华科大能源与动力装置基础课件第2章 叶片机械（透平机械）

第二章叶片机械（透平机械）结构简单（主体部件少）理论复杂用途广泛目前单机水平最大流量：660000m3/min(风机)

最高功率：8万Kw(风机)，

130万Kw(汽轮机组)

最大转速：80万r/min(膨胀机)特点：流量大、功率大、转速高；连续流动；易损件少概况第一节典型结构和级一、典型结构叶轮蜗壳进口1、单级单吸悬臂离心泵转轴轴承轴承2、单级双吸水平中开式离心泵叶轮蜗壳进口进口转轴轴承轴承3、多级（4级）离心泵转轴键4、单级离心通风机特点：板金结构转轴轴承轴承5、增压器（单级压缩机，单级涡轮机）

5-压缩机叶轮(离心)6-扩压器7-空气进口8-出口离心压缩机1-燃气进口2-喷嘴3-涡轮叶轮(轴流)4-出口轴流涡轮机6、空调用膨胀机

（单级压缩机，单级膨胀机）

飞机上用两个相同的径流叶轮叶轮叶轮1-空气入口2-压气机(17级)3-燃油4-燃烧室

5-涡轮(3级)6-喷管7、涡轮喷气发动机原理简图静叶动叶静叶动叶二、级（定义和表示）一个旋转叶轮+固定元件(扩压器或导叶或喷嘴、蜗壳等)或者动叶栅+静叶栅定义分类常用径流级轴流级叶轮叶轮叶轮叶轮蜗壳蜗壳扩压器扩压器喷嘴喷嘴蜗壳径向工作机径向原动机1、

径流级（常用子午面和径向面表示）◆子午面——通过旋转轴的平面，也称为轴面；面上叶片为旋转投影。◆径向面则是垂直于旋转轴的平面。

2、轴流级（常用子午面和周向面表示）工作机级原动机级叶轮喷嘴后导叶动叶栅动叶栅静叶栅后导叶静叶栅喷嘴子午面周向展开面原动机级工作机级一.叶轮进出口速度三角形1.

矢量定义：◆速度——绝对c、相对w、牵连u◆叶轮旋转才有速度三角形2.

标量关系：◆cu=c·cos(α)=u-cm·

ctg(β)◆α—绝对速度c与周向速度u的夹角◆β—相对速度w与周向速度u的反(正)方向夹角αβ第二节叶轮中能量转换欧美表示反向u

正向αβWucβ3、一般由下面三个条件画出：底边u:u=2πrn/60底边u上的高cm:cm=qm/(ρF)某角度或线段：例如Wuc高cmαβcu进口的α1(或β1):与叶轮前导叶出口α1b有关出口的β

2(或cu2):与叶轮出口叶片角β2b等参数有关cm=wm=哪个分量

?cu=cm·tg(α)=u-cm·

ctg(β)离心叶轮速度三角形例1：叶轮的流量qv=56700m3/h,转速n=2900rpm,出口直径D2=0.88m,出口宽度b2=0.182m,出口角β2=β2b=50o,进口直径D1=0.6m,宽度b1=0.21m,进口无预旋(c1u=0)，不可压缩流体，请计算有关参数，并画出进出口速度三角形？(离心叶轮)解:⑴边u1=πD1n/60=91.1m/s;u2=πD2n/60=133.6m/s;⑵u边上的高c1m=c1r=qv/(πD1b1)=39.79m/sc2m=c2r=qv/(πD2b2)=32.06m/s⑶c1u=0

或α1=90o，进口为直角速度三角形β2=β2b=50o，或W2u

=c2r

ctg

β2=27.35m/s或c2u=u2-c2r

ctg

β2=106.25m/s例1图u1=91.1c1=c1r=39.79w1c2r=32.06u2=133.6w2c2w2uc2u=u2-w2u=27.35u的反方向β2=50o

动叶栅原动机动叶栅工作机轴流叶轮速度三角形涡轮机进、出口速度三角形例2、轴流叶轮的流量qv=38m3/s，叶片顶部直径Dt=1.5m，根部直径Dh=1.05m，转速n=960rpm,气流转折角β2-β1=15o，进口无预旋，不可压缩流体，请计算叶片平均面上有关参数，并画出进出口速度三角形？解：在叶片平均面上，平均直径为Dm=(Dt*Dh)0.5⑴边u1=u2=πDmn/60=63.08m/s;

⑵高c1z=c2z=qv/[π(Dt2-Dh2)]=42.14m/s

⑶α1=90o，进口为直角速度三角形；

由β1=arctg(c1r/u1)=33.745o得β2=β1+(β2-β1)=48.745o；

或计算w2u=c2z

ctg

β2=36.96m/s

或计算c2u都是为定底边上的一个点例2图c1=c1r=c2rw1w2c2w2uc2u=u2-w2uw1u-w2uc2u-c1uu=u2u=u1等高、等底的进出口速度三角形；w1u-w2u=c2u-c1u

决定如下情况的机器形式，画出各叶轮进出口速度三角形，分析其特点。

①u1=u2=100m/s，w1=115m/s，α1=90°，w2=60m/s，轴向分速为常数，β2<90°。

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。例2-1.解：①u1=u2

是轴流式机械，w1>w2为扩压的工作机。由图u=-w1u+c1u=-w2u+c2u

所以w2u-w1u=c2u-

c1u=

△cu；

w2z=w1z=c2z=

c1z=

c1m

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，

u1=лd1n/60=335.1m/s,u2=(d2/d1)u1=134.04m/s；

u1>u2

是径流式机械，一般为膨胀的原动机。c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。4.绝对速度分量：cm=cr?cm=cz

?第三节一元流动分析一元：以流道中心线为坐标，垂直该线的截面上参数取平均值讨论：级中流动参数变化；级或机器的性能；一、级中流体参数的变化（级工作原理概述）1、单级离心压缩机、通风机(泵)=cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)=

h2*-h1*=cp(T2*-T1*

)由能量方程式：W

=∫dp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW滞止压力p*=p+ρc2/2

加速加减接近等速功速2、单级轴流水轮机（原动机）：活动导叶叶轮扩压器固定导叶速度总水头静水头δHhyh等速加速减速减速3、反动式汽轮机

(9级)工质的绝对速度c有9次增加后又降低的过程（进入导叶喷嘴速度增大，叶轮中速度下降），而静焓、压力随流动方向逐步下降。动叶静焓h压力p速度C转轴机壳静叶二.级和机器的性能参数性能参数流量:质量qm

(kg/s),容积qv(m3/s,m3/M,m3/h)

能量头有关量:h(J/kg)，焓差，压力(膨胀)比等经济性评价量:效率η等总能量:

功率P(J/s)有时还有噪声、转速等量关联式：P=h

qm/η(工作机)P=h

qm*η

(原动机)能量头h的表示、分类！1.能量头有关量:能量头h(J/kg)，功w(J/kg)，焓差Δh(J/kg),扬程H（m）,压力差Δp(N/m2),

压力(或膨胀)比，J/kg=Nm/kg=kg

(m/s2)m/kg=(m/s2)m;h=gHJ/kg=Nm/kg=

(N/m2)/(kg/m3);h=Δp/ρH=h/gΔp=ρh

◆工作机：多变能量头hpol

=∫12dp/ρ（气体有效能）级或机器进出口的Δc2/2≈0，仅考虑h=hth则：◆原动机：等熵能量头hs

=–(∫12dp/ρ)s(气体等熵焓降）

轮周功hu

=hth=hs

–δhhyh◆理论能量头±

hth

=∫12dp/ρ+

δhhyh

hth=hpol

+δhhyh叶轮内表面作功hth

(hu

)由伯努利方程±

w=±h

=∫12dp/ρ+Δc2/2+

Σδh

工作机取+原动机取-hth=气体有效能变化±δhhyh

两种过程效率?轮盘摩擦损失轮盘摩擦损失内泄露损失δhrδhv◆内总能量头

htot(hi)

=hth

±

非流道损失(如δhv+δhr)汽轮机的非流道损失为讲义p88的级内损失（已除了流道损失后介绍了6项）=有效能变化±δhhyh

±

非流道损失(如δhv+δhr)是否为与外界交换的总能量头？hs原动机he工作机流动损失δhhyh

外泄露损失δhvo

内泄露损失δhv

轮盘摩擦损失δhr

轴承摩擦损失δhm

原动机hehpolhthhtot用图表示各种能量头和损失的关系<

hth

<htot<he

he<hu<hi<huhi、◆与外界交换的总能量头

he=htot

(hi)

±

外部损失能量头：多变能量头hpol、等熵能量头hs

理论能量头hth、轮周功hu

总能量头htot(

hi)、he等注：用焓差表示能量头：等熵焓降Δhs

=等熵能量头hs

有效焓降Δ

hn=轮周功hu

总焓降Δ

ht等=总能量头htot

(

hi)、he等流体有效理论实际交换能(机械功)=流体有效能变化±有关损失

=不同定义的能量头;原动机取-，工作机取+损失分类损失内容有效能变化交换能效率总

损

失

δht内部损失

δhi

流道损失

水力损失δhhyh

原动机

hs工作机hpol

huhth轮周效率ηu流动效率ηhyh

内效率ηi多变效率ηpol

外部效率ηe

非流道损失级内露损失δhv

轮阻损失δhr等hihtot外部损失δhe

外露损失

δhvohehe机械损失

轴承等摩擦损失δhm

2.

效率和损失的分类效率η=得到能量/消耗能量；原动机得到机械功，工作机消耗机械功习题12．

离心风机转速3000rpm，叶轮内外半径分为25、40cm，叶片进口宽度为8cm，出口流体相对流动角为90˚，叶轮进口绝对速度是径向的并等于出口径向速度100m/s，流动效率70%，空气密度不变，等于1.2kg/m3。求机器产生的压力和所需要的内功率？(δhv+δhr

=0.03hth)解：压力与能量头有关，用欧拉方程计算hth（欧拉功）出口：u2=nπD2/60=30002π0.4/60=125.66m/s

因β2=90°,所以cu2=u2进口：cu1=0;hth=125.662=15790J/kghth0.7=11053J/kg=Δp/ρΔp=110531.2=13264Pahtot=hth+δhv+δhr

=1.03hthqm=ρc1r2πr1b1=15.08kg/sP=qm

htot=245244W=245kw习题13．

由如下参数确定级中流体有效能量的变化值、无限多叶片时的殴拉功hth∞和有限多叶片时的殴拉功hth：a)径向向心透平转速24000rpm,叶轮内外直径分为15、30cm，叶片进出口几何角分为70˚、-25˚，进出口流体相对流动角分为75˚、-35˚，叶轮进出口径向速度100m/s，流动效率91%。b)轴流风机周向速度100m/s,叶片进出口几何角分为45˚、80˚，进出口流体相对流动角分为40˚、75˚，叶轮进出口轴向速度100m/s，流动效率82%。解：欧拉方程中u、cu最好通过速度Δ先找到计