发动机原理(第二章涡轮)

第二节 涡轮工作原理 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 静子（导向器） 静子叶片 内、外环 转子 工作叶片 盘 轴 排列方式 静子在前 转子在后 基元级平面叶栅 二、作功原理 高温高压气体在导 向器中膨胀加速 热焓 动能 叶轮高速转动发出 功率的原因： 高速气流冲击工作 叶轮 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 截面 0 静叶进口 1 静叶出口 （动叶进口） 2 动叶出口 (1)气流在静子叶栅中的流动 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 1 0 2 0 2 1 0 2 fs W VVdp 气流在静叶中的流动 叶型偏离轴线弯曲形成 收敛 通道 在叶栅通道出口处为最小截 面，称为 喉道截面 ； 在喉道截面处，气流通常达 到 当地音速 ，又称为 临界截 面 ； 在临界截面后气流进一步加 速，以超音速进入工作轮； 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 基元级速度三角形 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 W1进入动叶 出口： 气流以相对速度 W2 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 将进、出口速度 三角形叠画在一 起 W和 V均向背离转 动方向发生偏转 相对速度增加 W2 W1 绝对速度降低 V2 V1 伯努利方程 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 相对坐标系 dp 0 W2 W1 叶型弯曲形成收敛通道 相对速度增加，压力降低 两式相减，得： 涡轮对外输出轮缘功 绝对动能 机械能 相对动能 膨胀加速 产生反作用力 2 1 2 1 2 2 2 fru W VVdp W 2 1 2 1 2 2 0 2 fr W WWdp 22 2 2 2 1 2 1 2 2 WWVVW u 提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功 Wu 轮缘功 Wu 动量矩原理推导出 U 切线速度 WU 扭速 增加输出功率： U、扭速。 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 。 22 2 2 2 1 2 1 2 2 WWVVW u )( 21 uuuu WWUWUW 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 涡轮级沿叶高由基元级 叠加而成； 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； 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 h S 3 4i 4 P3* P4* 理想膨胀功 实际膨胀功 膨胀比： 流量： 转速： 多变膨胀功： 绝热效率： t a dtt t t t mg t WW C pTW r p mn skgq p p / )( 1 1 )( )/( * * 1 * * 3 * 4 * 3* 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。 * 1 * * 3 )( 1 1 t t t C pTW 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。 * 3 * 3 mgqT c o n s t p 小 节 涡轮作功原理 叶片排列方式 速度三角形 级作功能力及其影响因素 主要参数（膨胀比、效率、膨胀功等） 涡轮通用特性 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，处于临界或超临界状态 涡轮效率随膨胀比变化较平缓 高热负荷、高气动和离心负荷下可靠工作