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1、第四章 燃气透平,概述（功能、分类、基本结构等）； 轴流式燃气透平的工作原理； 透平级中的能量损失、效率和速度比； 多级透平； 透平特性； 燃气透平的冷却。,六、透平级的热力过程i-s图,o,o*,c02/2,p0,P0*,P1*,p1,1s,1,H 1,H1s =c1s2/2,1*,p2,P2*,2s,2s,2,H2s,H2s,2s*,2*,c22/2,2*,余速损失Hc2=,H2,理想焓降 Hs,Hu实际焓降,i,s,整个涡轮级 0-1喷嘴 1-2叶轮,H,Hi 内功,4-3 透平级中的能量损失、效率和速度比,一、透平级的能量损失,1、喷嘴损失H1 2、动叶栅损失 H2 3、余速损失Hc2
2、 4、内损失H 发生在透平通流部分的内部 直接影响燃气参数、功率和流量变化,轮周损失,损失最大，约占总作功量10%,H2,H 1,Hc2,静叶能量损失系数： 动叶能量损失系数： 余速动能损失系数：,（1）气流流经透平叶栅时产生的损失,型阻损失和端部损失（包括二次流损失）两大类。 一、型阻损失 主要由五种现象造成的： （1）叶栅附面层中产生的摩擦损失。 （2）叶栅附面层中产生的气流分离损失。 （3）在叶片出口尾迹中产生的涡流损失和掺混损失。 （4）在气流中可能发生的激波现象引起的能量损失。 （5）在有叶片冷却时引起的冷却气流对附面层和主流的干扰损失。,气流流经透平叶栅时产生的损失,二、端部损失
3、在叶片的两端，气流与气缸内壁以及工作转子的表面相接触，这样不可避免地也会形成附在这些表面上的气流附面层，从而产生摩擦阻力损失和涡流损失。这种损失是端部损失的一个部分。 此外，在叶片端部还会产生一种二次流损失，它是由于气流流过弯曲的叶间流道时，因为离心力的作用所引起的。,（2）内损失的内容,径向间隙的漏气损失H 减少了工质在动叶中的做功量；反动度高，泄漏增加，还受叶尖几何特性影响等。 减少径向间隙，采用带冠叶片（加气封片）。 轮盘摩擦损失Hdf 也称风阻损失，叶轮两侧表面在充满气体的空间里高速旋转时，会产生表面摩擦、且由于旋转轮盘与静止气缸间流体的循环而产生的。再者，冷却气体是沿着转子轮盘表面从
4、发动机中心线附近朝外流向叶片的根部，也会产生摩擦。 u不变，增加转度、直径d减少，从而减少该损失。,二、轮周效率、内效率,1、轮周效率 轮周功（实际焓降Hu）和理论功（理想焓降）之比,静参数,滞止参数,单级或末级 考虑余速损失,中间级（余速得到利用） 循环计算中,o,o*,c02/2,p0,P0*,P1*,p1,1s,1,H 1,H1s =c1s2/2,1*,p2,P2*,2s,2s,2,H2s,H2s,2s*,2*,c22/2,2*,余速损失Hc2=,H2,理想焓降 Hs,Hu实际焓降,i,s,整个涡轮级 0-1喷嘴 1-2叶轮,H,Hi有效焓降,式中 qn静叶环中排去的热量；qb动叶环中排
5、去的热量。,2、内效率（级效率）,内功Hi和理论功（理想焓降）之比,i 表示实际涡轮级在能量转换过程中，扣除了可能存在的各种损失后得到的； 衡量燃气轮机热经济性的一个重要指标。 其大小，不仅与所选用的叶片形状、反动度、速度比有关，而且还与级的结构特点有关。,漏气损失系数 =H /Hs；摩擦损失系数 df=Hdf /Hs。,P131改错！,P131改错！,透平的有效效率,如果再考虑轴承等机械损失Hm等，那么,三、最佳速度比,u轮周损失,余速损失的大小，不仅与叶栅的气流角度有关，而且与速度比u/c1有密切关系。,一般透平基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u1,u2,叶栅额
6、线,c1u,c2u,c2u很小（接近轴向出气）,90,c2z c1z,由速度三角形知，把c2设计成轴向方向2=90，那么余速损失就能减小到最低程度，此时速度比最佳。,1、冲动式透平级T=0,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,理想情况：c2z= c1z u1= u2= u w1= w2,轴对称,轴向出气,T=0,2、反动式透平级 T=0.5,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2z= c1z u1= u2= u,c2= w1 w2= c1,进出口速度关于轴对称,T=0.5,任意反动度T下，最佳速度比：,达到最佳速度比时：,透平级效率比较： 当u和1相同时，反动式
7、透平级中c1和w1要小很多，型阻损失和端部损失都较小，效率较高。 透平级做功量比较： 冲动式 Lu=2u2，级数较少； 反动式 Lu=u2，级数较多。 级的反动度范围： 平均叶高处（ 00.5）,T=0,T=0.5,作业：P159 1 2 4*,4-4 多级透平,在实际的透平设计中，当机组的总焓降较大时，总是把总焓降分成几段，每一段焓降在一个级中加以利用。 几个级沿着燃气的流动方向串联在一起，就构成了一个多级透平。（压比在6以下单级足够） 可保证：在较小的动叶圆周速度下，达到最佳速度比，从而获得满意的轮周效率。 另一方面，当级中的焓降不大时，若给定透平的转速，就可采用较小的叶轮直径；若给定叶轮
8、的平均直径，就可采用较低的转速。,4-4 多级透平,大多数功率较大的透平都是多级的，效率较高， 但结构较复杂，叶轮叶片数目较多（25级）。 透平分为： 多级冲动透平（速度级） 多级反动透平（压力级） 叶片较短者多采用冲动级。,多级冲动透平,整个透平的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动能； 在工作动叶栅中仅发生绝对速度降低，将动能转化为机械功。 喷嘴中：H1s=Hs 多级速度级透平的最高效率比单级冲动式透平的要低得多。 原因： 气流速度高且流动阻力增加。,双列速度级或复速级 一级内装有两列动叶栅,叶轮,反动式透平（压力级）,由一系列反动式透平级串联组成。 每一级都有压力降，透平中压力逐级降低；
9、气流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到利用。 余速损失较少，效率比单级的高。 应用较多。,三级反动透平简图,a静叶 b冲动式动叶 c反动式动叶,1=2,12, 1 0,一、多级轴流式透平的通流部分型式,在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐级下降，气流密度也逐级减小。 根据连续性方程qT=Acz可知，这将导致气流轴向分速cz增加，或者通流面积A增加。 一般同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。 多级轴流式透平的通流部分逐级渐扩。,三种型式,Dt=const,Dm=const,等外径,等内径,等平均直径,Dh=const,1、等外径的通流部分,结构：外径Dt相同 内径Dh
10、和平均直径Dm则沿流程逐级降低。 优点：透平的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。 缺点：内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。 特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。 应用：用于航空和舰船燃气轮机。,Dt=const,等外径,2、等内径的通流部分,结构：内径Dh相同 外径Dt和平均直径Dm则沿流程逐级增加。 优点：叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。 工作叶轮加工方便。 缺点：透平的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。 因外径Dt逐级增加，机壳加工较繁。 应用：地面固定式燃气轮机。,等内径,Dh=const,3、等平均直径的通流部分,结构：平均直径Dm相
11、同 外径Dt逐级增加，内径Dh逐级减小。 优缺点：介入以上二者之间 叶片扭曲不甚剧烈；透平的径向尺寸变化不太剧烈。 应用：透平通流部分的扩张角不大，广泛应用。,等平均直径,Dm=const,一般建议采用内、外壁面型线光滑、连续的子午剖面通道。 外壳壁面倾角一般不宜超过2025； 内壳壁面，则应小于15左右（绝对值）。 某一级的内外壁总扩张角最好限制在3035以内，相邻叶栅内壁倾角之间或外壁倾角之间的差别不宜大于812。,a等内径 b等外径 c等中径,二、焓降分配与级数选择,实质上是一个负荷分配问题。 结构布置上：透平外径通常选得与压气机外径差不多，最多大出1020。 叶片和轮盘的材料强度：透平
12、平均直径处的圆周速度一般不高于320350m/s。 根据基元级分析及试验结果，一般情况，负荷系数在1.52.5之间选取，流量系数的最佳数值在0.81.0左右。 对一般亚声速级，焓降通常为80190kJ/kg左右，而航空发动机跨声速透平单级焓降已达420540kJ/kg左右，叶尖圆周速度达到500m/s以上。,有的设计在前面级取用较大的焓降。例如对双级透平，第一级焓降占5565，第二级为3545；对三级透平，焓降分配为40、35 %、25。这样，第一级动叶的温度可以降得低些，末级的余速损失也可以减小些。另外，高温区焓降大，低温区焓降小，可使各级中气流马赫数分布比较均匀一些。 对末级分配较大的焓降
13、也有一定的好处，低工况时各级负荷分配比较均匀，最高效率出现在部分工况下，子午剖面通流部分型线易于设计得比较平滑。 有时也可以使中间级的负荷大一些，高压和低压级的负荷低一些，使透平能具有较高的效率。 如果各级焓降均匀分配，则透平设计点的效率比较高，各级也有可能选用同样的叶型，还可以通过内外壳壁面扩张角的适当选择来缓和轴向速度的变化。 由于叶片根部截面的负荷较高，流动条件较恶劣，所以对该截面的参数有一定的推荐或控制，以期得到较为满意的设计效果。 对于负荷的分配要利用计算机程序进行多方案的分析比较。 对于焓降分配和级数选择要认真分析，多方案比较，它对整台燃气轮机的性能都有重要的影响。,焓降分配与级数
14、选择,三、多级透平的热重获问题,各级有能量损失气流的熵增加； 实际过程线向右偏移， 等压线向右是扩张的。,热重获系数；z多级透平级数。,在透平中，损失的能量又部分被利用的现象，叫做热重获现象。,级效率：,多级透平的热效率：,由于热重获，使多级透平的效率大于各级的平均效率。,透平的热重获系数,注意: 热重获现象回收的摩擦热仅仅是流动阻力损失的一小部分，所以流动阻力增加总是导致涡轮效率降低的。,（1）级数越多，前面损失被后面利用的程度大，热重获系数也大。 （2）级效率越低，损失越大，热重获系数也越大。 （3）膨胀比越大，热重获系数也越大。,四、多级透平的主要性能参数,1、膨胀比 2轴功率（内功率）
15、PT 透平内比功LT各级轴功之和,内功率（轴功率）,或,3透平效率（绝热膨胀效率）,多级透平的效率比单级效率要高。,五、多级透平的余速利用（P138-139自学）,o,o*,c02/2,p0,P0*,P1*,p1,1s,1,H 1,H1s =c1s2/2,1*,p2,P2*,2s,2s,2,H2s,H2s,2s*,2*,c22/2,2*,余速损失 Hc2=,H2,理想焓降 Hs,Hu实际焓降,i,s,整个涡轮级 0-1喷嘴 1-2叶轮,H,Hi有效焓降,出口扩压器,利用余速应具备的条件,（1）相邻两级的平均直径比较接近。 气流从前面一级向后面一级流动时，能够顺利地流通过去，速度c2进入下一级时，不会产生太大的径向移动。 （2）后一级的静叶进口方向和前一级的余速c2的方向相符合。 （3）气流的流量在相邻的两级间没有较大的变化。 如果有较大的级间抽气，余速就不能被利用。,多级透平的一个优点： 前一级的余速可以被下一级全部或部分地利用。 （最末级除外）,
