叶轮机械原理-演示文稿(1).ppt

西安交通大学能源与动力工程学院动力机械及工程系王新军,热力叶轮机械原理PrincipleofThermalTurbomachinery,1.6叶栅气流特性,实际流动导致汽流在叶栅通道内的流动有损失：,损失的大小是通过速度系数和来体现的；,和是表示粘性力对理想流动的影响，是一个总体影响的表征；,没有深入说明流动损失产生的原因、影响损失的因素以及损失产生的物理本质。,叶型型线叶型中线叶型前缘点叶型后缘点叶型弦长弯曲角出口边厚度等截面叶片变截面叶片,1）叶栅/叶片的几何参数,一、叶栅的型式及几何参数,叶片的截面形状。,叶型周线（轮廓线）。,叶型内各内切圆圆心的轨迹线。,叶型中线的前端点。,叶型中线的后端点。,叶型前缘点与后缘点间的距离。,叶型中线两端点处切线的夹角。,叶型尾部出汽边的厚度。,叶片型线沿叶高不变的叶片。,叶片型线沿叶高变化的叶片。,叶栅平均直径：叶片高度:相对叶高:叶栅节距:相对节距:叶片安装角:叶片的进口几何角:叶片的出口几何角:叶栅宽度:叶栅进、中间、出口通道的宽度:,叶片弦长、叶高、型线平均直径、节距、安装角,叶片中间截面的直径。,叶片通流部分高度。叶高与弦长的比值。,叶栅中相邻两叶片对应点的距离。节距与弦长的比值。,叶型弦线与叶栅额线的夹角。,叶型中线前端点切线与额线的夹角。叶型中线后端点切线与额线的夹角。,叶栅前、后回转面间的距离。,三处内切圆的直径。,确定了叶片的大小、形状确定了叶片的相对位置,2）气动参数,表示方向：气流进、出汽角（）叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。,冲角（攻角）叶栅进口几何角与气流角的差值。,喷管：,动叶：,表示大小：,气流速度：叶栅进、出口的气流绝对速度或相对气流速度。,气流马赫数：,气流雷诺数：（）,速比：（）,二、叶栅损失及叶栅实验,1）叶栅能量损失的构成,型面损失：,叶型表面上产生的损失,端部损失：,叶栅通道上、下两端面处产生的损失,冲波损失：,在近音速和超音速气流中产生的波损,2）叶栅能量损失的衡量（两种方法）：,叶栅能量损失系数：,叶栅速度系数：,能量损失系数与速度系数的互相转换：,图1.29平面叶栅风洞实验台示意图,3）叶栅试验,试验叶栅,测点,测点,网格,加速段,实验内容:,叶型表面压力分布,叶栅出口截面各点的速度,叶栅出口气流的实际方向,目的：分析叶栅中损失产生的位置和原因，确定改进叶型几何结构，减少流动损失，提高叶栅流动效率。,目的：确定气流流线上的速度大小及流动损失，获得叶栅通道内的叶栅各项损失和总损失。,目的：确定气流出口角度随各参数的变化规律。,三、压力分布曲线,横坐标：叶型表面各测点的相对位置,纵坐标：叶型表面压力系数,静叶：,动叶：,(a)膨胀式叶栅压力分布曲线,理想情况下（如虚线所示）：驻点：速度为零，压力系数：,离开驻点：压力沿叶栅的背面和腹面均匀下降，出口压力系数：;速度逐渐增大。,实际情况下（如实线所示）：,驻点：压力系数,背弧压力系数：快速下降；缓慢变化；快速下降至过度；恢复至,图1.30冲击式叶栅的压力分布曲线,图1.31冲击式叶栅表面的压力分布图,叶型表面压力矢量图,说明：叶片背面至腹面的两相应点之间，存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源；气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。,四、型面损失和冲波损失,型面损失：叶型表面附近产生的损失。,叶型表面边界层中的摩擦损失；,边界层脱离叶片表面形成的涡流损失；,叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。,叶型表面边界层中的摩擦损失,原因：粘性摩擦阻力,位置：整个叶片表面附近,边界层脱离叶片表面形成的涡流损失；,原因：扩压流动，边界层脱离壁面，形成涡流。,位置：扩压段区域，主要在叶型背面接近出口边处。,叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。,原因：叶片出口边两股气流汇合，形成旋涡。,位置：叶栅出口后的一段区域,冲波损失：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。,位置：激波产生的区域,原因：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。,型面损失的影响因素,叶几栅何主参要数,气特流性,加工工艺：,叶栅类型（膨胀式/冲动式叶栅）,叶型进、出口几何角（）,节距（相对节距）,安装角（）,叶片出口边厚度（）,气流马赫数M、气流雷诺数Re,气流进口角(攻角),气流湍流度,叶型表面加工的粗糙度,图1.34膨胀式叶栅压力分布曲线及损失系数,主要影响型面损失的因素：,当进口汽流角在范围变化时，压力分布变化不大，对型面损失的影响较小。,当进口汽流角下降到45时，扩压段增大，型面损失增大。,叶型进口气流角度/攻角的影响,叶栅相对节距对型面损失的影响,当时，流量增大；背弧扩压段增大；边界层增厚，甚至脱离；型面损失系数增大。,当时，背弧扩压段减小，边界层中的损失减小；边界层及尾迹区在叶栅通道比例增大，型面损失系数增大。,图1.36马赫数对叶型损失系数的影响,气流马赫数M对型面损失的影响,在下，叶栅通道内局部发生超音速，产生冲波损失；且冲波可能导致边界层脱离，使尾迹区损失增大。,随马赫数着的进一步增大，激波后压力高于叶栅出口压力，可以改善背弧出口边附近的流动，总损失也随之下降。,五、端部次流损失,1）端部损失产生的原因和位置,叶栅通道的四个组成表面：,叶栅通道上、下两端面边界层中的摩擦损失,叶栅通道上、下两端部产生的涡流损失（次流损失）。,端部损失：叶栅通道上、下两端面处产生的能量损失。,原因：汽流在叶栅通道上、下两端面形成边界层。由于粘性摩擦而产生能量损失。,位置：叶栅通道的上、下两个端面附近。,原因：叶栅上、下两端形成的两个旋涡区，引起可观的能量损失次流损失。,位置：叶栅通道的上、下两个端部涡流区域。,(a)双旋涡示意图(b)边界层和压力分布示意图1-内弧；2-背弧；3-压力图；4-边界层增厚区；5-双旋涡图1.37叶栅中的次流图谱,叶型损失,二次流损失,图1.37叶栅中二次流示意图,二次流损失：模型1,二次流损失：模型2,二次流损失：模型3,二次流损失：模型4,2）端部损失的计算,叶栅损失系数=型面（含冲波）损失系数+端部损失系数,叶高平均损失系数,叶高平均端部损失系数,叶栅速度系数：（喷管）（动叶）,3）端部二次流损失的主要影响因素,相对叶高对端部损失的影响,当,当,当,：上、下两个端部旋涡正好汇合；,：端部二次流结构不会发生任何变化。端部损失的绝对值保持不变。端部损失系数平均值反比于叶高。,：上、下两个旋涡互相重叠、干扰和强化。端部损失绝对值和平均值都增大。端部损失系数随叶高减小急剧增大。,叶栅型式对端部损失的影响,结论：膨胀式叶栅的端部损失冲动式叶栅的端部损失,原因：冲动式叶栅的转角和厚度较大，汽流产生的离心力强，使叶型腹面压力远大于背面压力，造成强烈的二次流，涡流损失大。,冲动式叶栅出口扩压段大，边界层厚度增大，汽流分离情况严重，相应的能量损失也大。,六、叶栅出口气流角（）,主要影响因素：,叶栅相对节距对出口气流角的影响,叶型安装角（）对出口气流角的影响,结论：叶型安装角出口汽流角正比增大,马赫数M出口气流角的影响,结论：在MMcr时，M出口汽流角,结论：相对节距出口汽流角（）,七、环形叶栅及其损失,1）环形叶栅的特点及损失,环形叶栅的相对节距不是一个常数，而是随半径成正比的增大。,带来额外流动损失,环形叶栅中汽流的运动轨迹是螺旋形运动,带来额外流动损失,环形损失：环形叶栅中产生的额外损失（损失增加部分）,2）环形损失的计算,经验公式：,说明：当径高比时，在总损失系数中所占比例很小，可以忽略；当径高比时，在总损失系数中所占比例大，应考虑环形损失的影响。,1.7叶栅试验数据的应用,一、试验数据的表达方式,平面叶栅空气动力特性指标与影响因素,型面损失端部损失出口汽流角,特性指标,影响因素,叶栅相对节距叶栅相对叶高安装角,叶栅试验数据表达方法1（三幅主曲线图+二幅修正曲线图）,主曲线图,叶栅出口汽流角曲线图：,叶栅型面损失系数曲线图：,叶栅端部损失系数曲线图：,辅助曲线,叶栅出口汽流马赫数M对损失系数的修正曲线,叶栅进口汽流角（攻角）对损失系数的修正曲线,叶栅试验数据表达方法2（二幅主曲线图+三幅修正曲线图）,主曲线图,叶栅出口汽流角曲线图：,叶栅总损失系数曲线图：,辅助曲线,叶栅出口汽流马赫数对损失系数的修正曲线：,叶栅进口汽流角（攻角）对损失系数的修正曲线：,叶栅相对节距对损失系数的修正曲线：,图1.40国产HQ叶型及动力特性曲线,HQ-1（动叶）,HQ-2（静叶）,图1.41原苏联的叶型及动力特性曲线,P-3021A型（动叶）,C-9012A型（静叶）,二、试验数据的应用,选择喷管叶栅和动叶栅的型式，并确定两个叶栅的叶片高度；,透平级的热力计算（包括：级速度三角形计算、轮周功率和轮周效率等的计算）。,两方面工作：,计算特点：叶栅型式选择受到级气动参数的影响；热力计算又需要叶栅的特性试验曲线；整个热力设计过程是一个迭代过程。,1）透平级的热力设计参数,直接给定的参数,选定的参数,透平级的进口蒸汽状态参数：,透平级的出口压力：,透平级的转速：,透平级的流量或功率：,透平级的反动度：,透平级的速比：,喷管出口汽流角度：,动叶出口汽流角度：,计算确定的参数：,气动参数：速度三角形；轮周功率和轮周效率计算；内功率和内效率等的计算。,几何参数：喷管和动叶的叶型；透平级的平均直径；喷管和动叶的叶片高度；部分进汽度,2）透平级的热力设计过程（初步计算迭代计算）,初步计算：,初步选取喷管叶栅和动叶叶栅的速度系数,确定喷管出口汽流速度c1,确定级的平均直径dm,透平级速度三角形计算,确定：（进口速度三角形）（出口速度三角形）,初步确定喷管叶栅通流面积、叶片高度和部分进汽度,喷管叶栅通流面积：,喷管叶栅所占弧段长度与级平均直径处圆周长度的比值,部分进汽度：,叶片高度：,初步确定动叶栅通流面积和动叶栅高度,动叶栅通流面积：,动叶叶高：,确定透平级的超高,超高：1.54.0mm，,则需要重新选择反动度；从开始重新计算直到满足。,选择喷管叶栅和动叶栅型式，并初步确定喷管叶栅和动叶栅的相对节距、安装角,根据初步计算的气动参数,选择合适的喷管叶栅和动叶栅,根据叶栅特性试验曲线及数据,初步确定喷管/动叶叶栅的相对节距,根据汽流角度和相对节距,在叶型特性曲线查出和。,初步确定叶栅内的流动损失系数和速度系数,根据初步计算的叶高确定的相对节距查出的安装角,在叶栅特性曲线分别查出：型面损失系数：端部损失系数：,喷管能量损失系数：动叶能量损失系数：,喷管速度系数：动叶速度系数：,将得到的速度系