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第三章第三章 燃气涡轮燃气涡轮概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）；；轴流式燃气涡轮的工作原理；轴流式燃气涡轮的工作原理；轮周功、轮周效率、速度比；轮周功、轮周效率、速度比；多级涡轮；多级涡轮；涡轮特性；涡轮特性；燃气涡轮的冷却燃气涡轮的冷却3-1 3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理轴流式燃气涡轮的工作原理n一、涡轮级的概念一、涡轮级的概念n一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅共同构成的轴流式涡轮的一个级n单级涡轮：整台涡轮只有一个单级涡轮：整台涡轮只有一个“级级”n多级涡轮：整台涡轮包含有几个多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级级”n一般一般轴流式燃气涡轮轴流式燃气涡轮采用多级采用多级三个特征截面：三个特征截面： 0-0喷嘴进口；喷嘴进口； 1-1喷嘴出口；喷嘴出口；2-2工作叶轮的出口工作叶轮的出口二、工作原理二、工作原理涡轮中的能量转换过程主要是涡轮中的能量转换过程主要是 在动叶栅中在动叶栅中气流的转向气流的转向来实现的来实现的 涡轮级中燃气参数的变化涡轮级中燃气参数的变化喷嘴喷嘴 叶轮叶轮1、冲动式涡轮、冲动式涡轮n燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀；再膨胀；n依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮旋转作功。

旋转作功n工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即不变，即 P1p2，w1  w2n工作动叶片的通道一般是等截面的 2、反动式涡轮、反动式涡轮n除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中继续膨胀而加速；继续膨胀而加速；n加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推力，同样会使叶轮旋转而获得机械功力，同样会使叶轮旋转而获得机械功n这样叶轮旋转作功，这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力又靠加速气流的反动力n P2 w1n工作动叶片的通道一般是收敛的. 3、反动度、反动度 Tn在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分地在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分地膨胀到某一中间压力，其余地继续膨胀到某一中间压力，其余地继续在动叶栅中膨胀在动叶栅中膨胀n定义定义：：燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内的燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内的理论焓降之比，又称为热力学反动度理论焓降之比，又称为热力学反动度n  T = H2s / Hsn一般一般 T =0.3~0.5n  T =0时，冲动式涡轮；时，冲动式涡轮；n  T =0.5时，能量损失最小。

时，能量损失最小 4、叶片叶型、叶片叶型n涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，n相对于压气机叶型，相对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大涡轮叶片厚实且弯曲角大冲动级的动叶冲动级的动叶片更为厚实、片更为厚实、弯曲角更大弯曲角更大三、基元级及其速度三角形三、基元级及其速度三角形n气体在涡轮级中的流动是气体在涡轮级中的流动是十分复杂的三元流动十分复杂的三元流动，气流参数沿着半径方向、圆，气流参数沿着半径方向、圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的n采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析1、基元级定义、基元级定义n将将平均直径处的环形叶栅平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由喷展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级称为基元级n（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）涡轮基元级的选取涡轮基元级的选取喷嘴喷嘴 叶轮叶轮Dm1122静叶静叶动叶动叶u 注意注意:(1)静叶在前静叶在前,动叶在后动叶在后;(2) 叶片间通道截面渐缩叶片间通道截面渐缩;(3)叶片运动方向由叶腹叶片运动方向由叶腹→→叶叶背背;(4)叶片厚实且弯曲角大。

叶片厚实且弯曲角大2、基元级的速度三角形、基元级的速度三角形n如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和，n 即 c = w + u喷嘴喷嘴 0-1n燃气流过喷嘴后，压燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，力降低、温度下降，流速流速c增加；增加；n喷嘴相当于一个静止喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速），喷管（减压增速），流道截面逐渐收敛流道截面逐渐收敛静叶静叶动叶动叶u动叶进口处动叶进口处 1-1n气流以速度气流以速度c1和气流和气流角角 1自喷嘴流出；自喷嘴流出；n动叶栅以动叶栅以 u1 旋转；旋转；n那么气流以相对速度那么气流以相对速度w1与与进气角进气角 1进入动进入动叶栅w1 = c1 – u1u静叶静叶动叶动叶一般1=14~20°动叶出口处动叶出口处 2-2n动叶栅通道收敛，气流流过动叶栅通道收敛，气流流过膨胀加速，则膨胀加速，则压力降低、压力降低、 相对速度相对速度w2增加增加；且气流方；且气流方向改变、转折较大，出气角向改变、转折较大，出气角 2> 1 ；；n那么气流以绝对速度那么气流以绝对速度c2流出流出动叶栅，动叶栅，与叶栅额线的夹角与叶栅额线的夹角为为 2。

c2 = w2 + u2u静叶静叶动叶动叶一般1=14~20° 基元级的速度三角形n把进出口的速度三角形画在一起n注意：n①①一般一般c2x  c1x (c2x> c1x )；；n②②气流转折角气流转折角很大很大 （（  >90°）），， 进出口速度三角形是分开的进出口速度三角形是分开的 ；；n③③一般圆周速度一般圆周速度u1≠u2 (轴流级轴流级u1≈ u2 )反动式反动式涡轮基元级的速度涡轮基元级的速度  2 1 2 1w1w2c1c2u1u2叶栅额线T>0c1uc2uc2u很小（很小（接近轴向出气接近轴向出气），而预旋），而预旋c1u却很大却很大则则c1u和和u一起决定一起决定L的数值的数值（L=ucu）>90°c2x > c1x 压气机级压气机级 基元级的速度基元级的速度  2 1 2 1w1w2cxc1c2uu叶栅额线轴向分速度cx气流转气流转折角折角c2uc1u预旋预旋c1u很小很小 ，而，而c2u较大较大则则c2u和和u一起决定一起决定L的的数值。

数值 T=0.5基元级的速度三角形基元级的速度三角形 2 1 2 1w1w2c1c2uu 假设：假设：c2x= c1x u1= u2= u c1= w2  1=  2w1= c2  1=  2进出口速度进出口速度 关于轴对称关于轴对称大小相等方向相反T=0 冲动式冲动式基元级的速度三角形基元级的速度三角形 2 1 2 1w1w2c1c2uu 假设：假设：c2x= c1x u1= u2= u w1= w2  1=  2相对速度相对速度w1、、w2关于轴对称关于轴对称大小相等方向相反n气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式n通过基元级内的能量转换情况来确定气流速度四、涡轮基元级中各速度的确定四、涡轮基元级中各速度的确定1 1、喷嘴出口（、喷嘴出口（c c1s1s与与c c1 1））喷嘴中（喷嘴中（0-1s），气体流动为稳定流动气体流动为稳定流动绝热膨胀绝热膨胀：：q=0；喷嘴静止不动：；喷嘴静止不动：L=0气体总焓不变；则气体动能增加时，气体总焓不变；则气体动能增加时，其静焓降低，即静压能转换为动能。

其静焓降低，即静压能转换为动能理想情况：理想情况：理想情况：理想情况：喷嘴中的理论焓降喷嘴中的理论焓降 喷嘴中的膨胀比喷嘴中的膨胀比实际流动（实际流动（0-1）：）：n有摩阻及其他阻力存在；有摩阻及其他阻力存在；n燃气的绝热指数和比热容均不是常数燃气的绝热指数和比热容均不是常数n c1< c1s i1>i1sn两种表示两种表示:n(1)用用速度系数速度系数 表示：表示：n(2)用用多变膨胀过程多变膨胀过程(n 0时，时，w2>w1n对于理想情况对于理想情况1-2s，在相对坐标系中：，在相对坐标系中：气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加，气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加， 即静压能转换为动能即静压能转换为动能实际流速：实际流速：w2 < w2s涡轮级的涡轮级的理想焓降理想焓降动叶中的动叶中的理想焓降理想焓降冲动式冲动式  T=0 w2 =   w1 若不考虑损失，若不考虑损失，   =1，， w2=w1 动叶出口的动叶出口的绝对速度绝对速度c c2 2n由速度三角形求得由速度三角形求得nc2—余速：余速：n 若被下级利用，则为下一级进口速度；若被下级利用，则为下一级进口速度；n 若不被利用，则为余速损失。

若不被利用，则为余速损失 c2 = w2 + u2五、通过喷嘴的流量五、通过喷嘴的流量 及通流面积的确定及通流面积的确定若参数若参数p0*、、T0*及背压及背压p1给定给定 ：：n已知喷嘴出口截面面积已知喷嘴出口截面面积A时，可求时，可求出流量出流量GT；；n或者，已知设计流量，要求确定出或者，已知设计流量，要求确定出口截面积口截面积理想情况下：理想情况下：理想情况下：理想情况下：临界压比 临界截面上的参数只与气体性质有关，临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算用来计算GT更方便无因次流量无因次流量（相对密度）（相对密度）无因次速度无因次速度图3-5(p81) 实际流动实际流动n存在粘性摩擦阻力存在粘性摩擦阻力n气流在喉部截面后某一截面达到音速气流在喉部截面后某一截面达到音速，即最，即最有效流通截面不在喉部有效流通截面不在喉部n则喉部的实际最大相对密流则喉部的实际最大相对密流q( )<1，但相，但相差很小，一般不超过差很小，一般不超过0.1%n故粘性影响很小故粘性影响很小3-2 轮周功、轮周效率、速度比 及多级涡轮一、一、轮轮周功周功Lu 1.定义定义——气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过转气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过转换后变成轴上的机械功。

换后变成轴上的机械功即气体对动叶作的功即气体对动叶作的功 意义意义——代表了整个涡轮级的能量转换过程代表了整个涡轮级的能量转换过程 规律规律——能量守恒关系（能量守恒关系（稳定流动能量方程稳定流动能量方程 、伯努利方程、伯努利方程）） 动量守恒关系动量守恒关系 （（欧拉方程欧拉方程））。