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1、1第七章 涡轮工作原理及特性2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，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是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一3涡轮工作原理及特性涡轮的一般形式：静子（导向器）涡轮的一般形式：静子（导向器）+转子一级。转子一级。气流以高速冲击工作轮旋转做功气流以高速冲击工作轮旋转做功工作环境特点：压力梯度、温度工作环境特点：压力梯度、温度4涡轮分类（工质不同）工质不同）按工质大致可分为：风车、水轮机按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮蒸汽涡轮、燃气燃气涡轮。涡轮。表7-1 常用
2、的涡轮分类概念根据工质根据工质根据工质在叶栅中速度根据工质在叶栅中速度亚音涡轮亚音涡轮和超音涡轮和超音涡轮根据驱动对象根据驱动对象高压涡轮和低压涡轮高压涡轮和低压涡轮/ /燃气涡轮和动力涡轮燃气涡轮和动力涡轮根据工质流动方向根据工质流动方向轴流式涡轮和向心式涡轮轴流式涡轮和向心式涡轮根据反力度可分为根据反力度可分为冲动式涡轮和反力式涡轮冲动式涡轮和反力式涡轮根据是否冷却根据是否冷却非冷却式涡轮和冷却式涡轮非冷却式涡轮和冷却式涡轮根据级数根据级数单级涡轮和多级涡轮单级涡轮和多级涡轮根据气动布局根据气动布局常规涡轮和常规涡轮和对转涡轮对转涡轮根据结构形式根据结构形式带冠和不带冠带冠和不带冠蒸汽轮机
3、、燃气轮机、水轮机、风车蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、风车67.1 涡轮的基元级基元级流动基元级流动 气流通过涡轮基元级速度的变化气流通过涡轮基元级速度的变化v导叶的作用：膨胀加速降温导向导叶的作用：膨胀加速降温导向v动叶的作用：做功膨胀动叶的作用：做功膨胀导向导向涡轮压气机叶栅通道形状的差异涡轮压气机叶栅通道形状的差异哪是压力面？哪是压力面？ 气流通过涡轮基元级速度的变化气流通过涡轮基元级速度的变化v燃气通过涡轮基元级膨胀作功，燃气的总温和总压都降低。 v导向器：改变气流方向。导向器通道呈收敛形，气流膨胀加速，气体静压p、静温T、静焓h相应降低。气流在导向器出口处的速度c1接近声速，有时甚至略
4、超过声速。速度c1具有很大的切线方向分速度。由于涡轮的工作轮前缘以切线速度u1运动着，因此气流相对于工作轮前缘 的运动速度为w1。 012T0T1T2p0p1p2c0c1c2v工作轮：工作轮叶栅通道也呈收敛形，气流在其中继续膨胀加速，气体静压p、静温T、静焓h进一步降低。同时，气流通过工作轮叶栅改变流动方向。由于涡轮工作轮叶栅是收敛通道，气流在其中减压加速，不易产生分离，因此与压气机工作轮叶栅相比，涡轮工作轮叶栅可以有大得多的气流转折角，可以达到90100。v工作轮出口气流的相对速度w2大于进口相对速度w1，但是对于发动机的绝对坐标系来说，工作轮出口气流的绝对速度c2却小于工作轮进口绝对速度c
5、1 气流通过涡轮基元级膨胀作功原理气流通过涡轮基元级膨胀作功原理从能量方程推导得到的膨胀功公式为：条件？进出口轮缘速度相等条件？进出口轮缘速度相等压气机和涡轮轮缘功的比较？压气机和涡轮轮缘功的比较？10速度三角形速度三角形涡轮基元级速度三角形涡轮基元级速度三角形决定涡轮基元级速度三角形的主要参数有五个：C1u、C2u、u和C1a/C2a。 压气机速度压气机速度由哪些参数决定？由哪些参数决定？C2uC2a涡轮基元级反力度涡轮基元级反力度0.50.5，c c1u1uu uc c2u2uw w2u2uc c1 1和和w w2 2大致对称。大致对称。w w1u1u=c=c2u2u反力度大于零的涡轮称为
6、：反力度大于零的涡轮称为：反力式涡轮。反力式涡轮。u1u2c1ac2a 运动反力度 0 c0 c1u1uc c2u2u2u2u，c c1u1uu uu uc c2u2u，即，即w w1u1uw w2u2u动叶特征：进出口形状对称。动叶特征：进出口形状对称。气体流经动叶只拐弯不膨胀。气体流经动叶只拐弯不膨胀。称为称为“冲击式冲击式”涡轮涡轮二者差异？二者差异？ 航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.40.25-0.4uw2uw1u载荷系数载荷系数/ /负荷系数负荷系数物理意义：涡轮级的做功能力物理意义：涡轮级的做功能力典型数值范围典型数值范围1
7、.4-1.7HT，冲击涡轮速度三角形冲击涡轮速度三角形给定轮缘功时，可以根据无量纲参给定轮缘功时，可以根据无量纲参数数HT，T和和C C1a/C/C2a，静叶出口气流，静叶出口气流角角 1 1确定速度三角形。确定速度三角形。负荷系数大，做功能力强负荷系数大，做功能力强当当一定时，一定时，气流偏离轴向，动能损失大，气流偏离轴向，动能损失大14流量因子流量因子/ /流量系数流量系数 与基元级流通能力和叶片形状有关与基元级流通能力和叶片形状有关,在在一定圆周速度下，大的流量因子标志一定圆周速度下，大的流量因子标志着设计者想通过增大气流轴向分速的着设计者想通过增大气流轴向分速的办法来减小叶片高度办法来
8、减小叶片高度 应用应用涡轮叶栅中的流动涡轮叶栅中的流动等熵马赫数定义：等熵马赫数定义：叶栅通道形式：叶栅通道形式：涡轮叶栅中的流动涡轮叶栅中的流动涡轮叶栅中的流动涡轮叶栅中的流动18涡轮叶栅中的流动涡轮叶栅中的流动197.2 涡轮基元级的损失叶型损失叶型损失边界层内的摩擦损失和分离损失 尾迹损失及尾迹和主流的掺混损失 波阻损失 207.2 涡轮基元级的损失叶型损失叶型损失再生热动能损失流动损失 面积022ad+面积i 22adCD=面积02DC压气机与涡轮的区别？压气机与涡轮的区别？叶栅出口速度计算（静叶为例）叶栅出口速度计算（静叶为例）速度损失系数（实际速度速度损失系数（实际速度/等熵理想速
9、度）等熵理想速度）由由 和总温，和总温， （0.96-0.98）可确定）可确定 c1 动能损失：动能损失：总压恢复系数：总压恢复系数：动叶？动叶？影响损失的因素影响损失的因素1 1）相对前缘半径的影响）相对前缘半径的影响2 2）相对尾缘半径的影响）相对尾缘半径的影响3 3）MaMa数的影响数的影响4 4）ReRe数的影响数的影响5 5）湍流度的影响）湍流度的影响6）攻角的影响）攻角的影响 Ma 1.0损失系数随设计马赫数的变化损失系数随设计马赫数的变化出口马赫数出口马赫数.Ma 1.1-1.2Ma 1.2损失系数22涡轮和压气机的对比涡轮涡轮压气机压气机能量转换能量转换叶栅通道叶栅通道流动过程
10、流动过程级的构成级的构成叶型叶型轮缘功轮缘功工作环境工作环境级数级数多级流程多级流程效率效率焓焓机械能机械能收敛式收敛式膨胀加速膨胀加速静叶动叶静叶动叶厚、弯度大厚、弯度大大大高温高温少少扩展扩展单级：单级：0.88-0.91多级：多级：0.91-0.94机械能机械能压力势能热能压力势能热能扩散式扩散式扩压减速扩压减速动叶静叶动叶静叶薄、弯度小薄、弯度小小小低温低温多多缩小缩小单级：单级：0.88-0.90多级：多级：0.83-0.8723作业作业新编写教材新编写教材P218第第2题、第题、第4题、第题、第16题题24FanIP (booster) compressorHP (core) compressorHP turbineLP turbine
