叶栅气动特性与叶栅损失

1、透平机械原理与装置,Principles and Equipment of Turbomachine,答疑：,第五节 叶栅试验与叶栅损失,了解叶栅损失（叶型与端部损失）产生的原因及减小方法。 一、叶栅的几何特性 平面叶栅的几何特性可分为叶型和叶栅特性两部分。,叶型的弯曲角,气流冲角i,气流落后角p,叶型厚度Cmax,（一） 叶栅的型式 喷嘴叶片：静子叶片 动叶: 转子叶片 叶栅：相同叶片构成汽流流道的组合体 静叶栅：静叶组成静止的 动叶栅：动叶组成转动的 环形叶栅：汽轮机采用 直列叶栅：展布在平面内的叶栅，径高比大 冲动式叶栅（含导向叶栅）：p1p2 反动式叶栅：（静、动） p1p2 渐缩 缩放叶栅：n0.3时采用,(二)叶型特性 叶型是指叶片的横截面形状，它的周线叫做型线，叶型的几何性质和参数： 1中弧线：叶型所有内切圆圆心的连线； 2弦线：叶型内弧侧进口边与出口边的切线，也叫外弦； 3叶型折转角：中弧线入口端与出口端切线的夹角，表示叶型的折转程度； 4弦长b叶型入口端至出口端在该钱方向的距离，这是叶型大小的代表性尺寸。,5 出口边厚度：如出口边型线为圆弧，则厚度就是圆弧的直径。 6

2、 截面几何特性包括叶型的截面积A，重心坐标，对惯性主轴的惯性矩J和抗弯刚度W等。 (三)叶栅特性 叶型沿额线方向以同样的间隔和角度排列成叶栅，其几何特性及参数： 1额线：各叶片入口边及出口边的公切线分别称为前额线和后额线，额线的方向与叶片圆周运动的方向相一致；,2安装角s、s 弦线与额线的夹角； 3节距（栅距） tn：两相邻叶型上对应点之间沿额线方向的距离； 4叶栅宽度B：前、后额线之间的垂直距离。这是一个重要的结构参数，轮盘或静叶隔板的宽度都直接和它有关。显然，B与b和s、s间有确定的关系； 5相对节距（栅距）： 其倒数b/t称为叶栅稠度。它表示叶栅中叶片排列的疏密程度，这是对叶栅性能有重要影响的参数。 6相对高度（展弦比）I/b ：叶片高度与弦长之比；,7出口截面宽度a：是指一叶片出口边到相邻叶片背弧间所作外切圆的直径，说明叶片间所构成的气流通道的特点； 8. 叶片进、出口角0g、1g、 1g、2g :中弧线在叶片进、出口边的切线与额线之间的角度； 9. 径高比d/l 攻角：进气角与叶片进口角之差， =1g - 1，汽流冲击内弧为正 偏离角 出气角与叶片出口角之差 进、出气角0、1

3、 、1、*2 : 叶片进、出口处气流方向与圆周方向之间的夹角；,二、叶栅试验和气动特性,叶栅效率 对于静叶：,对于动叶：,总压损失系数：压力损失在喷嘴和动叶中压降的份额。,衡量叶栅损失性能的指标： 1）速度系数 2）能量损失系数 3）总压损失系数,本节主要分析喷嘴损失与动叶损失产生的物理因素和影响因素，同时分析与汽轮机流量、功率有关的叶栅出气角及其影响因素，以便热力设计时能选用气动性能良好的静动叶栅，确定完善的几何尺寸，构成所需的透平级。,三、叶栅的损失,平面叶栅中的汽流流动损失，包括叶型损失和端部损失两部分。 叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失。用叶栅吹风试验所得到的叶栅压力分布曲线可以用来分析叶栅轮周力的来源和叶型损失的机理。 （叶型损失包括叶型表面附面层中的摩擦损失、附面层脱离引起的涡流损失、叶片出口边尾迹中的涡流损失(尾迹损失)和近音速和超音速汽流所产生的冲波损失。）,叶栅性能的实验方法,1）总压损失系数 中间和左边U形管中的液面差之比。,右边U形管液面差为p0,B为大气压,压比: 压力系数:,冲动式叶栅,反动式叶栅,(a) 00迎角绕流,(b) 50迎角绕流,翼型绕

4、流图画,(c) 150迎角绕流,(d) 200迎角绕流,翼型绕流图画,(a)小迎角无分离 (b)厚翼型后缘分离 (c )薄翼型前缘分离,小迎角无分离时，粘性作用对翼面压力分布没有本质改变,翼面压力分布,翼型的升力曲线,1.5.3 叶栅损失,叶型损失： 1）附面层摩擦损失； 2）附面层分离的涡流损失； 3）叶片出气边的尾迹涡流损失； 4）冲波损失,分别称摩擦损失系数和尾迹损失系数；,叶型损失系数；,下一页,(一)叶型损失的机理,1附面层中的摩擦损失 附面层中摩擦损失的大小与叶栅表面的租糙度和压力分布密切相关。若叶型表面某段沿汽流流动方向压力降落较快。则汽流在这段上加速较大，加速汽流总是倾向于使附面层减薄，从而使摩擦损失减小；反之，加速较小的汽流使流动介质堆积，附面层增厚，而使摩擦损失增加，这也是冲动式叶栅摩擦损失大于反动式叶栅的主要原因之一。冲动式叶栅取21正是为了减小这种不利影响。,2附面层脱离引起的涡流损失,附面层摩擦损失： 与叶型表面光洁度及压力分布有关 减小该项损失的措施： a)在冲动级中采用一定的反动度，以增加汽流流速 b)减少叶片数并相应增大相对节距，以减少汽流流经的表面积,

5、汽流产生涡流的原因：附面层中汽流动能因摩擦阻力而逐渐被消耗，在扩压段中动能一部分要转变为压力能，又要克服摩擦功。,冲动式叶栅与反动式叶栅表面压力分布是不同的: 1)叶片背面: 下降，C增加,达到最小值后，开始回升， 。 冲动式的 下降更快，也更低，回升也增大； 2)叶片腹面：进口开始段 减速，继而开始 、加速； 3)沿叶片表面压力不同的分布规律，影响到叶型表面的附面层的流态；层流紊流的过渡点 分离点 4)扩压段的存在，有利于附面层的分离； 5)冲动式的能量损失一般大于反动式； 6）附面层在出气边分离，形成尾迹和尾迹涡迹损失。,3尾迹损失,由于叶型出口边总有一定的厚度，沿每只叶片背面和腹面而来的两部分汽流在离开叶栅之后不能立刻汇合，因而在出口边之后形成充满涡流的尾迹区，如图所示。 尾迹区内汽流压力和速度与主流的压力和速度相差很大，两部分汽流经过相互拉扯之后，叶栅后的汽流逐渐均匀化。均匀化后的汽流速度低于原来的主流速度，汽流动能减小，减小部分称为尾迹损失。 尾迹损失与 /a成正比。,4冲波损失,在冲动式叶栅进出口处、反动式叶栅的出口处及叶片背弧的某些地方，有时会出现超音速汽流，因而也会产生

6、冲波。汽流经过冲波后，压力突升，流速显著下降，叶型损失急剧增加。这些由冲波引起的损失称为冲波损失。冲波损失最终表现为叶型损失，故不必单独计算。,(二)端部损失,1. 端部损失的机理 实际汽轮机级中,叶栅装有围带，每一汽流通道部是由一个叶型的背面、相邻叶型的腹面和上下端面组成的。上述叶型损失仅仅是汽道中腹面和背面上的损失。当汽流通过汽道时，在上下端面上，由于蒸汽的粘性形成一层很薄的附面层，附面层内粘性力损耗汽流的动能，形成了端部附面层中的摩擦损失。,汽流在端面附面层内流速小，产生的离心力不足以平衡凹凸两面的压差。 汽流在上下端面的附面层内产生了自凹弧向背弧的横向流动，二次流。 凡是能使叶栅汽道中横向压力差增大的因素，均会引起端部损失的增加。 如叶型、相对节距和进汽角等。,影响端部损失的主要因素：,相对高度,2. 影响端部损失的因素 端部损失使冲栅总流动损失增加，并使总损失沿叶栅高度的分布趋于不均匀，图中n或b称为叶栅损失系数，是衡量叶栅损失大小的指标。 n=p+ e p:叶型损 失系数 e:端部损 失系数,总损失沿叶高的分布,各种试验表明，影响端部损失的因素很多。诸如叶型、相对节距、安装

7、角、进汽角等，其中最主要的因素是相对叶高。叶片处于相对极限叶高 时，上下两 端旋涡刚好 汇合。,冲动式,反动式,最佳相对节距：除与马赫数和雷诺数有关，还与汽流的转折角、出汽边厚度和叶栅流道收敛程度系数k有关。,：附面层增厚,摩擦和尾迹损失增大,(一)相对节距 的影响,四、影响叶栅损失的因素,(二)安装角s的影响 安装角的大小直接影响汽道的形状，所以也就影响到叶型的压力分布曲线和汽流的出汽角。因此，对一定的叶型来说，不同的安装角就有不同的叶型损失。存在一个最佳安装角。,（三）气流角和冲角的影响 改变进汽角1(1)，将使叶型表面的压力分布发生变化。 小汽流进口角即正冲角所造成的叶型损失的增加比负冲角更严重。 叶栅的前缘半径越小，冲角特别是正冲角所造成的损失越严重。新式亚音速叶栅的前缘相对半径往往取得较大，以保证叶栅在变工况下工作时仍有较稳定良好的气动性能。,冲角的影响（反动式叶栅）,在叶型腹面的进口段出现扩压段,在叶型背面出现显著的扩压段,冲角的影响（冲动式叶栅）,在叶型腹面的进口段出现扩压段,在叶型背面出现显著的扩压段,冲动式叶型对冲角更为敏感,雷诺数的影响,自动模化流动雷诺数,反动式,

8、冲动式 叶型损失系数随雷 诺数的变化不大。,叶型背面产生层流附面层脱离的情况,(四) 马赫数的影响 当叶栅在马赫数M0.3的条件下工作时，压力分布曲线、损失系数和汽流出口角都将随从的改变而变化。这就是汽体的可压缩性对叶栅特性的影响。 存在一个叶型损失系数最小的最佳马赫数。M在小于最佳值的范围内，随着M的增加，沿汽流方向压力降落的速度增加，附面层随之减薄，从而使摩擦损失减小；M超过最佳值后再继续增加时，就会在叶栅汽道的背 弧上产生局部超音速汽流(虽整 个出口汽流还是亚音速)，从而 产生冲波，引起冲波损失，虽 然M的增加使摩擦损失减小， 但在数值上不能弥补冲波损失，所以叶型损失增加。,平面叶栅出口气流角,M20.5时,轴流透平叶栅综合试验数据,Ainley-Dunham 经验公式；,叶型损失； 端部损失； 叶栅出气角；,Ainley-Dunham 经验公式,Ainley 公式,叶型损失,失速冲角: 使叶型损失系数等于零冲角下, 叶型损失系数两倍时的正冲角。,Dunham 端部损失,为实验系数，它取决于叶栅流道的收敛度和叶栅的高度,气流出口角,M20.5,M2=1,小结,级的造型设计的主要要求： 造型设计的任务是恰当地把气动参数和几何参数结合起来，最后确定叶片的几何形状。 (1)希望实现预期的速度图，并使流动损失小，以便发出所需功率和通过给定的气体流量。 (2)沿叶片内弧的速度从前线到尾缘均匀、连续地增加，没有扩压段。在极个别情况下，也可以允许有一小段是等速的，然后加速到底。叶背型面的速度分布更重要，通常在叶,背的前线和中间部分，气流应该较快地加速，然后逐渐地减慢加速，井在喉部达到最大速度。根据不同叶栅，叶背尾绿部分也允许有一小段扩压，但是其正压力梯段要尽量短，开始扩压的点要尽量往后移，以推迟由层流到紊梳的过渡并避免附面层的分离。 (3)应尽量保证对叶片型面加工方便，应考虑生产效率。 (4)叶片强度要好，在强度所允许的条件下，应尽量选用薄叶型和小的尾缘厚度，以减少叶型特别是尾迹损失，造型设计必须与强度相配合。,在造型设计中，会遇到各种矛盾，包括气动性能、强度、工艺等方面，设计者必观善于分桥这些矛盾，妥善处理，才能顺利地完成造型设计。,

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