北航-發(fā)動(dòng)機(jī)原理(第2章渦輪)

1、P一、功能、工作環(huán)境、設(shè)計(jì)要求及組成一、功能、工作環(huán)境、設(shè)計(jì)要求及組成功能功能 將燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并對(duì)外輸出功率，將燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并對(duì)外輸出功率， 帶動(dòng)壓氣機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)(風(fēng)扇風(fēng)扇)、螺旋槳、旋翼、螺旋槳、旋翼(尾槳尾槳)等。等。工作環(huán)境工作環(huán)境高溫高溫: 熱負(fù)荷熱負(fù)荷(1600-1950K)高速轉(zhuǎn)動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng): 離心負(fù)荷離心負(fù)荷 高氣動(dòng)負(fù)荷高氣動(dòng)負(fù)荷: 氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩軸負(fù)荷：軸負(fù)荷： 傳遞巨大的扭矩傳遞巨大的扭矩設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 提供所需功率、效率高、耐高溫、高強(qiáng)度、重量輕提供所需功率、效率高、耐高溫、高強(qiáng)度、重量輕耐高溫的高強(qiáng)度材料耐高溫的高強(qiáng)度材料冷卻冷卻u靜

2、子（導(dǎo)向器）靜子（導(dǎo)向器）u靜子葉片靜子葉片u內(nèi)、外環(huán)內(nèi)、外環(huán)u轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子u工作葉片工作葉片u盤(pán)盤(pán)u軸軸u排列方式排列方式 靜子在前靜子在前 轉(zhuǎn)子在后轉(zhuǎn)子在后u高溫高壓氣體在高溫高壓氣體在導(dǎo)向器中膨脹加導(dǎo)向器中膨脹加速速 熱焓熱焓 動(dòng)能動(dòng)能u高速氣流沖擊工高速氣流沖擊工作葉輪，使葉輪作葉輪，使葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出高速轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出功率。功率。u截面截面u0 靜葉進(jìn)口靜葉進(jìn)口u1 靜葉出口靜葉出口（動(dòng)葉進(jìn)口）（動(dòng)葉進(jìn)口）u2 動(dòng)葉出口動(dòng)葉出口u氣體作絕能流動(dòng)氣體作絕能流動(dòng)伯努利方程伯努利方程V1 V0 dp 0 對(duì)于亞音氣流，要加速必須經(jīng)過(guò)收斂形葉柵通道對(duì)于亞音氣流，要加速必須經(jīng)過(guò)收斂形葉柵通道 。葉柵

3、向背離軸向彎曲形成葉柵向背離軸向彎曲形成收斂通道。收斂通道。在靜子葉片中的工作原理：膨脹加速在靜子葉片中的工作原理：膨脹加速10202102fsWVVdpu葉型偏離軸線(xiàn)彎曲形成葉型偏離軸線(xiàn)彎曲形成收收斂通道斂通道u在葉柵通道出口處為最小在葉柵通道出口處為最小截面，稱(chēng)為截面，稱(chēng)為喉道截面喉道截面；u在喉道截面處，氣流通常在喉道截面處，氣流通常達(dá)到達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲佼?dāng)?shù)匾羲伲址Q(chēng)為，又稱(chēng)為臨臨界截面界截面；u在臨界截面后氣流進(jìn)一步在臨界截面后氣流進(jìn)一步加速，以超音速進(jìn)入工作加速，以超音速進(jìn)入工作輪；輪；u靜子葉片起導(dǎo)向作用又稱(chēng)靜子葉片起導(dǎo)向作用又稱(chēng)為為導(dǎo)向器導(dǎo)向器。u基元級(jí)速度三角形基元級(jí)速度三角形l進(jìn)

4、口：進(jìn)口：氣流以氣流以V1流向動(dòng)葉流向動(dòng)葉由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)切線(xiàn)速度由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)切線(xiàn)速度U1氣流以相對(duì)速度氣流以相對(duì)速度W1進(jìn)入動(dòng)葉進(jìn)入動(dòng)葉l出口：出口：氣流以相對(duì)速度氣流以相對(duì)速度W2 流出動(dòng)葉流出動(dòng)葉由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)切線(xiàn)速度由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)切線(xiàn)速度U2氣流以絕對(duì)速度氣流以絕對(duì)速度V2流出動(dòng)葉流出動(dòng)葉將進(jìn)、出口將進(jìn)、出口速度三角形速度三角形疊畫(huà)在一起疊畫(huà)在一起,W和和V均向均向背離轉(zhuǎn)動(dòng)方背離轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)向發(fā)生偏轉(zhuǎn) W2 W1 V2 V1 伯努利方程伯努利方程u絕對(duì)坐標(biāo)系絕對(duì)坐標(biāo)系 膨脹功、動(dòng)能增量膨脹功、動(dòng)能增量 輸出輪緣功輸出輪緣功、 耗損于摩擦功耗損于摩擦功u相對(duì)坐標(biāo)系相對(duì)坐標(biāo)系 dp 0 W2

5、W1 葉型彎曲形成收斂通道葉型彎曲形成收斂通道 相對(duì)速度增加，壓力降低相對(duì)速度增加，壓力降低u兩式相減，得：兩式相減，得： 渦輪對(duì)外輸出輪緣功渦輪對(duì)外輸出輪緣功u絕對(duì)動(dòng)能絕對(duì)動(dòng)能 機(jī)械能機(jī)械能u相對(duì)動(dòng)能相對(duì)動(dòng)能 膨脹加速膨脹加速 產(chǎn)生反作用力產(chǎn)生反作用力2121222fruWVVdpW21212202frWWWdp2222212122WWVVWuu要提高每一級(jí)渦輪的膨脹作功能力，要提高要提高每一級(jí)渦輪的膨脹作功能力，要提高Wuu輪緣功輪緣功Wu 動(dòng)量矩原理推導(dǎo)出動(dòng)量矩原理推導(dǎo)出 U 切線(xiàn)速度切線(xiàn)速度 WU 扭速扭速u(mài)增加輸出功率：增加輸出功率：U、扭速。、扭速。u由于氣流在渦輪中作膨脹加速流動(dòng)

6、由于氣流在渦輪中作膨脹加速流動(dòng),氣流不易分離氣流不易分離 因此允許氣流的轉(zhuǎn)角較大。因此允許氣流的轉(zhuǎn)角較大。u一級(jí)渦輪輸出功率可以帶動(dòng)多級(jí)壓氣機(jī)一級(jí)渦輪輸出功率可以帶動(dòng)多級(jí)壓氣機(jī)2222212122WWVVWu)(21uuuuWWUWUW渦輪渦輪 壓氣機(jī)壓氣機(jī)u渦輪級(jí)沿葉高由基元級(jí)渦輪級(jí)沿葉高由基元級(jí)疊加而成；疊加而成；u因沿葉高的切線(xiàn)速度大因沿葉高的切線(xiàn)速度大小不同，相對(duì)速度大小小不同，相對(duì)速度大小和方向均不同，速度三和方向均不同，速度三角形不同；角形不同；u沿葉高葉片是扭轉(zhuǎn)的。沿葉高葉片是扭轉(zhuǎn)的。u沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向?yàn)閿U(kuò)張形氣流通道沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向?yàn)閿U(kuò)張形氣流通道u1、熱力過(guò)程、熱力過(guò)程u理想情況：理

7、想情況：絕熱等熵膨脹絕熱等熵膨脹u實(shí)際情況：實(shí)際情況：多變膨脹多變膨脹hS34i4P3*P4*理想膨脹功理想膨脹功實(shí)際膨脹功實(shí)際膨脹功u主要參數(shù)主要參數(shù)u膨脹比：膨脹比：u流量：流量：u轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：u多變膨脹功：多變膨脹功：u絕熱效率：絕熱效率：tadtttttmgtWWCpTWrpmnskgqpp/)(11 )()/(*1*3*4*3*u渦輪效率（渦輪效率（0.88 0.92)：葉型流動(dòng)損失（分離、摩擦）葉型流動(dòng)損失（分離、摩擦）端面損失（潛流、徑向間隙漏氣）端面損失（潛流、徑向間隙漏氣）冷卻氣流摻入冷卻氣流摻入u帶冠、主動(dòng)間隙控制帶冠、主動(dòng)間隙控制u渦輪功與進(jìn)口氣流總溫、膨脹比、絕熱效率成渦輪功與進(jìn)口氣流總溫、膨脹比、絕熱效率成正比。正比。*1*3)(11 tttCpTWu當(dāng)渦輪膨脹比增加當(dāng)渦輪膨脹比增加到一定時(shí)，渦