電站燃?xì)廨啓C軸流式燃?xì)馔钙降墓ぷ髟砼c特性

電站燃?xì)廨啓C軸流式燃?xì)馔钙降墓ぷ髟砼c特性概述燃?xì)馔钙浇Y(jié)構(gòu)燃?xì)馔钙接址Q為燃?xì)廨?，它也是燃?xì)廨啓C中的一個重要部件，它的作用是：把來自燃燒室的、蘊儲在高溫高壓燃?xì)庵械哪芰哭D(zhuǎn)化成為機械功，其中一部分用來帶動壓氣機工作，多余的部分則作為燃?xì)廨啓C的有效功輸出，去帶動外界的各種負(fù)荷。按照燃?xì)庠谕钙絻?nèi)部的流動方向，通常，可以把燃?xì)馔钙椒譃檩S流式與徑流式兩大類型。圖5-1和圖5-2中分別給出了這兩種透平的結(jié)構(gòu)示例。a)軸流式燃?xì)馔钙酵鞑糠质疽鈈)軸流式燃?xì)馔钙降目v剖面1-靜葉2-動葉3-工作葉輪（轉(zhuǎn)子)4-排氣缸5-進(jìn)氣缸圖5-1軸流式燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)示圖1-靜葉環(huán)2-工作轉(zhuǎn)子1-噴嘴環(huán)（靜子)2-動葉3-工作葉輪圖5-2徑流式燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)示圖圖5-3兩級燃?xì)馔钙降目v剖面圖一般來說，徑流式(又稱向心式)透平適宜在小功率燃?xì)廨啓C中應(yīng)用。通常所見的大多數(shù)燃?xì)馔钙絼t是軸流式的，因為它允許流過比較大量的燃?xì)饬髁?，而膨脹效率又較高，結(jié)構(gòu)上又便于做成多級型式，因而能夠滿足高膨脹比和大功率的要求。從結(jié)構(gòu)上看，軸流式燃?xì)馔钙脚c軸流式壓氣機很相似。它的主要部件是由噴嘴環(huán)(又稱為靜子)和裝有動葉的工作葉輪組成的。一列靜葉和一列動葉組成一個最基本的透平“級”。圖5-3上給出了一個兩級燃?xì)馔钙降目v剖面圖。箭頭所示則表明了冷卻空氣的分配和流向。圖5-4則給出了一個三級燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)圖，可以看到它的具體結(jié)構(gòu)概貌。1-轉(zhuǎn)軸2-工作葉輪3-動葉柵4-噴嘴環(huán)5-汽缸圖5-4三級燃?xì)馔钙降慕Y(jié)構(gòu)圖通過比較仔細(xì)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)：燃?xì)馔钙脚c壓氣機還是有很多差別的：①在壓氣機的級中，裝有動葉柵的、旋轉(zhuǎn)的工作葉輪是放置在靜止的靜葉柵前面的。但在燃?xì)馔钙街校闆r恰好相反，靜止的噴嘴環(huán)(靜葉柵)則是放置在旋轉(zhuǎn)的工作葉輪之前的。②壓氣機的級數(shù)要比燃?xì)馔钙蕉嗟枚?，其葉片的高度是由前向后地越來越短，而燃?xì)馔钙絽s是越來越長；③壓氣機葉片的彎度比較小，而且顯得比較薄，而燃?xì)馔钙降娜~片則彎折很大，而且葉型的中間部分比較厚實。④壓氣機中動葉柵和靜葉柵的通流面積是做成漸擴型的，但在燃?xì)馔钙街袊娮飙h(huán)和動葉柵則是做成漸縮型，即通流面積是逐漸收縮變小的。⑤在同一臺燃?xì)廨啓C上，燃?xì)馔钙胶蛪簹鈾C的葉片之彎曲方向是彼此相反的。在燃?xì)馔钙街袆尤~片的旋轉(zhuǎn)方向是從葉腹指向葉背，在壓氣機中動葉片的旋轉(zhuǎn)方向則是從葉背向葉腹的，這是由于流經(jīng)透平動葉的氣流對葉片作功，而流經(jīng)壓氣機動葉的氣流從葉片中吸收外功的緣故。當(dāng)高溫高壓的燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時，由于噴嘴環(huán)的流道是做成漸縮型的，它能使燃?xì)獾牧魉偌涌?。此時，燃?xì)獾膲毫蜏囟仁侵饾u下降的，這正意味著：在噴嘴環(huán)中燃?xì)獾牟糠譄崮芸梢赞D(zhuǎn)化為動能，當(dāng)這股具有相當(dāng)速度的燃?xì)庖砸欢ǖ姆较蛄飨騽尤~柵時，就會推動工作葉輪旋轉(zhuǎn)，并使燃?xì)獾乃俣冉档拖聛?。在這個過程中，燃?xì)獍巡糠帜芰哭D(zhuǎn)交給工作葉輪，使葉輪在高速旋轉(zhuǎn)中對外界作出機械功，這就是燃?xì)馔钙焦ぷ鬟^程的概貌。像壓氣機的級一樣，燃?xì)馔钙降募壥禽S流式燃?xì)馔钙街心芰拷粨Q的基本單位，同理，透平級的工作原理也就成為研究整臺多級軸流式燃?xì)馔钙降睦碚摶A(chǔ)。對軸流式燃?xì)馔钙降男阅芤鬄榱诉m應(yīng)高效、大功率燃?xì)廨啓C的發(fā)展需要，必須要求軸流式燃?xì)馔钙降男阅馨匆韵路较虬l(fā)展，即：(1)提高燃?xì)馔钙降娜細(xì)獬鯗豻3*。應(yīng)為它是改善燃?xì)廨啓C的效率和增大比功的重要因素。為此需要開發(fā)耐高溫、耐磨蝕和腐蝕的合金材料，以及有效的透平葉片和透平轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)。目前，工業(yè)燃?xì)廨啓C的燃?xì)獬鯗匾堰_(dá)1288~1300℃的水平，正在向1427℃的方向發(fā)展。(2)改善燃?xì)馔钙降男?。如?章所述，可以用等熵膨脹效率ηt*來描寫燃?xì)馔钙叫手叩?。由?-1中已知，燃?xì)馔钙叫实南鄬ψ兓师薛莟*對于燃?xì)廨啓C效率ρηt*的影響程度是第一位的，因而改善ηt*是至關(guān)重要的。目前，軸流式燃?xì)馔钙降摩莟*已能做到90%~92%。(3)在保證燃?xì)馔钙叫实那疤嵯?，增高透平級的膨脹比，以適應(yīng)高效、大功率燃?xì)廨啓C中壓氣機的壓縮比ε*不斷增大的需要，力求燃?xì)馔钙降募墧?shù)不至于過多。(4)增大燃?xì)馔钙降耐髂芰?，以適應(yīng)大功率燃?xì)廨啓C中空氣流量不斷增大的需要。(5)結(jié)構(gòu)的緊湊性和耐用性，特別是透平葉片的使用壽命必須以104h計算。此外，透平部件應(yīng)便于制造。燃?xì)馔钙匠鯗氐亩x方法前面，我們一直提到燃?xì)馔钙降某鯗豻3*對于燃?xì)廨啓C效率和比功的重要作用。在以往有關(guān)燃?xì)馔钙匠鯗氐母拍钍潜容^混亂的，各有各的理解和不同的定義方法，但至今，已逐漸有一個公認(rèn)的定義關(guān)系了，如圖5-5所示。1-壓氣機2-燃燒室3-燃?xì)馔钙綀D5-5定義燃?xì)馔钙匠鯗氐膮⒖紙D從圖5-5中可以看到：目前有定義燃?xì)馔钙匠鯗氐娜N方法，即：①燃燒室的出口溫tA；②燃?xì)馔钙降谝患墖娮飙h(huán)(靜葉柵)后的燃?xì)鉁囟萾B；③以進(jìn)入燃?xì)馔钙降乃锌諝饬髁坑嬎愕钠骄鶞囟萾C。顯然，流出壓氣機而流經(jīng)燃燒室最后供到燃?xì)馔钙街腥サ目諝饬髁縈a等于(5-1)式中——用以冷卻第一級工作葉輪和動葉柵的空氣流量；——由燃?xì)馔钙礁邏狠S端供入透平的軸封空氣量；——供入燃燒室的空氣流量；——供入燃?xì)馔钙降谝患墖娮飙h(huán)(靜葉柵)的冷卻空氣流量；——供入燃?xì)馔钙降诙墖娮飙h(huán)(靜葉柵)的冷卻空氣流量由此可見(5-2)當(dāng)然(5-3)式中——供入燃燒室的燃料流量。通常，認(rèn)為tB就是我們前面提到的燃?xì)馔钙匠鯗豻3*，燃?xì)庠谕钙街械呐蛎涀鞴α靠梢愿鶕?jù)t3*=tB值來進(jìn)行計算。例如：GE公司出品的9FA燃?xì)廨啓C的燃?xì)馔钙匠鯗靥柗Q為1288℃，就是指tB值，即指燃?xì)馔钙降谝患墖娮飙h(huán)(靜葉柵)出口處的燃?xì)馄骄鶞囟?。又如：Siemens公司出品的V94。3燃?xì)廨啓C的tA=1340℃，tB=t3*=1290℃，tC=1160℃。在國際上習(xí)慣把tC寫為tISO。軸流式燃?xì)馔钙降墓ぷ髟?-噴嘴環(huán)葉柵2-1-噴嘴環(huán)葉柵2-動葉柵圖5-6燃?xì)馔钙降幕壠矫嫒~柵當(dāng)高溫高壓的燃?xì)庥扇紵伊鞒龊?，將以平均初速c0流入燃?xì)馔钙降膰娮飙h(huán)。那時，燃?xì)鈺倪M(jìn)口壓力p0膨脹到壓力p1。由于燃?xì)獾呐蛎浺约皣娮飙h(huán)葉柵中漸縮流道的控制，氣流的速度將由c0加速到c1。與此同時，燃?xì)獾臏囟葘⒂稍鹊腡0值隨之降低到T1。流出噴嘴環(huán)時氣流的絕對速度為c1，它與出口平面夾成α1的角度。α1通稱為噴嘴氣流的出氣角，一般取為14°~20°。由于相對運動的關(guān)系，這股高溫燃?xì)鈱⒁韵鄬λ俣葁1進(jìn)入置于噴嘴環(huán)之后的動葉柵，它與動葉柵進(jìn)口平面的夾角為β1。當(dāng)c1的方向和大小已定時，β1角的大小就取決于動葉柵的圓周速度u的大小。圖5-7燃?xì)馔钙郊壷腥細(xì)鉅顟B(tài)參數(shù)的變化在大多數(shù)情況下，動葉柵的流道通流面積也是做成漸縮型的，這樣可以使燃?xì)饬髟趧尤~柵中也有所加速，以求改善其流動特性。這種透平稱為反動式透平。因而，在這種動葉柵中不僅相對速度有增加(∣w2∣>∣w1∣)，而且氣流在其中還發(fā)生折轉(zhuǎn)，即方向也有所改變，那時，燃?xì)饬鲗⒁韵鄬λ俣葁2，并與動葉柵的出口平面夾成β2的出氣角流出動葉柵。在此過程中，燃?xì)庖蛟趧尤~柵中的繼續(xù)膨脹，將使壓力由p1下降到p2，與此同時，溫度會降至T2圖5-7燃?xì)馔钙郊壷腥細(xì)鉅顟B(tài)參數(shù)的變化在動葉工作葉輪的出口處，氣流的絕對速度為c2。這個離開葉輪的絕對速度c2將帶走相應(yīng)的動能，對于單級燃?xì)馔钙絹碚f，它就是一種能量的損失(稱為余速損失)。因此，希望它盡可能地減小，即力求c2的方向大致接近于90°。通常，絕對速度c2要比進(jìn)口速度c1小得多，即：流過動葉柵時氣流的動能是減小的。但是由于氣流在反動式透平的葉柵中是加速的，因而在動葉柵中相對速度卻是增大的，即∣w2∣>∣w1∣。這些變化關(guān)系如圖5-7所示。但是在有些透平級的動葉柵中，氣流的相對速度大小是恒定不變的，這種透平稱為沖動式透平。圖5-8上給出了沖動式和反動式燃?xì)馔钙交壍乃俣热切?，它們是分析基元級工作過程的基礎(chǔ)。a)沖動式b)反動式圖5-8燃?xì)馔钙交壍乃俣热切位壷腥細(xì)饬魇┘佑趧尤~柵的作用力和機械功在明確了高溫高壓燃?xì)庠诹鹘?jīng)動葉柵時，速度三角形的變化關(guān)系后，就有條件來研究：燃?xì)饬鬟^動葉柵時施加給動葉柵的作用力和機械功的問題了。根據(jù)圖5-8和動量定理可以得知：當(dāng)燃?xì)饬鬟^動葉柵，作用在動葉柵(也就是工作葉輪)上的切向作用力(5-4)從圖5-8中可以看出：由于c1u與c2u的方向彼此相反，在計算時通?？梢园焉鲜接么鷶?shù)關(guān)系式來表示，即鑒于故(5-5)式中mg---每秒鐘流過基元級動葉柵的燃?xì)赓|(zhì)量。當(dāng)然，燃?xì)饬鬟^動葉柵時作用力與動葉柵上的切向作用力也可以根據(jù)相對速度的變化關(guān)系來推導(dǎo)，即(5-6)顯然，動葉柵在Pu力的作用下，每秒鐘內(nèi)沿圓周方向移動了距離u，因此，燃?xì)饬魇┘咏o動葉柵的機械功為mgu(c1u+c2u)=mgu(w1u+w2u)。相對于流經(jīng)動葉柵的每㎏/s燃?xì)鈦碚f，燃?xì)鈱尤~柵施加的機械功為(5-7)基元級中燃?xì)饽芰康霓D(zhuǎn)換關(guān)系既然高溫高壓的燃?xì)庠诹鬟^透平的動葉柵時，會產(chǎn)生一個切向的作用力Pu，并推動工作葉輪旋轉(zhuǎn)作功，那么，這股能量是從哪兒來的呢？顯然，它必定是由高溫高壓的燃?xì)馓峁┑?，也就是說，當(dāng)燃?xì)饬鬟^透平級時，必然會使自身的能量水平有所下降，它將轉(zhuǎn)化成為透平通過高速旋轉(zhuǎn)的工作葉輪而對外界所作的機械功。下面，讓我們來研究透平級中燃?xì)饽芰康霓D(zhuǎn)換關(guān)系，它能幫助我們進(jìn)一步理解透平的工作原理。從圖5-8所示的速度三角形中可知即(5-8)而根據(jù)圖5-8可知因而即(5-9)當(dāng)工作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時，u1=u2=u，因而，把式(5-8)和(5-9)帶入式(5-7)后，可得(5-10)顯然，當(dāng)u1≠u2時(5-11)從關(guān)系式(5-10)中可以非常清楚地看出：當(dāng)1㎏/s燃?xì)饬鬟^工作葉輪上的動葉柵時，對外界所作的膨脹功lt，應(yīng)等于燃?xì)獾慕^對速度動能與相對速度動能變化量的總和。對于在動葉柵中氣流的相對速度大小并不發(fā)生變化的沖動式透平來說，其膨脹功lt就等于燃?xì)饬鹘?jīng)動葉柵時，絕對速度能的減少量。從熱力學(xué)的觀點來說，當(dāng)把噴嘴環(huán)和動葉柵組合在一起作為一個對外作功的整體(即：一個透平級)來研究時，1㎏/s燃?xì)獾呐蛎浌?5-12)實際上，燃?xì)庠谕钙郊壷械淖鞴^程是與燃?xì)忭樞虻亓鬟^噴嘴環(huán)和動葉柵時所發(fā)生的狀態(tài)參數(shù)的變化密切相關(guān)的。由于當(dāng)燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時，并不與外界發(fā)生熱能與功量的交換，因而燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時即故(5-13)從熱力學(xué)中得知：在有摩擦等現(xiàn)象的不可逆流動中，由于燃?xì)庠趪娮飙h(huán)中與外界均無熱能的交換，所以因而式(5-13)可改寫為(5-14)式中l(wèi)m2——燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時，由于摩擦等不可逆現(xiàn)象的存在所必須損耗的能量；——在噴嘴環(huán)前后燃?xì)獾钠骄芏?。由此可見，高溫高壓的燃?xì)庠诹鬟^噴嘴環(huán)時，由于燃?xì)鈮毫Φ慕档?即p1<p0)所發(fā)生的膨脹過程，將使燃?xì)獾慕^對速度由c0增高到c1，那時，氣流動能的增加則完全是由于燃?xì)獗旧硭哂心芰?焓h或壓力勢能p/ρ)的下降轉(zhuǎn)換過來的。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)而流過動葉柵時，由于同樣可以忽略與外界發(fā)生的熱能交換，因而在工作葉輪的前后，相對于1㎏/s燃?xì)鈦碚f，能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以表示為(5-15)同理，在忽略對外界的熱能交換時，由于因而，上式可改寫為(5-16)當(dāng)比較式(5-11)與式(5-16)時，可以發(fā)現(xiàn)(5-17)式中l(wèi)m3——燃?xì)饬鬟^動葉柵時，由于不可逆現(xiàn)象的存在所必須耗損的能量；——在動葉柵前后燃?xì)獾钠骄芏?。關(guān)系式(5-17)告訴我們：在動葉柵流道內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ睦^續(xù)下降(當(dāng)然，同時會引起溫度和焓值的降低)，可以促使相對速度w2的增高，其結(jié)構(gòu)是在工作葉輪上將會有一部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為膨脹功。然而，在沖動式透平級中，由于動葉柵前后相對速度w1和w2的大小差不多是不變的，因而p1≈p2這就是說，燃?xì)庠跊_動式透平的動葉柵中，并沒有繼續(xù)發(fā)生膨脹過程。那時，工作葉輪所接受的燃?xì)鈱λ鞯臋C械功，只是氣流絕對速度動能減小的結(jié)果。通過以上分析，我們能夠比較清楚地看到高溫高壓的燃?xì)庵詴谕钙街凶鞴Φ倪^程和原因是：(1)首先，在噴嘴環(huán)中使燃?xì)獍l(fā)生膨脹過程，以增高氣流的流動速度c1，這樣，就能把燃?xì)獗旧硭哂械哪芰縣0*，部分地轉(zhuǎn)化成為氣流的動能。在這個過程中燃?xì)獾膲毫0、溫度T0和熱焓h0都被降低了，但其比體積v0則增大，而速度c0卻增高了。由于當(dāng)時燃?xì)馀c外界尚無熱能和功量的交換，因而燃?xì)獾臏轨手礹0*和滯止溫度T0*是維持恒定不變的，可是滯止壓力p0*則由于不可逆現(xiàn)象的存在，將略有降低。(2)隨后，將高速的燃?xì)鈬娤蜓b有動葉柵的工作葉輪。利用燃?xì)庠诹鬟^動葉柵流道時所發(fā)生的動量的變化關(guān)系，可以在動葉柵中產(chǎn)生一個連續(xù)作用的切向推力Pu，借以推動工作葉輪轉(zhuǎn)換，并對外作功。(3)在工作葉輪中燃?xì)獾淖鞴^程有兩種方案可循。在沖動式透平級中，氣流流過動葉柵時一般不再繼續(xù)膨脹了，因而在動葉柵的前后，燃?xì)獾膲毫1、溫度T1和相對速度w1的大小幾乎不再發(fā)生變化(嚴(yán)格地講，由于不可逆現(xiàn)象的存在，壓力p1會略有減小)；但是絕對速度和滯止焓值必然都有相當(dāng)程度的降低。當(dāng)時，燃?xì)饨^對速度動能的減少量將全部轉(zhuǎn)化為燃?xì)鈱ν饨缢鞯呐蛎涊S功。但是，在反動式透平級中，氣流流過動葉柵時還會繼續(xù)膨脹。因而在動葉柵的前后，燃?xì)獾膲毫1、溫度T1和焓值h1都將進(jìn)一步下降，而其比體積v1和相對速度w1卻有所增大。當(dāng)然，膨脹終了時燃?xì)獾慕^對速度和滯止焓值也都會有相當(dāng)程度的降低。在這種情況下，燃?xì)饬鹘?jīng)工作葉輪時所發(fā)生的絕對速度動能與相對速度動能變化量的總和，將全部轉(zhuǎn)化為燃?xì)鈱ν饨缢鞯呐蛎涊S功。綜上所述，高溫高壓的燃?xì)饩褪前凑丈鲜龉ぷ鬟^程，從透平的第一級噴嘴環(huán)開始，順序地逐級膨脹到最后一級動葉柵的出口。其最終結(jié)果將是使燃?xì)獾臓顟B(tài)參數(shù)發(fā)生了變化；與此同時，把燃?xì)獗旧硭哂械哪芰?可以用滯止焓值h0*來表示)部分地轉(zhuǎn)化成為對外界所作的膨脹軸功lt。在圖5-9中給出了在沖動式和反動式透平中，燃?xì)鉄崃?shù)的變化趨勢，以及透平級中燃?xì)獾呐蛎涍^程在焓熵圖(即h-s圖)上的表示方法。a)沖動式b)反動式圖5-9在沖動式和反動式透平級中熱力參數(shù)的變化趨勢，以及在透平級中燃?xì)馀蛎涍^程的焓熵圖在反動式透平中，人們習(xí)慣于用一個反動度Ωt的概念，來表示燃?xì)庠趧尤~柵流道中繼續(xù)膨脹的程度。它的定義是(參見圖5-9b)(5-18)顯然，在沖動式透平級中Ωt=0，在反動式透平級中0<Ωt<1。通常，為了減小氣流在透平噴嘴環(huán)和動葉柵流道中的流阻損失，在反動式透平級中Ωt一般取為0.5左右。Ωt通稱為熱力學(xué)反動度。反動度的另一種表達(dá)形式是(5-19)它稱為基元級的運動反動度。由式(5-10)和式(5-15)可知，對于正圓柱的回轉(zhuǎn)面來說，由式(5-17)已知因而(5-20)可以證明，當(dāng)Ωk=0.5時，假如c1a=c2a，流進(jìn)和流出動葉柵的氣流速度三角形是左右對稱的，如圖5-10所示。那時(5-21)圖5-10Ωk=0.5的速度三角形顯然，當(dāng)Ωk=0.5時，Ωt≠0.5，但與0.5很接近。Ωk=0的純沖動級和Ω圖5-10Ωk=0.5的速度三角形當(dāng)然，隨著反動度Ωt的加大，相對速度w2就要比w1大得更多，因而，動葉的進(jìn)氣角β1與出氣角β2之間的差值就會相應(yīng)地增大?；壍奶匦詤?shù)通常可以用流量因子φ、載荷系數(shù)Ψt、速度比χa(或χ1)以及等熵效率ηt來描寫透平基元級的特性。流量因子φ我們定義流量因子為進(jìn)入動葉柵的氣流軸向分速c1a與圓周速度u的比值，即(5-23)流量因子是基元級的重要特性參數(shù)。當(dāng)流量因子變化時，基元級的通流能力和葉片的形狀都會有相應(yīng)的變化。在圓周速度一定時，選擇大的流量因子標(biāo)志著設(shè)計者想通過增大氣流軸向分速度的辦法來減小葉片的高度。因而，高的φ值是大流量、高速透平的一個特征。反之，在概定的圓周速度條件下，如果φ值選得較小，設(shè)計者就可以把小流量透平的葉片制造得盡可能地高些，以求減少葉片流道的損失。載荷系數(shù)Ψt我們定義基元級的比功lt與圓周速度u2的比值為載荷系數(shù)(5-23)顯然，Ψt值正表示透平級的作功能力。Ψt值大，則表示在給定的圓周速度條件下，流經(jīng)透平級的每㎏/s氣體所作的膨脹軸功多。速度比我們稱燃?xì)鈴倪M(jìn)口的滯止?fàn)顟B(tài)(參見圖5-9)0*，等熵膨脹到出口的靜壓p2時所能達(dá)到的理論速度為燃?xì)馔ㄟ^基元級的假象速度cad，即(5-24)定義速度比為(5-25)有時，人們是這樣定義速度比的，即(5-26)在以后我們將看到速度比或?qū)壍男视忻芮械年P(guān)系。等熵膨脹效率ηt目前，常用等熵膨脹效率ηt來描寫透平基元級的膨脹效率，即(5-27)從圖5-9中可以看出：ηt中的等熵焓降h0*-h2*是根據(jù)燃?xì)獾目倝簆0*和膨脹終了時的靜壓得出的，因而又稱為等熵膨脹的靜效率，它常被用于單級透平或者多級透平的最末一級的計算中，那時，認(rèn)為透平級排氣的余速c2未能被利用。但對于余速得到利用的中間級，或是在作燃?xì)廨啓C的循環(huán)計算時，則常用等熵膨脹滯止效率ηt*來描寫基元級的膨脹效率，即(5-28)顯然，當(dāng)級的余速c2被利用時，在計算級的等熵焓降時就必須扣除余速動能c22/2，那時ηt*中的等熵焓降h0*-h2s*是根據(jù)燃?xì)獾目倝簆0*和膨脹終了時的總壓p2*得出的。當(dāng)然，ηt*>ηt。透平級中的能量損失像壓氣機級那樣，透平級中會發(fā)生型阻損失、端部損失、徑向間隙的漏氣損失等那些會影響透平級中燃?xì)獾臓顟B(tài)參數(shù)的內(nèi)部損失，此外，還有由于氣流離開透平動葉柵時，因具有一定的絕對速度c2，而帶走的余速損失。從圖5-9中可以看出：由于型阻損失和端部損失的作用，燃?xì)庠趪娮飙h(huán)和動葉柵中就不能按等熵過程進(jìn)行膨脹，這將導(dǎo)致氣流在噴嘴環(huán)中發(fā)生Δhn的能量損失，同時使氣流在動葉柵中發(fā)生Δhb的能量損失。其結(jié)果將使氣流流出噴嘴環(huán)和動葉柵的流速c1和w2有一定程度的減小。倘若燃?xì)庠趪娮飙h(huán)中是按理想的等熵過程進(jìn)行膨脹，那么，在噴嘴環(huán)的出口氣流的理想絕對速度c1s應(yīng)等于(5-29)當(dāng)有摩擦和脫離等型阻損失和端部損失時，在噴嘴環(huán)出口處燃?xì)獾膶嶋H絕對速度c1將降為(5-30)在透平的設(shè)計中，人們把實際速度c1與理想速度c1s的比值稱為速度系數(shù)，并以符號φ記之，即(5-31)由此可見(5-32)當(dāng)我們把噴嘴環(huán)中的能量損失Δhn，用噴嘴環(huán)中的理想等熵焓降h1，s的百分?jǐn)?shù)ζ1來表示時，則(5-33)式中ζ1稱為噴嘴環(huán)的能量損失系數(shù)。ζ1值越小，或是速度系數(shù)φ值越高時，那么噴嘴環(huán)中的能量損失就越小，其工作性能必然越加良好。不難證明，噴嘴環(huán)中能量損失Δhn的另一種表達(dá)形式ξ1=Δhn/hs*，可以表示為：(5-34)顯然，當(dāng)ψ和Ωt一定時，噴嘴環(huán)的能量損失ξ1就是一個常數(shù)。倘若φ=0.95~0.98，則沖動級(即Ωt=0)的ξ1=10%~4%；Ωt=0.5的反動級之ξ1=5%~2%。同理，可以推導(dǎo)出氣流在流經(jīng)動葉柵時，能量損失系數(shù)ζ2與相對的速度系數(shù)Ψ值之間的關(guān)系。其中定義(5-35)(5-36)(5-37)w2s是在動葉柵中當(dāng)氣流按等熵膨脹過程加速時，葉柵出口處的理想相對速度值(5-38)同樣不難證明：動葉柵中能量損失Δhb的另一種表達(dá)形式ξ2，(5-39)顯然，當(dāng)φ、Ψ、Ωt、、α1一定時，動葉柵的能量損失ξ2與速度比u/c1有密切的關(guān)系。倘若φ=Ψ=0.95~0.98，取u/c1=cosα1/2(以后將證明這是最佳選擇)α1=20°，那么，對于Ωt=0的級來說，ξ2=3%~13%；當(dāng)Ωt=0.5時，去u/c1=cosα1則ξ2=5%~2%。試驗表明：影響噴嘴環(huán)和動葉柵中能量損失系數(shù)ζ1(或φ)和ζ2(Ψ)的因素是很多的。其中型阻損失和端部損失與氣流進(jìn)入葉片時的沖角有密切關(guān)系。在正沖角范圍內(nèi)，隨著沖角的增大，端部損失，特別是型阻損失增加得很迅速，致使葉柵的總能量損失增大得很厲害。在負(fù)沖角范圍內(nèi)，隨著負(fù)沖角的加大，型阻損失雖然同樣是增大的，但是端部損失卻有所減小，因而葉柵的總能量損失卻反而會有所下降。對于型線已定的葉柵來說，通過合理地選擇葉柵的安裝角γp和相對柵距，可以使能量損失系數(shù)ζ1(或ζ2)趨于最小值。一般來說，沖動式葉柵的最佳相對柵距的范圍為0.60~0.70；反動式葉柵者大約為0.70~0.80。ζ2值還與氣流出口的馬赫Ma2=w2/a2有關(guān)。一般情況下對于設(shè)計良好的葉型來說，Ma2=0.7~0.8時，能量損失系數(shù)ζ2為最小。當(dāng)Ma2達(dá)到0.85左右時，由于在葉片背弧的出口段上，會開始出現(xiàn)局部的超音速區(qū)，以致產(chǎn)生激波損失，同時還會使尾跡渦流的損失加大，其總的效果是使ζ2值急劇增大。Re數(shù)對ζ2也有一定影響，加大Re數(shù)可以使ζ2下降。但是當(dāng)Re數(shù)增大到特定的臨界值Re1后，ζ2就不再受Re數(shù)的影響了。對于沖動式葉柵來說，Re1=3×105左右；在反動式葉柵中，Re1=2×105左右。顯然，透平級的余速損失Δhc，2=c22/2，它的另一種表達(dá)形式是(5-40)(5-41)顯然，當(dāng)φ、Ψ、Ωt、、α1和β2值選定后，余速損失系數(shù)ξc也速度比u/c1有密切關(guān)系。對Ωt=0的沖動級來說，若取φ=Ψ=0.95~0.98，α1=β2=20°u/c1=cosα1/2，則ζc=3.7%~4.4%。對于Ωt=0.5的反動級來說，則應(yīng)取u/c1=cosα1(以后將證明這是最選擇)，那時，ξc=5.3%~5.6%。我們定義：僅考慮了透平級內(nèi)Δhn、Δhb和Δhc，2三項能量損失的膨脹效率為透平級的輪周效率ηu，即(5-42)把式(5-34)、式(5-39)和式(5-41)帶入上式，經(jīng)整理后可得(5-43)由式(5-43)可知：減小噴嘴環(huán)和動葉柵中的型阻損失和端部損失等效應(yīng)(即：使φ和Ψ值增大)或者減小α1和β2角，在任何情況下都可以使透平級的輪周效率增高。但是u/c1和Ωt這兩個因素則不然，對應(yīng)于不同的反動度Ωt，為了確保ηu值為最大，必將有各自相應(yīng)的最佳速比值(u/c1)opt。從理論上可以證明：(1)對于Ωt=0的純沖動式透平級來說，當(dāng)φ、Ψ、β2、α1選定后，使ηu達(dá)到最大值所對應(yīng)的最佳速比值(5-44)(2)對于Ωt=0.5的反動式透平級來說，當(dāng)φ、Ψ、α1、β2選定后，通常α1很小時，上式可以近似地簡化為圖5-11Ωt=0和Ω圖5-11Ωt=0和Ωt=0.5兩種透平級的輪周效率曲線(3)對于任意反動度的透平級來說(5-46)圖5-11和圖5-12上給出了Ωt=0和Ωt=0.5時，透平級的輪周效率ηu隨速比值u/c1的變化關(guān)系。從圖5-12可以更清楚地看出：①噴嘴環(huán)中的能量損失ξ1只與φ和Ωt有關(guān)，而與速度比u/c1無關(guān)，因而在圖5-12上ξ1值可以用一條水平線來表示；②動葉柵中的能量損失ξ2與u/c1有關(guān)系的，當(dāng)Ωt與α1選定不變時，隨著u/c1的增大，動葉柵進(jìn)口的w1和氣流的折轉(zhuǎn)角[180°-(β1+β2)]都相應(yīng)地有所減小，其結(jié)果將會使φ值增高。因而，隨著u/c1的增加，ξ2是下降的；③級中最大的能量損失項是余速損失ξc。隨著u/c1偏離(u/c1)opt值，余速損失的增大是極其明顯的。ξc最小值所對應(yīng)的u/c1值，也正是使級的輪周效率ηu達(dá)到最大時所對應(yīng)的(u/c1)opt值。顯然，為了使余速損失減至最小值，透平動葉柵出口的氣流絕對速度的方向必須設(shè)計成為軸向的，即：α2=90°。圖5-13和圖5-14分別給出了當(dāng)余速損失為最小時，也就是ηu為最大時，沖動式和Ωt=0.5的反動式透平級中氣流速度三角形的形狀。a)Ωt=0b)Ωt=0.5圖5-12Ωt=0和Ωt=0.5兩種透平級的ηu、ξ1、ξ2、ξc、與u/c1的變化關(guān)系圖5-13當(dāng)余速損失為最小時，在沖動式透平級中氣流速度三角形的形狀圖5-14當(dāng)余速損失為最小時，在Ωt=0.5的反動式透平級中氣流速度三角形的形狀△-間隙尺寸l-葉高1-沖動式葉片2-反動式葉片圖5-15徑向間隙的漏氣損失與相對間隙△/l的關(guān)系由此可見，在設(shè)計透平級時，為了提高級的膨脹效率，除了必須合理地設(shè)計噴嘴環(huán)和動葉柵的葉型，力求減小Δh△-間隙尺寸l-葉高1-沖動式葉片2-反動式葉片圖5-15徑向間隙的漏氣損失與相對間隙△/l的關(guān)系最后應(yīng)該指出：在任何的透平級中，總是還有由于徑向間隙的漏氣所造成的能量損失，這將導(dǎo)致透平的膨脹效率略有下降。那時，透平級的膨脹效率稱為等熵膨脹效率ηt，它可以用下式表示之，即(5-47)式中ξΔ——徑向間隙漏氣損失的修正系數(shù)，它可以從圖5-15中查得。圖5-16裝有圍帶的動葉柵對于裝有圍帶結(jié)構(gòu)的動葉葉柵來說，徑向間隙的漏氣損失可以減小到0.5%左右，即ξΔ=0.995。圖5-16裝有圍帶的動葉柵圖5-16中給出了裝有圍帶的動葉柵的結(jié)構(gòu)示意圖。在式(5-7)中我們已知：1㎏/s燃?xì)庠谕钙郊壷械淖鞴α繌膱D5-13和圖5-14中可以看出：當(dāng)按(u/c1)opt值來設(shè)計透平級時，對于沖動式透平級來說，c1u+c2u=2u即：lt=2u2；但在Ωt=0.5的反動式透平級中，c1u+c2u=u，即：lt=u2。由此可見，對于初參數(shù)彼此相同的多級透平來說，當(dāng)按沖動式方案進(jìn)行設(shè)計時，透平的級數(shù)必然較少。反之，當(dāng)按反動式方案進(jìn)行設(shè)計時，透平的級數(shù)一定較多。通常，由于透平的圓周速度u總是要受材料強度的制約，它是有限的，因而，在每級透平中c1值(或焓降值)就不可能設(shè)計得很大，這就是一般需要采用多級透平的主要原因。透平葉柵的幾何參數(shù)與葉片的扭曲如前所述：當(dāng)高溫高壓的燃?xì)饬鬟^透平級時，將會發(fā)生狀態(tài)參數(shù)和流動速度的變化，這樣，就可以在動葉柵的前后，形成一組特定的速度三角形，使燃?xì)獗旧硭哂械哪芰坎糠值剞D(zhuǎn)化成為透平的膨脹軸功。那么，燃?xì)獾臒崃?shù)和速度三角形為什么會按預(yù)定的設(shè)計規(guī)律進(jìn)行變化呢？研究表明：它主要是通過對透平轉(zhuǎn)速的控制，以及合理地設(shè)計透平級中噴嘴環(huán)(靜葉柵)和動葉柵的幾何形狀與尺寸，來加以保證的。圖5-17中給出了透平級中噴嘴環(huán)(靜葉柵)、沖動式葉柵和反動式葉柵的示意圖，而圖5-18上則給出了某種反動式透平中，動葉平面葉柵的幾何參數(shù)。a)靜葉b)沖動式動葉c)反動式動葉圖5-17透平級中噴嘴環(huán)(靜葉)、沖動式動葉以及反動式動葉的平面葉柵圖從圖5-17中可以看出，不論是沖動式或是反動式透平，高溫高壓的燃?xì)庠趪娮飙h(huán)流道中，總是要發(fā)生膨脹而使氣流不斷加速的。因而噴嘴環(huán)流道的形狀必定是漸縮的、收斂型的。這就是說，以噴嘴環(huán)流道的中心線為中心的、與相鄰兩個靜葉的內(nèi)弧和背弧相切的那組內(nèi)切圓的直徑，一定是逐漸縮小的。這正表示沿氣流的流動方向，噴嘴環(huán)流道的通流面積在不斷地減小，而∣α1∣則必然要比∣α0∣小。圖5-18反動式透平中動葉平面葉柵的幾何參數(shù)對于沖動式動葉的流道來說，由于燃?xì)庠谄渲胁⒉慌蛎?，即∣w1∣=∣w2∣，因而這種動葉流道的形狀是等寬型的，即流道內(nèi)切圓的直徑將恒定不變，而∣β1∣=∣β2∣。在反動式動葉的流道中，由于燃?xì)獾睦^續(xù)膨脹作用，將使∣w2∣>∣w1∣，因而這種動葉流道的形狀與靜葉流道者相仿，它必然也是漸縮的、收斂型的，即沿氣流的流動方向，流道內(nèi)切圓的直徑也是不斷減小的，而∣β2∣<∣β1∣。透平靜葉或動葉剖面的形狀一般稱為葉型，它是構(gòu)成葉柵的基本要素。葉型的幾何形狀都是通過大量試驗研究獲得的，它們應(yīng)該能夠保證氣流流過葉型時流阻損失為最小，而且便于加工制造。葉型的特征一般可以通過以下一些幾何參數(shù)來表示，參見圖5-18，即：中弧線——葉型中所有內(nèi)切圓圓心的連線，它可以是一個圓弧、拋物線，或者是某一種光滑的弧形曲線。弦線——葉型內(nèi)弧側(cè)進(jìn)口邊與出口的公切線，又稱為外弦。葉型折轉(zhuǎn)角θ——中弧線入口端的切線與出口端的切線之間的夾角。弦長b——在葉片入口邊到出口邊之間沿弦線方向的距離，它是表示葉型大小的特征尺寸。出口邊的厚度s——般出口邊的型線是做成圓弧型的，那時。其厚度就是出口邊圓弧的直徑。葉型剖面的幾何形狀——它是決定葉型形狀的關(guān)鍵尺寸，又稱為型線。通常，葉片的型線有兩種表示方法。圖5-19中給出了我國自行設(shè)計研究成功的某種透平動葉的型線。它是由一些半徑不同的圓弧依次相切連接而成的。對于一定的X-Y坐標(biāo)系來說，假如給出了各圓弧的半徑、圓心以及接點的坐標(biāo)，型線也就完全確定了。圖5-20中給出的某種透平靜葉的型線，它在X-Y坐標(biāo)系中是通過分別給出背弧和內(nèi)弧上各點坐標(biāo)的方法來確定的。通常，透平的葉型都是做成中間厚而兩頭薄的那種形式。葉型的進(jìn)口邊呈較大的圓弧形，以此來適應(yīng)燃?xì)鈦砹鞣较虻淖兓?，不至造成過大的流動損失。其出口邊則做得比較薄這樣可以減小氣流流出葉片時的尾流損失。為了增強葉片的強度，避免應(yīng)力集中，出口邊是做成圓弧形的。圓弧坐標(biāo)(mm)點序o1o2o3o4o5o6o7o8o9o10RXY0.60230.60230.602386.159683.8089-19.316264.500564.8161-8.904737.771745.987810.066221.081940.250725.739330.117037.161117.247234.132635.148313.76273.011764.988322.597848.889943.2389-24.5269277.2769接點坐標(biāo)(mm)點序123456789XY0.0170.7438.25622.10119.38136.87533.00445.53747.46045.55452.25743.38167.87623.45363.72619.8631.1210.297圖5-19某種透平動葉的葉型圖內(nèi)弧和背弧的坐標(biāo)(mm)點序01234567891011121314XY1Y20.003.703.701.7010.000.603.7012.780.005.5014.340.8211.0016.586.1817.0016.886.1822.0016.057.1427.0014.847.6033.0012.847.4539.0010.686.7145.008.375.4549.006.854.4355.004.242.6058.002.781.5861.001.260.45圖5-20某種透平靜葉的葉型圖在平面葉柵中各片入口邊和出口邊的公切線，被分別稱為前額線和后額線，它的方位與透平級中圓周運動的方向相一致。平面葉柵的特征通?？梢杂靡韵乱恍缀螀?shù)來表示，它反映了葉片在透平流道中的具體位置關(guān)系，這些參數(shù)是(參見圖5-18)：柵距t——在兩個相鄰的葉片上，同位點之間沿額線方向的距離。相對柵距=t/b——柵距與葉片弦長的比值，它表示葉柵中葉片排列的疏密程度，其倒數(shù)s==b/t稱為稠度。葉柵寬度Ba——前、后額線之間的垂直距離。安裝角γp——葉型外弦線與后額線之間的夾角。幾何入口角β1j與幾何出口角β2j——中弧線在葉型入口邊和出口邊的切線與前、后額線之間的夾角。很明顯，當(dāng)葉片的安裝角γp確定后，β1j和β2j角也就完全確定不變了，而且(5-48)在一般情況下，氣流流進(jìn)葉柵時的進(jìn)氣角β1，以及氣流流出葉柵時的出氣角β2，與葉柵的幾何角β1j和β2j并不是重合的，它們之間的差值稱為“沖角”i和“落后角”δ，即(5-49)(5-50)對于靜葉柵來說，同樣可以用以上那些幾何參數(shù)來表示靜葉在透平流道中的具體布置關(guān)系。那時，只要把葉柵的幾何入口角和幾何出口角的符號改為α0j和α1j就是了。上面，我們只是討論了透平級某個直徑處，靜葉和動葉的葉型以及葉柵的幾何特征參數(shù)的表示方法。但是，在任何一個透平級中，靜葉和動葉都是有一定高度的，那么沿著整個葉片的高度方向，葉片的葉型以及β1j和β2j(或α0j和α1j)角是否都做成相互一致呢？通常有兩種情況可言。當(dāng)葉片較短時，例如葉輪的平均直徑Dm與葉片高度l的比值Dm/l>12時，葉根部和頂部的圓周速度uh和u1，與葉輪平均直徑處的圓周速度um相差不多，那時，可以認(rèn)為沿葉高方向氣流的各種參數(shù)基本上是變化不大的。這樣，就可以把葉片根部和頂部葉型的進(jìn)、出口幾何角度，設(shè)計成為與平均直徑處完全相同。這就是說，在沿葉片的高度方向，葉型的進(jìn)、出口幾何角(β1j、β2j或α0j、α1j)是做成相互一致的。這種葉片通常稱為直葉片。但是對于Dm/l<12的長葉片來說，在同一個轉(zhuǎn)速下，葉片根部與頂部的圓周速度uh和u1就會相差很大(顯然，圓周速度將沿葉高方向逐漸增大)。在設(shè)計這種葉片時，假如對這個因素不加注意，而仍然采用直葉片結(jié)構(gòu)，就會在葉片進(jìn)口處造成氣流脫離現(xiàn)象，致使透平效率嚴(yán)重惡化。圖5-21所示的例子很能說明這個問題。在圖5-21中我們暫且假定：有噴嘴環(huán)噴出的氣流之絕對速度c1(無論是大小和方向)，在沿葉高方向上都是均勻一致的。從圖5-21中可以看出：當(dāng)氣流流進(jìn)動葉時，由于圓周速度的不同，在葉片根部的進(jìn)氣角β1h，將要比葉片頂部的進(jìn)氣角β1t小很多。顯然，在這種透平級中，假如仍然采用那種根據(jù)平均直徑Dm斷面上的速度三角形所構(gòu)成的直葉片方案，那么，除了在平均直徑斷面上的流動情況外，當(dāng)氣流流過其他斷面時，都會在動葉柵的進(jìn)口處產(chǎn)生如圖5-22那樣的氣流脫離現(xiàn)象，以致造成損失。圖5-21在長葉片情況下，由于圓周速度uh和ut的差異所造成的葉根和葉頂部位氣流速度三角形的變化關(guān)系a)氣流在葉片背弧側(cè)產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象b)氣流在無脫離現(xiàn)象時的流動情況c)氣流在也片內(nèi)弧側(cè)產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象圖5-22動葉的進(jìn)口速度三角形配合不當(dāng)時所造成的損失當(dāng)時，從葉片根部到平均直徑之間，氣流的進(jìn)氣角β1都會比葉片的幾何入口角β1j小，由此產(chǎn)生正沖角+i，這樣，就會使氣流在葉片背弧部位產(chǎn)生渦流脫離現(xiàn)象。與此相反，從平均直徑到葉片頂部之間，氣流的進(jìn)氣角β1都會比β1j角大，這樣就會產(chǎn)生負(fù)沖角-i，致使氣流在葉片內(nèi)弧部位生產(chǎn)渦流脫離現(xiàn)象?？傊?，這種流動情況都會導(dǎo)致透平效率的降低。正因為這個原因，為了提高透平級的效率，人們總是把葉片的幾何入口角與幾何出口角做成是沿葉高方向逐漸變化的方案。同時從葉片強度上考慮，為了減小長葉片中由于離心力的作用，而在葉根部位生產(chǎn)過大的機械應(yīng)力，通常，還把葉片的斷面尺寸(厚度圖5-23在不同半徑上扭葉的剖面圖與寬度)也都做成為沿葉高方向逐漸減小的形式。圖5-23在不同半徑上扭葉的剖面圖圖5-23中給出了這種葉片的示意圖。這種葉片叫做扭葉片。目前，扭葉片的結(jié)構(gòu)形式很多。它的目的都是為了提高透平級的效率和作功能力。有關(guān)葉片的扭曲規(guī)律問題在此就不深入討論了。讀者若有興趣，可以參考有關(guān)燃?xì)馔钙皆O(shè)計方面的專著。在許多燃?xì)馔钙街?，不僅動葉片是做成扭曲形式的，就是靜葉片也往往帶有一定的扭曲度。圖5-24上給出了某種透平動葉的示圖，以及靜葉和動葉幾何出口角α1j和β2j沿葉高方向的變化規(guī)律。圖5-24某種透平動葉的示圖，以及靜葉和動葉幾何出口角α1j與β2j沿葉高方向的變化規(guī)律圖5-25和圖5-26上給出了某臺20MW機組中采用的透平靜葉和動葉的結(jié)構(gòu)示圖。在這種扭葉片中，，第一、二級靜葉和動葉的進(jìn)、出口幾何角沿葉高方向的變化關(guān)系，大體上如圖5-27所示。由圖可知：在第一、二級動葉中，葉片的幾何入口角β1j是沿葉高逐漸增大的，而幾何出口角卻適得其反。因而，進(jìn)、出口幾何角的的差值(β1j-β2j)在沿葉高方向也是不斷地增大的。很明顯，這正意味著透平級的反動度Ωt必然也將沿著葉高方向迅速地增大起來。在一般設(shè)計中，我們總是使透平動葉根部的反動度Ωt等于或略大于零；而動葉頂部的反動度則不大于0.6~0.7。1-圍帶2-葉片的型線部分3-葉根圖5-25透平第一級精鑄的噴嘴環(huán)圖5-26透平的動葉a)第一級靜葉b)第一級動葉c)第二級靜葉d)第二級動葉rt—葉片外側(cè)部分的半徑尺寸rh—葉片內(nèi)側(cè)的半徑尺寸圖5-27某臺20MW機組中采用的透平靜葉和動葉葉柵的進(jìn)、出口幾何角沿高方向的變化規(guī)律通常，在燃?xì)馔钙街泻苌俨捎眉儧_動式的葉型。除了小型燃?xì)廨啓C之外，也不常采用直葉片這種結(jié)構(gòu)形式。壓氣機與軸流式燃?xì)馔钙郊墧?shù)和效率的比較圖5-28氣流在擴壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象與壓氣機相比，為什么軸流式燃?xì)馔钙降募墧?shù)比較少而效率比較高？為了說明這個問題，首先應(yīng)該對氣流在壓氣機的出口擴壓器中的流動現(xiàn)象作一分析。為了便于分析，可以把壓氣機的出口擴壓器，簡化成為一個通流面積在流線方向逐漸增大的擴壓流道來處理，如圖5-28所示。圖5-28氣流在擴壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況從流體力學(xué)中已知：由于氣流有粘性，當(dāng)它流過一個物體時，就會在其表面上逐漸形成附面層。在附面層中直接貼在壁面上的氣流質(zhì)點的速度等于零。當(dāng)氣體離開壁面后，氣流質(zhì)點的速度就會逐漸增大，一直增大到與主流區(qū)的速度w0相差1%的地方為止(如圖5-29所示)，這個厚度為δ的氣流層通稱為附面層。在氣流作上述流動時，由于附面層中氣流的速度梯度比較大，就會出現(xiàn)相當(dāng)大的粘滯摩擦力。因而為了保證附面層中流體質(zhì)點沿著主流的流動方向運動，貼近附面層的主流氣層中的氣流質(zhì)點，就必須把動能連續(xù)不斷地傳遞給附面層中的氣流質(zhì)點，使它能夠克服粘滯摩擦力而往前運動。與此同時，原來在主流區(qū)中運動的氣流質(zhì)點的速度就會降低下來，而逐漸達(dá)到與附面層的外邊界上的流速相同的程度。這就是說，沿著主流氣流的運動方向，附面層的厚度是在逐漸增加之中。圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況圖5-30在擴壓器的某個截面上，氣流速度場的分布情況很明顯，附面層的厚薄與氣流的流動情況有密切關(guān)系。在透平的動、靜葉流道中，由于主氣流的速度c或w圖5-30在擴壓器的某個截面上，氣流速度場的分布情況試驗表明：在擴壓器中附面層增厚的趨勢與擴壓器的擴張角α有密切關(guān)系。α角增大，正意味著沿著氣流的流動方向，氣流速度下降得比較迅速，因而附面層容易加厚。圖5-30中給出了當(dāng)擴張角α不同時，在擴壓器的某個截面上氣流速度場的分布情況。由圖中可以看出：隨著擴張角α的增大，在y/l較小的近壁部位，氣流的速度w將會偏離主流氣流的速度w0越加厲害。當(dāng)擴張角α大于某個臨界值α1后，上述現(xiàn)象就會加劇。那時附面層中的質(zhì)點就有不能被主流帶著一起向前運動而完全停滯下來的危險。由于在擴壓流道中，氣流下游方向的壓力要比上游方向高，這樣，在壁面附近就會出現(xiàn)氣流的反向運動，致使主流脫離壁面，形成強烈的旋渦(參見圖5-28中的斷面a-a)。當(dāng)渦流現(xiàn)象出現(xiàn)后，能量損失就會劇增，并且還會由于氣流的脫離，使主流部分的通流面積變小，主流速度隨之增高。其結(jié)果都會使擴壓器的增壓效果變壞，而無法獲得原先期望的壓力增升值。通常，為了防止出現(xiàn)上述不良情況，應(yīng)把擴張角α控制在7°~8°范圍內(nèi)。在任何條件下，α角都不能大于10°~12°。不難想象，以上這種流動現(xiàn)象不僅會在壓氣機的出口擴壓器中出現(xiàn)，而且還會在壓氣機的動葉葉柵和擴壓靜葉柵中發(fā)生。因為這些葉柵流道的通流面積，也像擴壓器那樣，是做成沿氣流的流動方向在不斷增加之中的。為了說明這個問題，我們只需分析一下氣流流過壓氣機葉型時，空氣壓力沿葉型表面的分布情況就夠了。圖5-31中給出了這種分布關(guān)系?？諝鈮毫ρ厝~型表面的分布關(guān)系，一般都是用無量綱量——壓力系數(shù)來表示的，即(5-51)式中p——葉型表面上任何一點的靜壓；p1——葉柵前氣流未被擾動時的靜壓；(1/2)ρ1w21——葉柵前氣流未被擾動時的動能。圖5-31a中形象地給出了壓氣機葉柵中，葉型表面的壓力分布圖。其上各點的壓力或壓力系數(shù)是用一定比例的垂直線長度來表示的。箭頭的方向則表示出了該點的空氣壓力p，相對于基準(zhǔn)壓力p1來說，是高還是低的趨勢。從圖上可以清楚地看到：即使在沖角i≈0的情況下，葉型背弧和內(nèi)弧面上的壓力分布情況也是不一樣的，在背弧面上極大部分地區(qū)都是負(fù)壓區(qū)(即p<p1，或<0)，而且在背弧的前段是一個壓力不斷下降，而流速不斷增快的減壓加速區(qū)；背弧的后段則是一個壓力逐漸升高、而流速逐漸減慢的增壓減速區(qū)。顯然，氣流在增壓減速區(qū)中的流動情況正好與擴壓器中的流動情況相似，因而在壓氣機葉型背弧的出氣邊上，很容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。然而，在葉型的內(nèi)弧面上，壓力的分布情況就不太一樣了。那時，在內(nèi)弧的前段是一個區(qū)域較小的負(fù)壓區(qū)，而內(nèi)弧的其他部分則都是正壓區(qū)(即p>p1，或)。當(dāng)然，在內(nèi)弧的前段也存在一個增壓減速區(qū)，在那兒，氣流也有發(fā)生脫離現(xiàn)象的可能性。但是，沿葉型內(nèi)弧表面流動的氣流，由于慣性力的作用，具有一種自然貼向葉型內(nèi)弧表面的傾向，因而在這個增壓減速區(qū)中，也不至于產(chǎn)生很強烈的氣流脫離現(xiàn)象。a)壓氣機葉型表面的分布b)不同I值下的分布圖中——i=-0o46’……i=-15o40’—·—·—i=10o02’圖5-31K-1壓氣機動葉葉柵（t/b=0.868)，在各種沖角i的情況下，葉型表面壓力系數(shù)的分布特性1-附面層1-附面層2-氣流脫離圖5-32在壓氣機葉型背弧上發(fā)生的附面層和氣流的脫離現(xiàn)象試驗表明：在壓氣機葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與氣流來流方向的沖角i，以及葉型型線的設(shè)計有密切關(guān)系。在圖5-31b中給出了在不同的沖角i情況下，于K-1型壓氣機的動葉葉柵表面上，壓力系數(shù)的變化情況。由圖中可以看出：當(dāng)正沖角很大時，從側(cè)點10開始，在葉型的背弧上將發(fā)生范圍很廣的、壓力梯度變化很陡的增壓減速區(qū)。由于氣流在流經(jīng)背弧表面時，在慣性力的作用下，本來就存在一種脫離背弧的傾向，所以在正沖角較大的情況下，在葉型的背弧上必然很容易出現(xiàn)強烈的氣流脫離現(xiàn)象。這不但會導(dǎo)致葉柵中能量損失的劇增，而且還會使氣流有生產(chǎn)倒流的可能，進(jìn)而為壓氣機中發(fā)生的喘振現(xiàn)象提供了條件。同時，從圖5-31b中還可以看出：當(dāng)負(fù)沖角很大時，從側(cè)點開始，在葉型內(nèi)弧的進(jìn)氣側(cè)，也會出現(xiàn)一個壓力梯度比較陡的增壓減速區(qū)。當(dāng)時，在該地區(qū)也會發(fā)生一定程度的氣流脫離現(xiàn)象。但是由于慣性力作用，其脫離程度要比在背弧上產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象輕得多。由此可見，當(dāng)氣流流經(jīng)壓氣機葉柵時，即使正沖角和負(fù)沖角的絕對值彼此相同，但在正沖角工況下所產(chǎn)生的流動能量損失，必然要比負(fù)沖角工況大得多。圖5-33上給出了在某種壓氣機的葉柵中，葉型的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折角ε之間的變化關(guān)系，可以進(jìn)一步說明這個問題。當(dāng)然，在壓氣機葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與葉型型線的設(shè)計有很大關(guān)系，特別是與葉型的彎曲角θ有關(guān)。由圖3-12可知顯然，θ角的加大必然意味著葉柵幾何出口角β2j與幾何入口角β1j的差值越大，也就是說，當(dāng)葉柵的柵距t和寬度Ba一定時，葉柵出口的截面積A2就要比進(jìn)口的截面積A1大得多。這個問題很容易從圖5-34中獲得證明。圖5-33壓氣機葉形的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折轉(zhuǎn)角ε之間的關(guān)系圖5-34葉柵進(jìn)出口通流面積的變化關(guān)系由圖5-34中可知既因而，當(dāng)β2j和β1j差值越大時，A2也就要比A1大得多。顯然，在Ba一定的情況下，這正意味著，與前面討論過的出口擴壓器中擴張角α相當(dāng)?shù)娜~柵之?dāng)U張角就很大。由此可見，當(dāng)氣流流過θ較大的壓氣葉柵時，一定比較容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象，同時，還會使氣流流動的能量損失增大。這個問題也可以從圖5-33中獲得證明。顯然，由第3章關(guān)系式(3-24)中已知：θ≠ε，但是當(dāng)θ角加大時，ε必然也增大，即阻力系數(shù)Cm將隨之加大。當(dāng)發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象后，Cm會急劇地增高上去。因而為了避免氣流流過壓氣機葉柵時發(fā)生嚴(yán)重的脫離現(xiàn)象，通常，總是把壓氣機葉型的彎曲角θ限制在45°角以內(nèi)。當(dāng)我們結(jié)合第3章圖3-7b來分析關(guān)系式(3-5)時，不難進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：隨著壓氣機葉型彎曲角θ的減小，必然會導(dǎo)致氣流流經(jīng)動葉柵時Δwu值的減小。這就是說：當(dāng)壓氣機葉型的θ角受限制時，也正意味著外界通過工作葉輪和動葉柵傳遞給1㎏空氣的壓縮軸功ly必將受到了限制，即壓氣機級的壓縮比受到了限制。當(dāng)我們觀察圖5-9所示的透平級的速度三角形，并分析式(5-7)時，可以發(fā)現(xiàn)：由于在透平葉柵中氣流的膨脹加速過程，附面層的厚度較薄，不易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象，氣流的折轉(zhuǎn)角可以設(shè)計得很大，即lt遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ly，因而透平級的膨脹比就可以加大很多，而級的效率卻仍然能夠保持相當(dāng)高的水平。這就是為什么壓氣機的效率要比透平低，對壓氣機葉型的要求要比對透平葉型高，以及在整臺燃?xì)廨啓C中，為什么壓氣機的級數(shù)一定要比燃?xì)馔钙蕉嗟枚嗟闹饕蛩?。燃?xì)馔钙降奶匦郧€與壓氣機相類似，燃?xì)馔钙降募壱彩且幌盗谢壇B置而成的。透平級的性能也可以用流經(jīng)透平級的燃?xì)饬髁?㎏/s)、膨脹比δ*和等熵膨脹效率η*t(或ηt)等這些參數(shù)來描寫。同理，由許多個級串聯(lián)而成的多級燃?xì)馔钙降男阅?，也必然可以用以上這些參數(shù)的綜合值來表示。當(dāng)燃?xì)馔钙皆诜窃O(shè)計的工況運行時，流經(jīng)透平的燃?xì)饬髁?、燃?xì)獬鯗豑*3和初壓p*3、膨脹比δ*(或δ)、透平的轉(zhuǎn)速nt、效率η*t(或ηt)以及功率，都會發(fā)生相應(yīng)的變化。但是，研究表明；當(dāng)流經(jīng)透平的燃?xì)鈪?shù)、T*3、p*3和δ*已定時，透平的運行工況點也就被完全確定了。那時，透平的轉(zhuǎn)速nt、效率η*t(或ηt)和功率pt，必然也會有一個完全確定的數(shù)值。研究燃?xì)馔钙教匦郧€的實質(zhì)就是在于：探討在透平變工況的條件下如何正確地確定、T*3、p*3、δ*(或δ)、nt、η*t(或ηt)這些參數(shù)之間的定量關(guān)系問題。圖5-35中給出了一張當(dāng)燃?xì)獾某鯀?shù)p*3和T*3恒定不變時，透平的相對體積流量和效率η*t與透平膨脹比δ*和相對轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系圖。(圖中eq\o(\s\up5(-),\s\do2(Gv))=Gv/Gv0eq\o(\s\up5(–),\s\do2(nt))=nt/nt0下腳“0”表示設(shè)計工況下的參數(shù))圖5-35T3*和p3*=常數(shù)時透平的變工況特性曲線由圖可知，當(dāng)透平轉(zhuǎn)速維持恒定不變時，隨著膨脹比δ*的增高，流經(jīng)透平的燃?xì)怏w積流量Gv(m3/s)將隨之增大；透平的效率η*t也有相當(dāng)幅度的變化；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，為了流過同量的燃?xì)怏w積流量Gv，透平的膨脹比δ*必須有所增大，也就是說，燃?xì)饬鹘?jīng)透平時所必須克服的阻力加大了。試驗表明：當(dāng)燃?xì)獬鯗豑*3和轉(zhuǎn)速nt恒定不變時，不論燃?xì)獾某鯄簆*3如何改變，為了流過同量的燃?xì)怏w積流量Gv所必須保證的透平膨脹比δ*將是相同的。這就是說，圖5-35所示的變工況特性曲線，對于T*3=常數(shù)，而p*3不斷改變的運行情況來說，是可以彼此通用的。然而，對于圖5-35那樣的透平變工況特性曲線來說，當(dāng)燃?xì)獾某鯄簆*3和轉(zhuǎn)速nt恒定不變時，隨著燃?xì)獬鯗豑*3的增高，為了流過同量的燃?xì)怏w積流量Gv所必須保證的透平膨脹比δ*就可以適當(dāng)降低。也就是說：當(dāng)透平的膨脹比δ*相同時，能夠流過透平的Gv就會適當(dāng)增大。這就意味著：圖5-35中nt=常數(shù)的等轉(zhuǎn)速線，將會隨著T*3的增高而向左上側(cè)方向位移。反之，當(dāng)T*3降低時，等轉(zhuǎn)速線將會朝右下側(cè)方向位移。由此可見，圖5-35那樣的透平變工況特性曲線，對于不同的燃?xì)獬鯗豑*3來說，是不能彼此通用的。經(jīng)過大量的研究和理論分析，人們最終發(fā)現(xiàn)：假如把透平的變工況特性統(tǒng)一地用和。這四個折合參數(shù)來概括，即(5-52)那么，透平的變工況特性曲線就是一組很簡單的曲線族。那時，不論燃?xì)獬鯗豑*3和初壓p*3如何變化，都可以在同一張?zhí)匦郧€圖上，確定出透平的工況點及其特性參數(shù)。這張?zhí)匦郧€圖一般稱為透平的通用特性曲線。圖5-36中給出了透平通用特性曲線的幾種表示方法，其中以圖5-36c所示的那種曲線形式應(yīng)用得最為廣泛。從這張圖上可以看到透平的變工況特性具有以下一些特點：在表征透平工作特性的四個參數(shù)：和中，當(dāng)和這兩個參數(shù)或者是和這兩個參數(shù)確定后，那么，其他兩個參數(shù)也就相應(yīng)地確定不變了。那時，透平就有一個完全確定不變的運行工況，這就是說，決定透平運行工況點及其工作特性的獨立參變量只有兩個。(2)當(dāng)透平的幾何尺寸已定時，氣流流經(jīng)透平的通流能力(又稱為折合流量)，不僅與透平的膨脹比δ*有關(guān)，而且還與透平的折合轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系。(3)當(dāng)透平的折合轉(zhuǎn)速恒定不變時，隨著透平膨脹比δ*的增高，透平的通流能力就會逐漸增大。但是，當(dāng)δ*提高到與臨界流動邊界上的極限膨脹比相同時，由于透平級中氣流的速度達(dá)到了聲速條件，透平的通流能力也將達(dá)到某個極限值。此后，再也不能隨δ*的增高而繼續(xù)加大了?？墒?，極限膨脹比的數(shù)值卻與透平的折合轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系。在一定的范圍內(nèi)，極限膨脹比將隨著的增大而增高；但當(dāng)超過某個a)常數(shù)時，b)常數(shù)時，，c)通用特性曲線圖5-36透平通用特性曲線的幾種表示方法數(shù)值后，極限膨脹比卻反而會隨的增大而有所下降。造成這個現(xiàn)象的主要原因是：透平級中氣流膨脹過程的反動度Ωt是會隨著的改變而相應(yīng)地有所變化的緣故。(4)當(dāng)δ*恒定不變時，對透平通流能力也是有一定影響的。當(dāng)較小時，隨著的增高，透平的通流能力將逐漸減小，但當(dāng)超過某個數(shù)值后，隨著的進(jìn)一步提高，反而會有所增大。造成這個現(xiàn)象的主要原因也在于：透平級中氣流膨脹過程的反動度Ωt將會由于值的改變而相應(yīng)地有所變化的緣故。(5)在每一條=常數(shù)的等折合轉(zhuǎn)速線上，透平具有一個最佳效率ηt*的運行點。當(dāng)流經(jīng)透平的折合流量，無論是從增大或是減小的方向偏離最佳效率運行點所對應(yīng)的數(shù)值時，透平效率ηt*都會有所降低。掌握透平變工況特性的上述特點，對于我們進(jìn)一步分析整臺燃?xì)廨啓C的變工況特性是很有幫助的。當(dāng)然，對于幾何尺寸已經(jīng)設(shè)計確定的透平來說，其通用特性曲線也就完全確定不變了。軸流式壓氣機與軸流式透平的比較通過第3章和本章的討論，我們可以看出：軸流式壓氣機與軸流式燃?xì)馔钙?，無論在結(jié)構(gòu)上