燃气轮机_涡轮（PPT42页)

第三章燃气涡轮概述（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气涡轮的工作原理；轮周功、轮周效率、速度比；多级涡轮；涡轮特性；燃气涡轮的冷却。3-1轴流式燃气涡轮的工作原理一、涡轮级的概念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。单级涡轮：整台涡轮只有一个“级”多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级”一般轴流式燃气涡轮采用多级。三个特征截面：0-0喷嘴进口；1-1喷嘴出口；2-2工作叶轮的出口。二、工作原理wccTpTp但但（机械功）（动能）（热能）叶轮旋转高速气流高温气流动叶中转向喷嘴膨胀ii涡轮中的能量转换过程主要是在动叶栅中气流的转向来实现的。涡轮级中燃气参数的变化喷嘴叶轮1、冲动式涡轮燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀；依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮旋转作功。工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即P1p2，w1w2工作动叶片的通道一般是等截面的。2、反动式涡轮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；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机械功。这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力。P2p1，w2w1工作动叶片的通道一般是收敛的.3、反动度T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，其余地继续在动叶栅中膨胀。定义：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T=H2s/Hs一般T=0.3~0.5T=0时，冲动式涡轮；T=0.5时，能量损失最小。4、叶片叶型涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，相对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大。冲动级的动叶片更为厚实、弯曲角更大。三、基元级及其速度三角形气体在涡轮级中的流动是十分复杂的三元流动，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。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将平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级。（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）涡轮基元级的选取喷嘴叶轮Dm1122静叶动叶u注意:(1)静叶在前,动叶在后;(2)叶片间通道截面渐缩;(3)叶片运动方向由叶腹→叶背;(4)叶片厚实且弯曲角大。2、基元级的速度三角形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，即c=w+u喷嘴0-1燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，流速c增加；喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速），流道截面逐渐收敛。静叶动叶u动叶进口处1-1气流以速度c1和气流角1自喷嘴流出；动叶栅以u1旋转；那么气流以相对速度w1与进气角1进入动叶栅。111212112cosucucww1=c1–u1u静叶动叶1111wsincsin一般1=14~20°动叶出口处2-2动叶栅通道收敛，气流流过膨胀加速，则压力降低、相对速度w2增加；且气流方向改变、转折较大，出气角21；那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅额线的夹角为2。222222222cosuwuwcc2=w2+u2u静叶动叶2222csinwsin一般1=14~20°基元级的速度三角形把进出口的速度三角形画在一起。注意：①一般c2xc1x(c2xc1x)；②气流转折角很大（90°），进出口速度三角形是分开的；③一般圆周速度u1≠u2。(轴流级u1≈u2)反动式涡轮基元级的速度2121w1w2c1c2u1u2叶栅额线T0c1uc2uc2u很小（接近轴向出气），而预旋c1u却很大则c1u和u一起决定L的数值（L=ucu）。90°c2xc1x压气机级基元级的速度2121w1w2cxc1c2uu叶栅额线轴向分速度cx气流转折角c2uc1u预旋c1u很小，而c2u较大则c2u和u一起决定L的数值。T=0.5基元级的速度三角形2121w1w2c1c2uu假设：c2x=c1xu1=u2=uc1=w21=2w1=c21=2进出口速度关于轴对称大小相等方向相反T=0冲动式基元级的速度三角形2121w1w2c1c2uu假设：c2x=c1xu1=u2=uw1=w21=2相对速度w1、w2关于轴对称大小相等方向相反气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。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1、喷嘴出口（c1s与c1）喷嘴中（0-1s），气体流动为稳定流动。绝热膨胀：q=0；喷嘴静止不动：L=0L)c(c21)(2021s01iiqs)(21)(0202101cciiss21120002121ss*cicii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。ssiicc1020212理想情况：理想情况：])(-1[12)(22)(2TTk1-k-1*0*0gTT1*0pT11s1*01ppTRkkTTccHiicssss或喷嘴中的理论焓降喷嘴中的膨胀比*021121iciss1.33K)kJ/(kg0.297TgkR绝热指数燃气的气体常数实际流动（0-1）：有摩阻及其他阻力存在；燃气的绝热指数和比热容均不是常数。c1c1si1i1s两种表示:(1)用速度系数表示：(2)用多变膨胀过程(nkT)表示：0.98)~0.94(11scc])pp(-[1TR1kk2n1-n-1*0*0gTT1cTTkknn1122、动叶进出口的气流参数动叶进口相对速度w1，由速度三角形求得:111212112cosucucww1=c1–u11111wsincsinc1u1w111动叶出口T0时，w2w1对于理想情况1-2s，在相对坐标系中：)(21)(0212212wwiisssssHiiww22121222气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加，即静压能转换为动能。21212s22H2wHwwsTs实际流速：w2w2s21212s222H2wHwwwsTs950930.~.动叶的速度系数50050HHρs2sT.~./反动度涡轮级的理想焓降动叶中的理想焓降冲动式T=0w2=w1若不考虑损失，=1，w2=w1动叶出口的绝对速度c2由速度三角形求得c2—余速：若被下级利用，则为下一级进口速度；若不被利用，则为余速损失。222222222coswuuwcc2=w2+u22222csinwsin五、通过喷嘴的流量及通流面积的确定若参数p0*、T0*及背压p1给定：已知喷嘴出口截面面积A时，可求出流量GT；或者，已知设计流量，要求确定出口截面积。理想情况下：TTTk1k-1*0k2-1*0TT*0*0T1kk2GppppTRpAgssTcAG11TTTk1k01k201TT001kk2***g*TppppTRpAG)(A)k(1010T00pp,fpp,,T,p,AfG****T已知给定：喷嘴中气体的膨胀比10pp*Tk10100111s1s1**g*sgppTRpTRpv理想情况下：时，亚音速，收缩喷嘴当cr**pppp)(1010喷嘴时，达到超音速，缩放当cr**pppp)(1010)()(1010喷嘴喉部时，音速，临界截面当cr**pppp临界压比临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算GT更方便。)(00qTpAcAG**crcrT)R(k1k2RkgT1k1kTgTTT,f常数)(ppcc)(Tk1crcrrcT,kfq*0*0TmaxTpAG无因次流量（相对密度）无因次速度])pp([11k1kccTTk1k01TTcr1s*图3-5(p81)实际流动存在粘性摩擦阻力气流在喉部截面后某一截面达到音速，即最有效流通截面不在喉部。则喉部的实际最大相对密流q()1，但相差很小，一般不超过0.1%。故粘性影响很小。3-2轮周功、轮周效率、速度比及多级涡轮一、轮周功Lu1.定义——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。即气体对动叶作的功。意义——代表了整个涡轮级的能量转换过程。规律——能量守恒关系（稳定流动能量方程、伯努利方程）动量守恒关系（欧拉方程）