发动机原理(第二章涡轮)

第二节 涡轮工作原理P一、功能、工作环境、设计要求及组成 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 设计要求提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻 耐高温的高强度材料 冷却组成u 静子（导向器）u静子叶片u内、外环u 转子u工作叶片u盘u轴u 排列方式静子在前转子在后基元级平面叶栅二、作功原理u高温高压气体在导向器中膨胀加速热焓 动能u叶轮高速转动发出功率的原因：u高速气流冲击工作叶轮u流经工作叶轮气流产生的反作用力1、气流在基元级中的流动u截面u0 静叶进口u1 静叶出口（动叶进口）u2 动叶出口(1)气流在静子叶栅中的流动u气体作绝能流动伯努利方程V1 V0 dp 0 对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道 。叶栅向背离轴向弯曲形成 收敛通道。在静子叶片中的工作原理： 膨胀加速并转向气流在静叶中的流动u 叶型偏离轴线弯曲形成 收敛通道u 在叶栅通道出口处为最小截面，称为 喉道截面 ；u 在喉道截面处，气流通常达到 当地音速 ，又称为 临界截面 ；u 在临界截面后气流进一步加速，以超音速进入工作轮；u 静子叶片起导向作用又称为导向器 。(2)气流在动叶叶栅中的流动u基元级速度三角形l 进口：气流以 V1流向动叶由于叶片转动切线速度 U1气流以相对速度 W 1进入动叶l 出口：气流以相对速度 W 2 流出动叶由于叶片转动切线速度 U2气流以绝对速度 V2流出动叶速度三角形u将进、出口速度三角形叠画在一起uW 和 V均向背离转动方向发生偏转u 相对速度增加uW 2 W 1 u绝对速度降低uV2 V1伯努利方程u绝对坐标系气体膨胀功、动能增量 输出轮缘功 并耗损摩擦功u相对坐标系dp 0 W 2 W 1叶型弯曲形成收敛通道相对速度增加，压力降低u两式相减，得：涡轮对外输出轮缘功u 绝对动能 机械能u 相对动能 膨胀加速产生反作用力u 提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功 W uu 轮缘功 W u动量矩原理推导出U 切线速度 W U 扭速u 增加输出功率： U、 扭速。u 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 产生大的 扭速 。扭速 WU涡轮一级涡轮输出功率可以带动多级压气机压气机2、涡轮级u 涡轮级沿叶高由基元级叠加而成；u 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；u 沿叶高叶片是扭转的。3、全台涡轮沿发动机轴向为扩张形气流通道流向三、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hS34i4P3*P4*理想膨胀功 实际膨胀功u 膨胀比：u 流量：u 转速：u 多变膨胀功：u 绝热效率：涡轮的主要参数涡轮效率（ 0.88 0.92)：叶型流动损失（分离、摩擦）端面损失（潜流、径向间隙漏气）冷却气流掺入带冠、主动间隙控制涡轮膨胀功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。三、涡轮特性当涡轮膨胀比增加到一定时，涡轮进口流量相似参数保持常数称流量相似参数保持常数的状态为：临界或超临界状态涡轮效率随膨胀比变化较平缓。小 节u涡轮作功原理l 叶片排列方式l 速度三角形l 级作功能力及其影响因素u主要参数（膨胀比、效率、膨胀功等）u涡轮通