涡轮基本原理-2009

第章 轴流涡轮原理和参数,1结构和用途 轴流涡轮级是由一排不动的静子叶片和一排旋转的转子叶片组成。 在静子叶片中，气流膨胀，速度增加，流动方向发生变化，由进口的轴线方向偏向周向方向，因此气流在离开静子叶片时，具有较高的速度，在周向方向上存在一个较大的速度分量。气流在进入转子后进一步膨胀，推动转子叶片绕涡轮轴旋转，从而使涡轮轴发出功。,通常情况下，涡轮级都具有上面的结构形式。 也存在一些结构形式特殊的涡轮，比如在高压冲动式蒸汽轮机上，静子叶片可能用一组离散喷嘴代替。 在实际应用中，使用单级涡轮不能发出足够的功量，在这种情况下需要设计几级甚至很多级涡轮。这些涡轮级可称为高压级、中压级和低压级。这些涡轮级可能在不同的轴上，因此旋转速度也不相同。,多级涡轮,涡轮种类 涡轮种类的划分形式有很多种 根据工质的不同可以分为水利透平、蒸汽透平和燃气透平。 水利透平用于水利发电，工质是水。 蒸汽透平多用于火电站和核电站发电。来自于锅炉的高温高压蒸汽在由很多级涡轮组成的蒸汽轮机中膨胀，推动蒸汽透平转动，透平带动发电机发电。在电场使用的蒸汽透平多超过30级左右，这些涡轮级都安装在同一根轴上，即使这样，常把蒸汽透平分成高压、中压和低压三部分。由于蒸汽透平内的蒸汽膨胀比非常大，低压透平级的叶片高度是高压透平叶片的高度的很多倍。,蒸汽透平图片,蒸汽透平图片,火电厂工作过程,大亚湾核电站,涡轮种类 燃气涡轮 在燃气轮机上，进入涡轮的工质是燃烧室排出的高温高压燃气。 早期燃气轮机是作为飞机动力发展起来的，后来在地面发电上也得到了广泛的应用。 在现代高涵道比涡轮风扇发动机上，高压涡轮级为一级和两级组成，低压涡轮多为三级、四级、甚至五级组成。高压涡轮和低压涡轮被安装在不同的转子轴上，这样增加了发动机工作的灵活性，这样可以使高低压压气机和高低压涡轮工作在最佳的工作状态下。 燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压涡轮驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，还有发电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。,涡轮种类 带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片 带有叶冠形式的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。 叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶片根部应力。 绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。,涡轮种类 亚声速涡轮和超声速涡轮 根据工质流经涡轮内部的速度的大小可以把涡轮划分成亚声速涡轮和超声速涡轮 超声速涡轮单位质量流量工质能够做更多的功，也即这种涡轮的功率密度更大，但相应效率会有所降低。 绝大多数大型燃气涡轮内部都是亚声速流动，只有很少的超声速级存在。 绝大多数小型燃气涡轮都有超声速涡轮级，对于小型燃气轮机尺寸大小是非常重要的。 蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽在较少数目的涡轮级内有效膨胀。,涡轮种类 冲动式涡轮级和反动式涡轮级 根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反动度的大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级(反动度为0)和反动式涡轮级(反动度大于0)。 在后面将给出反动度的定义及具有不同反动度涡轮级的速度三角形。,涡轮种类 表1对各种涡轮进行了分类。,表1 涡轮分类,涡轮用途 表2给出了轴流涡轮的主要应用领域。 当然轴流涡轮还有很多其他的用途，在这里不一一列举。 电厂发电使用到了各种类型的透平。 除了小型轻型飞机，涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机上都使用了涡轮，在飞机上使用的辅助动力装置也使用涡轮部件。 涡轮在工业上也有广泛的应用，如驱动各种工业泵的透平，涡轮增压气器上的涡轮，过程膨胀机。,表2涡轮应用领域,涡轮用途,轴流涡轮速度三角形 一个典型的轴流涡轮级由一排静子叶片和一排转子叶片组成。,特征截面 涡轮进口截面定义为截面1，静子叶片出口定义为截面2，转子叶片出口定义为截面3。,三个速度分量 绝对速度、相对速度和叶片旋转速度组成速度三角形。三个速度矢量之间的关系由速度三角形确定。,全部的角度为速度和轴向之间的夹角。,速度三角形 静子叶片进口速度大小和方向：气流以绝对速度C1、绝对气流角1进入静子。 静子叶片出口速度大小和方向：在静子叶片中气流得到加速，加速后的速度为C2，流动方向发生变化，出口绝对气流角2，2近似等于叶片尾缘的叶片角。,由于出口气流存在偏转，实际出口气流并不是完全沿着叶片尾缘出口叶片角方向流出。,速度三角形 转子叶片是以U2速度旋转，在相对坐标系中气流是以W2流进转子叶片。 依据转子进口的绝对速度大小和方向及转子旋转速度U值可以确定转子进口相对速度W2和相对速度方向2。,进口气流角2和进口叶片角2b之间的差值是攻角。,在转子出口相对气流速度为W3，相对速度方向为3，同样可以确定出口绝对速度C3和绝对速度角3。,速度三角形,从动叶进口速度三角形可以看出，动叶进口相对速度W2是比较小的，在动叶中气流又一次膨胀加速，所以动叶出口相对速度W3较大。,焓熵图,实际膨胀过程 1-2线段代表发生在静子叶片内的膨胀过程。 2-3线段代表发生在转子叶片内的膨胀过程。,理想膨胀过程 1-2s线段代表静子叶片内的理想膨胀过程。 2-3s三线段代表发生在转子叶片内的理想膨胀过程。,在静子叶片中，绝对总压代表损失。 在转子叶片中，相对总压代表损失。,三个截面的滞止状态分别用下标表示为： 截面1 01 截面2 02 截面3 03 对应静子叶片给出的是绝对滞止状态，对应转子给出的是相对滞止状态。 静子叶片 h01=h1+C12/2 =h2+C22 /2=h02 转子叶片 hw02=h2+W22/2 =h3+W32 /2=hw03,焓熵图,静子叶片进口动能为C12/2，气流经过静子叶片膨胀后增大到C22/2。在转子叶片进口，相对速度对应的动能为W22/2，由速度三角形可知这个值比较小。在转子叶片内气流进一步加速，出口相对速度具有的动能W32/2较大一些。,焓熵图,涡轮工作的基本原理,当气流流经涡轮时，存在着轴向速度分量Cx，径向速度分量Cr和切向速度分量C。 轴向和径向速度分量并不决定涡轮做功能力的大小，轴向速度大小关系到质量流量大小。,叶片的做功量为,由牛顿第二定律可以写出叶片排上承受的扭矩为,式中是转子叶片角速度，叶片旋转速度U r。,单位质量气体的功率为,叶轮机械欧拉方程,单位质量气体的功率为,叶轮机械欧拉方程,从上式可以看出，决定涡轮做功的主要参数是 圆周速度U大小。 动叶出口的切向分速C2和进口预旋C1的大小。 通常情况下： 进口预旋C1可以为零(轴向进气的压气机C1=0)。 对于涡轮，为了提高效率，一般总希望出口绝对速度C2沿轴向方向。,从焓熵图上可以看出涡轮内部的膨胀功可以用涡轮级的进出口滞止焓之差表示,涡轮工作的基本原理,思考题： 1 为什么涡轮要轴向排气？,垂直于流通面积上的速度为有效流通速度。因此轴向排气时的速度为最小。,2 根据速度三角形比较C2、C3三个绝对速度大小，W2、W3三个相对速度的大小？,思考题：,3由叶轮机械的欧拉方程和速度三角形解释静子叶片出口偏转角及转子叶片出口落后角对涡轮作功量及膨胀比的影响。,静叶出口落后角使得静叶出口绝对速度周向分量减小。 动叶出口落后角使动叶出口绝对速度周向分量减小。 因此由欧拉方程可知叶轮的做功量减小,思考题：,思考题： 下面两个式子有差别吗？,气流在静子叶片内只膨胀而不做功，因此静子叶片进出口滞止焓相等，即有,上式还可以写成,也就是说静子进出口滞止焓保持不变，进出口静焓的变化等于进出口动能变化。,涡轮工作的基本原理,对于转子，在转子叶片进出口滞止转焓保持不变。即有,式中h01rel是相对滞止焓,上式还可以写成,(A),涡轮工作的基本原理,(B),把式(A)带入式(B)得,当叶片进出口旋转速度相差很小，即U3U2，由式(A)则有,涡轮工作的基本原理,相对滞止焓,式(B)可以写成,叶片几何参数的定义,下图给出了常用的涡轮叶片的几何参数和气动参数。 叶片凹面为压力面，凸面为吸力面。 由于叶片通道存在着曲率，导致气流在流经叶片时压力面上的压力高于吸力面上的压力。(为什么?),叶片进口气流角1 转子叶片用1表示 叶片出口气流角2 转子叶片用2表示 进口叶片角b1 出口叶片角b2,进口气流角和进口叶片角之差为攻角,在叶片尾缘，出口气流角和出口叶片角之差定义为落后角。,在叶片设计过程中，1和2由速度三角形确定。为了确定前缘和后缘叶片角，设计人员必须要给出，或者通过计算得出攻角和落后角。,叶片几何参数的定义,叶片几何参数的定义,叶片中线的转折角度为,气流在叶片中的转折角为,无量纲参数 下表给出了涡轮研究中经常使用的无量纲参数。相似流量和相似转速参数不是真实的无量纲参数，而是在一个组合参数中去掉常数后得到的。,总压损失系数 焓损失系数 速度损失系数,无量纲参数-流动损失 可以用熵增来衡量转子和静子中的损失，由于熵增在实验中无法直接测量，因此在实际使用中不是很方便。 通常用能够在实验中直接测量的滞止压强定义的滞止压强损失系数来衡量转子和静子内的损失大小。对于喷嘴叶片总压损失系数定义为,上式分母中是喷嘴叶片出口动压p02p2，注意这个值并不等于,，只有当流动为不可压流动时才有,思考题,静子叶片中，经常采用什么参数衡量流动损失的大小？ 可以采用相对参数衡量吗？ 转子叶片中呢？,滞子压强，熵分布,另外一个常用的衡量叶片内流动损失的参数是焓损失系数。即,式中h2为实际流动情况下叶片出口焓值。 h2s为理想流动下叶片出口焓值。 第三个参数是速度系数：为实际流动情况下叶片出口流动速度与理想出口流动速度之比，即,无量纲参数-流动损失,上面给出的三个损失系数都是相互联系的。三个系数之间存在着下面的联系,总压损失系数和焓损失系数之间的关系为,焓损失系数和速度系数之间的关系为,无量纲参数-流动损失,对于转子同样可以定义类似的损失系数，转子和静子损失系数在定义上的差别在于转子流动损失系数定义在相对流动状态下。转子内总压损失系数、焓损失系数、速度损失系数的定义分别为,总压损失系数,焓损失系数,速度损失系数,无量纲参数-流动损失,总压损失系数和焓损失系数之间的关系为,焓损失系数和速度系数之间的关系为,无量纲参数-流动损失,无量纲参数-级载荷系数和流量系数,级载荷系数是衡量涡轮级做功能力的参数。 定义级载荷系数,流量系数，定义为,问题： 旋转速度U对级载荷系数和流量系数有什么样的影响？ 高效率对载荷系数和流量系数有什么样的要求？ 寿命对载荷系数和流量系数有什么样的要求？,斯密斯(Smith，1965)给出了基于级载荷系数和流量系数估算级效率的图，如下图。 这个图即使在今天也得到了广泛的使用。,无量纲参数-级载荷系数和流量系数,斯密斯图,这张图是根据70个涡轮试验数据的基础上得到的。提供数据的这些涡轮级的轴向速度保持不变，反动度在0.20.6之间(多数在0.30.5之间)，具有较高的展弦比(34之间)，图中的效率是经过换算得到的，没有考虑叶片泄漏产生的损失，因此图中效率值要比实际涡轮效率值高一些。,无量纲参数-级载荷系数和流量系数,研究发现采用这张图估算的涡轮级效率的变化趋势是相当准确的，即使所估算的涡轮级类型不同于建立这张图所使用的涡轮，所估算的效率变化趋势也是比较可靠的。 初步设计时级流量系数和级载荷系数的选取多依赖Smith图。,由斯密斯图可以看出： 在流量系数保持不变情况下，当载荷系数增加时级效率下降。 级载荷系数可以写为,无量纲参数-级载荷系数和流量系数,由上式可以看出： 当增加，气流的转折角(2+ 3)必须增加。 叶片转折角的增大不可避免的会导致气流和叶片接触面积增大，从而导致摩擦损失增加。 叶片转折角的增大也使叶片槽道内二次流动增强，二次流动损失也增加。 当载荷系数保持不变，随着流量系数增加，气流转折角减少，由于质量流量增加，导致轴向速度增加。,补充内容-关于二次流,弯管内的二次流,补充内容-