：
w2 w1
gas
H2 Hst
2
反动度远大于相对能量损失的叶轮称为反动式叶轮
从一元流动角度考虑叶轮应加速膨胀， 不应设计为纯冲动式叶轮。
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叶轮机械原理—— 第十二章 向心透平
1、叶根加速因子的限制 叶根受离心力影响最严重，校核叶根加速因子 使其值大于1； 2、结构方面的限制 叶轮应满足连续方程，前面所考虑的因素仅仅 影响叶轮内的能量转换过程，并未考虑质量守 恒的要求。
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叶轮机械原理—— 第十四章 向心透平