第二章 发动机部件工作原理,第二章 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,2019年7月12日,2,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）,2019年7月12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,2019年7月12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,2019年7月12日,5,一、生活中的叶轮机,2019年7月12日,6,一、生活中的叶轮机,高压涡轮,2019年7月12日,7,一、生活中的叶轮机,低压涡轮,2019年7月12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,2019年7月12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：500K,2019年7月12日,10,二、功能、工作环境及设计要求,2019年7月12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,2019年7月12日,12,三、工作原理,2、涡轮基元级平面叶栅：,2019年7月12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,2019年7月12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,2019年7月12日,15,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 静叶栅（导向器）,2019年7月12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 V0 dp 0,2019年7月12日,17,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,2019年7月12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,2019年7月12日,19,三、工作原理,4、气流在基元级中的流动 动叶栅,2019年7月12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。,2019年7月12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）,2019年7月12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） dp W1,2019年7月12日,23,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：,2019年7月12日,24,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,2019年7月12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。,2019年7月12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,2019年7月12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,2019年7月12日,28,h,S,3,4i,4,P3*,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：,2019年7月12日,29,四、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,2019年7月12日,30,五、涡轮特性,依据相似理论，涡轮性能参数可以表示为,2019年7月12日,31,3,4,五、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,2019年7月12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；,2019年7月12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,2019年7月12日,34,小结,2019年7月12日,35,