涡轮基本原理学习教案

1、会计学1涡轮基本原理涡轮基本原理第一页，共130页。通常情况下，涡轮级都具有上面的结构形式。也存在一些结构形式特殊的涡轮，比如在高压冲动式蒸汽轮机上，静子叶片可能用一组离散喷嘴代替。在实际应用中，使用单级涡轮不能发出足够的功量，在这种情况下需要设计几级甚至很多级涡轮。这些涡轮级可称为高压级、中压级和低压级。这些 涡 轮 级 可 能 在 不 同 的 轴 上 ， 因 此 旋 转(xunzhun)速度也不相同。 第1页/共129页第二页，共130页。多级涡轮第2页/共129页第三页，共130页。第3页/共129页第四页，共130页。涡轮种类涡轮种类涡轮种类的划分形式有很多种涡轮种类的划分形式有很多种

2、根据工质的不同可以分为水利透平、蒸汽透平和燃气透根据工质的不同可以分为水利透平、蒸汽透平和燃气透平。平。水利透平用于水利发电，工质是水。水利透平用于水利发电，工质是水。蒸汽透平多用于火电站和核电站发电。来自于锅炉的高蒸汽透平多用于火电站和核电站发电。来自于锅炉的高温高压蒸汽在由很多级涡轮组成的蒸汽轮机中膨胀，推温高压蒸汽在由很多级涡轮组成的蒸汽轮机中膨胀，推动蒸汽透平转动动蒸汽透平转动(zhun dng)(zhun dng)，透平带动发电机发电。，透平带动发电机发电。在电场使用的蒸汽透平多超过在电场使用的蒸汽透平多超过3030级左右，这些涡轮级都级左右，这些涡轮级都安装在同一根轴上，即使这样，

3、常把蒸汽透平分成高压、安装在同一根轴上，即使这样，常把蒸汽透平分成高压、中压和低压三部分。由于蒸汽透平内的蒸汽膨胀比非常中压和低压三部分。由于蒸汽透平内的蒸汽膨胀比非常大，低压透平级的叶片高度是高压透平叶片的高度的很大，低压透平级的叶片高度是高压透平叶片的高度的很多倍。多倍。第4页/共129页第五页，共130页。蒸汽透平(tu pn)图片第5页/共129页第六页，共130页。第6页/共129页第七页，共130页。第7页/共129页第八页，共130页。蒸汽(zhn q)透平图片第8页/共129页第九页，共130页。火电厂工作(gngzu)过程第9页/共129页第十页，共130页。第10页/共12

4、9页第十一页，共130页。第11页/共129页第十二页，共130页。第12页/共129页第十三页，共130页。第13页/共129页第十四页，共130页。第14页/共129页第十五页，共130页。大亚湾核电站第15页/共129页第十六页，共130页。第16页/共129页第十七页，共130页。第17页/共129页第十八页，共130页。第18页/共129页第十九页，共130页。第19页/共129页第二十页，共130页。第20页/共129页第二十一页，共130页。第21页/共129页第二十二页，共130页。涡轮种类涡轮种类燃气涡轮燃气涡轮在燃气轮机上，进入涡轮的工质是燃烧室排出的高温高压在燃气轮机上，

5、进入涡轮的工质是燃烧室排出的高温高压燃气。燃气。早期燃气轮机是作为飞机动力发展起来的，后来在地面发早期燃气轮机是作为飞机动力发展起来的，后来在地面发电上也得到了广泛的应用。电上也得到了广泛的应用。在现代高涵道比涡轮风扇发动机上，高压涡轮级为一级和在现代高涵道比涡轮风扇发动机上，高压涡轮级为一级和两级组成两级组成(z chn)(z chn)，低压涡轮多为三级、四级、甚至五，低压涡轮多为三级、四级、甚至五级组成级组成(z chn)(z chn)。高压涡轮和低压涡轮被安装在不同的。高压涡轮和低压涡轮被安装在不同的转子轴上，这样增加了发动机工作的灵活性，这样可以使转子轴上，这样增加了发动机工作的灵活性

6、，这样可以使高低压压气机和高低压涡轮工作在最佳的工作状态下。高低压压气机和高低压涡轮工作在最佳的工作状态下。 燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压涡轮驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，涡轮驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，还有发电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。还有发电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。 第22页/共129页第二十三页，共130页。涡轮种类涡轮种类带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片带有叶冠形式的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。带有叶冠形式

7、的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶片根部片根部(n b)应力。应力。绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。第23页/共129页第二十四页，共130页。涡轮种类涡轮种类亚声速涡轮和超声速涡轮亚声速涡轮和超声速涡轮根据工质流经涡轮内部的速度的大小可以把涡轮划分根据工质流经涡轮内部的速度的大小可以把涡轮划分成亚声速涡轮和超声速涡轮成亚声速涡轮和超声速涡轮超声速涡轮单位质量流量工质能够做更多的功，也即超声速涡轮单位质量流量工质能够做更多的功，也即这种涡轮的功率密度更大，但相应效率会有所降低。

8、这种涡轮的功率密度更大，但相应效率会有所降低。绝大多数大型燃气涡轮内部都是亚声速流动，只有很绝大多数大型燃气涡轮内部都是亚声速流动，只有很少的超声速级存在少的超声速级存在(cnzi)。绝大多数小型燃气涡轮都有超声速涡轮级，对于小型绝大多数小型燃气涡轮都有超声速涡轮级，对于小型燃气轮机尺寸大小是非常重要的。燃气轮机尺寸大小是非常重要的。蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽在较少数目的涡轮级内有效膨胀。在较少数目的涡轮级内有效膨胀。第24页/共129页第二十五页，共130页。涡轮种类涡轮种类冲动式涡轮级和反动式涡轮级冲动式涡轮级和反动式涡轮级

9、根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反动度的大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级动度的大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级(反动度反动度为为0)和反动式涡轮级和反动式涡轮级(反动度大于反动度大于0)。在后面在后面(hu mian)将给出反动度的定义及具有不同反将给出反动度的定义及具有不同反动度涡轮级的速度三角形。动度涡轮级的速度三角形。第25页/共129页第二十六页，共130页。涡轮种类涡轮种类表表1对各种对各种( zhn)涡轮进行了分类。涡轮进行了分类。表表1 1 涡轮分类涡轮分类(fn li)(fn li)水利透平，蒸汽透平，燃气透平动力透

10、平，驱动压气机透平，驱动涡轮透平高压涡轮，低压涡轮不带叶冠涡轮，带叶冠涡轮压声速涡轮，超声速涡轮冲动式涡轮，反动式涡轮第26页/共129页第二十七页，共130页。涡轮用途涡轮用途表表2 2给出了轴流涡轮的主要应用领域。给出了轴流涡轮的主要应用领域。当然轴流涡轮还有很多其他的用途，在这里不一一列举。当然轴流涡轮还有很多其他的用途，在这里不一一列举。电厂发电使用到了各种类型的透平。电厂发电使用到了各种类型的透平。除了除了(ch le)(ch le)小型轻型飞机，涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮喷气发小型轻型飞机，涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机上都使用了涡轮，在飞机上使用的辅助动力装动

11、机、涡轮轴发动机上都使用了涡轮，在飞机上使用的辅助动力装置也使用涡轮部件。置也使用涡轮部件。涡轮在工业上也有广泛的应用，如驱动各种工业泵的透平，涡轮增涡轮在工业上也有广泛的应用，如驱动各种工业泵的透平，涡轮增压气器上的涡轮，过程膨胀机。压气器上的涡轮，过程膨胀机。 第27页/共129页第二十八页，共130页。表表2涡轮应用领域涡轮应用领域用于电厂发电的水利透平，蒸汽透平，燃气透平涡轮发动机和直升机动力系统飞机辅助动力装置液体管线的泵驱动涡轮气体液化和低温制冷膨胀机空间动力系统涡轮用途涡轮用途(yngt)(yngt)第28页/共129页第二十九页，共130页。轴流涡轮速度三角形轴流涡轮速度三角形

12、一个典型一个典型(dinxng)的轴流涡轮级由一排静子叶片和一排转子叶的轴流涡轮级由一排静子叶片和一排转子叶片组成。片组成。特征截面涡轮进口截面定义为截面1，静子叶片出口(ch ku)定义为截面2，转子叶片出口(ch ku)定义为截面3。 三个速度分量绝对速度、相对速度和叶片旋转速度组成速度三角形。三个速度矢量之间的关系(gun x)由速度三角形确定。 第29页/共129页第三十页，共130页。全部的角度(jiod)为速度和轴向之间的夹角。第30页/共129页第三十一页，共130页。速度三角形速度三角形静子叶片进口速度大小和方向：气流以绝对速度静子叶片进口速度大小和方向：气流以绝对速度C1、绝

13、、绝对气流角对气流角1进入静子。进入静子。静子叶片出口静子叶片出口(ch ku)速度大小和方向：在静子叶片中速度大小和方向：在静子叶片中气流得到加速，加速后的速度为气流得到加速，加速后的速度为C2，流动方向发生变化，流动方向发生变化，出口出口(ch ku)绝对气流角绝对气流角2，2近似等于叶片尾缘的近似等于叶片尾缘的叶片角。叶片角。 由于出口气流存在(cnzi)偏转，实际出口气流并不是完全沿着叶片尾缘出口叶片角方向流出。 第31页/共129页第三十二页，共130页。速度三角形速度三角形转子叶片转子叶片(ypin)是以是以U2速度旋转，在相对坐标系中气流是速度旋转，在相对坐标系中气流是以以W2流

14、进转子叶片流进转子叶片(ypin)。 依据转子进口的绝对速度大小和方向及转子旋转速度依据转子进口的绝对速度大小和方向及转子旋转速度U值可值可以确定转子进口相对速度以确定转子进口相对速度W2和相对速度方向和相对速度方向2。 进口气流(qli)角2和进口叶片角2b之间的差值是攻角。 第32页/共129页第三十三页，共130页。在转子出口相对气流速度为W3，相对速度(xin du s d)方向为3，同样可以确定出口绝对速度C3和绝对速度角3。 速度速度(sd)三角形三角形从动叶进口(jn ku)速度三角形可以看出，动叶进口(jn ku)相对速度W2是比较小的，在动叶中气流又一次膨胀加速，所以动叶出口

15、相对速度W3较大。 第33页/共129页第三十四页，共130页。焓熵图焓熵图实际膨胀过程1-2线段(xindun)代表发生在静子叶片内的膨胀过程。2-3线段(xindun)代表发生在转子叶片内的膨胀过程。 理想膨胀过程1-2s线段代表静子叶片内的理想膨胀过程。2-3s三线段代表发生(fshng)在转子叶片内的理想膨胀过程。 在静子叶片中，绝对总压代表损失(snsh)。在转子叶片中，相对总压代表损失(snsh)。第34页/共129页第三十五页，共130页。三个截面的滞止状态分别用下标表示为：截面1 01截面2 02截面3 03对应静子叶片(ypin)给出的是绝对滞止状态，对应转子给出的是相对滞止

16、状态。静子叶片(ypin)h01=h1+C12/2 =h2+C22 /2=h02转子叶片(ypin)hw02=h2+W22/2 =h3+W32 /2=hw03焓熵图焓熵图第35页/共129页第三十六页，共130页。静子叶片进口动能为C12/2，气流经过静子叶片膨胀后增大(zn d)到C22/2。在转子叶片进口，相对速度对应的动能为W22/2，由速度三角形可知这个值比较小。在转子叶片内气流进一步加速，出口相对速度具有的动能W32/2较大一些。 焓熵图焓熵图第36页/共129页第三十七页，共130页。涡轮工作涡轮工作(gngzu)的基本原理的基本原理 当气流流经涡轮时，存在着轴向速度分量Cx，径向

17、速度分量Cr和切向速度分量C。轴向和径向速度分量并不决定涡轮做功能力的大小，轴向速度大小关系(gun x)到质量流量大小。 1122CrCrm叶片(ypin)的做功量为 1122CUCUmP由牛顿第二定律可以写出叶片排上承受的扭矩为 式中是转子叶片角速度，叶片旋转速度U r。 单位质量气体的功率为 1122CUCUWx叶轮机械欧拉方程第37页/共129页第三十八页，共130页。单位质量气体(qt)的功率为 1122CUCUWx叶轮机械(jxi)欧拉方程从上式可以看出，决定涡轮做功的主要参数是圆周速度U大小。动叶出口(ch ku)的切向分速C2和进口预旋C1的大小。通常情况下：进口预旋C1可以为

18、零(轴向进气的压气机C1=0)。对于涡轮，为了提高效率，一般总希望出口(ch ku)绝对速度C2沿轴向方向。从焓熵图上可以看出涡轮内部的膨胀功可以用涡轮级的进出口滞止焓之差表示0301hhWx涡轮工作的基本原理涡轮工作的基本原理 第38页/共129页第三十九页，共130页。思考题：1 为什么涡轮要轴向排气？垂直于流通面积上的速度(sd)为有效流通速度(sd)。因此轴向排气时的速度(sd)为最小。第39页/共129页第四十页，共130页。2 根据速度三角形比较(bjio)C2、C3三个绝对速度大小，W2、W3三个相对速度的大小？思考题：70C2W2U2C3U3W3第40页/共129页第四十一页，

19、共130页。3由叶轮机械的欧拉方程和速度三角形解释静子叶片出口偏转角及转子(zhun z)叶片出口落后角对涡轮作功量及膨胀比的影响。静叶出口落后角使得静叶出口绝对速度周向分量(fn ling)减小。动叶出口落后角使动叶出口绝对速度周向分量(fn ling)减小。因此由欧拉方程可知叶轮的做功量减小1122CUCUWx思考题：70C2W2U2C3U3W3第41页/共129页第四十二页，共130页。1122CUCUWx思考题：下面两个式子(sh zi)有差别吗？1122CUCUWx第42页/共129页第四十三页，共130页。气流在静子叶片内只膨胀而不做功，因此静子叶片进出口滞止(zh zh)焓相等，

20、即有 0201hh上式还可以(ky)写成 21222121CChh也就是说静子进出口滞止(zh zh)焓保持不变，进出口静焓的变化等于进出口动能变化。涡轮工作的基本原理涡轮工作的基本原理 第43页/共129页第四十四页，共130页。对于转子(zhun z)，在转子(zhun z)叶片进出口滞止转焓保持不变。即有constUhhrelT20121式中h01rel是相对(xingdu)滞止焓 20121Whhrel上式还可以(ky)写成 232223223221WWUUhh(A)涡轮工作的基本原理涡轮工作的基本原理 第44页/共129页第四十五页，共130页。232232030221CChhhhW

21、x0201hh0301hhWx(B)把式(A)带入式(B)得 23222322232221CCWWUUWx当叶片进出口旋转速度(sd)相差很小，即U3U2，由式(A)则有relrelhh030222233221WWhh 2322222321CCWWWx涡轮工作涡轮工作(gngzu)的基本原理的基本原理 相对(xingdu)滞止焓式(B)可以写成 232223223221WWUUhh第45页/共129页第四十六页，共130页。叶片叶片(ypin)(ypin)几何参数的定义几何参数的定义 下图给出了常用的涡轮叶片的几何参数和气动参数。叶片凹面为压力面，凸面为吸力面。由于叶片通道(tngdo)存在着

22、曲率，导致气流在流经叶片时压力面上的压力高于吸力面上的压力。(为什么?) 叶片进口气流角1转子叶片用1表示(biosh)叶片出口气流角2 转子叶片用2表示(biosh)进口叶片角b1出口叶片角b2第46页/共129页第四十七页，共130页。进口气流(qli)角和进口叶片角之差为攻角 11bi在叶片尾缘，出口气流角和出口叶片角之差定义(dngy)为落后角。 22b在叶片设计过程中，1和2由速度(sd)三角形确定。为了确定前缘和后缘叶片角，设计人员必须要给出，或者通过计算得出攻角和落后角。叶片几何参数的定义叶片几何参数的定义 第47页/共129页第四十八页，共130页。叶片几何叶片几何(j h)(

23、j h)参数的定义参数的定义 叶片中线(zhngxin)的转折角度为21bb气流在叶片(ypin)中的转折角为 21第48页/共129页第四十九页，共130页。无量纲参数无量纲参数下表给出了涡轮研究中经常使用的无量纲参数。相似流量下表给出了涡轮研究中经常使用的无量纲参数。相似流量(liling)和相似转速参数不是真实的无量纲参数，而是在一个和相似转速参数不是真实的无量纲参数，而是在一个组合参数中去掉常数后得到的。组合参数中去掉常数后得到的。0101/ pTm01TN膨胀比膨胀比p01/p03或p01/p3质量流量相似参数质量流量相似参数转速相似参数转速相似参数效率效率tt或ts反动度反动度损失

24、系数损失系数KN、KRN、RN、R扩散因子扩散因子Dss、Dps叶片载荷系数叶片载荷系数级载荷系数级载荷系数流量系数流量系数总压损失系数(xsh)焓损失系数(xsh)速度损失系数(xsh)第49页/共129页第五十页，共130页。无量纲参数无量纲参数-流动损失流动损失可以用熵增来衡量转子和静子中的损失，由于熵增在实验中无法直可以用熵增来衡量转子和静子中的损失，由于熵增在实验中无法直接测量，因此在实际使用中不是很方便。接测量，因此在实际使用中不是很方便。通常用能够在实验中直接测量的滞止压强定义的滞止压强损失系数通常用能够在实验中直接测量的滞止压强定义的滞止压强损失系数来衡量转子和静子内的损失大小

25、来衡量转子和静子内的损失大小(dxio)。对于喷嘴叶片总压损失。对于喷嘴叶片总压损失系数定义为系数定义为2022001ppppKN上式分母(fnm)中是喷嘴叶片出口动压p02p2，注意这个值并不等于 2221C，只有(zhyu)当流动为不可压流动时才有 2220221Cpp第50页/共129页第五十一页，共130页。思考题思考题静子叶片中，经常采用什么参数(cnsh)衡量流动损失的大小？可以采用相对参数(cnsh)衡量吗？转子叶片中呢？滞子压强(yqing)，熵分布第51页/共129页第五十二页，共130页。另外一个常用(chn yn)的衡量叶片内流动损失的参数是焓损失系数。即222221Ch

26、hsN式中h2为实际流动情况下叶片出口焓值。h2s为理想(lxing)流动下叶片出口焓值。第三个参数是速度系数：为实际流动情况下叶片出口流动速度与理想(lxing)出口流动速度之比，即无量纲参数无量纲参数-流动流动(lidng)损失损失sNCC22第52页/共129页第五十三页，共130页。上面给出的三个损失系数都是相互联系的。三个系数之间存在(cnzi)着下面的联系 225 . 01kMaKNN总压损失(snsh)系数和焓损失(snsh)系数之间的关系为焓损失(snsh)系数和速度系数之间的关系为21 /1NN无量纲参数无量纲参数-流动损失流动损失第53页/共129页第五十四页，共130页。

27、对于转子同样可以定义类似的损失系数，转子和静子损失系数在定义上的差别在于转子流动(lidng)损失系数定义在相对流动(lidng)状态下。转子内总压损失系数、焓损失系数、速度损失系数的定义分别为3,03,032 , 0ppppKrelrelrelR233321WhhsRsRWW33/总压损失(snsh)系数焓损失(snsh)系数速度损失系数无量纲参数无量纲参数-流动损失流动损失第54页/共129页第五十五页，共130页。2, 35 . 01relRRkMaK1/12RR总压损失(snsh)系数和焓损失(snsh)系数之间的关系为焓损失系数和速度(sd)系数之间的关系为无量纲参数无量纲参数(cn

28、sh)-流动损失流动损失第55页/共129页第五十六页，共130页。无量纲参数无量纲参数-级载荷级载荷(zi h)系数和流量系数系数和流量系数 级载荷系数是衡量涡轮级做功(zugng)能力的参数。定义级载荷系数 20/hU 流量(liling)系数，定义为 UCx/问题：旋转速度U对级载荷系数和流量系数有什么样的影响？高效率对载荷系数和流量系数有什么样的要求？寿命对载荷系数和流量系数有什么样的要求？第56页/共129页第五十七页，共130页。斯密斯(Smith，1965)给出了基于级载荷(zi h)系数和流量系数估算级效率的图，如下图。这个图即使在今天也得到了广泛的使用。 无量无量(wling

29、)纲参数纲参数-级载荷系数和流量系数级载荷系数和流量系数 斯密斯图第57页/共129页第五十八页，共130页。这张图是根据70个涡轮试验数据的基础上得到的。提供数据的这些涡轮级的轴向速度保持不变，反动度在0.20.6之间(多数在0.30.5之间)，具有较高的展弦比(34之间)，图中的效率是经过换算得到的，没有考虑叶片泄漏产生(chnshng)的损失，因此图中效率值要比实际涡轮效率值高一些。 无量无量(wling)纲参数纲参数-级载荷系数和流量系数级载荷系数和流量系数 研究发现采用这张图估算的涡轮级效率的变化趋势是相当准确的，即使所估算的涡轮级类型不同于建立这张图所使用的涡轮，所估算的效率变化趋

30、势也是比较可靠(kko)的。初步设计时级流量系数和级载荷系数的选取多依赖Smith图。 第58页/共129页第五十九页，共130页。由斯密斯图可以看出：在流量系数保持不变情况下，当载荷系数增加时级效率(xio l)下降。级载荷系数可以写为无量纲参数无量纲参数-级载荷级载荷(zi h)系数和流量系数系数和流量系数 2302322tantanU CChUU由上式可以看出：当增加，气流的转折角(2+ 3)必须增加。叶片转折角的增大不可避免的会导致气流和叶片接触面积增大，从而导致摩擦损失增加。叶片转折角的增大也使叶片槽道内二次流动增强，二次流动损失也增加。当载荷系数保持不变，随着流量(liling)系

31、数增加，气流转折角减少，由于质量流量(liling)增加，导致轴向速度增加。 第59页/共129页第六十页，共130页。补充(bchng)内容-关于二次流弯管(wn un)内的二次流第60页/共129页第六十一页，共130页。补充(bchng)内容-关于二次流第61页/共129页第六十二页，共130页。(a)Klein(1966)模型模型(mxng) (b)Langston(1980)模型模型(mxng)涡轮叶栅端壁二次流动模型涡轮叶栅端壁二次流动模型(mxng) 涡轮叶栅叶尖间隙涡轮叶栅叶尖间隙(jin x)影响影响(TCL代表叶代表叶尖间隙尖间隙(jin x) 补充内容(nirng)-关于

32、二次流第62页/共129页第六十三页，共130页。端壁和垂直端壁和垂直(chuzh)端壁平面上极限流线端壁平面上极限流线和烟迹可视化结果和烟迹可视化结果 Sharma和和Butler建立建立(jinl)的二次流的二次流模型模型(1987) Goldstein和和Spores建立建立(jinl)的二次流模的二次流模型型(1988 第63页/共129页第六十四页，共130页。对于一个给定的载荷系数，存在着一个最佳的流量系数，在这个流量系数下具有最高的级效率。当流量系数小于最优流量系数时，转折角增大。当流量系数大于最优流量系数时，气流速度增大，导致摩擦(mc)损失增大，最终会出现超声速流动现象并产生

33、激波损失。无量纲参数无量纲参数-级载荷级载荷(zi h)系数和流量系数系数和流量系数 第64页/共129页第六十五页，共130页。激波激波(j b)在叶片槽道内的传播照片在叶片槽道内的传播照片 补充内容(nirng)-激波第65页/共129页第六十六页，共130页。不同时刻激波的传播变化不同时刻激波的传播变化(binhu)过程示意图过程示意图 第66页/共129页第六十七页，共130页。第67页/共129页第六十八页，共130页。第68页/共129页第六十九页，共130页。第69页/共129页第七十页，共130页。第70页/共129页第七十一页，共130页。第71页/共129页第七十二页，共1

34、30页。转子(zhun z)37模型50%叶高处(o ch)相对Ma数等值线图第72页/共129页第七十三页，共130页。 50%叶高处(o ch)静温等值线图95%叶高处(o ch)相对Ma数等值线图第73页/共129页第七十四页，共130页。Ma数等值线第74页/共129页第七十五页，共130页。第75页/共129页第七十六页，共130页。第76页/共129页第七十七页，共130页。第77页/共129页第七十八页，共130页。第78页/共129页第七十九页，共130页。第79页/共129页第八十页，共130页。由Smith图可以看出，在较小载荷系数和流量系数下效率较高。由于涡轮级的流量和做

35、功量是固定不变的，为了使级载荷系数减少，则只能依靠(yko)增大叶片旋转速度实现(见下式)，这同时也会导致流量系数的减小。 无量纲参数无量纲参数(cnsh)-级载荷系数和流量系数级载荷系数和流量系数 2302322tantanU CChUU第80页/共129页第八十一页，共130页。转速的增加的不利因素是叶片承受的应力增加。叶片所承担的最大应力是离心力，离心力的大小和转速平方成正比，因此增加转速必然导致离心力的增加。在转速保持不变前提下，要使流量系数减小，则应减小轴向速度分量，这只能通过(tnggu)增加流通面积，即增大叶片高度实现，这同样会导致叶片根部应力增加。要想使叶片具有最小的应力和最长

36、的使用寿命，应当使和值大一些。而要想获得较高的效率，应当使和值小一些，这是相互矛盾的。涡轮设计是对这两个矛盾进行折中以得到最优的设计方案。 无量纲参数无量纲参数(cnsh)-级载荷系数和流量系数级载荷系数和流量系数 UCx/第81页/共129页第八十二页，共130页。无量纲参数无量纲参数-涡轮效率涡轮效率涡轮等熵效率定义为涡轮实际膨胀功和理想膨胀功之比。其中理涡轮等熵效率定义为涡轮实际膨胀功和理想膨胀功之比。其中理想膨胀功可以用总对总（进出口都为滞止状态）。也可以在进口想膨胀功可以用总对总（进出口都为滞止状态）。也可以在进口采用采用(ciyng)滞止状态，出口采用滞止状态，出口采用(ciyng

37、)静状态计算。静状态计算。总对总效率可以定义为总对总效率可以定义为01030103=ttsshhhh实际输出功相同背压下理想输出功总对静效率(xio l)的定义为sstshhhh3010301采用这两个(lin )公式计算的涡轮效率存在一定差别，在实际使用中应该注意使用的是哪个效率。总对总效率使用的更加广泛一些。26这两个效率那个更大一些？第82页/共129页第八十三页，共130页。在多级涡轮级环境内，除了最后一级涡轮级外，其他涡轮级出口气体具有的动能都会被下一级所利用。因此(ync)在衡量这些涡轮级的效率时应使用总对总效率是合理的。对于单级涡轮，如果出口气流动能依靠扩压器等其他手段得到恢复，

38、那么就应该用总对总效率，否则应使用总对静效率衡量涡轮效率。无量纲参数无量纲参数-涡轮效率涡轮效率(xio l)什么情况下使用总对总效率什么情况下使用总对总效率(xio l)，什么情况下使用总对静效率，什么情况下使用总对静效率(xio l)？第83页/共129页第八十四页，共130页。无量纲参数无量纲参数-涡轮效率涡轮效率对于涡轮，假设在涡轮级的入口和出口，绝对速度和绝对流动对于涡轮，假设在涡轮级的入口和出口，绝对速度和绝对流动(lidng)角角基本相同，即有基本相同，即有C1C3，13，如果近似认为，如果近似认为C3ssC3，则式，则式(26)总对总效率可以写为总对总效率可以写为 131301

39、03133333ttsssssshhhhhhhhhhhh01030103=ttsshhhh实际输出功相同背压下理想输出功221101Chh2223323303ssChChh第84页/共129页第八十五页，共130页。在焓熵图上等压线的斜率(xil) ThsT因此(ync)当压强保持不变时，且焓的变化较小情况下，由hTs33333sssssshhTss22222sshhTss由图1可知s3ss3sss2s2s，这样由上面的两个(lin )式子可以写为333222sssshhT Thh无量纲参数无量纲参数-涡轮效率涡轮效率(28a)(29)第85页/共129页第八十六页，共130页。转子和静子内不

40、可逆程度体现为静焓差h2h2s和h3h3s。可以根据离开每一排叶片气流所具有的动能(dngnng)定义损失系数。对于静子叶片排有无量纲参数无量纲参数(cnsh)-涡轮效率涡轮效率222212sNhhC对于转子(zhun z)叶片233312sRhhW(30a)由式(28a)、式(29)和式(30a)得12232321312RNttWC T Thh(31)第86页/共129页第八十七页，共130页。当出口速度没有得到利用情况下，衡量(hng ling)涡轮级性能要采用总对静效率，可以推导出总对静效率为12220103323210131312RNttsshhWC T TChhhh无量纲参数无量纲参

41、数(cnsh)-涡轮效率涡轮效率(32)当通过转子的静温下降(xijing)幅度不大情况下，可以认为转子出口静温等于进口静温，即有T3/T21，这样会使式(31)和式(32)改写为更加简单的形式122321312RNttWChh12223211312RNtsWCChh第87页/共129页第八十八页，共130页。在多级涡轮中，单级涡轮和多级涡轮的等熵效率不同(b tn)。图5表示了一个三级涡轮在T-s图上的膨胀过程，假设每一级的等熵功都是Wx。由于等压线不是相互平行的，而是沿s增大的方向上发散的，因此三级涡轮总做功量Wx,i明显小于3Wx。 无量无量(wling)纲参数纲参数-涡轮效率涡轮效率-

42、多级涡轮效率多级涡轮效率这种现象是多级涡轮的重热现象。在图上表示(biosh)为两级之间做功量存在一定的重合程度。第88页/共129页第八十九页，共130页。例如，对于第三级涡轮，由于第一级涡轮存在流动损失(snsh)，导致第二级涡轮存在重热现象，从而使第二级涡路进口状态由A点变为A点。导致第二级进口温度提高，做功能力增强。无量纲参数无量纲参数(cnsh)-涡轮效率涡轮效率-多级涡轮效率多级涡轮效率由于多级涡轮内重热现象的存在(cnzi)，导致总的涡轮效率大于每一级涡轮效率。 第89页/共129页第九十页，共130页。多变效率考虑了重热过程产生的影响。如果每一级涡轮是由多变效率都相同的涡轮组成

43、的话，那么单级涡轮的多变效率和多级涡轮的多变效率相等。在推导多变效率时，认为膨胀过程是由很多个微小的膨胀过程组成的。通过对这些微小的膨胀过程积分(jfn)即得到由级压比和温度比计算的多变效率。多变效率和等熵效率间的关系如图6可以看出。 无量纲参数无量纲参数(cnsh)-涡轮效率涡轮效率-多级涡轮效率多级涡轮效率图图6 等熵效率等熵效率(xio l)和多变和多变效率效率(xio l)关系关系 第90页/共129页第九十一页，共130页。涡轮级效率大小是通过损失系数计算的，因此如果能够确定损失系数那么就可以确定设计的涡轮级效率。有几种不同(b tn)的方法可以用来估算损失系数。Soderberg(

44、1949)提出的计算方法非常简单，目前在涡轮设计中还得到一定的应用。 Ainley和Mathieson(1952)对纯反动式叶片和纯冲动式叶片在给定的Re数和Ma数情况下损失系数随气流转折角和节距/弦长变化曲线。对于处于纯冲动是和纯反动式两者之间的叶片形式的损失系数则是用插值方法得到。Horlock(1966)比较了采用上述两种方法得到的计算结果。 Dunham和Came后来进一步发展了Ainley和Mathieson关于损失的预测方法。 提出轴流涡轮性能预测方法的还有Craig和Cox(1971)，Kacker和Okapuu(1982)，Wilson(1987)。 无量纲参数无量纲参数(cn

45、sh)-涡轮效率涡轮效率-损失系数损失系数第91页/共129页第九十二页，共130页。无量纲参数无量纲参数(cnsh)-反动度反动度 反动度是用来衡量涡轮级内的膨胀过程在转子(zhun z)和静子中怎样分配的。反动度大意味着转子(zhun z)内所占的膨胀份额大，在静子中所占的膨胀份额小，气体在转子(zhun z)内部的焓降和压降比较大。反动度小意味着气体在转子(zhun z)内膨胀份额小，焓降和压降比较小。冲动级这种涡轮级的反动度为零，气流在转子(zhun z)内没有加速，气流在转子(zhun z)叶片内只是改变方向，因此转子(zhun z)进出口静焓保持不变，由于流动损失的存在，出口压力略

46、微小于进口压力。在高压汽轮机的第一级经常使用这种冲动级。反动级反动度为0.5的涡轮机叫反动级。 第92页/共129页第九十三页，共130页。冲动(chngdng)式转子叶片反动式转子(zhun z)叶片第93页/共129页第九十四页，共130页。反动度有几种定义(dngy)方法。有两种定义(dngy)方式比较常用一种定义(dngy)方法是转子内静压降和级的压降之比另一种定义(dngy)方法是转子内的静焓降与级的静焓降之比。由静压定义(dngy)的反动度为无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 3132ppppP由静焓定义(dngy)的反动度为3132hhhhh第94页/共129页第九

47、十五页，共130页。对于(duy)典型的涡轮级，由上面两种方法计算的反动度之差在0.050.1范围内，因此对于(duy)一个具体问题而言，应清楚使用的是哪一种定义方式。在下面的公式中，为简单起见，去掉反动度h中的下标h，直接表示为。对于(duy)一般的轴流涡轮级，如果近似认为C1C3，则得无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 230103hhhh 注意(zh y)存在 22233212hhWW，则上式可以改写为 2232232WWU CC 3132hhhhh第95页/共129页第九十六页，共130页。注意(zh y)进出口轴向速度相等，上式可以改写为3232232WWWWU CC

48、无量纲参数无量纲参数(cnsh)-反动度反动度 由速度(sd)三角形可知22CWU33CUW得出 2323CCWW把上式带入式(37)得322WWU (37) 第96页/共129页第九十七页，共130页。即 32tantan2xCU 或 321tantan22xCU 从上两式可以看出(kn ch)，如果32，反动度0，如果32，反动度0.5。无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 70C2W2U2C3U3W3222tantanxxCUUCC第97页/共129页第九十八页，共130页。通过观察涡轮进出口速度三角形能够更加清楚反动度的含义。图7给出了具有(jyu)不同反动度的速度三角形。

49、为了方便比较进出口速度三角形，假设转子进出口轴向速度Cx和叶片旋转速度U保持不变，最上面的速度三角形为设计状态下的速度三角形。无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 第98页/共129页第九十九页，共130页。接下来速度三角形对应的反动度依次为小于0.0、0.0、0.5、1.0、大于1.0。当涡轮级具有负反动度时，气流在涡轮级内不是加速膨胀而是减速扩压。因此不宜在涡轮内部出现(chxin)这种流动情况。无量纲参数无量纲参数(cnsh)-反动度反动度 第99页/共129页第一百页，共130页。在反动度为0情况下，转子进口相对速度和出口相对速度相等，气体在静子内被加速到很高的速度。转子叶

50、片的转折角很大，有时(yush)达150。在这种情况下，转子叶片很弯曲。无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 第100页/共129页第一百零一页，共130页。当反动度=0.5时，进出口速度三角形是对称的，即有C2=W3，C3=W2，在转子和静子中气流的膨胀加速程度相同，转折(zhunzh)角相等。因此静子叶片和转子叶片形状具有镜像影射的关系。无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 第101页/共129页第一百零二页，共130页。在高反动度情况下，转子内的加速程度增大，静子内的加速程度减小。在反动度大于1.0的极限情况下，静子内的流动实际上是减速流动。反动度过(d u)高的

51、涡轮级很少采用。无量无量(wling)纲参数纲参数-反动度反动度 第102页/共129页第一百零三页，共130页。级载荷系数级载荷系数(xsh)对效率的影响对效率的影响图10画出了几个不同(b tn)的级载荷系数h0/U2(Wx/U2)总对静效率和总效率随C2/U的变化曲线，这张图对应的流量系数Cx/U0.4，叶片展弦比h/ca3，雷诺数Re105。分别取级载荷系数Wx/U21、2、3，由Soderberg关系式计算ts和tt，这样就得到了图10的结果。 Soderberg关系式是计算损失系数(xsh)的，后面要讲。tttsh0s1h0s2h0s3C2/U 0 0.5 1.0 1.5 2.0

52、2.5Cx/U0.4，H/b3.0，Re105效率0.81.0第103页/共129页第一百零四页，共130页。画出级总对静效率随反动度的变化曲线，如图11。从这张图可以看出，对于一个给定的叶片载荷(zi h)，存在一个最佳反动度，在这个反动度下，对应的效率有最高值。反动反动(fndng)度的选择及对效率的影响度的选择及对效率的影响对于Wx/U22情况下，具有(jyu)最高效率点的反动度近似为0。随着叶片载荷减小，对应的最佳反动度值减小，在Wx/U21情况下，最佳反动度值为0.5左右。当Wx/U22时，最高效率点为叶片槽道内没有出现扩散流动过程，此时对应的最佳反动度0。 第10

53、4页/共129页第一百零五页，共130页。观察图10。对于一个给定的Wx/U2，当C2/U在一个范围内变化时，tt的变化幅度小于ts的变化幅度，即tt受反动度的影响较小。当级载荷系数增加时，tt的最大值下降。因此在设计涡轮级时，应尽量提高叶片的旋转速度，使其工作在临近极限(jxin)旋转速度下，这样可以有效降低叶片载荷系数，从而提高涡轮级总对总效率。反动反动(fndng)度的选择及对效率的影响度的选择及对效率的影响第105页/共129页第一百零六页，共130页。几种几种(j zhn)典型反动度涡轮级在设计点的效率典型反动度涡轮级在设计点的效率(1)50%反动(fndng)级总对总效率根据(gn

54、j)式(31a)可得1223212RNttxWCW式中Wxh0U2，当反动度50%，有W3C2，RN22222333sec1tanxxWCC注意存在tan3 (+1)/(2)和tan 2 (1)/ 2即有222231111tan112tt 第106页/共129页第一百零七页，共130页。几种典型反动度涡轮级在设计几种典型反动度涡轮级在设计(shj)点的效率点的效率由上式可画出图12，从这张图可以看出当和取值较小情况下有较高的tt值。很多燃气轮机涡轮设计点选取的范围为：0.51.5，载荷(zi h)系数0.82.8。222231111tan112tt 第107页/共129页第一百零八页，共130

55、页。反动反动(fndng)度度=0时总对总效率时总对总效率tt几种典型几种典型(dinxng)反动度涡轮级在设计点的效率反动度涡轮级在设计点的效率反动度=0是涡轮设计中反动度选取的极限，进一步降低反动度会使流动损失增加，并引起(ynq)效率的下降。对于0，W3W2时，意味着涡轮转子内部流动是一个扩压过程，而不是膨胀过程，显然，对于涡轮来说，这是不允许的。由图7上零反动度下速度三角形可知，对于反动度0，有23。由式C2W2+U，C3W3U可得22tan1tan33tantan1第108页/共129页第一百零九页，共130页。并且(bngqi) 2023232tantantantan2 tanhU

56、 即 2tan2因此由上述(shngsh)公式可得2tan2 13tan2 1如果(rgu)给定和，即可计算出流动角。22secxCC因此222221tanxCC22212 1xC33secxWC因此22222331tan12xxWCC反动度反动度 =0时总对总效率时总对总效率 tt-接上页接上页22322112RNttWCU 用和 表示W3和C2第109页/共129页第一百一十页，共130页。把上式代入式(31a)中得22322112RNttWCU 22221111222RNtt 根据(gnj)上式可以得出新的性能图13，可以发现，也是在和值较小情况下获得最高的涡轮效率，这一点和0.5时是相

57、同的。还有一个特点是在较小的流量系数下，较高的级载荷情况下也可以得到较高的涡轮效率。 反动反动(fndng)度度=0时总对总效率时总对总效率tt-接上页接上页第110页/共129页第一百一十一页，共130页。出口出口(ch ku)为轴向排气的涡轮级总对静效率为轴向排气的涡轮级总对静效率 几种典型反动度涡轮级在设计几种典型反动度涡轮级在设计(shj)点的效率点的效率对于一个(y )单级轴流涡轮，出口排气沿轴向方向，在这种情况下采用总对静效率更加合适，使用式(32a)计算这种情况下的涡轮效率，即222321112RNtsxWCCW 222321secsec12RN 用和表示tan3和tan 2。第

58、111页/共129页第一百一十二页，共130页。对于轴向出口(ch ku)流动，C1=C3=Cx，图14给出了这种情况下的速度三角形，根据速度三角形图可以写出3tanxU C223tantantan22233sec1tan1 1 22222sec1tan1 ，出口出口(ch ku)为轴向排气的涡轮级总对静效率为轴向排气的涡轮级总对静效率 -接上页接上页因此(ync)有222211112RNts 第112页/共129页第一百一十三页，共130页。给定和，使用(shyng)Soderberg公式 出口出口(ch ku)为轴向排气的涡轮级总对静效率为轴向排气的涡轮级总对静效率 -接上页接上页2*0.

59、040.06100可以(ky)求得动叶损失系数R和静叶损失系数N，其中静叶和动叶的转折角分别为 12tanN 1123tan1tan1R第113页/共129页第一百一十四页，共130页。叶片叶片(ypin)载荷和扩散因载荷和扩散因子子 在叶轮机械叶片槽道内，气流在叶片槽道内流动方向发生转折，压力面上的压力高于吸力面上的压力，因此导致在每一个叶片上面存在压差。例如，气流流经孤立机翼绕流而使机翼产生升力。对于(duy)涡轮而言，涡轮叶片上产生的力可通过转子轴传递扭矩和功率。叶片载荷大小和载荷分布可通过叶片表面压力分布或等熵马赫数(对于(duy)可压流)分布图表示。 第114页/共129页第一百一十

60、五页，共130页。吸力面和压力面压强分布(fnb)曲线或者马赫数分布(fnb)曲线所包围的面积即是叶片载荷。在叶片载荷较高情况下，设计人员应使吸力面上尽快出现最大速度，而使压力面上尽可能晚地出现最大速度。叶片叶片(ypin)载荷和扩散因子载荷和扩散因子 第115页/共129页第一百一十六页，共130页。涡轮叶片表面的速度分布特点：吸力面上的速度分布和压力面上的速度分布是受压强梯度的影响和支配的，当叶片载荷增大到一定程度后再进一步增加，会使吸力面上出现过度加速现象，且一般情况下在喉部出现最大速度，喉部速度大于出口速度，这样导致喉部与出口一段区域内存在扩压段。同样，在压力面上的某一点速度达到最小，