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V0dp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10202102fsWVVdp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0W2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2121222fruWVVdpW21212202fr2222212122WWVVWu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。2222212122WWVVWu)(21uuuuWWUWUW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hS34i4P3*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：tadtttttmgtWWCpTWrpmnskgqpp/])(11[)()/(**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])(11[tttCpTW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*3mgqTconstp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