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1、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、工作原理,高温高压气体在导向器中膨胀加速 热焓 动能 高速气流冲击工作叶轮，使叶轮高速转动，发出功率。,1、气流在基元级
2、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 V0 dp 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,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
3、 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 W2 W1 V2 V1,伯努利方程 绝对坐标系 膨胀功、动能增量 输出轮缘功、 耗损于摩擦功 相对坐标系 dp 0 W2 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,要提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高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
4、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,扭速,涡轮 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,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,h,S,3,4i,4,P3*,P4*,理想膨胀功,实际膨胀功,主要参数 膨胀比： 流量： 转速： 多变膨胀功： 绝热效率：,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 涡轮功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。,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。,