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1、第三章 燃气涡轮,概述（功能、分类、基本结构等）； 轴流式燃气涡轮的工作原理； 轮周功、轮周效率、速度比； 多级涡轮； 涡轮特性； 燃气涡轮的冷却。,多级涡轮,一般为多级轴流式涡轮（25级） 分为速度多级涡轮和压力多级涡轮,速度级涡轮（冲动式）,整个涡轮的等熵焓降均在喷嘴中被转换成气体的动能，而在工作动叶栅中仅发生绝对速度降低、将动能转化为机械功。 喷嘴中：H1s=Hs,双级速度级涡轮简图,多级速度级涡轮的最高效率比单级冲动式涡轮的要低得多。 原因： 气流速度高且流动阻力增加。,双级速度级涡轮简图,压力级涡轮（反动式）,由一系列反动式涡轮级串联组成。 每一级都有压力降，涡轮中压力逐级降低； 气
2、流绝对速度在每一级喷嘴中得到提高，而在每一级工作叶栅中得到利用。 余速损失较少，效率比单级的高。 应用较多。,三级压力级涡轮简图,六、多级涡轮的基本参数,（压力级）,多级压力级涡轮的基本参数,1、膨胀比T* 2涡轮的轴功率 （1）内功率NT 涡轮内功LT为各级轴功之和,内功率（轴功率）,或者：,或,(2)有效功率,3涡轮的效率T* （绝热膨胀效率）,假设各级的级效率相等,由于重热，,多级涡轮的效率比单级效率要高。,涡轮重热系数,注意:重热效应回收的摩擦热仅仅是流动阻力损失的一小部分，所以流动阻力增加总是导致涡轮效率降低的。,七、多级轴流式涡轮的通流部分型式,在轴流式涡轮中，随着气流压力沿流程逐
3、级下降，气流密度也逐级减小。 根据连续性方程G=Acx可知，这将导致气流轴向分速cx增加，或者通流面积A增加。 一般同时采用逐级增加轴向分速和叶片高度的办法。 多级轴流式涡轮的通流部分逐级渐扩。,三种型式,Dt=const,Dm=const,等外径,等内径,等平均直径,Dh=const,1、等外径的通流部分,结构：外径Dt相同 内径Dh和平均直径Dm则沿流程逐级降低。 优点：涡轮的径向尺寸较小，机壳的加工制造方便。 缺点：内径较小，叶片较长，叶片扭曲较剧烈。 特别是体积流量很大时，叶片更长，受材料强度限制。 应用：用于航空和舰船燃气轮机。,2、等内径的通流部分,结构：内径Dh相同 外径Dt和平
4、均直径Dm则沿流程逐级增加。 优点：叶片高度较小，则叶片扭曲不甚剧烈。 工作叶轮加工方便。 缺点：涡轮的径向尺寸变化剧烈。特别是体积流量变化很大时，易引起气流脱离，流阻增加。 因外径Dt逐级增加，机壳加工较繁。 应用：地面固定式燃气轮机。,3、等平均直径的通流部分,结构：平均直径Dh相同 外径Dt逐级增加，内径Dh逐级减小。 优缺点：介入以上二者之间 叶片扭曲不甚剧烈；涡轮的径向尺寸变化不太剧烈。 应用：涡轮通流部分的扩张角不大，广泛应用。,3-3 涡轮特性,设计工况： 涡轮级的通流部分形状和各级叶片的几何参数，均与设计工况的气流速度三角形一致 能保证气流绕流叶片时不致于产生撞击和分离。 变工
5、况： 在不同条件下的实际运行工况，往往会偏离设计工况，在变工况下工作。,一、涡轮的变工况,所谓涡轮工况的变化，通常指各工况参数的变化： (1)转速nT； (2)涡轮级前压力和温度（p3*、T3*）等进气参数的变化； (3)涡轮级后背压 （p4）等参数的变化。 会导致各级间的焓降重新分配、速度三角形的变化以及在叶片进口出现冲角等； 最终必将引起涡轮级的综合参数的变化，如流量、轴功以及效率等性能参数。,涡轮特性,研究在非设计工况下，涡轮的性能参数依从于涡轮工况参数变化时的规律性。,流量、功率、效率等,转速、进气参数、背压等,涡轮的变工况举例,涡轮变工况时，喷嘴出口气流角1变化很小，但叶轮的气流进气
6、角1变化可能很大，而动叶片几何进气角1c不变 冲角i = 1c-1发生变化 气流进入工作叶栅时，会发生撞击和分离，冲角愈大愈严重。,涡轮变工况时，速度比u/c1会变化,（一）出现正冲角i0 （1） 气流撞击叶腹前缘； 在叶背引起旋涡和分离。 （二）出现负冲角i0 （1） 气流撞击叶背前缘； 在叶腹引起旋涡和分离。 流阻增加，涡轮效率下降。 用特性曲线定量估算这种影响。,u/c1 ,u/c1 ,工作叶片表面(或喷嘴出口处)引起旋涡和分离,二、涡轮特性线的表示方法,通常采用相似参数来绘制，以相似参数为坐标绘制的特性线为通用特性，不受具体参数变化的影响。,涡轮特性的表示,或者,一般,三、涡轮级的特性
7、线,T*,(T*)max,T*,(T*)最佳,临界压比 (气流速度达到当地音速),效率特性,流量特性,特性曲线的变化特点,流量特性线 当转速不变，膨胀比T*达到临界比值时，流量达到最大值。若继续增大T* 值，则最大流量值保持不变，级的通流部分出现堵塞现象。 在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所增加，但影响相当小。,T*,(T*)max,T*,(T*)最佳,临界压比 (气流速度达到当地音速),效率特性,流量特性,效率特性线,在一定的转速下，与最佳速度比相对应的膨胀比(T*)为最佳，涡轮效率最高。当膨胀比增加或减少时，都使速度比偏离最佳值，导致流阻增大，效率下降。 转速降低时，效率曲线向膨胀比
8、减小的方向移动，相应的最高效率也有所减小。,T*,(T*)max,T*,(T*)最佳,临界压比 (气流速度达到当地音速),效率特性,流量特性,四、多级涡轮的特性线,与涡轮级特性非常相似，但具有以下特点： 、多级涡轮的总膨胀比变化时，对第一级喷嘴工作的影响最小，而对最后一级工作叶栅的影响最大。 、当多级涡轮的总膨胀比不变时，转速参数的变化对各级膨胀比的分配影响很小。,涡轮总膨胀比变化时的影响,当膨胀比小于设计值时，各级膨胀比均会减小： 最后一级的膨胀比减小得最多； 而第一级喷嘴的膨胀比减小得最少。 当膨胀比大于设计值时，各级膨胀比和cx均增加 ： 最后一级工作叶栅的膨胀比增加得最多； 而第一级喷
9、嘴的膨胀比增加得最少。 cx增加直到涡轮出口处cx达到当地音速为止 其他各级cx均小于当地音速。,膨胀比 T*,轴向分速 cx,3-4 轴流式透平与轴流式压气机的比较,在工作原理、叶栅结构方面的比较 自学内容 P94-96 改错： P94 L=u(c1u+c2u)=(c12-c22)/2 P95 2个速度三角形中u的方向标注 1 2 转折角 LcLcs,第四章 轴流式压气机 与轴流式透平的基本结构,自学内容 P97-115 重点：4-3 燃气涡轮的冷却,4-3 燃气涡轮的冷却,提高燃气初温是提高燃气轮机性能最关键的因素。 着重研究叶轮和叶片的冷却问题： 工作叶轮的应力最大； 叶片承受的温度最高
10、。,一、叶轮的冷却,叶轮的冷却是靠压气机出口或从中间级抽出来的空气进行冷却的。 冷却方式两类： 第一类：叶轮间隙吹风冷却（a） 冷却效果好，但易阻塞。 第二类：轮面吹风冷却（b） 安全可靠，但对叶根和轮缘的冷却效果较差。加装导流罩 均被广泛应用。,所有燃气轮机均已采用叶轮冷却,轮缘,叶根,轮面,动叶平台表面,300-400 ,二、叶片的冷却,非常复杂：叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现外部冷却；叶片本身尺寸小，形状也比较复杂，内部冷却复杂。 分类： 按冷却介质分： 气冷：压气机的高压空气；广泛应用。 液冷：水、氟里昂、液态金属等，结构复杂， 易过冷或过热；应用较少。,“发散”冷却,按冷却方式分：,内部冷却（又称对流冷却） 方法简单，但冷却效果差。 气膜冷却（外冷却) 冷却效果很好，结构较简单。 发散冷却（发汗冷却） 冷却效果最好，同时消耗冷却介质最少。 采用叶片冷却，叶片的平均温度可降低300400以上，可有效减轻金属的热负荷降低成本； 或使用同样的金属材料，可有效地提高燃气初温。,冷却效果最好,冷却效果最差,第五章 燃烧室,