1、廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系葉輪機(jī)原理與設(shè)計葉輪機(jī)原理與設(shè)計反動度反動度王奕首王奕首廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系A(chǔ).A.內(nèi)容回顧與引入B.B.本講主要內(nèi)容（反動度）C.C.課后思考及預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容提要本節(jié)內(nèi)容提要一、基本概念一、基本概念三、定義與計算三、定義與計算 二、工作原理二、工作原理四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例Turbine廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系p 內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧 A.內(nèi)容回顧與引入內(nèi)容回顧與引入 葉輪機(jī)械葉輪機(jī)械(透平機(jī)械、葉片機(jī)械透平機(jī)械、葉片機(jī)械)：回轉(zhuǎn)式動力機(jī)械：回轉(zhuǎn)式動力機(jī)械 1）原動機(jī)械原動機(jī)械(動力機(jī)動力機(jī)) 流體的動能、勢能流體的動能、勢能機(jī)械能機(jī)械能 汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)

2、、水輪機(jī)及風(fēng)力機(jī)汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)及風(fēng)力機(jī) 2）被動機(jī)械被動機(jī)械(工作機(jī)工作機(jī)) 機(jī)械能機(jī)械能流體的動能和勢能流體的動能和勢能 透平壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇透平壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇以連續(xù)流動的流體為工質(zhì)、以葉片為主要工作元件，實(shí)現(xiàn)工以連續(xù)流動的流體為工質(zhì)、以葉片為主要工作元件，實(shí)現(xiàn)工作元件與工質(zhì)之間能量轉(zhuǎn)換的一類機(jī)械作元件與工質(zhì)之間能量轉(zhuǎn)換的一類機(jī)械汽輪機(jī)汽輪機(jī)廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 A.內(nèi)容回顧與引入內(nèi)容回顧與引入 汽輪機(jī)的工作原理汽輪機(jī)的工作原理用具有一定溫度和壓力的蒸汽來做功的回轉(zhuǎn)式原動機(jī)：用具有一定溫度和壓力的蒸汽來做功的回轉(zhuǎn)式原動機(jī)：將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，

3、拖動其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械。蒸將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械。蒸汽在汽輪機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換包括兩個過程：汽在汽輪機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換包括兩個過程：蒸汽熱能蒸汽熱能氣流動能氣流動能軸軸(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子)的機(jī)械能的機(jī)械能按照其做功按照其做功原理劃分：原理劃分：沖動式汽輪機(jī)沖動式汽輪機(jī)反動式汽輪機(jī)反動式汽輪機(jī)噴嘴噴嘴動葉動葉廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系p 級級：完成由熱能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的汽輪機(jī)基本做功單元，在：完成由熱能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的汽輪機(jī)基本做功單元，在結(jié)構(gòu)上由噴嘴結(jié)構(gòu)上由噴嘴(靜葉柵靜葉柵)和其后的動葉柵所組成。和其后的動葉柵所組成。 B. 反動度反動度1 1主軸主軸2 2葉輪葉輪3 3動葉柵動葉柵4 4噴嘴（

4、靜葉柵）噴嘴（靜葉柵）5 5汽缸汽缸6 6排汽口排汽口轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子一、基本概念一、基本概念p 靜葉柵靜葉柵(噴嘴噴嘴)：靜葉按一定的距離和一定的角度排列形成：靜葉按一定的距離和一定的角度排列形成靜葉柵，靜葉柵固定不動。靜葉柵，靜葉柵固定不動。p 動葉柵動葉柵：動葉按一定的距離和一定的角度安裝在葉輪上形：動葉按一定的距離和一定的角度安裝在葉輪上形成動葉柵，并構(gòu)成許多相同的蒸汽通道。成動葉柵，并構(gòu)成許多相同的蒸汽通道。廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系p 熵熵(S)：熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度。：熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度。 B. 反動度反動度p 焓焓(h)：單位質(zhì)量的物

5、質(zhì)所含的全部熱能：單位質(zhì)量的物質(zhì)所含的全部熱能(蒸汽所具有做功能力蒸汽所具有做功能力)p 焓降焓降：蒸汽做功能力的降低：蒸汽做功能力的降低,基本相當(dāng)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化的能量基本相當(dāng)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化的能量STQdSTQd21212212211()2hhcc定常流動能量平定常流動能量平衡基本方程式衡基本方程式特點(diǎn)特點(diǎn): q=0，c1c2所以有所以有 ws=h1-h2汽輪機(jī)依靠工質(zhì)的汽輪機(jī)依靠工質(zhì)的焓降而輸出軸功焓降而輸出軸功pvuh * nbhh所以有所以有特點(diǎn)：特點(diǎn)： q=0，w=0在噴管中，依靠工質(zhì)的焓在噴管中，依靠工質(zhì)的焓降而使工質(zhì)流速增加降而使工質(zhì)流速增加一、基本概念一、基本概念p 滯止焓滯止焓(h

6、*)：02ssth h h 定常絕熱流動過程中，定常絕熱流動過程中，h*在流線上是恒值在流線上是恒值廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系p 蒸汽的沖動作用原理蒸汽的沖動作用原理 B. 反動度反動度二、工作原理二、工作原理走馬燈（現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪工作原理的原始應(yīng)用）走馬燈（現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪工作原理的原始應(yīng)用） 沖動力定義沖動力定義l 根據(jù)牛頓第二定律（動量方程）：當(dāng)運(yùn)動物體碰到另一個靜根據(jù)牛頓第二定律（動量方程）：當(dāng)運(yùn)動物體碰到另一個靜止的或速度不同的物體時，就會受到阻礙而改變其速度的大止的或速度不同的物體時，就會受到阻礙而改變其速度的大小和方向，同時給阻礙它運(yùn)動的物體一個作用力，這個力稱小和方向，同時給阻礙它

7、運(yùn)動的物體一個作用力，這個力稱為沖動力。為沖動力。222122 2212 21( )( )kw wccw w 廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 蒸汽沖動作用的特點(diǎn)蒸汽沖動作用的特點(diǎn) 噴嘴出口噴嘴出口 動葉通道動葉通道l蒸汽僅把從噴嘴中獲得的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)蒸汽僅把從噴嘴中獲得的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，蒸汽在動葉通道中不膨脹，動葉械功，蒸汽在動葉通道中不膨脹，動葉通道不收縮通道不收縮 B. 反動度反動度二、工作原理二、工作原理動葉葉型近似對稱彎曲動葉葉型近似對稱彎曲l沖動力的大小取決于單位時間內(nèi)通過動葉通沖動力的大小取決于單位時間內(nèi)通過動葉通道的蒸汽質(zhì)量及其速度的變化道的蒸汽質(zhì)量及其速度的變化(動量定理動量定

8、理)。廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系p 蒸汽的反動作用原理蒸汽的反動作用原理 B. 反動度反動度希羅球希羅球 反動力的定義反動力的定義l根據(jù)牛頓第三定律根據(jù)牛頓第三定律(力的相互作用原理力的相互作用原理)，當(dāng)氣體從容，當(dāng)氣體從容器中加速流出時，要對容器產(chǎn)生器中加速流出時，要對容器產(chǎn)生個與流動方向相反個與流動方向相反的力，即稱為反動力。的力，即稱為反動力。l汽流在動葉片中降溫降壓向出汽邊流動，由于蒸汽的汽流在動葉片中降溫降壓向出汽邊流動，由于蒸汽的流動，使其對動葉產(chǎn)生反作用力，推動葉片運(yùn)動，向流動，使其對動葉產(chǎn)生反作用力，推動葉片運(yùn)動，向外輸出機(jī)械功，即反動作用原理。外輸出機(jī)械功，即反動作用原理。

9、二、工作原理二、工作原理拋射物質(zhì)，獲得反作用力拋射物質(zhì)，獲得反作用力 空心球體支承在兩根垂直導(dǎo)管上，球下的容器內(nèi)的水被加熱時，蒸汽便沿著兩根導(dǎo)管分別進(jìn)入球內(nèi)，從球上兩根相反方向 的彎管噴出，由于噴氣反作用，球便沿著與噴氣流動相反的方向旋轉(zhuǎn)廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系2/2h c蒸汽在動葉蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹通道內(nèi)膨脹 B. 反動度反動度 蒸汽反動作用的特點(diǎn)蒸汽反動作用的特點(diǎn)l反動力的大小取決于汽體壓強(qiáng)的變化。反動力的大小取決于汽體壓強(qiáng)的變化。l蒸汽在動葉流道中不僅要改變方向，而且還要膨脹加速，蒸汽在動葉流道中不僅要改變方向，而且還要膨脹加速，從結(jié)構(gòu)上看動葉通道是逐漸收縮的。從結(jié)構(gòu)上看動葉通道是

10、逐漸收縮的。 蒸汽流經(jīng)級時先在噴嘴中膨脹壓力降蒸汽流經(jīng)級時先在噴嘴中膨脹壓力降低，速度增加一方面通過速度方向的低，速度增加一方面通過速度方向的改變，產(chǎn)生沖動力改變，產(chǎn)生沖動力Ft 蒸汽在動葉中繼續(xù)膨脹，壓力降低，蒸汽在動葉中繼續(xù)膨脹，壓力降低，所產(chǎn)生的焓降轉(zhuǎn)化為動能造成動葉出所產(chǎn)生的焓降轉(zhuǎn)化為動能造成動葉出口的相對速度口的相對速度w2大于進(jìn)口相對速度大于進(jìn)口相對速度w1，使汽流產(chǎn)生了作用于動葉上的與汽流使汽流產(chǎn)生了作用于動葉上的與汽流方向相反的反動力方向相反的反動力Fr。 在蒸汽的沖動力和反動力合力作用下在蒸汽的沖動力和反動力合力作用下推動動葉旋轉(zhuǎn)作功。推動動葉旋轉(zhuǎn)作功。二、工作原理二、工作原

11、理動葉葉型與噴嘴葉型相同動葉葉型與噴嘴葉型相同廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度p 反動度的定義反動度的定義u衡量氣體在動葉柵中的膨脹程度的參數(shù)叫做反動度或反力度衡量氣體在動葉柵中的膨脹程度的參數(shù)叫做反動度或反力度三、定義與計算三、定義與計算判斷有無反動力的作用及其大小是根據(jù)蒸汽在動葉柵中的判斷有無反動力的作用及其大小是根據(jù)蒸汽在動葉柵中的膨脹程度膨脹程度(壓強(qiáng)變化壓強(qiáng)變化)運(yùn)動反動度運(yùn)動反動度k熱力反動度熱力反動度t0hl(基元級基元級)運(yùn)動反動度運(yùn)動反動度k定義為：蒸汽通過動葉通道時的靜定義為：蒸汽通過動葉通道時的靜焓降與其滯止理想焓降之比，即：焓降與其滯止理想焓降之比，即：

12、l(基元級基元級)熱力反動度熱力反動度t定義為：蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹時的定義為：蒸汽在動葉通道內(nèi)膨脹時的 理想焓降理想焓降hb與蒸汽在整個級的滯止理想焓降與蒸汽在整個級的滯止理想焓降ht*之比，即：之比，即：NoImage廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系0點(diǎn)點(diǎn) 級前蒸汽狀態(tài)點(diǎn)級前蒸汽狀態(tài)點(diǎn)0*點(diǎn)點(diǎn) 汽流被等熵滯止到初速汽流被等熵滯止到初速 等于零的狀態(tài)點(diǎn)等于零的狀態(tài)點(diǎn)(滯止點(diǎn)滯止點(diǎn))1點(diǎn)點(diǎn) 噴嘴出口點(diǎn)噴嘴出口點(diǎn)1s點(diǎn)點(diǎn) 等熵膨脹狀態(tài)點(diǎn)等熵膨脹狀態(tài)點(diǎn)2點(diǎn)點(diǎn) 動葉出口點(diǎn)動葉出口點(diǎn) ht*級的級的理想理想滯止焓降滯止焓降 ht 級的級的理想理想焓降焓降 hn*噴嘴中噴嘴中理想理想滯止焓降滯止焓降 hb

13、動葉中動葉中理想理想滯止焓降滯止焓降01s2ss 噴嘴和動葉均為等熵流動的過程線噴嘴和動葉均為等熵流動的過程線012s 噴嘴有損失、動葉等熵流動的過程線噴嘴有損失、動葉等熵流動的過程線蒸汽經(jīng)過一級膨脹作功時在焓熵圖蒸汽經(jīng)過一級膨脹作功時在焓熵圖上的熱力過程線如右圖上的熱力過程線如右圖級的熱力過程線級的熱力過程線 B. 反動度反動度p 反動度的計算反動度的計算三、定義與計算三、定義與計算1s2s2ss2h2 22 12 22 21 22 1( )( )( )kwwcc ww sho廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度三、定義與計算三、定義與計算*bbtnbnbhhhhhh 對于圓柱面

14、基元級對于圓柱面基元級(圓周速度相等圓周速度相等)2*00002chhh*02ssthhh12sbh hh 212hhh12sssbhhh1h(基元級基元級)運(yùn)動反動度運(yùn)動反動度u k的值可以是正數(shù)、零或負(fù)值，主要取決于的值可以是正數(shù)、零或負(fù)值，主要取決于 的值的值*btthh廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系根據(jù)熱力反動度根據(jù)熱力反動度t定義定義*/tbth h * nthh*btthh 2222 常 數(shù)wuh得得（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）由（由（1 1）知）知代入（代入（2 2）得）得根據(jù)熵焓圖的熱力過程線根據(jù)熵焓圖的熱力過程線 B. 反動度反動度三、定義與計算三、定義與計算廈門大

15、學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度三、定義與計算三、定義與計算p 反動度的特點(diǎn)反動度的特點(diǎn)注：平均直徑是動葉頂部和根部直徑的平均值注：平均直徑是動葉頂部和根部直徑的平均值u 兩種反動度的定義，各有它運(yùn)用的場合，但二者在數(shù)值兩種反動度的定義，各有它運(yùn)用的場合，但二者在數(shù)值上差別不大。上差別不大。u 反動度是無量綱量，是基元級設(shè)計的重要參數(shù)，會影響反動度是無量綱量，是基元級設(shè)計的重要參數(shù)，會影響到速度圖的形狀、做功能力大小和能量轉(zhuǎn)換的效率到速度圖的形狀、做功能力大小和能量轉(zhuǎn)換的效率u 熱力反動度熱力反動度t用來衡量蒸汽在動葉柵中的膨脹程度，用來衡量蒸汽在動葉柵中的膨脹程度，t 越大，越大，

16、 hb越大，蒸汽對動葉柵的反動力越大。越大，蒸汽對動葉柵的反動力越大。u 級的反動度沿動葉高度是不同的，一般用動葉平均直徑級的反動度沿動葉高度是不同的，一般用動葉平均直徑截面上的理想焓降所確定的熱力反動度來表示，即平均截面上的理想焓降所確定的熱力反動度來表示，即平均反動度反動度m 。廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例p 按反動度的大小對汽輪機(jī)級進(jìn)行分類按反動度的大小對汽輪機(jī)級進(jìn)行分類（1 1）沖動級沖動級 純沖動級純沖動級：m0，p1=p2，w1=w2(k0) 工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)：蒸汽只在噴嘴葉柵中膨脹，：蒸汽只在噴嘴葉柵中膨脹，在動葉柵中不膨脹，而只改變其

17、流動方向。在動葉柵中不膨脹，而只改變其流動方向。做功能力大、效率低、不采用。做功能力大、效率低、不采用。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：動葉葉型對稱彎曲。：動葉葉型對稱彎曲。純沖動級純沖動級2221 2 112 ( ) 2ssbw hhw hw *1ntthh 廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例帶反動度的沖動級帶反動度的沖動級( (一般簡稱沖動級一般簡稱沖動級) )： m=0.050.2 工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進(jìn)行，只有一小部分在動葉柵中進(jìn)葉柵中進(jìn)行，只有一小部分在動葉柵中進(jìn)行，行，產(chǎn)生的反動力較小，主要利用沖動力產(chǎn)生的

18、反動力較小，主要利用沖動力作功，作功， 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：作功能力比反動級大，效：作功能力比反動級大，效率比純沖動級高，應(yīng)用廣泛。率比純沖動級高，應(yīng)用廣泛。帶反動度的沖動級帶反動度的沖動級2211221122hc q hc w 廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例復(fù)速級復(fù)速級： 2 2221 21 22 1* *2 22 2221 21 21 22 1() ()() () ()kh hu u w wh h c c u u w w 復(fù)速級是在單列沖動級基礎(chǔ)上的一種改復(fù)速級是在單列沖動級基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)型式，即在單列動葉后增加一列導(dǎo)向進(jìn)型式，即在單列動葉后增加一

19、列導(dǎo)向葉片和一列動葉。葉片和一列動葉。 復(fù)速級的作功能力比單列沖動級大。復(fù)速級的作功能力比單列沖動級大。 通常在級的焓降很大，噴嘴出口速度很通常在級的焓降很大，噴嘴出口速度很高時采用復(fù)速級。高時采用復(fù)速級。 為了提高復(fù)速級的效率，也可將其動葉為了提高復(fù)速級的效率，也可將其動葉設(shè)計成帶有一定的反動度。設(shè)計成帶有一定的反動度。 當(dāng)?shù)诙袆尤~出口速度仍然較大時，可當(dāng)?shù)诙袆尤~出口速度仍然較大時，可以再增加一列導(dǎo)葉和動葉，構(gòu)成三列速以再增加一列導(dǎo)葉和動葉，構(gòu)成三列速度級。度級。復(fù)速級復(fù)速級廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系（2 2）反動級反動級：m0.5， p1p2 工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)：蒸汽在噴嘴和動葉中的膨

20、脹程度：蒸汽在噴嘴和動葉中的膨脹程度相同。作功的力沖動力和反動力各占一半相同。作功的力沖動力和反動力各占一半 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：噴嘴和動葉采用的葉型相同，而且對：噴嘴和動葉采用的葉型相同，而且對稱。反動級的效率高于沖動級，但整級的理想稱。反動級的效率高于沖動級，但整級的理想焓降較小。焓降較小。 B. 反動度反動度四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例反動級反動級 噴嘴和動葉葉型相同，噴嘴和動葉葉型相同， 1=2， 2=1,= c1=w2， c2=w1222122221221=0.5()() kwwccww廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 B. 反動度反動度p 根據(jù)反動度計算噴嘴和動葉的出口速度根據(jù)反動度計算噴嘴和動葉的出口速度四、應(yīng)用舉例四、應(yīng)用舉例0bh能量方程能量方程應(yīng)用到噴嘴進(jìn)口應(yīng)用到噴嘴進(jìn)口(0-0截面截面) 、出口、出口(1-1截面截面)和動葉出口和動葉出口(2-2截面截面)22*0100122sscchhh22*1010102()222-sssntchhchchh（1）22212sbwwhw*112-stcch（ 1）*12bthh廈門大學(xué)航空系廈門大學(xué)航空系 級的反動度是葉輪的重要的特性參數(shù)，反動度的大小是隨級的反動度是葉輪的重要的特性參數(shù)，反動度的大小是隨工況工況而變化的，因此，從某些方面反映了葉輪級的工作狀而變化的，因此，從某些方面反