1、1第七章 渦輪工作原理及特性2渦輪工作原理及特性渦輪是一種將工質的焓轉換為機械能的旋轉式動力機械，渦輪是一種將工質的焓轉換為機械能的旋轉式動力機械，是航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機等主要部件之一是航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機等主要部件之一3渦輪工作原理及特性渦輪的一般形式：靜子（導向器）渦輪的一般形式：靜子（導向器）+轉子一級。轉子一級。氣流以高速沖擊工作輪旋轉做功氣流以高速沖擊工作輪旋轉做功工作環境特點：壓力梯度、溫度工作環境特點：壓力梯度、溫度4渦輪分類（工質不同）工質不同）按工質大致可分為：風車、水輪機按工質大致可分為：風車、水輪機、蒸汽渦輪蒸汽渦輪、燃氣燃氣渦輪。渦輪。表7-1 常用

2、的渦輪分類概念根據工質根據工質根據工質在葉柵中速度根據工質在葉柵中速度亞音渦輪亞音渦輪和超音渦輪和超音渦輪根據驅動對象根據驅動對象高壓渦輪和低壓渦輪高壓渦輪和低壓渦輪/ /燃氣渦輪和動力渦輪燃氣渦輪和動力渦輪根據工質流動方向根據工質流動方向軸流式渦輪和向心式渦輪軸流式渦輪和向心式渦輪根據反力度可分為根據反力度可分為沖動式渦輪和反力式渦輪沖動式渦輪和反力式渦輪根據是否冷卻根據是否冷卻非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪非冷卻式渦輪和冷卻式渦輪根據級數根據級數單級渦輪和多級渦輪單級渦輪和多級渦輪根據氣動布局根據氣動布局常規渦輪和常規渦輪和對轉渦輪對轉渦輪根據結構形式根據結構形式帶冠和不帶冠帶冠和不帶冠蒸汽輪機

3、、燃氣輪機、水輪機、風車蒸汽輪機、燃氣輪機、水輪機、風車67.1 渦輪的基元級基元級流動基元級流動001122靜葉動葉旋轉軸工作輪 氣流通過渦輪基元級速度的變化氣流通過渦輪基元級速度的變化v導葉的作用：膨脹加速降溫導向導葉的作用：膨脹加速降溫導向v動葉的作用：做功膨脹動葉的作用：做功膨脹導向導向渦輪壓氣機葉柵通道形狀的差異渦輪壓氣機葉柵通道形狀的差異哪是壓力面？哪是壓力面？ 氣流通過渦輪基元級速度的變化氣流通過渦輪基元級速度的變化v 燃氣通過渦輪基元級膨脹作功，燃氣的總溫和總壓都降低。 v 導向器：改變氣流方向。導向器通道呈收斂形，氣流膨脹加速，氣體靜壓p、靜溫T、靜焓h相應降低。氣流在導向器

4、出口處的速度c1接近聲速，有時甚至略超過聲速。速度c1具有很大的切線方向分速度。由于渦輪的工作輪前緣以切線速度u1運動著，因此氣流相對于工作輪前緣 的運動速度為w1。 012T0T1T2p0p1p2c0c1c2v 工作輪：工作輪葉柵通道也呈收斂形，氣流在其中繼續膨脹加速，氣體靜壓p、靜溫T、靜焓h進一步降低。同時，氣流通過工作輪葉柵改變流動方向。由于渦輪工作輪葉柵是收斂通道，氣流在其中減壓加速，不易產生分離，因此與壓氣機工作輪葉柵相比，渦輪工作輪葉柵可以有大得多的氣流轉折角，可以達到90100。v 工作輪出口氣流的相對速度w2大于進口相對速度w1，但是對于發動機的絕對坐標系來說，工作輪出口氣流

5、的絕對速度c2卻小于工作輪進口絕對速度c1 氣流通過渦輪基元級膨脹作功原理氣流通過渦輪基元級膨脹作功原理從能量方程推導得到的膨脹功公式為：)()(222121222121ccwwLu22*21212121()()2ueppCCLqC TTC TThh條件？進出口輪緣速度相等條件？進出口輪緣速度相等壓氣機和渦輪輪緣功的比較？壓氣機和渦輪輪緣功的比較？22221102fwwdpL222221212121()22epwwuuwwqC TThh10速度三角形速度三角形001122靜葉動葉旋轉軸工作輪渦輪基元級速度三角形渦輪基元級速度三角形2 21 1uuuLu cu c21()uuuuLu cu cc

6、 2211uuuLc rc r決定渦輪基元級速度三角形的主要參數有五個：C1u、C2u、u和C1a/C2a。 wwc1accuuc1uuwcuc2uc2a壓氣機速度由哪些參數決定？壓氣機速度由哪些參數決定？wwc1accuuc1uuwcuC2uC2a渦輪基元級反力度渦輪基元級反力度uLww)(2122210.50.5，c c1u1uu uc c2u2uw w2u2uc c1 1和和w w2 2大致對稱。大致對稱。w w1u1u=c=c2u2u反力度大于零的渦輪稱為：反力度大于零的渦輪稱為：反力式渦輪。反力式渦輪。u1u2c1ac2a uccuuT2121運動反力度 0 c0 c1u1uc c2

7、u2u2u2u，c c1u1uu uu uc c2u2u，即，即w w1u1uw w2u2u動葉特征：進出口形狀對稱。動葉特征：進出口形狀對稱。氣體流經動葉只拐彎不膨脹。氣體流經動葉只拐彎不膨脹。稱為稱為“沖擊式沖擊式”渦輪渦輪二者差異？二者差異？ 航空發動機中典型渦輪平均半徑處反力度為航空發動機中典型渦輪平均半徑處反力度為0.25-0.40.25-0.4uw2uw1u載荷系數載荷系數/ /負荷系數負荷系數ucuccuHuuuT221)(物理意義：渦輪級的做功能力物理意義：渦輪級的做功能力典型數值范圍典型數值范圍1.4-1.7HT，沖擊渦輪速度三角形沖擊渦輪速度三角形給定輪緣功時，可以根據無量

8、綱參給定輪緣功時，可以根據無量綱參數數HT，T和和C C1a/C/C2a，靜葉出口氣流，靜葉出口氣流角角 1 1確定速度三角形。確定速度三角形。12T121T2T12111u1211212(1)2(1)2/tan/)TuuTuuTuuTuTuaaaaaaaLHLuHccuHuccHuHcu 根據和確定圓周速度：根據反力度和載荷系數的定義：得 c知cc 和，得c ccc /(cc負荷系數大，做功能力強負荷系數大，做功能力強2T(1)2TuHcu222ctuaccg22/aaccu2T2(1)2TaHc ctg當當2ac和一定時，一定時，2TH上升，下降，氣流偏離軸向，動能損失大，氣流偏離軸向，動

9、能損失大wwc1accuuc1uuwcuc2uc2a14流量因子流量因子/ /流量系數流量系數 uca1與基元級流通能力和葉片形狀有關與基元級流通能力和葉片形狀有關,在在一定圓周速度下，大的流量因子標志一定圓周速度下，大的流量因子標志著設計者想通過增大氣流軸向分速的著設計者想通過增大氣流軸向分速的辦法來減小葉片高度辦法來減小葉片高度 應用應用渦輪葉柵中的流動渦輪葉柵中的流動等熵馬赫數定義：等熵馬赫數定義：1121212kkappkM葉柵通道形式：葉柵通道形式：渦輪葉柵中的流動渦輪葉柵中的流動渦輪葉柵中的流動渦輪葉柵中的流動18渦輪葉柵中的流動渦輪葉柵中的流動197.2 渦輪基元級的損失葉型損失

10、葉型損失邊界層內的摩擦損失和分離損失 尾跡損失及尾跡和主流的摻混損失 波阻損失 207.2 渦輪基元級的損失葉型損失葉型損失再生熱動能損失流動損失 面積022ad+面積i 22adCD=面積02DC22ad0P21PCD壓氣機與渦輪的區別？壓氣機與渦輪的區別？葉柵出口速度計算（靜葉為例）葉柵出口速度計算（靜葉為例）速度損失系數（實際速度速度損失系數（實際速度/等熵理想速度）等熵理想速度）1*1110*0/21 ()1kkadpkcccRTkp由由 和總溫，和總溫， （0.96-0.98）可確定）可確定 c1 *10/pp動能損失：動能損失：22211111()(1)22fadcLcc總壓恢復系

11、數：總壓恢復系數：*1111*0111/()(/)/()()ccc adcpppp 動葉？動葉？影響損失的因素影響損失的因素1 1）相對前緣半徑的影響）相對前緣半徑的影響2 2）相對尾緣半徑的影響）相對尾緣半徑的影響3 3）MaMa數的影響數的影響4 4）ReRe數的影響數的影響5 5）湍流度的影響）湍流度的影響6）攻角的影響）攻角的影響 損失系數隨設計馬赫數的變化損失系數隨設計馬赫數的變化出口馬赫數出口馬赫數.Ma 1.2損失系數22渦輪和壓氣機的對比渦輪渦輪壓氣機壓氣機能量轉換能量轉換葉柵通道葉柵通道流動過程流動過程級的構成級的構成葉型葉型輪緣功輪緣功工作環境工作環境級數級數多級流程多級流程效率效率焓焓機械能機械能收斂式收斂式膨脹加速膨脹加速靜葉動葉靜葉動葉厚、彎度大厚、彎度大大大高溫高溫少少擴展擴展單級：單級：0.88-0.91多級：多級：0.91-0.94機械能機械能壓力勢能熱能壓力勢能熱能擴散式