已看-第六章+渦輪

葉輪機械原理

第六章渦輪作業(yè)11：p.171,3、6、29（第六章第一次作業(yè)）3.試用熱焓方程和伯努利方程分析噴嘴環(huán)和工作輪中的能量轉(zhuǎn)換過程。6.決定渦輪基元級速度三角形的主要參數(shù)有哪些？29.已知燃氣流過渦輪葉柵時，，，，，，，并已知燃氣絕熱指數(shù)，。試求：

（1）噴嘴環(huán)中直總焓的大小及其變化；（2）工作輪中的相對總焓的大小及其變化；（3）工作輪出口的相對速度；（4）工作輪進出口的絕對總焓變化；（5）噴嘴環(huán)進口至工作輪出口絕對總焓變化；（6）輪緣功；（7）運動反力度。第一節(jié)渦輪工作原理第二節(jié)渦輪基元級第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第四節(jié)渦輪特性第五節(jié)徑流式渦輪第六節(jié)渦輪新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要內(nèi)容第一節(jié)渦輪工作原理第二節(jié)渦輪基元級第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第四節(jié)渦輪特性第五節(jié)徑流式渦輪第六節(jié)渦輪新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要內(nèi)容渦輪是一種將工質(zhì)的焓轉(zhuǎn)換為機械能的旋轉(zhuǎn)式動力機械，是航空發(fā)動機、燃氣輪機和蒸汽輪機等主要部件之一第一節(jié)渦輪工作原理第一節(jié)渦輪工作原理渦輪的一般形式：靜子（導(dǎo)向器）+轉(zhuǎn)子＝一級氣流沖擊工作輪旋轉(zhuǎn)做功工作環(huán)境特點：高溫、壓力梯度第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理汽輪機（SteamTurbine）Kaplanturbine（轉(zhuǎn)槳式水輪機）Peltonturbine（水戽式水輪機）第一節(jié)渦輪工作原理水輪機（HydraulicTurbine）第一節(jié)渦輪工作原理風力渦輪（風車，WindTurbine）第一節(jié)渦輪工作原理燃氣渦輪（GasTurbine）第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠HPTurbineLPTurbineGasTurbine第一節(jié)渦輪工作原理燃氣渦輪：HPT&LPTPowerTurbine(FreeTurbine)GasTurbine第一節(jié)渦輪工作原理動力渦輪（PowerTurbine）第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理徑流式渦輪第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理非冷卻式和冷卻式渦輪葉片第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理單級渦輪和多級渦輪軍用發(fā)動機的單級高低壓渦輪民用發(fā)動機的多級高低壓渦輪第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理常規(guī)與對轉(zhuǎn)渦輪第一節(jié)渦輪工作原理常用的渦輪分類根據(jù)工質(zhì)不同蒸汽輪機、水輪機、風車、燃氣輪機根據(jù)驅(qū)動對象燃氣渦輪（高壓和低壓）和動力渦輪根據(jù)出口速度亞音渦輪和超音渦輪根據(jù)流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪根據(jù)反力度沖動式渦輪和反力式渦輪根據(jù)是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據(jù)級數(shù)單級渦輪和多級渦輪根據(jù)氣動布局常規(guī)渦輪和對轉(zhuǎn)渦輪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式帶冠和不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理帶冠與不帶冠第一節(jié)渦輪工作原理第二節(jié)渦輪基元級第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第四節(jié)渦輪特性第五節(jié)徑流式渦輪第六節(jié)渦輪新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要內(nèi)容第二節(jié)渦輪基元級基元級第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元的作用導(dǎo)葉的作用：膨脹加速＋導(dǎo)向動葉的作用：做功＋膨脹＋導(dǎo)向渦輪壓氣機葉柵通道形狀的差異哪是壓力面？第二節(jié)渦輪基元級氣流通過渦輪基元級膨脹作功原理氣體通過渦輪工作輪以后，動能和靜焓都下降了。根據(jù)能量方程，在與外界絕熱的條件下，氣體對外所作的功等于靜焓降和動能降之和，或等于總焓降從氣流在工作輪葉柵中作相對運動的角度看，氣體靜焓降是由于相對運動速度增加以及在旋轉(zhuǎn)坐標系中氣流所處半徑變化而改變的能量，可用下式表示：代入上式，可得第二節(jié)渦輪基元級氣流通過渦輪基元級速度的變化燃氣通過渦輪基元級膨脹作功，燃氣的總溫和總壓都降低導(dǎo)向器：導(dǎo)向、膨脹導(dǎo)向器通道呈收斂形，氣流膨脹加速（增大轉(zhuǎn)子作功能力），氣體靜壓p、靜溫T、靜焓h相應(yīng)降低。氣流在導(dǎo)向器出口處的速度v接近聲速，有時甚至略超過聲速。速度v具有很大的切線方向分速度。由于渦輪的工作輪前緣以切線速度u1運動著，因此氣流相對于工作輪前緣的運動速度為w1。012T0T1T2p0p1p2c0v1v2第二節(jié)渦輪基元級氣流通過渦輪基元級速度的變化工作輪：出功、膨脹、導(dǎo)向氣流在其中繼續(xù)膨脹加速，氣體靜壓p、靜溫T、靜焓h進一步降低氣流通過工作輪葉柵改變流動方向由于渦輪工作輪葉柵是收斂通道，氣流在其中減壓加速，不易產(chǎn)生分離，因此與壓氣機工作輪葉柵相比，渦輪工作輪葉柵可以有大得多的氣流轉(zhuǎn)折角Δβ，可以達到90～100°相對速度w2大于進口相對速度w1，絕對速度v2卻小于工作輪進口絕對速度v1012T0T1T2p0p1p2c0v1v2第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元級速度三角形第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元級速度三角形決定渦輪基元級速度三角形的主要參數(shù)v1ua1v2uuv1a/v2a第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元級反力度沖擊式（沖動式、沖力式）u1＝u2v1a＝v2a

運動反力度

Ω＝0v1u-v2u＝2u，v1u－u＝u＋v2u，即w1u＝w2u動葉特征：進出口形狀對稱,氣體流經(jīng)動葉只拐彎不膨脹；膨脹比高、效率低C2uC2auw2uw1u第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元級反力度反擊式（反動式、反力式）u1＝u2v1a＝v2a

運動反力度

C2uC2aΩ＝0.5:c1u＝u＋c2u＝w2uc1和w2大致對稱。w1u=c2u反力度大于零的渦輪稱為：反力式渦輪。航空發(fā)動機中典型渦輪平均半徑處反力度為0.25-0.4第二節(jié)渦輪基元級負荷系數(shù)（能頭系數(shù)、溫降系數(shù)）物理意義：渦輪級的做功能力。負荷系數(shù)大，做功能力強，典型數(shù)值范圍1.4-1.7。給定輪緣功時，可以根據(jù)無量綱參數(shù)HT、ΩT、v1a/v2a和靜葉出口氣流角

1，確定速度三角形或第二節(jié)渦輪基元級流量系數(shù)與基元級流通能力和葉片形狀有關(guān)。在一定圓周速度下，流量系數(shù)大標志著氣流軸向分速大，葉片高度減小Smith圖效率第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元中的流動等熵馬赫數(shù)不同等熵Ma數(shù)的流道特征1.2<Ma2<1.4Ma2≤1.2第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元中的流動第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元中的流動反壓降低第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元中的流動反壓繼續(xù)降低第二節(jié)渦輪基元級渦輪基元中的流動反壓繼續(xù)降低原生膨脹波內(nèi)尾波外尾波尾緣脫離激波內(nèi)尾波反射波反射膨脹波原生激波第二節(jié)渦輪基元級葉型損失邊界層內(nèi)的摩擦損失和分離損失第二節(jié)渦輪基元級葉型損失邊界層內(nèi)的摩擦損失和分離損失尾跡損失及尾跡和主流的摻混損失第二節(jié)渦輪基元級葉型損失邊界層內(nèi)的摩擦損失和分離損失尾跡損失及尾跡和主流的摻混損失波阻損失壓氣機與渦輪的區(qū)別？第二節(jié)渦輪基元級葉型損失包括動能損失和再生熱重熱現(xiàn)象：再生熱在后面級渦輪中的再利用第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響相對尾緣半徑的影響第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響相對尾緣半徑的影響Ma數(shù)的影響Ma~1.0Ma~1.1-1.2損失系數(shù)隨設(shè)計馬赫數(shù)的變化出口馬赫數(shù)損失系數(shù)第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響相對尾緣半徑的影響Ma數(shù)的影響Re數(shù)的影響第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響相對尾緣半徑的影響Ma數(shù)的影響Re數(shù)的影響湍流度的影響第二節(jié)渦輪基元級影響損失的因素相對前緣半徑的影響相對尾緣半徑的影響Ma數(shù)的影響Re數(shù)的影響湍流度的影響攻角的影響作業(yè)12：p.171,13、p.172,31、3213.渦輪基元級的流動損失是由哪幾部分組成？它與壓氣機基元級的是否完全一樣？31.某臺發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=11150r/min，第一級渦輪平均直徑Dm=543mm。在葉中截面處，動葉基元進出口絕對速度V1=491m/s，α1=25.5°。求動葉基元進口相對速度W1的大小和方向。32.某渦輪級的輪緣功Lu=250kJ/kg，且中徑處的下列參數(shù)為已知：α1=28°，負荷系數(shù)1.5，反力度為0.3，V1a/V2a=1，試畫出該中徑上的速度三角形。第一節(jié)渦輪工作原理第二節(jié)渦輪基元級第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第四節(jié)渦輪特性第五節(jié)徑流式渦輪第六節(jié)渦輪新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要內(nèi)容將葉高不同半徑上的基元級疊加起來

渦輪級將幾個級串聯(lián)起來

多級渦輪第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第三節(jié)渦輪級和多級渦輪渦輪級的扭向規(guī)律簡單徑向平衡方程渦輪級設(shè)計中常用的扭向規(guī)律等環(huán)量扭向規(guī)律等a1角扭向規(guī)律通用扭向規(guī)律可控渦扭向規(guī)律機械能形式的能量方程C2uC2a半徑↑，c1u、c2u↓,c1a、c2a不變

1和1↑，

2↓與壓氣機的區(qū)別？第三節(jié)渦輪級和多級渦輪等環(huán)量扭向規(guī)律第三節(jié)渦輪級和多級渦輪等環(huán)量扭向規(guī)律優(yōu)點：流動無旋，va分布均勻，效率較高，而且計算簡便，與實測數(shù)據(jù)比較一致缺點：反力度沿葉高變化劇烈，根部可能出現(xiàn)反力度過小C2uC2a半徑↑，c1u、c1a↓動葉：Lu沿徑向不變的條件優(yōu)點：靜葉基本上是直葉片，便于加工，而且便于做成空心葉片，進行內(nèi)部冷卻。承力支桿。改善反力度和靜葉出口馬赫數(shù)等參數(shù)的分布第三節(jié)渦輪級和多級渦輪等a1扭向規(guī)律為導(dǎo)葉特征而采用的扭向規(guī)律m=1，等環(huán)量扭向規(guī)律m=cos2a1，等a1扭向規(guī)律cos2a1<=m<=1，中間規(guī)律0<m<cos2a1，(小輪轂比)第三節(jié)渦輪級和多級渦輪通用扭向規(guī)律規(guī)定環(huán)量（或控制旋渦）沿葉片高度按一定規(guī)律變化，以獲得反力度沿葉高較緩慢變化的長葉片設(shè)計方法。運用能反映變功、變熵和流線曲率等因素對流場影響的三維流場計算方法第三節(jié)渦輪級和多級渦輪可控渦扭向規(guī)律可控渦扭向規(guī)律優(yōu)點：缺點：反力度沿葉高分布均勻，根部反力度提高，尖部反力度降低減弱靜葉葉片表面邊界層內(nèi)潛移現(xiàn)象，避免了過多的附面層在根部的堆積，降低葉柵根部的能量損失多級渦輪可控渦設(shè)計中，增大動葉出口環(huán)量的設(shè)計改善動葉根部流動狀態(tài)，減小頂部徑向間隙漏氣量；靜葉根部出馬赫數(shù)和動葉頂部出口馬赫數(shù)相應(yīng)減小反力度均勻化增大渦輪作功能力,但渦輪動葉出口的絕對氣流角會偏離軸向較遠（可達30°），出口級需加一排靜葉將氣流拐為軸向。第三節(jié)渦輪級和多級渦輪來流邊界層橫向流動端壁通道渦馬蹄渦第三節(jié)渦輪級和多級渦輪級的流動損失葉型損失環(huán)面邊界層引起的摩擦和渦損失第三節(jié)渦輪級和多級渦輪級的流動損失葉型損失環(huán)面邊界層引起的摩擦和渦損失潛流損失、漏氣損失第三節(jié)渦輪級和多級渦輪級的流動損失葉型損失環(huán)面邊界層引起的摩擦和渦損失潛流損失、漏氣損失冷氣摻混損失直葉片傾斜彎葉片三維造型對負荷分布的影響本質(zhì)上都是控制負荷的三維分布，最終達到控制二次流、葉片表面邊界層等流動的目的端壁的控制第三節(jié)渦輪級和多級渦輪降低二次流損失方案葉尖帶冠葉尖冷氣射流葉尖負荷的影響機匣形狀的影響葉尖形狀的影響第三節(jié)渦輪級和多級渦輪降低泄漏損失方案渦輪效率和渦輪功率總絕熱效率單級渦輪的效率范圍：0.88-0.91渦輪功總功率

δse——二次流動損失系數(shù)第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第三節(jié)渦輪級和多級渦輪為什么采用多級渦輪單級功率不夠受到馬赫數(shù)的限制，軸流式壓氣機圓周速度較低。如采用單級渦輪，則需加大圓周速度，可能造成渦輪的直徑過，增大發(fā)動機迎風面積增大渦輪的最大尺寸受到限制或者需要保證一定的效率時多級渦輪的優(yōu)點級數(shù)多，每級焓降較小，工作時圓周速度不高，渦輪的安全性好，壽命長級焓降減少，變工況性能也較好多級渦輪中，上一級的損失會引起下一級溫度的升高，使各級理想焓降之和大于整個渦輪的理想焓降，這個現(xiàn)象稱為重熱現(xiàn)象多級渦輪滯止絕熱效率范圍：0.91-0.94第三節(jié)渦輪級和多級渦輪流動損失：絕熱功：

多變功：輪緣功：假設(shè)各級的效率相等：

第三節(jié)渦輪級和多級渦輪多級渦輪的絕熱效率高壓渦輪低壓渦輪第三節(jié)渦輪級和多級渦輪多級渦輪的絕熱效率第一節(jié)渦輪工作原理第二節(jié)渦輪基元級第三節(jié)渦輪級和多級渦輪第四節(jié)渦輪特性第五節(jié)徑流式渦輪第六節(jié)渦輪新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要內(nèi)容第四節(jié)渦輪特性什么是渦輪特性按設(shè)計工況確定渦輪的幾何參數(shù)渦輪常需要在非設(shè)計工況下工作渦輪特性是渦輪在設(shè)計和非設(shè)計工況下的性能

第四節(jié)渦輪特性渦輪的非設(shè)計工作狀態(tài)渦輪常常是在與設(shè)計狀態(tài)不同的工作狀態(tài)下工作，稱為非設(shè)計工作狀態(tài)渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪前燃氣總溫、總壓和渦輪后反壓決定渦輪工作狀態(tài)的參數(shù)渦輪的性能參數(shù)渦輪功LT效率流量Gg很多情況下渦輪（導(dǎo)向器）的流量通過能力決定了整個發(fā)動機的流量壓氣機和渦輪共同工作線第四節(jié)渦輪特性渦輪的相似準數(shù)滿足幾何、運動、動力相似Re>3.5～4.0X104相似準則（相似準數(shù)）：流量相似準數(shù)轉(zhuǎn)速相似準數(shù)性能參數(shù)：第四節(jié)渦輪特性（下標3表示渦輪前燃氣參數(shù)）靜葉超臨界工作時的渦輪相似準數(shù)第四節(jié)渦輪特性尋找新的相似條件來代替，以保持整個渦輪的流動相似渦輪相似準數(shù)為（，）渦輪通用特性曲線靜葉喉部形成了阻塞狀態(tài)雖然靜葉進口馬赫數(shù)保持不變，但出口馬赫數(shù)大