涡轮基本原理-2009.ppt

1、第一章轴流式水轮机原理和参数，第一结构和用途轴流式水轮机水平由固定定子叶片排和旋转转子叶片排组成。在定子叶片中，气流膨胀，速度增加，流动方向改变，由于流入的轴方向向圆周方向偏转，气流离开定子叶片时速度高，主方向有较大的速度分量。气流进入转子后会进一步膨胀，转子叶片绕涡轮轴旋转，使涡轮轴工作。涡轮通常具有上述结构。有特殊形式的涡轮，如高压脉冲式汽轮机，定子叶片可以用一组离散喷嘴代替。在实际应用中，使用单层涡轮也不能产生足够的电量，在这种情况下，需要设计几级或几级涡轮。这种涡轮级可以称为高、中、低压级。这些涡轮可能位于不同的轴上，因此旋转速度也不相同。多级涡轮、涡轮种类的划分可以根据工作流体分为水

2、利涡轮、汽轮机、燃气涡轮等多种。水力涡轮用于水力发电，工作流体是水。蒸汽轮机主要用于火电厂和核电站的发展。锅炉产生的高温高压蒸汽在由不同等级涡轮组成的蒸汽轮机中膨胀，转动蒸汽轮机驱动发电机发展。在电场中使用的蒸汽轮机大约超过30级，这些涡轮机都安装在同一轴上，在这种情况下，蒸汽轮机通常分为高压、中压和低压三部分。由于汽轮机内蒸汽膨胀率很大，低压涡轮叶片的高度是高压涡轮叶片高度的好几倍。汽轮机照片、汽轮机图片、火电厂工作过程、大亚湾核电站、涡轮类燃气涡轮机在燃气涡轮中，进入涡轮的工作流体是燃烧室排出的高温高压气体。早期燃气轮机被开发为飞机动力，此后在地面发展中也被广泛使用。现代涡轮风扇发动机中的

3、高压涡轮包括一级和二级，低压涡轮包括三级、四级，甚至五级。高压涡轮和低压涡轮安装在不同的转子轴上，提高了发动机运行的灵活性，使高低压涡轮能够在最佳运行状态下工作。燃气轮机以风扇发动机为例，低压涡轮驱动风扇的结构不同。涡轮轴发动机、螺旋桨发动机和发电燃气涡轮机都是燃气发生器上有动力涡轮的结构。涡轮种类中有冠涡轮叶片和非冠涡轮叶片，有冠形涡轮叶片，可以减少尖端泄漏损失。叶片具有叶片，重量明显增加，叶片根部应力明显增加。大多数初级涡轮机都不是拱形。涡轮型亚音速涡轮和超音速涡轮可以根据工作流体通过涡轮流动的速度大小，将涡轮分为亚音速涡轮和超音速涡轮单位质量流量制冷剂，做更多的工作。也就是说，涡轮的功率

4、密度更大，但相应地效率会下降。绝大多数大型燃气轮机内部是亚音速流动，超音速级几乎不存在。大部分小型燃气轮机具有超音速涡轮级，对小型燃气轮机的大小至关重要。汽轮机的高压等级通常是超音速速度，因此可以在少量涡轮等级有效地膨胀蒸汽。涡轮类冲动涡轮级和反动涡轮级可以根据涡轮级内气流的同动叶片内的膨胀率，即反动度的大小，将涡轮级分为冲动涡轮级(反动度为0)和反动涡轮级(反动度大于0)。反动的定义和反动度的涡轮级被赋予不同的速度三角形。涡轮类别表1将各种涡轮分类。表1涡轮分类，涡轮用途表2显示了轴流涡轮的主要应用领域。当然，轴流涡轮有很多其他用途，这里不一一列举。发电站使用多种类型的涡轮机。除了小型轻型飞

5、机外，涡轮也用于涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机。飞机的辅助动力装置也使用涡轮。涡轮在工业上也广泛使用，包括驱动各种产业用泵的涡轮、涡轮增压器上的涡轮、工艺膨胀机等。表2涡轮应用、涡轮用途、轴流涡轮速度三角形典型轴流涡轮水平由定子叶片排和转子叶片排组成。特征截面涡轮进口截面定义为截面1，定子叶片出口定义为截面2，转子叶片出口定义为截面3。三个速度组件组成速度三角形：绝对速度、相对速度和刀片旋转速度。三个速度矢量之间的关系由速度三角形确定。总角度是速度和轴之间的角度。速度三角形定子叶片入口速度大小和方向：气流以绝对速度C1，绝对气流角度1进入镇流器。定子叶片出口速度大小和方向：

6、定子叶片中的气流加速，速度C2，流向变化，出口绝对气流角度2，2几乎等于叶片尾缘的叶片角度。由于出口气流有弯曲，实际出口气流并不完全流向刀片尾部出口叶片角度方向。速度三角形旋翼桨叶以U2速度旋转，在相对坐标系中，气流以W2流向转子叶片。转子进口的绝对速度大小和方向以及转子转速u值决定转子进口的相对速度W2和相对速度方向2。入口气流角度2和入口叶片角度2b的差异是攻击角度。在转子出口处，相对气流速度为W3，相对速度方向为3，出口绝对速度C3和绝对速度角度3也可以确认。速度三角形，从动轮入口速度三角形表明，从动叶入口相对速度W2相对较小，从动叶出口相对速度W3较大，因为从动叶气流又再次加速膨胀。焓

7、熵图，实际膨胀过程1-2段表示定子叶片内发生的膨胀过程。2-3段表示转子叶片内发生的膨胀过程。理想的膨胀过程1-2s段表示定子叶片内理想的膨胀过程。2-3s三线段表示转子叶片内发生的理想膨胀过程。静态刀片中的绝对总压力表示损失。转子叶片中的相对总压力表示损失。三个剖面的整地状态分别显示为下标。截面1 01截面2 02截面3 03为静态叶片给出绝对静止状态，为转子给出相对静止状态。定子叶片h01=h1 C12/2=h2 C22 /2=h02转子叶片hw02=h2 W22/2=h3 W32 /2=hw03，焓熵，定子叶片进口动能C12/2，从转子叶片进口时，相对速度对应的动能为W22/2，可以通过

8、速度三角形来识别。转子叶片内部的气流更快，出口相对速度大于动能W32/2。焓熵图、涡轮运行的基本原理、气流通过涡轮时的轴向速度分量Cx、径向速度分量Cr和切向速度分量c。轴向和径向速度分量不能确定涡轮工作容量的大小，轴向速度大小与质量流大小相关。叶片的工作量是牛顿第二定律施加在叶片行上的转矩是转子叶片角速度，叶片旋转速度U r。单位质量气体的功率，叶轮机械欧拉方程，单位质量气体的功率，叶轮机械欧拉方程，如上所示，确定涡轮工作的主要参数是圆周速度u大小。叶片出口的切向速度C2和进口预旋转C1尺寸。一般情况：进口预旋转C1可以为0(对于轴向吸入器，C1=0)。对于涡轮来说，为了提高效率，通常出口绝

9、对速度C2是轴向的。从焓熵可以看出涡轮级进出口焓的差异可以表示的涡轮内部膨胀，涡轮工作的基本原理，沉思问题：1为什么涡轮要轴向排气？垂直于循环面积的速度是有效循环速度。因此，轴向排气的速度最小。，2根据速度三角形比较C2，C3的3个绝对速度大小，W2，W3的3个相对速度大小？试验问题：3介绍了叶轮机械的欧拉方程和速度三角形对定子叶片出口偏角和转子叶片出口嗅觉对涡轮工作量和膨胀率的影响。顶叶出口的落后角度减少了顶叶出口的绝对速度圆周成分。动叶出口向后角减少动叶出口的绝对速度圆周成分。所以欧拉方程会减少叶轮的工作量，试验问题：试验问题：以下两个公式有区别吗？气流在静态叶片内只膨胀，不工作，因此静态

10、叶片进出口静态焓是相同的。也就是说，常识也可以用，即静态子进出口和出口焓不变，进出口静态焓的变化等于进出口动能的变化。涡轮操作的基本原理在转子的情况下，转子叶片的进出口停滞焓保持不变。是，风格的h01rel是相对焓，(a)，涡轮操作的基本原理，(b)，代码(a)簧片(b)，在叶片进气和出口旋转速度很小的情况下，(a)，涡轮操作的基本原理叶片形状参数的定义显示了常用涡轮叶片的形状和气动参数。叶片凹面是压力面，凸面是吸力面。由于叶片通道的曲率，流经叶片的压力面的压力高于吸入面的压力。-为什么？叶片入口气流角度1转子叶片1定义叶片出口气流角度2转子叶片2定义入口叶片角度B1出口叶片角度B2、入口气流

11、角度和入口叶片角度差攻击角度、从叶片尾部边缘出口气流角度和出口叶片角度差。在刀片设计过程中，1和2由速度三角形确定。要确定先端和后端刀片角度，必须由设计者提出，或通过计算计算，计算攻击角度和落后角度。叶片几何参数定义、叶片几何参数定义、叶片中心线折弯角度、叶片气流折弯角度、无量纲参数下表列出了涡轮研究中常用的无量纲参数。相似流和相似速度参数不是实际的无量纲参数，而是在从一个组合参数中删除常量后得到的。总压力损失系数焓损失系数速度损失系数，无量纲参数-流动损失可以用熵增加来测量转子和静态尺的损失，熵增加在实验中不能直接测量，因此在实际使用中不方便。通常，转子和静磁器内的损耗大小是通过实验中可以直

12、接测量的磁滞定义的磁滞损耗系数来测量的。喷嘴叶片的总压力损失系数定义为。上分母有喷嘴叶片出口动压p02p2，表明此值不相等。只有在流量是非压力流的情况下，试验问题，定子叶片中经常用于测量流量损失大小的参数是什么？可以用相对参数测量吗？转子刀片？滞后压力、熵分布、叶片内流动损失的另一个常用参数是焓损失系数。中间H2是实际流动状态下刀片出口焓。H2s是理想流下刀片出口焓。第三个参数是速度系数。在实际流动情况下，叶片出口流动速度和理想的出口流动速度-无量纲参数-流动损失，以及上述给定的三个损失系数相互连接。三个系数之间存在总压力损失系数和焓损失系数之间的关系。焓损失系数和速度系数之间的关系是无量纲参

13、数-流动损失，并且可以为转子定义类似的损失系数。转子和静态损耗系数的定义有所不同，因为在相对流动状态下定义了转子流动损耗系数。转子的总压力损失系数、焓损失系数、速度损失系数的定义分别是、总压力损失系数、焓损失系数、速度损失系数、无量纲参数-流动损失、总压力损失系数和焓损失系数的关系是焓损失系数和速度系数的关系、无量纲参数-流动损失、无系数定义阶段负载系数、流量系数、定义、问题：旋转速度u如何影响阶段负载系数和流量系数？载荷系数和流量系数的高效要求是什么？载荷系数和流量系数对寿命的要求是什么？Smith，1965提供了基于等级载荷系数和流量系数估计等级效率的图形，如下图所示。这幅画今天也广泛使用

14、。无量纲参数-水平载荷系数和流量系数，史密斯图，该图基于70个涡轮测试数据。提供数据的这些涡轮级别的轴速度保持不变，反动度在0.20.6之间(大部分在0.30.5之间)具有更高的纵横比(34之间)，图形的效率在不考虑叶片泄漏所造成的损失的情况下进行转换，因此，该图形的值高于实际涡轮效率值。使用无量纲参数-水平载荷系数和流量系数，研究表明，使用该图形估算的涡轮级别效率变化趋势相当准确，估算的涡轮级别类型为初始设计时间步长流速系数和标高载荷系数的选择是多从属关系Smith图。如果查看史密斯图，则可以看到，在保持流量系数不变的情况下，载荷系数增加时，相位效率下降。楼层负载系数可以建立为无单位参数-楼

15、层负载系数和流量系数，您可以由上而下检视。添加时，气流的折弯角度(2 3)必须增加。叶片微观的增加不可避免地会增加气流和叶片接触面积，从而增加摩擦损失。随着刀片折弯角度的增加，刀片通道中的辅助流量增加，辅助流量损失也增加。负载系数保持不变后，气流转折角度会随流量系数的增加而减小，质量流量的增加而提高轴向速度。补充内容-二次流信息，弯管内的二次流，补充内容-二次流信息，(a)Klein(1966)模型，(b)Langston(1980)模型，涡轮叶栅的端壁二次流模型，如果流动系数小于最佳流动系数，折弯角度将增大。如果流动系数大于最佳流动系数，气流速度将增加，摩擦损失将增加，最终产生超音速流动，产

16、生冲击损失。无量纲参数-水平载荷系数和流量系数、叶片通道内冲击波的传播照片、补充内容-冲击、不同时刻冲击波的传播变化过程图、转子37模型、50%叶高相对Ma数等值线图、50%叶高静态温度等值线图、95%叶高相对Ma数等值线图涡轮级流量和工作量是固定的，因此，为了降低等级负载系数，只能依赖刀片转速的增加(见下文)，从而降低流量系数。无量纲参数-水平载荷系数和流量系数，其中速度增加的不利因素是叶片施加的应力增加。叶片承受的最大应力是离心力，离心力的大小和速度平方成正比，因此增加旋转速度必然会增加离心力。要减小流量系数以保持旋转速度恒定，必须减小轴速度分量。这可以通过增加循环区域来增加刀片高度，从而增加刀片根应力。要给刀片提供最小应力和最大寿命，值必须更大。要提高效率，就要把值变小，这是矛盾的。涡轮设计是平衡这两个矛盾，得出最佳设计方案。无量纲参数-水平载荷系数