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1、会计学1燃气轮机燃气轮机 储运储运3-1 3-1 3-1 3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理轴流式燃气涡轮的工作原理轴流式燃气涡轮的工作原理轴流式燃气涡轮的工作原理n n一、涡轮级的概念一、涡轮级的概念一、涡轮级的概念一、涡轮级的概念n n一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅共同构成的轴流式涡轮的一个级。共同构成的轴流式涡轮的一个级。n n单级涡轮：整台涡轮只有一个单级涡轮：整台涡轮只有一个单级涡轮：整台涡轮只有一个单级涡轮：整台涡轮只有一个“级级级级”n n多级涡轮：整台涡轮包含有几个多级涡轮：整台涡轮包含有几个多级涡轮：整台涡轮包含有几个多
2、级涡轮：整台涡轮包含有几个“级级级级”n n一般一般一般一般轴流式燃气涡轮轴流式燃气涡轮轴流式燃气涡轮轴流式燃气涡轮采用多级。采用多级。采用多级。采用多级。三个特征截面：三个特征截面：0-0喷嘴进口；喷嘴进口；1-1喷嘴出口；喷嘴出口；2-2工作叶轮的出口。工作叶轮的出口。第1页/共42页二、工作原理二、工作原理涡轮中的能量转换过程主要是涡轮中的能量转换过程主要是 在动叶栅中在动叶栅中气流的转向气流的转向来实现的。来实现的。第2页/共42页涡轮级中燃气参数的变化涡轮级中燃气参数的变化涡轮级中燃气参数的变化涡轮级中燃气参数的变化喷嘴喷嘴 叶轮叶轮第3页/共42页1 1、冲动式涡轮、冲动式涡轮、冲
3、动式涡轮、冲动式涡轮n n燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀；再膨胀；再膨胀；再膨胀；n n依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮旋转作功。旋转作功。旋转作功。旋转作功。n n工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即不变，即不变，即不变，即
4、P1p2，w1 w2n n工作动叶片的通道一般是等截面的。工作动叶片的通道一般是等截面的。第4页/共42页第5页/共42页 2 2、反动式涡轮、反动式涡轮、反动式涡轮、反动式涡轮n n除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中继续膨胀而加速；继续膨胀而加速；继续膨胀而加速；继续膨胀而加速；n n加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推力，同样会使叶轮旋转而获得
5、机械功。力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。n n这样叶轮旋转作功，这样叶轮旋转作功，这样叶轮旋转作功，这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，既依靠高速气流的冲击力，既依靠高速气流的冲击力，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力。又靠加速气流的反动力。又靠加速气流的反动力。又靠加速气流的反动力。n n P2 w1n n工作动叶片的通道一般是收敛的工作动叶片的通道一般是收敛的.第6页/共42页第7页/共42页 3 3、反动度、反动度、反动度、反动度 T Tn n在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分在反动式涡轮中
6、，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分地膨胀到某一中间压力，其余地继续地膨胀到某一中间压力，其余地继续地膨胀到某一中间压力，其余地继续地膨胀到某一中间压力，其余地继续在动叶栅中膨胀在动叶栅中膨胀在动叶栅中膨胀在动叶栅中膨胀。n n定义定义定义定义：燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内的理论焓降之比，又称为热力学反动度的理论焓降之比，又称为热力学反动度的理论焓降之比，又称为热力学反动度的理
7、论焓降之比，又称为热力学反动度n n T=H2s/Hsn n一般一般一般一般 T T=0.30.5=0.30.5n n T T=0=0时，冲动式涡轮；时，冲动式涡轮；时，冲动式涡轮；时，冲动式涡轮；n n T T=0.5=0.5时，能量损失最小。时，能量损失最小。时，能量损失最小。时，能量损失最小。第8页/共42页 4 4、叶片叶型、叶片叶型、叶片叶型、叶片叶型n n涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，n n相对于压气机叶型，相对于压气机叶型，相对于压气机叶型，相
8、对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大涡轮叶片厚实且弯曲角大涡轮叶片厚实且弯曲角大涡轮叶片厚实且弯曲角大。冲动级的动叶冲动级的动叶片更为厚实、片更为厚实、弯曲角更大。弯曲角更大。第9页/共42页第10页/共42页三、基元级及其速度三角形三、基元级及其速度三角形n n气体在涡轮级中的流动是气体在涡轮级中的流动是气体在涡轮级中的流动是气体在涡轮级中的流动是十分复杂的三元流动十分复杂的三元流动十分复杂的三元流动十分复杂的三元流动，气流参数沿着半径方向、，气流参数沿着半径方向、，气流参数沿着半径方向、，气流参数沿着半径方向、圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的。圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变
9、化的。圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的。圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的。n n采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析。1、基元级定义、基元级定义n n将将将将平均直径处的环形叶栅平均直径处的环形叶栅平均直径处的环形叶栅平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由展开成平面叶栅，由展开成平面叶栅，由展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级称为
10、基元级称为基元级称为基元级。n n（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）第11页/共42页涡轮基元级的选取涡轮基元级的选取涡轮基元级的选取涡轮基元级的选取喷嘴喷嘴 叶轮叶轮Dm第12页/共42页1122静叶静叶动叶动叶u 注意注意:(1)静叶在前静叶在前,动叶在后动叶在后;(2)叶片间通道截面渐缩叶片间通道截面渐缩;(3)叶片运动方向由叶腹叶片运动方向由叶腹叶背叶背;(4)叶片厚实且弯曲角大。叶片厚实且弯曲角大。第13页/共42页2 2、基元级的速度三角形、基元级的速度三角
11、形、基元级的速度三角形、基元级的速度三角形n n如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和，n n 即 c=w+u第14页/共42页喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴 0-10-1n n燃气流过喷嘴后，燃气流过喷嘴后，燃气流过喷嘴后，燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下压力降低、温度下压力降低、温度下压力降低、温度下降，流速降，流速降，流速降，流速c c增加；增加；增加；增加；n n喷嘴相当于一个静喷嘴相当于一个静喷嘴相当于一个静喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速）止喷管（减压增速）止喷管（减压增速）止喷管（减压增速），流道截面逐渐收，流道截面逐渐收，流道截面逐渐收，流道
12、截面逐渐收敛。敛。敛。敛。静叶静叶动叶动叶u第15页/共42页动叶进口处动叶进口处动叶进口处动叶进口处 1-11-1n n气流以速度气流以速度气流以速度气流以速度c c1 1和气流和气流和气流和气流角角角角 1 1自喷嘴流出；自喷嘴流出；自喷嘴流出；自喷嘴流出；n n动叶栅以动叶栅以动叶栅以动叶栅以 u u1 1 旋转；旋转；旋转；旋转；n n那么气流以相对速度那么气流以相对速度那么气流以相对速度那么气流以相对速度w w1 1与与与与进气角进气角进气角进气角 1 1进入动进入动进入动进入动叶栅。叶栅。叶栅。叶栅。w1=c1 u1u静叶静叶动叶动叶一般1=1420第16页/共42页动叶出口处动叶
13、出口处动叶出口处动叶出口处 2-22-2n n动叶栅通道收敛，气流流动叶栅通道收敛，气流流动叶栅通道收敛，气流流动叶栅通道收敛，气流流过膨胀加速，则过膨胀加速，则过膨胀加速，则过膨胀加速，则压力降低、压力降低、压力降低、压力降低、相对速度相对速度相对速度相对速度w w2 2增加增加增加增加；且气流；且气流；且气流；且气流方向改变、转折较大，出方向改变、转折较大，出方向改变、转折较大，出方向改变、转折较大，出气角气角气角气角 2 2 1 1 ；n n那么气流以绝对速度那么气流以绝对速度那么气流以绝对速度那么气流以绝对速度c c2 2流流流流出动叶栅，出动叶栅，出动叶栅，出动叶栅，与叶栅额线的与叶
14、栅额线的与叶栅额线的与叶栅额线的夹角为夹角为夹角为夹角为 2 2。c2=w2+u2u静叶静叶动叶动叶一般1=1420第17页/共42页 基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形n n把进出口的速度三角形画在一起。把进出口的速度三角形画在一起。n n注意：注意：n n一般一般一般一般c c2x2x c c1x1x (c(c2x2x c c1x 1x)；n n气流转折角气流转折角气流转折角气流转折角很大很大很大很大 （9090），进出口速度三角形是分开的进出口速度三角形是分开的进出口速度三角形是分开的进出口速度三角形是分开的 ；n n一般圆周速度一般圆周速度一般圆周
15、速度一般圆周速度u u1 1 u u2 2。(轴流级轴流级轴流级轴流级u u1 1 u u2 2)第18页/共42页反动式反动式反动式反动式涡轮基元级的速度涡轮基元级的速度涡轮基元级的速度涡轮基元级的速度 2 1 2 1w1w2c1c2u1u2叶栅额线T0c1uc2uc2u很小（很小（接近轴向出气接近轴向出气），而预旋），而预旋c1u却很大却很大则则c1u和和u一起决定一起决定L的数值的数值（L=ucu）。90c2x c1x 第19页/共42页压气机级压气机级压气机级压气机级 基元级的速度基元级的速度基元级的速度基元级的速度 2 1 2 1w1w2cxc1c2uu叶栅额线轴向分速度cx气流转气
16、流转折角折角c2uc1u预旋预旋c1u很小很小，而，而c2u较大较大则则c2u和和u一起决定一起决定L的的数值。数值。第20页/共42页 T T=0.5=0.5基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形 2 1 2 1w1w2c1c2uu 假设：假设：c2x=c1x u1=u2=u c1=w2 1=2w1=c2 1=2进出口速度进出口速度 关于轴对称关于轴对称 大小相等方向相反第21页/共42页 T T=0 =0 冲动式冲动式冲动式冲动式基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形基元级的速度三角形 2 1 2 1w1w2c1c2uu 假设：假设：c2x
17、=c1x u1=u2=u w1=w2 1=2相对速度相对速度w1、w2关于轴对称关于轴对称大小相等方向相反第22页/共42页第23页/共42页n n气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。n n通过基元级内的能量转换情况来确定气流速度。四、涡轮基元级中各速度的确定四、涡轮基元级中各速度的确定四、涡轮基元级中各速度的确定四、涡轮基元级中各速度的确定第24页/共42页1 1 1 1、喷嘴出口（、喷嘴出口（、喷嘴出口（、喷嘴出口（c c c c1s1s1s1s与与与与c c c c1 1 1 1）喷嘴中（喷嘴中（喷嘴中（喷嘴中（0-1s0-1s），气体流动为稳定流动。），气体流动为稳定流动。），气
18、体流动为稳定流动。），气体流动为稳定流动。绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀绝热膨胀：q=0q=0；喷嘴静止不动：；喷嘴静止不动：；喷嘴静止不动：；喷嘴静止不动：L=0L=0气体总焓不变；则气体动能增加时，气体总焓不变；则气体动能增加时，其静焓降低，即静压能转换为动能。其静焓降低，即静压能转换为动能。理想情况：理想情况：第25页/共42页理想情况：理想情况：理想情况：理想情况：喷嘴中的理论焓降喷嘴中的理论焓降 喷嘴中的膨胀比喷嘴中的膨胀比第26页/共42页实际流动（实际流动（实际流动（实际流动（0-10-1）：）：）：）：n n有摩阻及其他阻力存在；有摩阻及其他阻力存在；有摩阻及其他阻力存在；有摩阻及其
19、他阻力存在；n n燃气的绝热指数和比热容均不是常数。燃气的绝热指数和比热容均不是常数。燃气的绝热指数和比热容均不是常数。燃气的绝热指数和比热容均不是常数。n n c1i1sn n两种表示两种表示两种表示两种表示:n n(1)(1)用用用用速度系数速度系数速度系数速度系数 表示：表示：表示：表示：n n(2)(2)用用用用多变膨胀过程多变膨胀过程多变膨胀过程多变膨胀过程(nk(n 0时，时，w2w1n n对于理想情况对于理想情况对于理想情况对于理想情况1-2s1-2s，在相对坐标系中：，在相对坐标系中：，在相对坐标系中：，在相对坐标系中：气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加，气体继续膨胀，静焓降
20、低、相对动能增加，即静压能转换为动能。即静压能转换为动能。第30页/共42页实际流速：实际流速：实际流速：实际流速：w w2 2 w w2s2s涡轮级的涡轮级的理想焓降理想焓降动叶中的动叶中的理想焓降理想焓降冲动式冲动式 T=0 w2=w1 若不考虑损失，若不考虑损失，=1，w2=w1 第31页/共42页动叶出口的动叶出口的动叶出口的动叶出口的绝对速度绝对速度绝对速度绝对速度c c c c2 2 2 2n n由速度三角形求得由速度三角形求得由速度三角形求得由速度三角形求得n nc2余速：余速：n n 若被下级利用，则为下一级进口速度；若被下级利用，则为下一级进口速度；若被下级利用，则为下一级进
21、口速度；若被下级利用，则为下一级进口速度；n n 若不被利用，则为余速损失。若不被利用，则为余速损失。若不被利用，则为余速损失。若不被利用，则为余速损失。c2=w2+u2第32页/共42页第33页/共42页五、通过喷嘴的流量五、通过喷嘴的流量五、通过喷嘴的流量五、通过喷嘴的流量 及通流面积的确定及通流面积的确定及通流面积的确定及通流面积的确定若参数若参数p0*、T0*及背压及背压p1给给定定：n n已知喷嘴出口截面面积已知喷嘴出口截面面积A时，可求出流量时，可求出流量GT；n n或者，已知设计流量，要或者，已知设计流量，要求确定出口截面积。求确定出口截面积。第34页/共42页理想情况下：理想情
22、况下：理想情况下：理想情况下：第35页/共42页理想情况下：理想情况下：理想情况下：理想情况下：临界压比第36页/共42页 临界截面上的参数只与气体性质有关，临界截面上的参数只与气体性质有关，临界截面上的参数只与气体性质有关，临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算用来计算用来计算用来计算GGT T更方便。更方便。更方便。更方便。无因次流量无因次流量（相对密度）（相对密度）无因次速度无因次速度图3-5(p81)第37页/共42页 实际流动实际流动实际流动实际流动n n存在粘性摩擦阻力存在粘性摩擦阻力存在粘性摩擦阻力存在粘性摩擦阻力n n气流在喉部截面后某一截面达到音速气流在喉部截面后某一截面
23、达到音速气流在喉部截面后某一截面达到音速气流在喉部截面后某一截面达到音速，即，即，即，即最有效流通截面不在喉部。最有效流通截面不在喉部。最有效流通截面不在喉部。最有效流通截面不在喉部。n n则喉部的实际最大相对密流则喉部的实际最大相对密流则喉部的实际最大相对密流则喉部的实际最大相对密流q(q()11，但相，但相，但相，但相差很小，一般不超过差很小，一般不超过差很小，一般不超过差很小，一般不超过0.1%0.1%。n n故粘性影响很小。故粘性影响很小。第38页/共42页第39页/共42页3-2 3-2 轮周功、轮周效率、速度比轮周功、轮周效率、速度比 及多级涡轮及多级涡轮第40页/共42页一、轮周
24、功一、轮周功一、轮周功一、轮周功LuLu 1.定义定义气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过转换后变成轴上的机械功。转换后变成轴上的机械功。转换后变成轴上的机械功。转换后变成轴上的机械功。即气体对动叶作的功。即气体对动叶作的功。即气体对动叶作的功。即气体对动叶作的功。意义意义意义意义代表了整个涡轮级的能量转换过程。代表了整个涡轮级的能量转换过程。代表了整个涡轮级的能量转换过程。代表了整个涡轮级的能量转换过程。规律规律规律规律能量守恒关系（能量守恒关系（能量守恒关系（能量守恒关系（稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动能量方程稳定流动能量方程 、伯努利方程、伯努利方程、伯努利方程、伯努利方程）动量守恒关系动量守恒关系动量守恒关系动量守恒关系 （欧拉方程欧拉方程欧拉方程欧拉方程）第41页/共42页