航空发动机原理第六讲 发动机部件工作原理---涡轮

黄玥助理教授物理机电航空大楼[e-mail]物理与机电工程学院厦门大学发动机部件工作原理AeroEnginePrinciple–Lecture#5/Enginesparts-TurbineOct.20,2014发动机部件工作原理•第一节气动热力基础•第二节进气道•第三节尾喷管•第四节压气机•第五节涡轮•第六节燃烧室第五节涡轮一、生活中的叶轮机风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……2014年11月20日3一、生活中的叶轮机电脑芯片的风扇：由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气发动机的压气机：由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气2014年11月20日4一、生活中的叶轮机风力发电机：空气的动能转化为电能；发动机的涡轮：燃气的热能转化为机械能2014年11月20日5一、生活中的叶轮机2014年11月20日6一、生活中的叶轮机高压涡轮2014年11月20日7一、生活中的叶轮机低压涡轮2014年11月20日8二、功能、工作环境及设计要求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2014年11月20日9二、功能、工作环境及设计要求设计要求提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻。涡轮温度要求燃气：1500-1900K叶片：1150K叶盘：950K轴承：500K2014年11月20日10二、功能、工作环境及设计要求2014年11月20日11三、工作原理1、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2014年11月20日12三、工作原理2、涡轮基元级平面叶栅：2014年11月20日13三、工作原理3、作功原理导向器高温高压气体在导向器中膨胀加速焓动能工作叶轮高速气流冲击工作叶轮，使叶轮高速转动，发出功率。动能机械能2014年11月20日14三、工作原理4、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2014年11月20日15三、工作原理4、气流在基元级中的流动静叶栅（导向器）2014年11月20日16三、工作原理4、气流在基元级中的流动气流在静叶栅中的流动伯努利方程V1V0dp02014年11月20日1710202102fsWVVdp对于亚音气流，要加速必须经过收敛型叶栅通道。三、工作原理4、气流在基元级中的流动气流在静叶栅中的流动叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向2014年11月20日18。压气机（减速增压）涡轮（增速减压）三、工作原理4、气流在基元级中的流动气流在静叶栅中的流动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；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2014年11月20日19三、工作原理4、气流在基元级中的流动动叶栅2014年11月20日20三、工作原理4、气流在基元级中的流动气体在动叶栅中的流动：速度三角形（进口）：气流流向动叶的绝对速度V1；叶片转动切线速度为U1；气流进入动叶的相对速度为W1。速度三角形（出口）：气流流出动叶的相对速度为W2；叶片转动切线速度为U2；气流流出动叶的绝对速度为V2。2014年11月20日21三、工作原理4、气流在基元级中的流动气体在动叶栅中的流动：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（气体增速降压）绝对速度下降：V2V1（动能机械能）2014年11月20日22三、工作原理4、气流在基元级中的流动气体在动叶栅中的流动：伯努利方程（相对坐标系）dp0,W2W12014年11月20日2321212202fr叶型弯曲形成收敛通道，相对速度增加，压力降低三、工作原理4、气流在基元级中的流动气体在动叶栅中的流动：伯努利方程（绝对坐标系）两式想减，得：2014年11月20日242121222fruWVVdpW2222212122WWVVWu涡轮对外输出轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量绝对动能机械能相对动能膨胀加速，产生反作用力三、工作原理4、气流在基元级中的流动气体在动叶栅中的流动：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。一级涡轮输出功率可以带动多级压气机2014年11月20日25涡轮压气机三、工作原理5、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。2014年11月20日26三、工作原理6、全台涡轮沿发动机轴向为扩张形气流通道2014年11月20日27四、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2014年11月20日28hS34i4P3*P4*理想膨胀功实际膨胀功四、热力过程及主要参数2、主要参数膨胀比：流量：转速：绝热效率：2014年11月20日29)(rpmn)/(skgqmg出口总压进口总压*4*3*ppt？（自己推导）等熵膨胀功实际膨胀功t四、热力过程及主要参数练习题（判断）若涡轮进口气流参数和涡轮膨胀比保持不变，则涡轮出口总温越高，涡轮效率也越高。错，参见h-s图2014年11月20日30五、涡轮特性依据相似理论，涡轮性能参数可以表示为2014年11月20日31),(),(*3*3*32**3*3*31*TnpTqfTnpTqfmgTmgT34五、涡轮特性特性：亚临界状态涡轮相似流量随膨胀比的增加而增加超临界状态涡轮相似流量与膨胀比和相似转速无关2014年11月20日32五、涡轮特性压气机特性与涡轮特性对比：压气机工作于设计状态，相似流量与相似转速和增压比有关；涡轮工作于设计状态，相似流量与相似转速和膨胀比无关；2014年11月20日33增压比小结涡轮工作原理叶片排列方式速度三角形主要参数（膨胀比、效率等）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2014年11月20日34小结2014年11月20日35压气机涡轮转子在前、静子在后静子在前、转子在后转、静叶栅均为扩张型转、静叶栅均为收缩型转子：加功+增压转子：获得机械功+降压静子：减速增压静子：加速减压基元级逐级收缩基元级逐级扩张内部流动一般为亚音导叶出口一般为临界逆压力梯度（静压增加）顺压力梯度（静压下降）W2W1V2V1W2W1V2V1