发动机原理(第二章涡轮)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,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,V,1,V,0,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,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V,1,流向动叶,由于叶片转动切线速度U,1,气流以相对速度W,1,进入动叶,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U,2,气流以绝对速度V,2,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,W,2,W,1,绝对速度降低,V,2,V,1,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 W,2,W,1,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,提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功,W,u,轮缘功W,u,动量矩原理推导出,U,切线速度,W,U,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,。,扭速,W,U,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,P,3,*,P,4,*,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：,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,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,