叶轮机械原理 第三章(3)
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4流体机械原理课件第三章叶轮解析
流体机械原理 闻苏平主讲
第二节 叶轮主要结构参数
▪ 叶轮主要由轮盘、 叶片、轮盖三部分 组成
▪ 叶轮的主要结构参 数如图所示。
流体机械原理 闻苏平主讲
第三节 能量头、周速系数计算
▪ 无限多叶片假设 假设叶片无限多时，以至于一个叶片流道只容纳一 条流线，即：轴向涡不存在， β2A= β2∞。
▪ 轴向涡： ▪ 滑移系数：
流体机械原理 闻苏平主讲
一、反作用度（反动度）
在叶轮中气体获得的静压能和欧拉功（理论能量头）之比
二、叶轮效率：
2 dp
1
hth
叶轮的多变效率一般为84％～92％
(hpol )imp
2 1
dp
mi mi
1
RT1
p2 p1
mi 1
mi
1
htot hth hl hdf
( pol )imp
c2u
c2u
流体机械原理 闻苏平主讲
轴向涡与滑移系数
▪ 无限多叶片假设，用下标∞表示 ▪ 有限叶片数
流体机械原理 闻苏平主讲
斯陀道拉（stodola）计算周向分速的半理论半经验公式： 斯陀道拉假设：
（1）轴向涡的速度=Δwu （2）轴向涡的半径＝叶轮叶道的出口宽度b2
c2u u2 c2rctg2 A
西安交通大学流体机械研究所 西安交通大学流体机械国家专业实验室
闻苏平
流体机械原理（离心压缩机部分）
流体机械原理 闻苏平主讲
第三章 叶轮
叶轮是离心压缩机中唯一对气体作功的部件，且是高速旋转 部件，所以对叶轮的设计、材料和制造要求都很高，对叶轮 的要求主要是： （1）提供尽可能大的能量头； （2）叶轮以及与之匹配的整个级的效率要比较高； （3）叶轮型式能使级及整机的性能稳定工况区较宽； （4）强度及制造质量符合要求。
第二节 叶轮主要结构参数
▪ 叶轮主要由轮盘、 叶片、轮盖三部分 组成
▪ 叶轮的主要结构参 数如图所示。
流体机械原理 闻苏平主讲
第三节 能量头、周速系数计算
▪ 无限多叶片假设 假设叶片无限多时，以至于一个叶片流道只容纳一 条流线，即：轴向涡不存在， β2A= β2∞。
▪ 轴向涡： ▪ 滑移系数：
流体机械原理 闻苏平主讲
一、反作用度（反动度）
在叶轮中气体获得的静压能和欧拉功（理论能量头）之比
二、叶轮效率：
2 dp
1
hth
叶轮的多变效率一般为84％～92％
(hpol )imp
2 1
dp
mi mi
1
RT1
p2 p1
mi 1
mi
1
htot hth hl hdf
( pol )imp
c2u
c2u
流体机械原理 闻苏平主讲
轴向涡与滑移系数
▪ 无限多叶片假设，用下标∞表示 ▪ 有限叶片数
流体机械原理 闻苏平主讲
斯陀道拉（stodola）计算周向分速的半理论半经验公式： 斯陀道拉假设：
（1）轴向涡的速度=Δwu （2）轴向涡的半径＝叶轮叶道的出口宽度b2
c2u u2 c2rctg2 A
西安交通大学流体机械研究所 西安交通大学流体机械国家专业实验室
闻苏平
流体机械原理（离心压缩机部分）
流体机械原理 闻苏平主讲
第三章 叶轮
叶轮是离心压缩机中唯一对气体作功的部件，且是高速旋转 部件，所以对叶轮的设计、材料和制造要求都很高，对叶轮 的要求主要是： （1）提供尽可能大的能量头； （2）叶轮以及与之匹配的整个级的效率要比较高； （3）叶轮型式能使级及整机的性能稳定工况区较宽； （4）强度及制造质量符合要求。
第三章 泵与风机的叶轮理论
g
(u 2 u1 ) 2g
说明
式中 u 1 u 2----叶轮叶片进口、出口处的圆周速度 上式表明：当离心式泵与风机旋转叶轮外缘封闭， 即相当于出口阀门关闭，流体在流道内不流动时，单 位重量流体在叶轮出口与进口处的压力能差与叶轮旋 转角速度的平方成正比，与叶轮内、外直径有关。 即叶轮尺寸一定，旋转角速度增大，或叶轮内径 一定，外径增大，叶轮出口与进口处的流体压力能差 也增大。
返回
第五节 轴流式泵与风机的叶轮理论 特点（与离心式相比较） 翼型及叶栅 翼型及叶栅的空气动力特性 能量方程式
特点（与离心式相比较）
性能：流量大、扬程（全压）低。多用于大 型机组的循环水泵、送风机、引风机等。 调节：采用动叶调节，变工况由叶片对流体 作用的升力对流体做功。 流动方向：流体沿轴向进入并流出叶轮。 结构：结构简单，尺寸小，重量轻。
轴流叶轮中由于流体沿相同半径的流面流动所以流面进出口的圆周速度相同u叶轮进出口过流断面面积相等对不可压缩流体进出口的轴向速度相同能量方程式叶片式式泵与风机的能量方程式也适用于轴流式所不同的是叶轮进出口处圆周速度轴面速度相cotcotcotcotu故流体在轴流叶轮中获得的能量远小于离心式这就是轴流式泵与风机的扬程全压远低于离心式的原因
制作者：赵小燕
第三章 泵与风机的叶轮理论
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 流体在离心式封闭叶轮中获能分析 流体在叶轮中的运动及速度三角形 叶片式泵与风机的基本方程式 离心式叶轮的叶片型式 轴流式泵与风机的叶轮理论
第一节 流体在封闭式叶轮中的获能分析
泵与风机是由原动机拖动叶轮旋转，叶轮上的叶片对流 体做功，从而使流体获得压力能及动能。因此，叶轮是 实现机械能转换为流体能量的主要部件。
叶轮机械三元流理论(课堂PPT)
rm
Am
Dwr dm
0
dm dt
Dwr dm
wm
1
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（六、完全径向平衡方程）
b
wm wr wz
2 29
完全径向平衡方程
rm
Dw dt
r
Dwr dm
wm
b
wm
A
wr
wz
D(wdmsmin)wm
wr wmsin)(
w msinD dm m w w m 2coD d sm
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（四、流面动方程
Drw(wr)2 1p
径向
dt
r
r
D dw twrwr 2wr 1r p 周向
Dwz 1 p
轴向
dt z
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（五、基本方程---运动方程 ） 23
流面流动方程
< 3~5,不适用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（二、径向流动的产生）
11
12
S2流面
精确定义: 翘曲的S2流面 简化定义: 1.中心S2流面(内切圆) 2.平均S2流面(几何参数) 3.无穷多叶片假设(中弧线) 4.周向平均(S1计算得到)
设计中的作用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（三、S1,S2流面的概念）
U1
p
r
c rzcr c rzcur cz cz czz
Z 1 p
z
6
二、简化条件
1、不考虑径向流动效应 cr 0
2、间隙内轴向均化 3、间隙内周向均化 4、定常
0 z 0
0 t
5、忽略体积力 7
《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
叶片泵基本原理和动画 ppt课件
8时的流量脉动较小
故 通常取叶片数为12或16。
ppt课件
39
三 YB1型叶片泵的结构
ppt课件
40
3、3 叶片泵
目的任务
重点难点
提问作业
ppt课件
1
目的任务
了解叶片泵的分类、结构 掌握叶片泵的工作原理、计算和特性曲线
ppt课件
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
更换弹簧，可改变弹簧刚度，使BC段斜率
k大，曲线平缓
变化 <
ppt课k件小，曲线较陡
27
限压式变量叶片泵的应用
执行机构需要有快、慢速运动的场合，
如：组合机床进给系统实现快进、工进、
快退等
快进或快退： 用AB段
<
工进：
用BC段
定位夹紧：用AB段
或定位夹紧系统 <
pp夹t课件紧结束保压：用C点28
限压式变量叶片泵的特点
e< 方向变化，输油方向变化
故 单作用ppt课叶件 片泵可做双向变量16泵
单作用叶片泵变量原理
手动
变量原理 <
限压式*
自动 < 恒压式
ppt课件
恒流量式
17
单作用叶片泵的流量脉动
∵ 单作用叶片泵定、转偏心安装
∴ 其容积变化不均匀
故 有流量脉动，叶片应取奇数
一般13∽15
ppt课件
18
限压式变量叶片泵的工作原理和特性
2）∵ 吸、压油口对称，径向力平衡。
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
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
第一章 绪 论
•叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿 用翼型绕流的成熟概念往往不能成功，必需考虑 叶轮机械本身的特殊性和复杂性。 •叶轮机内部流动的特殊性： 1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响； 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大； 3）叶轮机通常存在内外环壁边界。
第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
GE90 circa 1996 44:1 system pressure ratio
Booster Fan
CJ805 circa 1960 12.5:1 pressure ratio
HP (core) compressor
第一章 绪 论
七、叶轮机械内部的复杂流动 • 叶轮机通常由多级组成，而每一级中又分成 转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和 机匣）； • 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶 轮机内流动的研究思路仍然可以追溯到在机翼 上首先研究成功的成果。
第一章 绪 论
离心式水泵
3-轴流压气机原理
Lu
W12
W22
C22
C12
U
2 2
U12
2
2
2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轴向速度Ca的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
预旋的影响
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理—— 第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数
等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流
能力。
ca V u Fu
式中：V——气体的容积流量，
F——垂直轴向的环形通道面积。 当流量一定时， Φ值大小直接影响通流面积。如果要求压气机 迎风面积小， Φ应取的值大。对轴流式压气机的平均半径基元级，
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
圆周速度u的选取
叶轮机原理复习A4
叶轮机:又称叶片机，是在旋转的轴或轮盘上装有叶片，通过叶片与工质的相互作用传输或转换能量的机械装置。
如：风扇、压气机和涡轮等。
轴流式和径流式叶轮机的比较：轴流式优点1、迎风面积小2、适合于多级结构3、高压比时效率较高4、流通能力强5、可采用叶栅理论径流式优点1、单级压比高2、构造简单，制造方便3、叶片沾污时性能下降小4、轴向长度小5、稳定工作范围大压气机沿着高压比、高效率、高速不断地发展。
涡轮的发展方向是高温、高效率、高速压气机是怎样提高工质的压力或是如何工作的呢？ 1．从结构上看 压气机主要由两部分组成：转子——转动部分 静子——静止不动部分;工作叶片——转子上的叶片;整流叶片——静子上的叶片；级：转子叶片和整流叶片交错排列，每一排转子叶片和后一排静子叶片组成一个级。
空气在工作轮中，通过与工作轮叶片的相互作用而获得自外界输入的机械功，在提高其压力的同时，动能也有所增加。
随后，在整流器中，空气沿着叶片通道逐渐减速，进一步把动能变换为压力提高，并改变气流流动方向，满足下游部件的需要。
第二章 叶片机中气体流动的性质和控制方程 轴流式压气机的结构特点1、转静叶排交替排列2、叶排由叶片周向排列形成3、轴向间隙4、径向间隙第三章 一维定常流动的基本方程和热力学图示 1．连续方程（1）定坐标系中的热焓方程 动坐标系（根据热力学第一定律和动坐标系下的热焓方程可得） 工作轮对单位质量气体所做的功称为轮缘功一维定常流动的基本方程和热力学图示压缩功以压缩过程为例：（1）P-V 图等熵压缩功 多变压缩功热阻功焓增 流动损失 第四章 轴流式压气机的工作原理工作轮：整流器： 多级轴流压气机的简化简化的必要性：内部流动复杂，研究困难。
简化过程第一步：多级压气机→单级。
简化条件：忽略级与级之间的相互干扰单级压气机是多级压气机的一个基本单元压气机叶型：叶型是就是叶片的横截面形状，是构造叶片的基本元素。
叶片可以看作无数个叶型沿着叶高方向叠加而成的。
《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
叶轮机械原理(西安交大)-演示文稿(3)
2 (sin 2 2 c2 z c2 c r zh 1 zh
2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)
2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
XJTU
5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
XJTU
② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r
c2uh 1 uh
2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)
2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
XJTU
5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
XJTU
② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r
c2uh 1 uh
叶片机原理课件C3-5..
Βιβλιοθήκη 以下按此顺序分析：确定平面叶栅 几何参数→平面叶栅气动参数→平面叶 栅实验研究→基元级平面叶栅气动设计 1 平面（2D）叶栅几何参数 平面叶栅 — 由很多形状相同、相隔 一定距离排列起来的叶型构成。
分析机翼气动特性时谈翼型。对叶片机言， 以其转轴 为纵轴的圆柱面或圆锥面与叶片相切割的剖面称叶型。 低速翼型一般为圆头尖尾形状。圆头作用：易适应不同 来流方向；尖尾的作用：减少尾部气流分离以减少损失。
流动到 E点将产生 近似正激波，波后气流为 亚声速，随后其在扩张通 道中做减速流动到尾缘。 而叶盆面在所给来流 马赫数下，通常不产生局 部超声速流，其流速普遍 低于叶背。
3 平面叶栅中的流动损失 叶栅中流动损失与叶型表面马赫数分布有直接 联系，高性能叶栅设计就是要控制好叶型表面马赫 数分布规律。 实际气体存在粘性，叶片表面会有附面层。通 常，叶盆表面逆压梯度不大，附面层不厚。但在叶 背表面，流动的逆压梯度较大，还可能有激波出现。 通过激波后静压升高很多，使附面层气流进一步增 厚甚至分离（激波干扰诱导附面层分离），造成严 重流能损失。
2 平面叶栅中的气体流动
为运用上述几何参数合理设计出叶栅通道，保证实 现预期速度三角形，需了解叶栅气体流动机理。
(1) 先介绍翼型绕流特点 当亚音速气体流向翼型时，翼型 表面上的气流马赫数可以大于远前方 气流的马赫数。随来流M数增大，翼 型表面各点M数也均相应增大，且最 低压强点处气流M数先达到1。
(2)低M数下平面叶栅的攻角特性（曲线）
在攻角不太大情况下，叶片表面为附体流动（气 流无分离），气流落后角δ=β2k-β2基本不变。根据公 式Δβ=θ+i-δ，给定叶栅叶型弯角θ不变（纯几何参 数），故Δβ与攻角i呈线性变化关系。
叶轮机械原理
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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。
叶片式流体机械中能量转换
第三章、叶片式流体机械中的能量转换
1、流体在转轮（叶轮）中的运动分析 2、叶片式流体机械的基本方程 3、主要过流部件的工作原理 4、流体机械内的能量损失及效率 5、变工况时能量转换的影响 6、有限叶片数的影响 7、反作用度
2019/12/5
西华大学 宋文武 教授
1
一、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
2019/12/5
西华大学 宋文武 教授
39
（4）喷嘴和喷针
喷嘴和喷针是切击式水轮机的重要部件。 喷嘴和喷针：组成水斗式水轮机的导水机构。 喷嘴是喷针的调节机构，调节进入斗叶的流量。 工作原理：喷嘴和喷针头间构成了一个逐渐收缩的
断面，使水流通过喷嘴时逐渐加速，到喷嘴口以最 高速度喷射出去（形成一股密实的水柱），∴喷嘴 是一个把水流的势能转换成动能的部件。 喷针：水斗式水轮机的流量调节是靠改变喷针的位 置来实现的。 动 qv↓作移：到当极喷限针位向置外→移q动v=时0，喷向嘴内口移S动↓→，q射v↑流直径d0↓,
2019/12/5
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8
流体通过叶片的速度环量是如何形成的？
2019/12/5
西华大学 宋文武 教授
9
转轮进、出口速度三角形
基本假设： 1.转轮叶片数无穷多，叶片无限薄——转轮
内流动视为轴对称的。 2.相对流动是定常的——流动不随时间变化。 3.沿过流断面轴面速度均匀分布。
2019/12/5
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10
原动机的进、出口速度三角形
1.反击式水轮机（以混流式为例）
2019/12/5
西华大学 宋文武 教授
11
2019/12/5
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12
1、流体在转轮（叶轮）中的运动分析 2、叶片式流体机械的基本方程 3、主要过流部件的工作原理 4、流体机械内的能量损失及效率 5、变工况时能量转换的影响 6、有限叶片数的影响 7、反作用度
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1
一、流体在转轮（叶轮）中的运动分析
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39
（4）喷嘴和喷针
喷嘴和喷针是切击式水轮机的重要部件。 喷嘴和喷针：组成水斗式水轮机的导水机构。 喷嘴是喷针的调节机构，调节进入斗叶的流量。 工作原理：喷嘴和喷针头间构成了一个逐渐收缩的
断面，使水流通过喷嘴时逐渐加速，到喷嘴口以最 高速度喷射出去（形成一股密实的水柱），∴喷嘴 是一个把水流的势能转换成动能的部件。 喷针：水斗式水轮机的流量调节是靠改变喷针的位 置来实现的。 动 qv↓作移：到当极喷限针位向置外→移q动v=时0，喷向嘴内口移S动↓→，q射v↑流直径d0↓,
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8
流体通过叶片的速度环量是如何形成的？
2019/12/5
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9
转轮进、出口速度三角形
基本假设： 1.转轮叶片数无穷多，叶片无限薄——转轮
内流动视为轴对称的。 2.相对流动是定常的——流动不随时间变化。 3.沿过流断面轴面速度均匀分布。
2019/12/5
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10
原动机的进、出口速度三角形
1.反击式水轮机（以混流式为例）
2019/12/5
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11
2019/12/5
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12
叶轮机械原理第三章(3)
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
(二)动叶圆周速度u的选取
• Luucuuwu ,提高动叶圆周速度u，可以增大 动叶对气体的加功量;
•在相同的 c条1 件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。
•现圆周速度u可达500米/秒左右，
Mw1在1.6～1.8 ；
•叶片材料的强度是限制u提高 w'1
w1
c1
2.栅距 t
3.叶栅稠度 ,
b t
4.几何进口角 和1k
几何出口角 2 k
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
二、平面叶栅中的流动
当叶栅进口 M比a1较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就
有可能出现局部超声速流动，这时的来流 在M气a1 动上被称为临 界 。 M acr
前缘小圆的半径增
大、叶型的最大厚度
AAA
谢谢观赏
勤能补拙，学有成就！
2021/11/10
35
大和其位置靠近前缘、
中弧线的挠度大和其
位置靠近前缘等因素，
都会使叶栅的临界 减小。
M
a cr
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布
叶片表面静压分布
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
（a）尾迹总压亏损 （b）附面层分离 （c）激波－－附面层
干涉
AAA
激波－－附面层干涉
AAA
M A rel
气方向；
• 降低静叶设计难度。
由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋，
一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶
效率急剧下降的问题 。
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理
(二)动叶圆周速度u的选取
• Luucuuwu ,提高动叶圆周速度u，可以增大 动叶对气体的加功量;
•在相同的 c条1 件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。
•现圆周速度u可达500米/秒左右，
Mw1在1.6～1.8 ；
•叶片材料的强度是限制u提高 w'1
w1
c1
2.栅距 t
3.叶栅稠度 ,
b t
4.几何进口角 和1k
几何出口角 2 k
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
二、平面叶栅中的流动
当叶栅进口 M比a1较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就
有可能出现局部超声速流动，这时的来流 在M气a1 动上被称为临 界 。 M acr
前缘小圆的半径增
大、叶型的最大厚度
AAA
谢谢观赏
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35
大和其位置靠近前缘、
中弧线的挠度大和其
位置靠近前缘等因素，
都会使叶栅的临界 减小。
M
a cr
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布
叶片表面静压分布
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
（a）尾迹总压亏损 （b）附面层分离 （c）激波－－附面层
干涉
AAA
激波－－附面层干涉
AAA
M A rel
气方向；
• 降低静叶设计难度。
由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋，
一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶
效率急剧下降的问题 。
AAA
第三章 轴流压气机的工作原理
燃气轮机原理结构及运行维护
60.75
NOx排放（mg/Nm3）
开启时间（点火到FSNL ）
带负荷时间
25ppm 10-15min30-50（ 25ppm）
从230MW到460MW仅 热态开启满负
需11.5min
荷不不小于
6min
原则25分到375MW 迅速 10分钟到
25
2.1 整体构造-总体构造
压气机
燃烧室
透平
26
2.1 整体构造-构造对比
为了使机组旳 热效率和比功 到达最大值， 还必须合理选 择最佳压比。
提升燃气轮机 机组热效率旳 措施还有采用 回热循环和燃 气-蒸汽联合循 环旳方案。
提升燃气轮机 机组比功旳种 措施还有采用 间冷循环和再 热循环。
13
1.1 基本原理-影响原因
环境温度旳影响
14
1.2 叶轮机械原理-引言
15
1.2 叶轮机械原理-对比简介
rpm 约2023
rpm
3330
t
440
t
93
m 17.3×5.8×5.8
级
17
轴流式
水平
18
拉杆轮盘
1
S109FB
~420 ~2400 3300 309.642
84 10.5×5×5
18 轴流式
水平 18.3 拉杆轮盘
1
SGT5-4000F(4)
396 1560 3240 312 130 10.8x5.2x4.9
绝热膨胀过程3→4s ：面积34sp1*p2*3就是透平膨胀做功
lts
cp (T3*
T4*)
c
pT3*
(1
1
m
)
等压放热过程 4s → 1：面积4s1s1s34s则是燃气排气耗能 q2 cp (T4* T1*)
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第三章
轴流压气机的工作原理
叶背流动分离
第三章
轴流压气机的工作原理
•超、跨声速基元级，扭速 wu 是靠强烈的激波系获得。 •如果激波强度过大，激波本身 的总压损失和激波－－附面层 干涉损失严重，使得动叶的效 率急剧下降。
第三章
轴流压气机的工作原理
•为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基 元级，都不能任意增大扭速 wu 。 • 增大扭速 wu 还会使动叶出口速度 c2增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。
• 基元级的反力度低；
w1
Wu
w2
c1
c2
• 静叶进口的c2大，且斜；
• 基元级静叶设计难度大。
第三章
轴流压气机的工作原理
采用反预旋，可以： • 提高基元级的反力度；
w1 w2
Wu
c1Leabharlann c2• 减小静叶进口c2，改善进 气方向；
• 降低静叶设计难度。
由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋， 一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效 率急剧下降的问题 。
第三章
轴流压气机的工作原理
•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元
级又是从确定基元级的气动参数开始。
•速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增
压和低流阻损失等性能有着重要的影响。
第三章
轴流压气机的工作原理
速度三角形中的 c1a 、c1u 、 u 和 wu 的选取规律 以及它们对基元级性能的影响。
或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅
就是压气机平面叶栅。
第三章
轴流压气机的工作原理
一、平面叶栅的几何参数
叶型表面座标:
选定中弧线（圆弧、抛物线、 多项式等），将原始叶型（中 弧线为直线的对称叶型）的厚 度移植到中弧线曲线上，可得 到叶型的表面座标。 叶背表面也称为叶片吸力面， 叶盆表面也称为叶片压力面。
w' 1 w1 u1 u' 1 c1
的因素之一。
第三章
轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c1a的选取 • c1a影响压气机的迎风面积；
• 过大的c1a易导致流动堵塞 和流动损失增大 ，尤其是 在动叶的根部区域（叶片密、 叶片厚）； • Ma超过0.75后，q(Ma)增 大不明显；
M c1a M c1a
第三章
轴流压气机的工作原理
1.中弧线
2.弦长b 3.最大挠度fmax及其位置a
f f max b
叶型几何参数
和
a
a b
4.最大厚度cmax及其位置e 5.叶型前缘角 1 和后缘角 2 6.叶型弯角 ， 1 2
e cmax c 和 e b b
第三章
轴流压气机的工作原理
第三章
轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c1a的选取
•美国民用发动机风扇/压气机的 M c 的选取值不超过
1a
0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的 M c1a 的选取值 不超过0.60～0.65。
第三章
轴流压气机的工作原理
（四）动叶进口预旋速度 c1u 的选取
c1u 对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的
c2
w1
w2
c1
c2
第三章
轴流压气机的工作原理
静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题： •气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；
•出现超声速流动区域和激波，激波损失；
•流量易堵塞。
第三章
轴流压气机的工作原理
(二)动叶圆周速度u的选取
• Lu ucu uwu ,提高动叶圆周速度u，可以增大 动叶对气体的加功量; •在相同的 c1条件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。 •现圆周速度u可达500米/秒左右， Mw1在1.6～1.8 ； •叶片材料的强度是限制u提高
第三章
轴流压气机的工作原理
第五节 压气机平面叶栅流动
动叶和静叶的叶栅通道以及气 流相对于动叶和静叶的流动都 有着共同的特点：
•气流在沿流向扩张的通道中减 速扩压流动；
亚声速基元级
•气流的角度发生偏转，由与轴 向的夹角大，偏转到与轴向的 夹角小。
第三章
轴流压气机的工作原理
可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶
1
第三章
轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布
叶片表面静压分布
第三章
轴流压气机的工作原理
（a）尾迹总压亏损
（b）附面层分离
（c）激波－－附面层
干涉
MArel 1.3329 1.2785 1.2241 1.1697 1.1153 1.0609 1.0065 0.9521 0.8977 0.8433 0.7889 0.7345 0.6801 0.6257 0.5713 0.5168 0.4624 0.4080 0.3536 0.2992 0.2448 0.1904 0.1360 0.0816 0.0272
叶栅几何参数
1.叶型安装角 y
2.栅距 t 3.叶栅稠度
4.几何进口角 1k 和 几何出口角 2 k
b , t
第三章
轴流压气机的工作原理
二、平面叶栅中的流动
1
当叶栅进口 M a 比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部 就有可能出现局部超声速流动，这时的来流 M a 在气动上被称 为临界 M acr 。 前缘小圆的半径增 大、叶型的最大厚度 大和其位置靠近前缘、 中弧线的挠度大和其 位置靠近前缘等因素， 都会使叶栅的临界 M acr 减小。
影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度 c1u 。
（1）正预旋c1u（ c1u的方向与 u 的方向相同） 采用正预旋可有效降低动叶
W1 W '1 U1 U1 C1 C '1
进口的相对 M w 。
1
第三章
轴流压气机的工作原理
(2)反预旋c1u（c1u的方向与u的方向相反） 在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高 分布基本相等，即Lu=u叶尖△wu叶尖＝u叶根△wu叶根 ， △wu大，造成：
激波－－附面层干涉
MArel 1.4447 1.3858 1.3268 1.2678 1.2089 1.1499 1.0909 1.0320 0.9730 0.9140 0.8551 0.7961 0.7371 0.6781 0.6192 0.5602 0.5012 0.4423 0.3833 0.3243 0.2654 0.2064 0.1474 0.0885 0.0295
(一)扭速 wu 的选取
• Lu ucu uwu ，增大扭速可以增大基元级的加功量。 wu 增加导致：
w1
w u
w2
c1
c1a
c2
1. 2 1增大；
2. W2减小，逆压梯度增大；
c1u
u2
cu
u1
(b) 亚声速基元级
3. 流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。