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1、第二章 发动机部件工作原理,第二章 发动机部件工作原理,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,2019年7月12日,2,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),2019年7月12日,3,一、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,2019年7月12日,4,一、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,2019年7月12日,5,一、生活
2、中的叶轮机,2019年7月12日,6,一、生活中的叶轮机,高压涡轮,2019年7月12日,7,一、生活中的叶轮机,低压涡轮,2019年7月12日,8,二、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,2019年7月12日,9,二、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:
3、500K,2019年7月12日,10,二、功能、工作环境及设计要求,2019年7月12日,11,三、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,2019年7月12日,12,三、工作原理,2、涡轮基元级平面叶栅:,2019年7月12日,13,三、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,2019年7月12日,14,三、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,2019年
4、7月12日,15,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 静叶栅(导向器),2019年7月12日,16,三、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 伯努利方程 V1 V0 dp 0,2019年7月12日,17,对于亚音气流,要加速必须经过收敛型叶栅通道 。,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,2019年7月12日,18,。,压气机 (减速增压),涡轮 (增速减压),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
5、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,2019年7月12日,19,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 动叶栅,2019年7月12日,20,三、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): 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。,2019年7月12日,21,三、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
6、、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),2019年7月12日,22,三、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) dp W1,2019年7月12日,23,叶型弯曲形成收敛通道, 相对速度增加,压力降低,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) 两式想减,得:,2019年7月12日,24,涡轮对外输出轮缘功绝对动能增量+相对动能增量,绝对动能 机械能 相对动能 膨胀加速 ,产生反作用力,三、工作原理,4、
7、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,2019年7月12日,25,涡轮,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。,2019年7月12日,26,三、工作原理,6、全台涡轮 沿发动机轴向为扩张形气流通道,2019年7月12日,27,四、热力过程及主要参数,1、热力过程 理想情况: 绝热等熵膨胀 实际情况: 多变膨胀,2019年7月12日,28,h,S,3,4i
8、,4,P3*,P4*,理想膨胀功,实际膨胀功,四、热力过程及主要参数,2、主要参数 膨胀比: 流量: 转速: 绝热效率:,2019年7月12日,29,四、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,2019年7月12日,30,五、涡轮特性,依据相似理论,涡轮性能参数可以表示为,2019年7月12日,31,3,4,五、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,2019年7月12日,32,五、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;,2019年7月12日,33,增压比,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,2019年7月12日,34,小结,2019年7月12日,35,