航空发动机原理第六讲 发动机部件工作原理---涡轮

三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（绝对坐标系） 2 2 2 dp V2 V1 Wu W fr 2 1 两式想减，得： V22 V12 W12 W22 Wu 2 2 涡轮对外输出轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量
五、涡轮特性
压气机特性与涡轮特性对比： 压气机工作于设计状态，相似流量与相似转速 和增压比有关； 涡轮工作于设计状态，相似流量与相似转速和 膨胀比无关；
增 压 比
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小结
涡轮工作原理 叶片排列方式 速度三角形 主要参数（膨胀比、效率等） 涡轮通用特性 当涡轮膨胀比增加到一定时，涡轮进口流量相 似参数保持常数，处于临界或超临界状态 涡轮效率随膨胀比变化较平缓
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二、功能、工作环境及设计要求
功能 将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率。 带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。 工作环境 高温: 热负荷(1600-1950K) 高速转动: 离心负荷 高气动负荷: 气动力、气动力矩 轴负荷： 传递巨大的扭矩
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（相对坐标系） 2 2 2 W W dp 2 1 W fr 0 2 1 dp < 0 , W2 > W1
叶型弯曲形成收敛通道， 相对速度增加，压力降低
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压气机
三、工作原理
5、涡轮级 涡轮级沿叶高由基元级 叠加而成； 因沿叶高的切线速度 大小不同，相对速度 大小和方向均不同， 速度三角形不同； 沿叶高叶片是扭转的。
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三、工作原理
6、全台涡轮 沿发动机轴向为扩张形气流通道
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四、热力过程及主要参数
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二、功能、工作环境及设计要求
设计要求 提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重 量轻。 涡轮温度要求 燃气：1500-1900K 叶片：<1150K 叶盘：<950K 轴承：<500K
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二、功能、工作环境及设计要求
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* T f1 (
qmg T3* p
* 3
,
n T3* n T
* 3
)
f2 (
* T
qmg T3* p
* 3
,
)
3
4
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五、涡轮特性
特性： 亚临界状态 涡轮相似流量随膨胀比 的增加而增加 超临界状态 涡轮相似流量与膨胀比 和相似转速无关
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绝对动能 机械能 相对动能 膨胀加速 ，产生反作用力
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 由于气流在涡轮中作膨胀加速流动,气流不易分 离，因此允许气流的转角较大。 一级涡轮输出功率可以带动多级压气机
涡轮
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Aero Engine Principle– Lecture #5 /Engines parts -Turbine Oct. 20, 2014
发动机部件工作原理
黄玥
助理教授 物理机电航空大楼313 18250894250 huangyue@xmu.edu.cn 物理与机电工程学院 厦门大学
发动机部件工作原理
三、工作原理
1、组成 静子（导向器） 静子叶片 内、外环 转子 工作叶片 盘 轴 排列方式：静子在前，转子在后
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三、工作原理
2、涡轮基元级平面叶栅：
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三、工作原理
3、作功原理 导向器 高温高压气体在导向器中 膨胀加速 焓 动能 工作叶轮 高速气流冲击工作叶轮， 使叶轮高速转动，发出功率。 动能机械能
气流流出动叶的相对速度为W2； 叶片转动切线速度为U2； 气流流出动叶的绝对速度为V2。
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动：
将进、出口速度三角形叠画在一起,W和V均向背离转动 方向发生偏转 相对速度增加：W2 W1（气体增速降压） 绝对速度下降：V2 V1（动能机械能）
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 动叶栅
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 速度三角形（进口）：
气流流向动叶的绝对速度V1； 叶片转动切线速度为U1； 气流进入动叶的相对速度为W1。
速度三角形（出口）：
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小结
压气机
转子在前、静子在后
涡轮
静子在前、转子在后
转、静叶栅均为扩张型 转子：加功+增压 静子：减速增压 基元级逐级收缩 内部流动一般为亚音 逆压力梯度（静压增加） W2 W1 V2 V1
转、静叶栅均为收缩型 转子：获得机械功+降压 静子：加速减压 基元级逐级扩张 导叶出口一般为临界 顺压力梯度（静压下降） W2 >W1 V2 < V1
。 涡轮 （增速减压）
压气机 18 2014年11月20日 （减速增压）
三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气流在静叶栅中的流动 在叶栅通道出口处为最小截面， 称为喉道截面； 在喉道截面处，气流通常达到 当地音速； 在临界截面后气流进一步加速， 以超音速进入工作轮； 静子叶片起导向作用又称为导向器
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V1 V0
dp V1 V0 W 0 fs 2 0
1
dp 0
对于亚音气流，要加速必 须经过收敛型叶栅通道 。
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气流在静叶栅中的流动 叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道 在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 截面 0 静叶进口 1 静叶出口 （动叶进口） 2 动叶出口
15 2014年11月20日
三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 静叶栅（导向器）
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三、工作原理
4、气流在基元级中的流动 气流在静叶Biblioteka Baidu中的流动 伯努利方程 2 2
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一、生活中的叶轮机
风力发电机： 空气的动能转化为电能； 发动机的涡轮： 燃气的热能转化为机械能
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一、生活中的叶轮机
6 2014年11月20日
一、生活中的叶轮机
高压涡轮
7 2014年11月20日
一、生活中的叶轮机
低压涡轮
n(rpm)
t
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实际膨胀功 ？（自己推导） 等熵膨胀功
四、热力过程及主要参数
练习题（判断） 若涡轮进口气流参数和涡轮膨胀比保持不变，则 涡轮出口总温越高，涡轮效率也越高。 错，参见h-s图
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五、涡轮特性
依据相似理论，涡轮性能参数可以表示为
• • • • • • 第一节 气动热力基础 第二节 进气道 第三节 尾喷管 第四节 压气机 第五节 涡轮 第六节 燃烧室
第五节 涡轮
一、生活中的叶轮机 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、 水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……
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一、生活中的叶轮机
电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气
1、热力过程 理想情况： 绝热等熵膨胀 实际情况： 多变膨胀
P3*
h
3
理想膨胀功 4 4i
实际膨胀功 P4*
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S
四、热力过程及主要参数
2、主要参数 膨胀比： 流量：
* p3 进口总压 * 出口总压 p4
t*
转速：
绝热效率：
qmg (kg / s)