渦輪基本原理-教學內(nèi)容

1、渦輪基本原理-2009多級渦輪渦輪種類渦輪種類渦輪種類的劃分形式有很多種根據(jù)工質(zhì)的不同可以分為水利透平、蒸汽透平和燃氣透平。水利透平用于水利發(fā)電，工質(zhì)是水。蒸汽透平多用于火電站和核電站發(fā)電。來自于鍋爐的高溫高壓蒸汽在由很多級渦輪組成的蒸汽輪機中膨脹，推動蒸汽透平轉(zhuǎn)動，透平帶動發(fā)電機發(fā)電。在電場使用的蒸汽透平多超過30級左右，這些渦輪級都安裝在同一根軸上，即使這樣，常把蒸汽透平分成高壓、中壓和低壓三部分。由于蒸汽透平內(nèi)的蒸汽膨脹比非常大，低壓透平級的葉片高度是高壓透平葉片的高度的很多倍。蒸汽透平圖片蒸汽透平圖片火電廠工作過程大亞灣核電站渦輪種類渦輪種類燃氣渦輪在燃氣輪機上，進入渦輪的工質(zhì)是燃燒室

2、排出的高溫高壓燃氣。早期燃氣輪機是作為飛機動力發(fā)展起來的，后來在地面發(fā)電上也得到了廣泛的應用。在現(xiàn)代高涵道比渦輪風扇發(fā)動機上，高壓渦輪級為一級和兩級組成，低壓渦輪多為三級、四級、甚至五級組成。高壓渦輪和低壓渦輪被安裝在不同的轉(zhuǎn)子軸上，這樣增加了發(fā)動機工作的靈活性，這樣可以使高低壓壓氣機和高低壓渦輪工作在最佳的工作狀態(tài)下。 燃氣輪機具有不同的結(jié)構(gòu)形式，對于風扇發(fā)動機，為低壓渦輪驅(qū)動風扇的結(jié)構(gòu)。對于渦輪軸發(fā)動機和螺旋槳發(fā)動機，還有發(fā)電燃氣輪機，都是燃氣發(fā)生器帶有動力渦輪的結(jié)構(gòu)。 渦輪種類渦輪種類帶葉冠渦輪葉片和不帶葉冠渦輪葉片帶有葉冠形式的渦輪葉片可以減小葉尖泄漏損失。葉片帶有葉冠后重量明顯增加，

3、因此會明顯增加葉片根部應力。絕大多數(shù)第一級渦輪是不帶葉冠的。渦輪種類渦輪種類亞聲速渦輪和超聲速渦輪根據(jù)工質(zhì)流經(jīng)渦輪內(nèi)部的速度的大小可以把渦輪劃分成亞聲速渦輪和超聲速渦輪超聲速渦輪單位質(zhì)量流量工質(zhì)能夠做更多的功，也即這種渦輪的功率密度更大，但相應效率會有所降低。絕大多數(shù)大型燃氣渦輪內(nèi)部都是亞聲速流動，只有很少的超聲速級存在。絕大多數(shù)小型燃氣渦輪都有超聲速渦輪級，對于小型燃氣輪機尺寸大小是非常重要的。蒸汽透平的高壓級通常是超聲速的，這樣可以使蒸汽在較少數(shù)目的渦輪級內(nèi)有效膨脹。渦輪種類渦輪種類沖動式渦輪級和反動式渦輪級根據(jù)渦輪級內(nèi)氣流在動靜葉片中的膨脹比例，也即反動度的大小，可以把渦輪級分成沖動式渦

4、輪級(反動度為0)和反動式渦輪級(反動度大于0)。在后面將給出反動度的定義及具有不同反動度渦輪級的速度三角形。渦輪種類渦輪種類表1對各種渦輪進行了分類。表表1 1 渦輪分類渦輪分類水利透平，蒸汽透平，燃氣透平動力透平，驅(qū)動壓氣機透平，驅(qū)動渦輪透平高壓渦輪，低壓渦輪不帶葉冠渦輪，帶葉冠渦輪壓聲速渦輪，超聲速渦輪沖動式渦輪，反動式渦輪渦輪用途渦輪用途表2給出了軸流渦輪的主要應用領域。當然軸流渦輪還有很多其他的用途，在這里不一一列舉。電廠發(fā)電使用到了各種類型的透平。除了小型輕型飛機，渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機上都使用了渦輪，在飛機上使用的輔助動力裝置也使用渦輪部件。渦輪在工業(yè)

5、上也有廣泛的應用，如驅(qū)動各種工業(yè)泵的透平，渦輪增壓氣器上的渦輪，過程膨脹機。 表表2渦輪應用領域渦輪應用領域用于電廠發(fā)電的水利透平，蒸汽透平，燃氣透平渦輪發(fā)動機和直升機動力系統(tǒng)飛機輔助動力裝置液體管線的泵驅(qū)動渦輪氣體液化和低溫制冷膨脹機空間動力系統(tǒng)渦輪用途渦輪用途軸流渦輪速度三角形軸流渦輪速度三角形一個典型的軸流渦輪級由一排靜子葉片和一排轉(zhuǎn)子葉片組成。特征截面渦輪進口截面定義為截面1，靜子葉片出口定義為截面2，轉(zhuǎn)子葉片出口定義為截面3。 三個速度分量絕對速度、相對速度和葉片旋轉(zhuǎn)速度組成速度三角形。三個速度矢量之間的關系由速度三角形確定。 全部的角度為速度和軸向之間的夾角。速度三角形速度三角形靜

6、子葉片進口速度大小和方向：氣流以絕對速度C1、絕對氣流角1進入靜子。靜子葉片出口速度大小和方向：在靜子葉片中氣流得到加速，加速后的速度為C2，流動方向發(fā)生變化，出口絕對氣流角2，2近似等于葉片尾緣的葉片角。 由于出口氣流存在偏轉(zhuǎn)，實際出口氣流并不是完全沿著葉片尾緣出口葉片角方向流出。 速度三角形速度三角形轉(zhuǎn)子葉片是以U2速度旋轉(zhuǎn)，在相對坐標系中氣流是以W2流進轉(zhuǎn)子葉片。 依據(jù)轉(zhuǎn)子進口的絕對速度大小和方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度U值可以確定轉(zhuǎn)子進口相對速度W2和相對速度方向2。 進口氣流角2和進口葉片角2b之間的差值是攻角。 在轉(zhuǎn)子出口相對氣流速度為W3，相對速度方向為3，同樣可以確定出口絕對速度C3和絕

7、對速度角3。 速度三角形速度三角形從動葉進口速度三角形可以看出，動葉進口相對速度W2是比較小的，在動葉中氣流又一次膨脹加速，所以動葉出口相對速度W3較大。 焓熵圖焓熵圖實際膨脹過程1-2線段代表發(fā)生在靜子葉片內(nèi)的膨脹過程。2-3線段代表發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)的膨脹過程。 理想膨脹過程1-2s線段代表靜子葉片內(nèi)的理想膨脹過程。2-3s三線段代表發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)的理想膨脹過程。 在靜子葉片中，絕對總壓代表損失。在轉(zhuǎn)子葉片中，相對總壓代表損失。三個截面的滯止狀態(tài)分別用下標表示為：截面1 01截面2 02截面3 03對應靜子葉片給出的是絕對滯止狀態(tài)，對應轉(zhuǎn)子給出的是相對滯止狀態(tài)。靜子葉片h01=h1+C12

8、/2 =h2+C22 /2=h02轉(zhuǎn)子葉片hw02=h2+W22/2 =h3+W32 /2=hw03焓熵圖焓熵圖靜子葉片進口動能為C12/2，氣流經(jīng)過靜子葉片膨脹后增大到C22/2。在轉(zhuǎn)子葉片進口，相對速度對應的動能為W22/2，由速度三角形可知這個值比較小。在轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)氣流進一步加速，出口相對速度具有的動能W32/2較大一些。 焓熵圖焓熵圖渦輪工作的基本原理渦輪工作的基本原理 當氣流流經(jīng)渦輪時，存在著軸向速度分量Cx，徑向速度分量Cr和切向速度分量C。軸向和徑向速度分量并不決定渦輪做功能力的大小，軸向速度大小關系到質(zhì)量流量大小。 1122CrCrm葉片的做功量為 1122CUCUmP由牛頓第

9、二定律可以寫出葉片排上承受的扭矩為 式中是轉(zhuǎn)子葉片角速度，葉片旋轉(zhuǎn)速度U r。 單位質(zhì)量氣體的功率為 1122CUCUWx葉輪機械歐拉方程單位質(zhì)量氣體的功率為 1122CUCUWx葉輪機械歐拉方程從上式可以看出，決定渦輪做功的主要參數(shù)是 圓周速度U大小。 動葉出口的切向分速C2和進口預旋C1的大小。通常情況下：通常情況下： 進口預旋C1可以為零(軸向進氣的壓氣機C1=0)。 對于渦輪，為了提高效率，一般總希望出口絕對速度C2沿軸向方向。從焓熵圖上可以看出渦輪內(nèi)部的膨脹功可以用渦輪級的進出口滯止焓之差表示0301hhWx渦輪工作的基本原理渦輪工作的基本原理 思考題：1 為什么渦輪要軸向排氣？垂直

10、于流通面積上的速度為有效流通速度。因此軸向排氣時的速度為最小。2 根據(jù)速度三角形比較C2、C3三個絕對速度大小，W2、W3三個相對速度的大小？思考題：70C2W2U2C3U3W33由葉輪機械的歐拉方程和速度三角形解釋靜子葉片出口偏轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)子葉片出口落后角對渦輪作功量及膨脹比的影響。靜葉出口落后角使得靜葉出口絕對速度周向分量減小。動葉出口落后角使動葉出口絕對速度周向分量減小。因此由歐拉方程可知葉輪的做功量減小1122CUCUWx思考題：70C2W2U2C3U3W31122CUCUWx思考題：下面兩個式子有差別嗎？1122CUCUWx氣流在靜子葉片內(nèi)只膨脹而不做功，因此靜子葉片進出口滯止焓相等，即

11、有 0201hh上式還可以寫成 21222121CChh也就是說靜子進出口滯止焓保持不變，進出口靜焓的變化等于進出口動能變化。渦輪工作的基本原理渦輪工作的基本原理 對于轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子葉片進出口滯止轉(zhuǎn)焓保持不變。即有constUhhrelT20121式中h01rel是相對滯止焓 20121Whhrel上式還可以寫成 232223223221WWUUhh(A)渦輪工作的基本原理渦輪工作的基本原理 232232030221CChhhhWx0201hh0301hhWx(B)把式(A)帶入式(B)得 23222322232221CCWWUUWx當葉片進出口旋轉(zhuǎn)速度相差很小，即U3U2，由式(A)則有rel

12、relhh030222233221WWhh 2322222321CCWWWx渦輪工作的基本原理渦輪工作的基本原理 相對滯止焓式(B)可以寫成 232223223221WWUUhh葉片幾何參數(shù)的定義葉片幾何參數(shù)的定義 下圖給出了常用的渦輪葉片的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)。葉片凹面為壓力面，凸面為吸力面。由于葉片通道存在著曲率，導致氣流在流經(jīng)葉片時壓力面上的壓力高于吸力面上的壓力。(為什么?) 葉片進口氣流角1轉(zhuǎn)子葉片用1表示葉片出口氣流角2 轉(zhuǎn)子葉片用2表示進口葉片角b1出口葉片角b2進口氣流角和進口葉片角之差為攻角 11bi在葉片尾緣，出口氣流角和出口葉片角之差定義為落后角。 22b在葉片設計過程中，

13、1和2由速度三角形確定。為了確定前緣和后緣葉片角，設計人員必須要給出，或者通過計算得出攻角和落后角。葉片幾何參數(shù)的定義葉片幾何參數(shù)的定義 葉片幾何參數(shù)的定義葉片幾何參數(shù)的定義 葉片中線的轉(zhuǎn)折角度為21bb氣流在葉片中的轉(zhuǎn)折角為 21無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)下表給出了渦輪研究中經(jīng)常使用的無量綱參數(shù)。相似流量和相似轉(zhuǎn)速參數(shù)不是真實的無量綱參數(shù)，而是在一個組合參數(shù)中去掉常數(shù)后得到的。0101/ pTm01TN膨脹比膨脹比p01/p03或p01/p3質(zhì)量流量相似參數(shù)質(zhì)量流量相似參數(shù)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)轉(zhuǎn)速相似參數(shù)效率效率tt或ts反動度反動度損失系數(shù)損失系數(shù)KN、KRN、RN、R擴散因子擴散因子Dss、Dps葉片

14、載荷系數(shù)葉片載荷系數(shù)級載荷系數(shù)級載荷系數(shù)流量系數(shù)流量系數(shù)總壓損失系數(shù)焓損失系數(shù)速度損失系數(shù)無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-流動損失流動損失可以用熵增來衡量轉(zhuǎn)子和靜子中的損失，由于熵增在實驗中無法直接測量，因此在實際使用中不是很方便。通常用能夠在實驗中直接測量的滯止壓強定義的滯止壓強損失系數(shù)來衡量轉(zhuǎn)子和靜子內(nèi)的損失大小。對于噴嘴葉片總壓損失系數(shù)定義為2022001ppppKN上式分母中是噴嘴葉片出口動壓p02p2，注意這個值并不等于 2221C，只有當流動為不可壓流動時才有 2220221Cpp思考題思考題靜子葉片中，經(jīng)常采用什么參數(shù)衡量流動損失的大?。靠梢圆捎孟鄬?shù)衡量嗎？轉(zhuǎn)子葉片中呢？滯子壓強，熵分

15、布另外一個常用的衡量葉片內(nèi)流動損失的參數(shù)是焓損失系數(shù)。即222221ChhsN式中h2為實際流動情況下葉片出口焓值。h2s為理想流動下葉片出口焓值。第三個參數(shù)是速度系數(shù)：為實際流動情況下葉片出口流動速度與理想出口流動速度之比，即無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-流動損失流動損失sNCC22上面給出的三個損失系數(shù)都是相互聯(lián)系的。三個系數(shù)之間存在著下面的聯(lián)系 225 . 01kMaKNN總壓損失系數(shù)和焓損失系數(shù)之間的關系為焓損失系數(shù)和速度系數(shù)之間的關系為21 /1NN無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-流動損失流動損失對于轉(zhuǎn)子同樣可以定義類似的損失系數(shù)，轉(zhuǎn)子和靜子損失系數(shù)在定義上的差別在于轉(zhuǎn)子流動損失系數(shù)定義在相對流動狀態(tài)

16、下。轉(zhuǎn)子內(nèi)總壓損失系數(shù)、焓損失系數(shù)、速度損失系數(shù)的定義分別為3,03,032 , 0ppppKrelrelrelR233321WhhsRsRWW33/總壓損失系數(shù)焓損失系數(shù)速度損失系數(shù)無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-流動損失流動損失2, 35 . 01relRRkMaK1/12RR總壓損失系數(shù)和焓損失系數(shù)之間的關系為焓損失系數(shù)和速度系數(shù)之間的關系為無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-流動損失流動損失無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 級載荷系數(shù)是衡量渦輪級做功能力的參數(shù)。定義級載荷系數(shù) 20/hU 流量系數(shù)，定義為 UCx/問題：旋轉(zhuǎn)速度U對級載荷系數(shù)和流量系數(shù)有什么樣的影響？高效率對載荷

17、系數(shù)和流量系數(shù)有什么樣的要求？壽命對載荷系數(shù)和流量系數(shù)有什么樣的要求？斯密斯(Smith，1965)給出了基于級載荷系數(shù)和流量系數(shù)估算級效率的圖，如下圖。這個圖即使在今天也得到了廣泛的使用。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 斯密斯圖這張圖是根據(jù)70個渦輪試驗數(shù)據(jù)的基礎上得到的。提供數(shù)據(jù)的這些渦輪級的軸向速度保持不變，反動度在0.20.6之間(多數(shù)在0.30.5之間)，具有較高的展弦比(34之間)，圖中的效率是經(jīng)過換算得到的，沒有考慮葉片泄漏產(chǎn)生的損失，因此圖中效率值要比實際渦輪效率值高一些。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 研究發(fā)

18、現(xiàn)采用這張圖估算的渦輪級效率的變化趨勢是相當準確的，即使所估算的渦輪級類型不同于建立這張圖所使用的渦輪，所估算的效率變化趨勢也是比較可靠的。初步設計時級流量系數(shù)和級載荷系數(shù)的選取多依賴Smith圖。 由斯密斯圖可以看出：在流量系數(shù)保持不變情況下，當載荷系數(shù)增加時級效率下降。級載荷系數(shù)可以寫為無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 2302322tantanU CChUU由上式可以看出：當增加，氣流的轉(zhuǎn)折角(2+ 3)必須增加。葉片轉(zhuǎn)折角的增大不可避免的會導致氣流和葉片接觸面積增大，從而導致摩擦損失增加。葉片轉(zhuǎn)折角的增大也使葉片槽道內(nèi)二次流動增強，二次流動損失也增加。當載

19、荷系數(shù)保持不變，隨著流量系數(shù)增加，氣流轉(zhuǎn)折角減少，由于質(zhì)量流量增加，導致軸向速度增加。 補充內(nèi)容-關于二次流彎管內(nèi)的二次流補充內(nèi)容-關于二次流(a)Klein(1966)模型模型 (b)Langston(1980)模型模型渦輪葉柵端壁二次流動模型渦輪葉柵端壁二次流動模型 渦輪葉柵葉尖間隙影響渦輪葉柵葉尖間隙影響(TCL代表葉尖間隙代表葉尖間隙) 補充內(nèi)容-關于二次流端壁和垂直端壁平面上極限流線和煙端壁和垂直端壁平面上極限流線和煙跡可視化結(jié)果跡可視化結(jié)果 Sharma和和Butler建立的二次流模型建立的二次流模型(1987) Goldstein和和Spores建立的二次流模型建立的二次流模型(

20、1988 對于一個給定的載荷系數(shù)，存在著一個最佳的流量系數(shù)，在這個流量系數(shù)下具有最高的級效率。當流量系數(shù)小于最優(yōu)流量系數(shù)時，轉(zhuǎn)折角增大。當流量系數(shù)大于最優(yōu)流量系數(shù)時，氣流速度增大，導致摩擦損失增大，最終會出現(xiàn)超聲速流動現(xiàn)象并產(chǎn)生激波損失。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 激波在葉片槽道內(nèi)的傳播照片激波在葉片槽道內(nèi)的傳播照片 補充內(nèi)容-激波不同時刻激波的傳播變化過程示意圖不同時刻激波的傳播變化過程示意圖 轉(zhuǎn)子37模型50%葉高處相對Ma數(shù)等值線圖 50%葉高處靜溫等值線圖95%葉高處相對Ma數(shù)等值線圖Ma數(shù)等值線由Smith圖可以看出，在較小載荷系數(shù)和流量系數(shù)下效率

21、較高。由于渦輪級的流量和做功量是固定不變的，為了使級載荷系數(shù)減少，則只能依靠增大葉片旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)(見下式)，這同時也會導致流量系數(shù)的減小。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) 2302322tantanU CChUU轉(zhuǎn)速的增加的不利因素是葉片承受的應力增加。葉片所承擔的最大應力是離心力，離心力的大小和轉(zhuǎn)速平方成正比，因此增加轉(zhuǎn)速必然導致離心力的增加。在轉(zhuǎn)速保持不變前提下，要使流量系數(shù)減小，則應減小軸向速度分量，這只能通過增加流通面積，即增大葉片高度實現(xiàn)，這同樣會導致葉片根部應力增加。要想使葉片具有最小的應力和最長的使用壽命，應當使和值大一些。而要想獲得較高的效率，應

22、當使和值小一些，這是相互矛盾的。渦輪設計是對這兩個矛盾進行折中以得到最優(yōu)的設計方案。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-級載荷系數(shù)和流量系數(shù)級載荷系數(shù)和流量系數(shù) UCx/無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率渦輪等熵效率定義為渦輪實際膨脹功和理想膨脹功之比。其中理想膨脹功可以用總對總（進出口都為滯止狀態(tài)）。也可以在進口采用滯止狀態(tài)，出口采用靜狀態(tài)計算?？倢傂士梢远x為01030103=ttsshhhh實際輸出功相同背壓下理想輸出功總對靜效率的定義為sstshhhh3010301采用這兩個公式計算的渦輪效率存在一定差別，在實際使用中應該注意使用的是哪個效率?？倢傂适褂玫母訌V泛一些。26這兩個效率那

23、個更大一些？在多級渦輪級環(huán)境內(nèi)，除了最后一級渦輪級外，其他渦輪級出口氣體具有的動能都會被下一級所利用。因此在衡量這些渦輪級的效率時應使用總對總效率是合理的。對于單級渦輪，如果出口氣流動能依靠擴壓器等其他手段得到恢復，那么就應該用總對總效率，否則應使用總對靜效率衡量渦輪效率。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率什么情況下使用總對總效率，什么情況下使用總對靜效率？什么情況下使用總對總效率，什么情況下使用總對靜效率？無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率對于渦輪，假設在渦輪級的入口和出口，絕對速度和絕對流動角基本相同，即有C1C3，13，如果近似認為C3ssC3，則式(26)總對總效率可以寫為 1

24、3130103133333ttsssssshhhhhhhhhhhh01030103=ttsshhhh實際輸出功相同背壓下理想輸出功221101Chh2223323303ssChChh在焓熵圖上等壓線的斜率 ThsT因此當壓強保持不變時，且焓的變化較小情況下，由hTs33333sssssshhTss22222sshhTss由圖1可知s3ss3sss2s2s，這樣由上面的兩個式子可以寫為333222sssshhT Thh無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率(28a)(29)轉(zhuǎn)子和靜子內(nèi)不可逆程度體現(xiàn)為靜焓差h2h2s和h3h3s?？梢愿鶕?jù)離開每一排葉片氣流所具有的動能定義損失系數(shù)。對于靜子葉片排

25、有無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率222212sNhhC對于轉(zhuǎn)子葉片233312sRhhW(30a)由式(28a)、式(29)和式(30a)得12232321312RNttWC T Thh(31)當出口速度沒有得到利用情況下，衡量渦輪級性能要采用總對靜效率，可以推導出總對靜效率為12220103323210131312RNttsshhWC T TChhhh無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率(32)當通過轉(zhuǎn)子的靜溫下降幅度不大情況下，可以認為轉(zhuǎn)子出口靜溫等于進口靜溫，即有T3/T21，這樣會使式(31)和式(32)改寫為更加簡單的形式122321312RNttWChh122232113

26、12RNtsWCChh在多級渦輪中，單級渦輪和多級渦輪的等熵效率不同。圖5表示了一個三級渦輪在T-s圖上的膨脹過程，假設每一級的等熵功都是Wx。由于等壓線不是相互平行的，而是沿s增大的方向上發(fā)散的，因此三級渦輪總做功量Wx,i明顯小于3Wx。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率-多級渦輪效率多級渦輪效率這種現(xiàn)象是多級渦輪的重熱現(xiàn)象。在圖上表示為兩級之間做功量存在一定的重合程度。例如，對于第三級渦輪，由于第一級渦輪存在流動損失，導致第二級渦輪存在重熱現(xiàn)象，從而使第二級渦路進口狀態(tài)由A點變?yōu)锳點。導致第二級進口溫度提高，做功能力增強。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率-多級渦輪效率多級渦輪

27、效率由于多級渦輪內(nèi)重熱現(xiàn)象的存在，導致總的渦輪效率大于每一級渦輪效率。 多變效率考慮了重熱過程產(chǎn)生的影響。如果每一級渦輪是由多變效率都相同的渦輪組成的話，那么單級渦輪的多變效率和多級渦輪的多變效率相等。在推導多變效率時，認為膨脹過程是由很多個微小的膨脹過程組成的。通過對這些微小的膨脹過程積分即得到由級壓比和溫度比計算的多變效率。多變效率和等熵效率間的關系如圖6可以看出。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率-多級渦輪效率多級渦輪效率圖圖6 等熵效率和多變效率關系等熵效率和多變效率關系 渦輪級效率大小是通過損失系數(shù)計算的，因此如果能夠確定損失系數(shù)那么就可以確定設計的渦輪級效率。有幾種不同的方法

28、可以用來估算損失系數(shù)。Soderberg(1949)提出的計算方法非常簡單，目前在渦輪設計中還得到一定的應用。 Ainley和Mathieson(1952)對純反動式葉片和純沖動式葉片在給定的Re數(shù)和Ma數(shù)情況下?lián)p失系數(shù)隨氣流轉(zhuǎn)折角和節(jié)距/弦長變化曲線。對于處于純沖動是和純反動式兩者之間的葉片形式的損失系數(shù)則是用插值方法得到。Horlock(1966)比較了采用上述兩種方法得到的計算結(jié)果。 Dunham和Came后來進一步發(fā)展了Ainley和Mathieson關于損失的預測方法。 提出軸流渦輪性能預測方法的還有Craig和Cox(1971)，Kacker和Okapuu(1982)，Wilson

29、(1987)。 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-渦輪效率渦輪效率-損失系數(shù)損失系數(shù)無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 反動度是用來衡量渦輪級內(nèi)的膨脹過程在轉(zhuǎn)子和靜子中怎樣分配的。反動度大意味著轉(zhuǎn)子內(nèi)所占的膨脹份額大，在靜子中所占的膨脹份額小，氣體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的焓降和壓降比較大。反動度小意味著氣體在轉(zhuǎn)子內(nèi)膨脹份額小，焓降和壓降比較小。沖動級這種渦輪級的反動度為零，氣流在轉(zhuǎn)子內(nèi)沒有加速，氣流在轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)只是改變方向，因此轉(zhuǎn)子進出口靜焓保持不變，由于流動損失的存在，出口壓力略微小于進口壓力。在高壓汽輪機的第一級經(jīng)常使用這種沖動級。反動級反動度為0.5的渦輪機叫反動級。 沖動式轉(zhuǎn)子葉片反動式轉(zhuǎn)子葉片反動度有幾種定

30、義方法。有兩種定義方式比較常用一種定義方法是轉(zhuǎn)子內(nèi)靜壓降和級的壓降之比另一種定義方法是轉(zhuǎn)子內(nèi)的靜焓降與級的靜焓降之比。由靜壓定義的反動度為無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 3132ppppP由靜焓定義的反動度為3132hhhhh對于典型的渦輪級，由上面兩種方法計算的反動度之差在0.050.1范圍內(nèi)，因此對于一個具體問題而言，應清楚使用的是哪一種定義方式。在下面的公式中，為簡單起見，去掉反動度h中的下標h，直接表示為。對于一般的軸流渦輪級，如果近似認為C1C3，則得無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 230103hhhh 注意存在 22233212hhWW，則上式可以改寫為 2232232WW

31、U CC 3132hhhhh注意進出口軸向速度相等，上式可以改寫為3232232WWWWU CC 無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 由速度三角形可知22CWU33CUW得出 2323CCWW把上式帶入式(37)得322WWU (37) 即 32tantan2xCU 或 321tantan22xCU 從上兩式可以看出，如果32，反動度0，如果32，反動度0.5。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 70C2W2U2C3U3W3222tantanxxCUUCC通過觀察渦輪進出口速度三角形能夠更加清楚反動度的含義。圖7給出了具有不同反動度的速度三角形。為了方便比較進出口速度三角形，假設轉(zhuǎn)子進出口軸向

32、速度Cx和葉片旋轉(zhuǎn)速度U保持不變，最上面的速度三角形為設計狀態(tài)下的速度三角形。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 接下來速度三角形對應的反動度依次為小于0.0、0.0、0.5、1.0、大于1.0。當渦輪級具有負反動度時，氣流在渦輪級內(nèi)不是加速膨脹而是減速擴壓。因此不宜在渦輪內(nèi)部出現(xiàn)這種流動情況。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 在反動度為0情況下，轉(zhuǎn)子進口相對速度和出口相對速度相等，氣體在靜子內(nèi)被加速到很高的速度。轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)折角很大，有時達150。在這種情況下，轉(zhuǎn)子葉片很彎曲。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 當反動度=0.5時，進出口速度三角形是對稱的，即有C2=W3，C3=W2，在轉(zhuǎn)

33、子和靜子中氣流的膨脹加速程度相同，轉(zhuǎn)折角相等。因此靜子葉片和轉(zhuǎn)子葉片形狀具有鏡像影射的關系。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 在高反動度情況下，轉(zhuǎn)子內(nèi)的加速程度增大，靜子內(nèi)的加速程度減小。在反動度大于1.0的極限情況下，靜子內(nèi)的流動實際上是減速流動。反動度過高的渦輪級很少采用。無量綱參數(shù)無量綱參數(shù)-反動度反動度 級載荷系數(shù)對效率的影響級載荷系數(shù)對效率的影響圖10畫出了幾個不同的級載荷系數(shù)h0/U2(Wx/U2)總對靜效率和總效率隨C2/U的變化曲線，這張圖對應的流量系數(shù)Cx/U0.4，葉片展弦比h/ca3，雷諾數(shù)Re105。分別取級載荷系數(shù)Wx/U21、2、3，由Soderberg關系式計算

34、ts和tt，這樣就得到了圖10的結(jié)果。 Soderberg關系式是計算損失系數(shù)的，后面要講。tttsh0s1h0s2h0s3C2/U 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Cx/U0.4，H/b3.0，Re105效率0.81.0畫出級總對靜效率隨反動度的變化曲線，如圖11。從這張圖可以看出，對于一個給定的葉片載荷，存在一個最佳反動度，在這個反動度下，對應的效率有最高值。反動度的選擇及對效率的影響反動度的選擇及對效率的影響對于Wx/U22情況下，具有最高效率點的反動度近似為0。隨著葉片載荷減小，對應的最佳反動度值減小，在Wx/U21情況下，最佳反動度值為0.5左右。當Wx/

35、U22時，最高效率點為葉片槽道內(nèi)沒有出現(xiàn)擴散流動過程，此時對應的最佳反動度0。 觀察圖10。對于一個給定的Wx/U2，當C2/U在一個范圍內(nèi)變化時，tt的變化幅度小于ts的變化幅度，即tt受反動度的影響較小。當級載荷系數(shù)增加時，tt的最大值下降。因此在設計渦輪級時，應盡量提高葉片的旋轉(zhuǎn)速度，使其工作在臨近極限旋轉(zhuǎn)速度下，這樣可以有效降低葉片載荷系數(shù)，從而提高渦輪級總對總效率。反動度的選擇及對效率的影響反動度的選擇及對效率的影響幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率(1)50%反動級總對總效率反動級總對總效率根據(jù)式(31a)可得1223212RNttxWCW式中Wx

36、h0U2，當反動度50%，有W3C2，RN22222333sec1tanxxWCC注意存在tan3 (+1)/(2)和tan 2 (1)/ 2即有222231111tan112tt 幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率由上式可畫出圖12，從這張圖可以看出當和取值較小情況下有較高的tt值。很多燃氣輪機渦輪設計點選取的范圍為：0.51.5，載荷系數(shù)0.82.8。222231111tan112tt 反動度反動度 =0時總對總效率時總對總效率 tt幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率反動度=0是渦輪設計中反動度選取的極限，進一步降低反動度

37、會使流動損失增加，并引起效率的下降。對于0，W3W2時，意味著渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動是一個擴壓過程，而不是膨脹過程，顯然，對于渦輪來說，這是不允許的。由圖7上零反動度下速度三角形可知，對于反動度0，有23。由式C2W2+U，C3W3U可得22tan1tan33tantan1并且 2023232tantantantan2 tanhU 即 2tan2因此由上述公式可得2tan2 13tan2 1如果給定和，即可計算出流動角。22secxCC因此222221tanxCC22212 1xC33secxWC因此22222331tan12xxWCC反動度反動度 =0時總對總效率時總對總效率 tt-接上頁接上頁2

38、2322112RNttWCU 用和 表示W(wǎng)3和C2把上式代入式(31a)中得22322112RNttWCU 22221111222RNtt 根據(jù)上式可以得出新的性能圖13，可以發(fā)現(xiàn)，也是在和值較小情況下獲得最高的渦輪效率，這一點和0.5時是相同的。還有一個特點是在較小的流量系數(shù)下，較高的級載荷情況下也可以得到較高的渦輪效率。 反動度反動度 =0時總對總效率時總對總效率 tt-接上頁接上頁出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率 幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率幾種典型反動度渦輪級在設計點的效率對于一個單級軸流渦輪，出口排氣沿軸向方向，在這種情況下采用總對靜效率更加合適

39、，使用式(32a)計算這種情況下的渦輪效率，即222321112RNtsxWCCW 222321secsec12RN 用和表示tan3和tan 2。對于軸向出口流動，C1=C3=Cx，圖14給出了這種情況下的速度三角形，根據(jù)速度三角形圖可以寫出3tanxU C223tantantan22233sec1tan1 1 22222sec1tan1 ，出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率 -接上頁接上頁因此有222211112RNts 給定和，使用Soderberg公式 出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率出口為軸向排氣的渦輪級總對靜效率 -接上頁接上頁2*0.040.0610

40、0可以求得動葉損失系數(shù)R和靜葉損失系數(shù)N，其中靜葉和動葉的轉(zhuǎn)折角分別為 12tanN 1123tan1tan1R葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 在葉輪機械葉片槽道內(nèi)，氣流在葉片槽道內(nèi)流動方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，壓力面上的壓力高于吸力面上的壓力，因此導致在每一個葉片上面存在壓差。例如，氣流流經(jīng)孤立機翼繞流而使機翼產(chǎn)生升力。對于渦輪而言，渦輪葉片上產(chǎn)生的力可通過轉(zhuǎn)子軸傳遞扭矩和功率。葉片載荷大小和載荷分布可通過葉片表面壓力分布或等熵馬赫數(shù)(對于可壓流)分布圖表示。 吸力面和壓力面壓強分布曲線或者馬赫數(shù)分布曲線所包圍的面積即是葉片載荷。在葉片載荷較高情況下，設計人員應使吸力面上盡快出現(xiàn)最大速度，而使壓力

41、面上盡可能晚地出現(xiàn)最大速度。葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 渦輪葉片表面的速度分布特點：吸力面上的速度分布和壓力面上的速度分布是受壓強梯度的影響和支配的，當葉片載荷增大到一定程度后再進一步增加，會使吸力面上出現(xiàn)過度加速現(xiàn)象，且一般情況下在喉部出現(xiàn)最大速度，喉部速度大于出口速度，這樣導致喉部與出口一段區(qū)域內(nèi)存在擴壓段。同樣，在壓力面上的某一點速度達到最小，在進口與這點之間區(qū)域內(nèi)速度下降，然后開始加速流出葉片尾緣(圖17)。葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 如果減速流動區(qū)域，也就是擴散區(qū)域太大的話，將使葉片表面邊界層發(fā)生分離，從而使損失增加。因此有必要在葉片設計中采用擴散因子定義來衡量葉

42、片載荷大小。葉片吸力面和壓力面擴散因子的定義為葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 maxmaxMaMaMaDexitssinletinletpsMaMaMaDmin不同的設計機構(gòu)所選取的擴散因子有一定的差別，一般情況下這兩個數(shù)值在0.2左右。然而在設計渦輪時往往依靠CFD計算結(jié)果分析擴散程度的大小，這樣即可觀察擴散區(qū)域大小，也可計算出這兩個擴散因子值。 葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 擴散流動產(chǎn)生的分離吸力面上的擴散過程對葉片性能的影響更大一些，如果吸力面上的擴散現(xiàn)象超過一定程度后，就會導致吸力面邊界層產(chǎn)生分離，這種分離有可能不會再重新附著在吸力面上，因而導致流動損失的增加。由于發(fā)生分

43、離流動，氣流在葉片槽道內(nèi)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)折角將小于沒有分離流動時的轉(zhuǎn)折角。這樣也就使氣流的膨脹做功量減少。分離同樣會對下游葉片流場產(chǎn)生不利的影響。如果在壓力面上產(chǎn)生流動分離，分離流動通常會發(fā)生在葉片前緣附近，這樣可使分離氣流有足夠的時間再附著在壓力面上。因此對于渦輪葉片，更多的研究工作集中在葉片吸力面的擴散區(qū)域上。渦輪中的分離流動分離流動轉(zhuǎn)捩，陰影部分表示分離泡(Walker，1975，Roberts，1980) 葉片表面分離和再附著 分離流動渦輪葉片最佳節(jié)距弦長比當節(jié)距/葉片弦長增加，兩個葉片間距離增大，葉片數(shù)目減少，葉片與氣流接觸面積減少，因此摩擦損失減少。而當葉片數(shù)目減少時，每個葉片承受的載荷增

44、加，導致擴散損失增加。上面的事實說明存在一個最佳節(jié)距/弦長比，Zweifel(1945)建立了計算最佳節(jié)距/弦長比計算公式，為21222tantancosasc葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 當確定Zweifel系數(shù)后，即可用式 估算稠度(ca/s)，確定了稠度后，也就確定了葉片數(shù)目。當然，在考慮應力、振動、重量和成本等因素后，可能會使葉片數(shù)目發(fā)生變化，但這個公式還是給出了計算最佳氣動性能時對應的葉片數(shù)目。Zweifel對大量渦輪葉柵試驗結(jié)果研究后認為最佳葉片載荷系數(shù)在0.750.85之間。 21222tantancosasc葉片載荷和擴散因子葉片載荷和擴散因子 今天設計的渦輪葉片Zweifel系數(shù)超過了1.0，渦輪先進葉型的采用和對