北航-发动机原理(第2章涡轮)

1、P一、功能、工作环境、设计要求及组成一、功能、工作环境、设计要求及组成功能功能 将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率，将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率， 带动压气机带动压气机(风扇风扇)、螺旋桨、旋翼、螺旋桨、旋翼(尾桨尾桨)等。等。工作环境工作环境高温高温: 热负荷热负荷(1600-1950K)高速转动高速转动: 离心负荷离心负荷 高气动负荷高气动负荷: 气动力、气动力矩气动力、气动力矩轴负荷：轴负荷： 传递巨大的扭矩传递巨大的扭矩设计要求设计要求 提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻耐高温的高强度材料耐高温的高强度材料冷却冷却u静

2、子（导向器）静子（导向器）u静子叶片静子叶片u内、外环内、外环u转子转子u工作叶片工作叶片u盘盘u轴轴u排列方式排列方式 静子在前静子在前 转子在后转子在后u高温高压气体在高温高压气体在导向器中膨胀加导向器中膨胀加速速 热焓热焓 动能动能u高速气流冲击工高速气流冲击工作叶轮，使叶轮作叶轮，使叶轮高速转动，发出高速转动，发出功率。功率。u截面截面u0 静叶进口静叶进口u1 静叶出口静叶出口（动叶进口）（动叶进口）u2 动叶出口动叶出口u气体作绝能流动气体作绝能流动伯努利方程伯努利方程V1 V0 dp 0 对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道 。叶栅

3、向背离轴向弯曲形成叶栅向背离轴向弯曲形成收敛通道。收敛通道。在静子叶片中的工作原理：膨胀加速在静子叶片中的工作原理：膨胀加速10202102fsWVVdpu叶型偏离轴线弯曲形成叶型偏离轴线弯曲形成收收敛通道敛通道u在叶栅通道出口处为最小在叶栅通道出口处为最小截面，称为截面，称为喉道截面喉道截面；u在喉道截面处，气流通常在喉道截面处，气流通常达到达到当地音速当地音速，又称为，又称为临临界截面界截面；u在临界截面后气流进一步在临界截面后气流进一步加速，以超音速进入工作加速，以超音速进入工作轮；轮；u静子叶片起导向作用又称静子叶片起导向作用又称为为导向器导向器。u基元级速度三角形基元级速度三角形l进

4、口：进口：气流以气流以V1流向动叶流向动叶由于叶片转动切线速度由于叶片转动切线速度U1气流以相对速度气流以相对速度W1进入动叶进入动叶l出口：出口：气流以相对速度气流以相对速度W2 流出动叶流出动叶由于叶片转动切线速度由于叶片转动切线速度U2气流以绝对速度气流以绝对速度V2流出动叶流出动叶将进、出口将进、出口速度三角形速度三角形叠画在一起叠画在一起,W和和V均向均向背离转动方背离转动方向发生偏转向发生偏转 W2 W1 V2 V1 伯努利方程伯努利方程u绝对坐标系绝对坐标系 膨胀功、动能增量膨胀功、动能增量 输出轮缘功输出轮缘功、 耗损于摩擦功耗损于摩擦功u相对坐标系相对坐标系 dp 0 W2

5、W1 叶型弯曲形成收敛通道叶型弯曲形成收敛通道 相对速度增加，压力降低相对速度增加，压力降低u两式相减，得：两式相减，得： 涡轮对外输出轮缘功涡轮对外输出轮缘功u绝对动能绝对动能 机械能机械能u相对动能相对动能 膨胀加速膨胀加速 产生反作用力产生反作用力2121222fruWVVdpW21212202frWWWdp2222212122WWVVWuu要提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高要提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高Wuu轮缘功轮缘功Wu 动量矩原理推导出动量矩原理推导出 U 切线速度切线速度 WU 扭速扭速u增加输出功率：增加输出功率：U、扭速。、扭速。u由于气流在涡轮中作膨胀加速流动

6、由于气流在涡轮中作膨胀加速流动,气流不易分离气流不易分离 因此允许气流的转角较大。因此允许气流的转角较大。u一级涡轮输出功率可以带动多级压气机一级涡轮输出功率可以带动多级压气机2222212122WWVVWu)(21uuuuWWUWUW涡轮涡轮 压气机压气机u涡轮级沿叶高由基元级涡轮级沿叶高由基元级叠加而成；叠加而成；u因沿叶高的切线速度大因沿叶高的切线速度大小不同，相对速度大小小不同，相对速度大小和方向均不同，速度三和方向均不同，速度三角形不同；角形不同；u沿叶高叶片是扭转的。沿叶高叶片是扭转的。u沿发动机轴向为扩张形气流通道沿发动机轴向为扩张形气流通道u1、热力过程、热力过程u理想情况：理

7、想情况：绝热等熵膨胀绝热等熵膨胀u实际情况：实际情况：多变膨胀多变膨胀hS34i4P3*P4*理想膨胀功理想膨胀功实际膨胀功实际膨胀功u主要参数主要参数u膨胀比：膨胀比：u流量：流量：u转速：转速：u多变膨胀功：多变膨胀功：u绝热效率：绝热效率：tadtttttmgtWWCpTWrpmnskgqpp/)(11 )()/(*1*3*4*3*u涡轮效率（涡轮效率（0.88 0.92)：叶型流动损失（分离、摩擦）叶型流动损失（分离、摩擦）端面损失（潜流、径向间隙漏气）端面损失（潜流、径向间隙漏气）冷却气流掺入冷却气流掺入u带冠、主动间隙控制带冠、主动间隙控制u涡轮功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成涡轮功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。正比。*1*3)(11 tttCpTWu当涡轮膨胀比增加当涡轮膨胀比增加到一定时，涡