第二节第二节 涡轮工作原理涡轮工作原理发动机原理(涡轮)P一、功能、工作环境、设计要求及组成一、功能、工作环境、设计要求及组成功能功能 将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率，将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率， 带动压气机带动压气机(风扇风扇)、螺旋桨、旋翼、螺旋桨、旋翼(尾桨尾桨)等。等。工作环境工作环境高温高温: 热负荷热负荷(1600-1950K)高速转动高速转动: 离心负荷离心负荷 高气动负荷高气动负荷: 气动力、气动力矩气动力、气动力矩轴负荷：轴负荷： 传递巨大的扭矩传递巨大的扭矩设计要求设计要求 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耐高温的高强度材料冷却冷却发动机原理(涡轮)发动机原理(涡轮)组成组成u静子（导向器）静子（导向器）u静子叶片静子叶片u内、外环内、外环u转子转子u工作叶片工作叶片u盘盘u轴轴u排列方式排列方式 静子在前静子在前 转子在后转子在后发动机原理(涡轮)发动机原理(涡轮)基元级平面叶栅发动机原理(涡轮)二、作功原理二、作功原理u高温高压气体在导高温高压气体在导向器中膨胀加速向器中膨胀加速 热焓热焓 动能动能u叶轮高速转动发出叶轮高速转动发出功率的原因：功率的原因：u高速气流冲击工作高速气流冲击工作叶轮叶轮u流经工作叶轮气流流经工作叶轮气流产生的反作用力产生的反作用力发动机原理(涡轮)1、气流在基元级中的流动、气流在基元级中的流动u截面截面u0 静叶进口静叶进口u1 静叶出口静叶出口（动叶进口）（动叶进口）u2 动叶出口动叶出口发动机原理(涡轮)(1)气流在静子叶栅中的流动气流在静子叶栅中的流动u气体作绝能流动气体作绝能流动伯努利方程伯努利方程V1 V0 dp 0 对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道对于亚音气流，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叶栅向背离轴向弯曲形成收敛通道。收敛通道。在静子叶片中的工作原理：在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向膨胀加速并转向发动机原理(涡轮)发动机原理(涡轮)气流在静叶中的流动气流在静叶中的流动u叶型偏离轴线弯曲形成叶型偏离轴线弯曲形成收敛收敛通道通道u在叶栅通道出口处为最小截在叶栅通道出口处为最小截面，称为面，称为喉道截面喉道截面；u在喉道截面处，气流通常达在喉道截面处，气流通常达到到当地音速当地音速，又称为，又称为临界截临界截面面；u在临界截面后气流进一步加在临界截面后气流进一步加速，以超音速进入工作轮；速，以超音速进入工作轮；u静子叶片起导向作用又称为静子叶片起导向作用又称为导向器导向器。发动机原理(涡轮)(2)气流在动叶叶栅中的流动气流在动叶叶栅中的流动u基元级速度三角形基元级速度三角形l进口：进口：气流以气流以V1流向动叶流向动叶由于叶片转动切线速度由于叶片转动切线速度U1气流以相对速度气流以相对速度W1进入动叶进入动叶l出口：出口：气流以相对速度气流以相对速度W2 流出动叶流出动叶由于叶片转动切线速度由于叶片转动切线速度U2气流以绝对速度气流以绝对速度V2流出动叶流出动叶发动机原理(涡轮)速度三角形u将进、出口速度将进、出口速度三角形叠画在一三角形叠画在一起起uW和和V均向背离转均向背离转动方向发生偏转动方向发生偏转u 相对速度增加相对速度增加uW2 W1 u绝对速度降低绝对速度降低uV2 V1发动机原理(涡轮) 伯努利方程伯努利方程u绝对坐标系绝对坐标系 气体膨胀功、动能增量气体膨胀功、动能增量 输出轮缘功输出轮缘功并耗损摩擦功并耗损摩擦功u相对坐标系相对坐标系 dp 0 W2 W1 叶型弯曲形成收敛通道叶型弯曲形成收敛通道 相对速度增加，压力降低相对速度增加，压力降低u两式相减，得：两式相减，得： 涡轮对外输出轮缘功涡轮对外输出轮缘功u绝对动能绝对动能 机械能机械能u相对动能相对动能 膨胀加速膨胀加速 产生反作用力产生反作用力发动机原理(涡轮)u提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功Wuu轮缘功轮缘功Wu 动量矩原理推导出动量矩原理推导出 U 切线速度切线速度 WU 扭速扭速u增加输出功率：增加输出功率：U、扭速。、扭速。u由于气流在涡轮中作膨胀加速流动由于气流在涡轮中作膨胀加速流动,气流不易分离气流不易分离 因此允许气流的转角较大因此允许气流的转角较大产生大的产生大的扭速扭速。发动机原理(涡轮)扭速 WU涡轮涡轮一级涡轮输出功率可以带动多级压气机一级涡轮输出功率可以带动多级压气机 压气机压气机发动机原理(涡轮)2、涡轮级、涡轮级u涡轮级沿叶高由基元级涡轮级沿叶高由基元级叠加而成；叠加而成；u因沿叶高的切线速度大因沿叶高的切线速度大小不同，相对速度大小小不同，相对速度大小和方向均不同，速度三和方向均不同，速度三角形不同；角形不同；u沿叶高叶片是扭转的。沿叶高叶片是扭转的。发动机原理(涡轮)3、全台涡轮、全台涡轮u沿发动机轴向为扩张形气流通道沿发动机轴向为扩张形气流通道流向流向发动机原理(涡轮)三、热力过程及主要参数三、热力过程及主要参数1、热力过程、热力过程理想情况：理想情况：绝热等熵膨胀绝热等熵膨胀实际情况：实际情况：多变膨胀多变膨胀hS34i4P3*P4*理想膨胀功理想膨胀功实际膨胀功实际膨胀功发动机原理(涡轮)u膨胀比：膨胀比：u流量：流量：u转速：转速：u多变膨胀功：多变膨胀功：u绝热效率：绝热效率：涡轮的主要参数涡轮的主要参数发动机原理(涡轮)u涡轮效率（涡轮效率（0.88 0.92)：叶型流动损失（分离、摩擦）叶型流动损失（分离、摩擦）端面损失（潜流、径向间隙漏气）端面损失（潜流、径向间隙漏气）冷却气流掺入冷却气流掺入u带冠、主动间隙控制带冠、主动间隙控制u涡轮膨胀功与进口气流总温、膨胀比、绝热效涡轮膨胀功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。率成正比。发动机原理(涡轮)三、涡轮特性三、涡轮特性u当涡轮膨胀比增加到一当涡轮膨胀比增加到一定时，涡轮进口流量相定时，涡轮进口流量相似参数保持常数似参数保持常数u称流量相似参数保称流量相似参数保持常数的状态为：持常数的状态为： 临界或超临界状态临界或超临界状态u涡轮效率随膨胀比变化涡轮效率随膨胀比变化较平缓。较平缓。发动机原理(涡轮)小小 节节u涡轮作功原理涡轮作功原理l叶片排列方式叶片排列方式l速度三角形速度三角形l级作功能力及其影响因素级作功能力及其影响因素u主要参数（膨胀比、效率、膨胀功等）主要参数（膨胀比、效率、膨胀功等）u涡轮通用特性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高热负荷、高气动和离心负荷下可靠工作发动机原理(涡轮)