发动机原理：第二章5节涡轮

1、第二章发动机部件工作原理,第二章发动机部件工作原理,第一节 气动热力基础 第二节进气道 第三节尾喷管 第四节压气机 第五节涡轮 第六节燃烧室,2021年1月19日,2,第五节 涡轮,一、生活中的叶轮机 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船,2021年1月19日,3,一、生活中的叶轮机,电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气,2021年1月19日,4,一、生活中的叶轮机,风力发电机： 空气的动能转化为电能； 发动机的涡轮： 燃气的热能转化为机械能,2021年1月19日,5,一、生活中的叶轮机,20

2、21年1月19日,6,一、生活中的叶轮机,高压涡轮,2021年1月19日,7,一、生活中的叶轮机,低压涡轮,2021年1月19日,8,二、功能、工作环境及设计要求,功能 将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率。 带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。 工作环境 高温: 热负荷(1600-1950K) 高速转动: 离心负荷 高气动负荷: 气动力、气动力矩 轴负荷： 传递巨大的扭矩,2021年1月19日,9,二、功能、工作环境及设计要求,设计要求 提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻。 涡轮温度要求 燃气：1500-1900K 叶片：1150K 叶盘：950K 轴承：500K,202

3、1年1月19日,10,二、功能、工作环境及设计要求,2021年1月19日,11,三、工作原理,1、组成 静子（导向器） 静子叶片 内、外环 转子 工作叶片 盘 轴 排列方式：静子在前，转子在后,2021年1月19日,12,三、工作原理,2、涡轮基元级平面叶栅,2021年1月19日,13,三、工作原理,3、作功原理 导向器 高温高压气体在导向器中 膨胀加速 焓 动能 工作叶轮 高速气流冲击工作叶轮， 使叶轮高速转动，发出功率。 动能机械能,2021年1月19日,14,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 截面 0 静叶进口 1 静叶出口 （动叶进口） 2 动叶出口,2021年1月19日,15,

4、三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 静叶栅（导向器,2021年1月19日,16,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气流在静叶栅中的流动 伯努利方程 V1 V0 dp 0,2021年1月19日,17,对于亚音气流，要加速必须经过收敛型叶栅通道,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气流在静叶栅中的流动 叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道 在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向,2021年1月19日,18,压气机 （减速增压,涡轮 （增速减压,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气流在静叶栅中的流动 在叶栅通道出口处为最小截面， 称为喉道截面； 在喉道截面处，气流通常达到 当地音速； 在

5、临界截面后气流进一步加速， 以超音速进入工作轮； 静子叶片起导向作用又称为导向器,2021年1月19日,19,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 动叶栅,2021年1月19日,20,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 速度三角形（进口）： 气流流向动叶的绝对速度V1； 叶片转动切线速度为U1； 气流进入动叶的相对速度为W1。 速度三角形（出口）： 气流流出动叶的相对速度为W2； 叶片转动切线速度为U2； 气流流出动叶的绝对速度为V2,2021年1月19日,21,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 将进、出口速度三角形叠画在一起,W和V

6、均向背离转动方向发生偏转 相对速度增加：W2 W1（气体增速降压） 绝对速度下降：V2 V1（动能机械能,2021年1月19日,22,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（相对坐标系） dp W1,2021年1月19日,23,叶型弯曲形成收敛通道， 相对速度增加，压力降低,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（绝对坐标系） 两式想减，得,2021年1月19日,24,涡轮对外输出轮缘功绝对动能增量+相对动能增量,绝对动能 机械能 相对动能 膨胀加速 ，产生反作用力,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 气体在动叶栅中的

7、流动： 由于气流在涡轮中作膨胀加速流动,气流不易分离，因此允许气流的转角较大。 一级涡轮输出功率可以带动多级压气机,2021年1月19日,25,涡轮,压气机,三、工作原理,5、涡轮级 涡轮级沿叶高由基元级 叠加而成； 因沿叶高的切线速度 大小不同，相对速度 大小和方向均不同， 速度三角形不同； 沿叶高叶片是扭转的,2021年1月19日,26,三、工作原理,6、全台涡轮 沿发动机轴向为扩张形气流通道,2021年1月19日,27,四、热力过程及主要参数,1、热力过程 理想情况： 绝热等熵膨胀 实际情况： 多变膨胀,2021年1月19日,28,h,S,3,4i,4,P3,P4,理想膨胀功,实际膨胀功

8、,四、热力过程及主要参数,2、主要参数 膨胀比： 流量： 转速： 绝热效率,2021年1月19日,29,四、热力过程及主要参数,练习题（判断） 若涡轮进口气流参数和涡轮膨胀比保持不变，则涡轮出口总温越高，涡轮效率也越高。 错，参见h-s图,2021年1月19日,30,五、涡轮特性,依据相似理论，涡轮性能参数可以表示为,2021年1月19日,31,3,4,五、涡轮特性,特性： 亚临界状态 涡轮相似流量随膨胀比 的增加而增加 超临界状态 涡轮相似流量与膨胀比 和相似转速无关,2021年1月19日,32,五、涡轮特性,压气机特性与涡轮特性对比： 压气机工作于设计状态，相似流量与相似转速和增压比有关； 涡轮工作于设计状态，相似流量与相似转速和膨胀比无关,2021年1月19日,33,增压比