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1、第二章第二章发动机部件工作原理机部件工作原理第二章第二章发动机部件工作原理机部件工作原理第一第一节 气气动热力基力基础第二第二节 进气道气道第三第三节 尾尾喷管管第四第四节 压气机气机第五第五节 涡轮第六第六节 燃燃烧室室2024年8月1日2第五第五节 涡轮一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机风车、水、水车、电风扇、鼓扇、鼓风机、汽机、汽轮机、水机、水轮机、机、水水泵、螺旋、螺旋桨（飞机、机、轮船）船）2024年8月1日3一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机电脑芯片的芯片的风扇：扇：由微型由微型电机机驱动，向散，向散热器提供冷却空气器提供冷却空气发动机的机的压气机：气机：由由涡轮驱动，向燃，向燃烧
2、室提供高室提供高压空气空气2024年8月1日4一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机风力力发电机：机：空气的空气的动能能转化化为电能；能；发动机的机的涡轮：燃气的燃气的热能能转化化为机械能机械能2024年8月1日5一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机2024年8月1日6一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机高高压涡轮2024年8月1日7一、生活中的叶一、生活中的叶轮机机低低压涡轮2024年8月1日8二、功能、工作二、功能、工作环境及境及设计要求要求功能功能将燃气的内能将燃气的内能转换为机械能并机械能并对外外输出功率。出功率。带动压气机气机(风扇扇)、螺旋、螺旋桨、旋翼、旋翼(尾尾桨)等。等。工作工作环境
3、境高温高温: 热负荷荷(1600-1950K)高速高速转动: 离心离心负荷荷 高气高气动负荷荷: 气气动力、气力、气动力矩力矩轴负荷：荷： 传递巨大的扭矩巨大的扭矩2024年8月1日9二、功能、工作二、功能、工作环境及境及设计要求要求设计要求要求提供所需功率、效率高、提供所需功率、效率高、耐高温耐高温、高、高强强度、重度、重量量轻。涡轮温度要求温度要求燃气：燃气：1500-1900K叶片：叶片：1150K叶叶盘：950K轴承：承：500K2024年8月1日10二、功能、工作二、功能、工作环境及境及设计要求要求2024年8月1日11三、工作原理三、工作原理1、组成成静子（静子（导向器）向器）静子
4、叶片静子叶片内、外内、外环转子子工作叶片工作叶片盘轴排列方式：静子在前，排列方式：静子在前，转子在后子在后2024年8月1日12三、工作原理三、工作原理2、涡轮基元基元级平面叶平面叶栅：2024年8月1日13三、工作原理三、工作原理3、作功原理、作功原理导向器向器高温高高温高压气体在气体在导向器中向器中膨膨胀加速加速 焓 动能能工作叶工作叶轮高速气流冲高速气流冲击工作叶工作叶轮，使叶使叶轮高速高速转动，发出功率。出功率。动能能机械能机械能2024年8月1日14三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动截面截面0 静叶静叶进口口1 静叶出口静叶出口（动叶叶进口）口）2 动
5、叶出口叶出口2024年8月1日15三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动静叶静叶栅（导向器）向器）2024年8月1日16三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气流在静叶气流在静叶栅中的流中的流动伯努利方程伯努利方程V1 V0 dp 0 2024年8月1日17对于亚音气流，要加速必对于亚音气流，要加速必须经过收敛型叶栅通道须经过收敛型叶栅通道 。三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气流在静叶气流在静叶栅中的流中的流动叶型偏离叶型偏离轴线弯曲形成收弯曲形成收敛通道通道在静子叶片中的工作原理：膨在静子叶片中的工作原
6、理：膨胀加速并加速并转向向2024年8月1日18。压气机气机（减速增（减速增压）涡轮（增速减（增速减压）三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气流在静叶气流在静叶栅中的流中的流动在叶在叶栅通道出口通道出口处为最小截面，最小截面，称称为喉道截面喉道截面；在喉道截面在喉道截面处，气流通常达到，气流通常达到当地音速当地音速；在在临界截面后气流界截面后气流进一步加速，一步加速，以超音速以超音速进入工作入工作轮；静子叶片起静子叶片起导向作用又称向作用又称为导向器向器2024年8月1日19三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动动叶叶栅2024年8月1
7、日20三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气体在气体在动叶叶栅中的流中的流动：速度三角形（速度三角形（进口）：口）：气流流向气流流向动叶的叶的绝对速度速度V1；叶片叶片转动切切线速度速度为U1；气流气流进入入动叶的相叶的相对速度速度为W1。速度三角形（出口）：速度三角形（出口）：气流流出气流流出动叶的相叶的相对速度速度为W2；叶片叶片转动切切线速度速度为U2；气流流出气流流出动叶的叶的绝对速度速度为V2。2024年8月1日21三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气体在气体在动叶叶栅中的流中的流动：将将进、出口速度三角形叠画在一起、出口
8、速度三角形叠画在一起,W和和V均向背离均向背离转动方向方向发生偏生偏转相相对速度速度增加：增加：W2 W1（气体增速降（气体增速降压）绝对速度速度下降：下降：V2 V1（动能能机械能）机械能）2024年8月1日22三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气体在气体在动叶叶栅中的流中的流动：伯努利方程（相伯努利方程（相对坐坐标系）系）dp W12024年8月1日23叶型弯曲形成收敛通道，叶型弯曲形成收敛通道，相对速度增加，压力降低相对速度增加，压力降低三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气体在气体在动叶叶栅中的流中的流动：伯努利方程（伯努利
9、方程（绝对坐坐标系）系）两式想减，得：两式想减，得：2024年8月1日24涡轮对外输出轮缘功绝对动能增量涡轮对外输出轮缘功绝对动能增量+相对动能增量相对动能增量绝对动能绝对动能 机械能机械能相对动能相对动能 膨胀加速膨胀加速 ，产生反作用力，产生反作用力三、工作原理三、工作原理4、气流在基元、气流在基元级中的流中的流动气体在气体在动叶叶栅中的流中的流动：由于气流在由于气流在涡轮中作膨中作膨胀加速流加速流动,气流不易分气流不易分离，因此允离，因此允许气流的气流的转角角较大。大。一一级涡轮输出功率可以出功率可以带动多多级压气机气机2024年8月1日25涡轮压气机气机三、工作原理三、工作原理5、涡轮
10、级涡轮级沿叶高由基元沿叶高由基元级叠加而成；叠加而成；因沿叶高的切因沿叶高的切线速度速度大小不同，相大小不同，相对速度速度大小和方向均不同，大小和方向均不同，速度三角形不同；速度三角形不同；沿叶高叶片是扭沿叶高叶片是扭转的。的。2024年8月1日26三、工作原理三、工作原理6、全台、全台涡轮沿沿发动机机轴向向为扩张形气流通道形气流通道2024年8月1日27四、四、热力力过程及主要参数程及主要参数1、热力力过程程理想情况：理想情况：绝热等等熵膨膨胀实际情况：情况：多多变膨膨胀2024年8月1日28hS34i4P3*P4*理想膨胀功理想膨胀功实际膨胀功实际膨胀功四、四、热力力过程及主要参数程及主要
11、参数2、主要参数、主要参数膨膨胀比：比：流量：流量：转速：速：绝热效率：效率：2024年8月1日29四、四、热力力过程及主要参数程及主要参数练习题（判断）（判断）若若涡轮进口气流参数和口气流参数和涡轮膨膨胀比保持不比保持不变，则涡轮出口出口总温越高，温越高，涡轮效率也越效率也越高。高。错，参，参见h-s图2024年8月1日30五、五、涡轮特性特性依据相似理依据相似理论，涡轮性能参数可以表示性能参数可以表示为2024年8月1日3134五、五、涡轮特性特性特性：特性：亚临界状界状态涡轮相似流量随膨相似流量随膨胀比比的增加而增加的增加而增加超超临界状界状态涡轮相似流量与膨相似流量与膨胀比比和相似和相
12、似转速无关速无关 2024年8月1日32五、五、涡轮特性特性压气机特性与气机特性与涡轮特性特性对比：比：压气机工作于气机工作于设计状状态，相似流量与相似，相似流量与相似转速速和增和增压比有关；比有关；涡轮工作于工作于设计状状态，相似流量与相似，相似流量与相似转速和速和膨膨胀比无关；比无关；2024年8月1日33增压比小小结涡轮工作原理工作原理叶片排列方式叶片排列方式速度三角形速度三角形主要参数（膨主要参数（膨胀比、效率等）比、效率等）涡轮通用特性通用特性当当涡轮膨膨胀比增加到一定比增加到一定时，涡轮进口流量相口流量相似参数保持常数，似参数保持常数，处于于临界或超界或超临界状界状态涡轮效率随膨效率随膨胀比比变化化较平平缓2024年8月1日34小小结2024年8月1日35压气机涡轮转子在前、静子在后静子在前、转子在后转、静叶栅均为扩张型转、静叶栅均为收缩型转子：加功+增压转子：获得机械功+降压静子：减速增压静子：加速减压基元级逐级收缩基元级逐级扩张内部流动一般为亚音导叶出口一般为临界逆压力梯度（静压增加）顺压力梯度（静压下降）W2 W1 V2 V1W2 W1 V2 V1
