发动机原理(第二章涡轮)

null第二节 涡轮工作原理第二节 涡轮工作原理null一、功能、工作环境、设计及组成 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null组成组成静子（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null基元级平面叶栅基元级平面叶栅二、作功原理二、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(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null气流在静叶中的流动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(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  V1null 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null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。扭速WU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null膨胀比： 流量： 转速： 多变膨胀功： 绝热效率： 涡轮的主要参数null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