葉輪機(jī)械原理-演示文稿(1).ppt

1、西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 動力機(jī)械及工程系 王新軍,熱力葉輪機(jī)械原理 Principle of Thermal Turbomachinery,1.6 葉柵氣流特性,實(shí)際流動導(dǎo)致汽流在葉柵通道內(nèi)的流動有損失：, 損失的大小是通過速度系數(shù) 和 來體現(xiàn)的；, 和 是表示粘性力對理想流動的影響， 是一個(gè)總體影響的表征；, 沒有深入說明流動損失產(chǎn)生的原因、影響損失 的因素以及損失產(chǎn)生的物理本質(zhì)。, 葉型 型線 葉型中線 葉型前緣點(diǎn) 葉型后緣點(diǎn) 葉型弦長 彎曲角 出口邊厚度 等截面葉片 變截面葉片,1）葉柵/葉片的幾何參數(shù),一、葉柵的型式及幾何參數(shù), 葉片的截面形狀。, 葉型周線（輪廓線）。, 葉

2、型內(nèi)各內(nèi)切圓圓心的軌跡線。, 葉型中線的前端點(diǎn)。, 葉型中線的后端點(diǎn)。, 葉型前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)間的距離。, 葉型中線兩端點(diǎn)處切線的夾角。, 葉型尾部出汽邊的厚度。, 葉片型線沿葉高不變的葉片。, 葉片型線沿葉高變化的葉片。, 葉柵平均直徑： 葉片高度: 相對葉高: 葉柵節(jié)距: 相對節(jié)距: 葉片安裝角: 葉片的進(jìn)口幾何角: 葉片的出口幾何角: 葉柵寬度: 葉柵進(jìn)、中間、出口通道的寬度:,葉片弦長、葉高、型線 平均直徑、節(jié)距、安裝角,葉片中間截面的直徑。,葉片通流部分高度。 葉高與弦長的比值。,葉柵中相鄰兩葉片對應(yīng)點(diǎn)的距離。 節(jié)距與弦長的比值。,葉型弦線與葉柵額線的夾角。,葉型中線前端點(diǎn)切線與額線的

3、夾角。 葉型中線后端點(diǎn)切線與額線的夾角。,葉柵前、后回轉(zhuǎn)面間的距離。,三處內(nèi)切圓的直徑。, 確定了葉片的大小、形狀 確定了葉片的相對位置,2）氣動參數(shù),表示方向： 氣流進(jìn)、出汽角（ ） 葉柵進(jìn)、出口氣流方向與葉柵額線的夾角。, 沖角（攻角） 葉柵進(jìn)口幾何角與氣流角的差值。,噴管：,動葉：,表示大?。? 氣流速度： 葉柵進(jìn)、出口的氣流絕對速度 或相對氣流速度 。, 氣流馬赫數(shù)：, 氣流雷諾數(shù)： （ ）, 速比： （ ）,二、葉柵損失及葉柵實(shí)驗(yàn),1）葉柵能量損失的構(gòu)成, 型面損失：,葉型表面上產(chǎn)生的損失, 端部損失：,葉柵通道上、下兩端面處產(chǎn)生的損失, 沖波損失：,在近音速和超音速氣流中產(chǎn)生的波損

4、,2）葉柵能量損失的衡量（兩種方法 ）：, 葉柵能量損失系數(shù)：, 葉柵速度系數(shù)：,能量損失系數(shù)與速度系數(shù)的互相轉(zhuǎn)換：,圖1.29 平面葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺示意圖,3）葉柵試驗(yàn),試驗(yàn)葉柵,測點(diǎn),測 點(diǎn),網(wǎng) 格,加速段,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:, 葉型表面壓力分布, 葉柵出口截面各點(diǎn)的速度, 葉柵出口氣流的實(shí)際方向,目的：分析葉柵中損失產(chǎn)生的位置和原因， 確定改進(jìn)葉型幾何結(jié)構(gòu)，減少流動損失， 提高葉柵流動效率。,目的：確定氣流流線上的速度大小及流動損失， 獲得葉柵通道內(nèi)的葉柵各項(xiàng)損失和總損失。,目的：確定氣流出口角度隨各參數(shù)的變化規(guī)律。,三、壓力分布曲線,橫坐標(biāo)：葉型表面各測點(diǎn)的相對位置,縱坐標(biāo)：葉型表面壓力系數(shù),靜

5、葉：,動葉：,(a) 膨脹式葉柵壓力分布曲線, 理想情況下（如虛線所示）： 駐點(diǎn)：速度為零，壓力系數(shù)：, 離開駐點(diǎn)：壓力沿葉柵的背面和腹面均勻下降， 出口壓力系數(shù)： ;速度逐漸增大。, 實(shí)際情況下（如實(shí)線所示）：,駐點(diǎn)：壓力系數(shù),背弧壓力系數(shù)： 快速下降； 緩慢變化； 快速下降至過度； 恢復(fù)至,圖1.30 沖擊式葉柵的壓力分布曲線,圖1.31 沖擊式葉柵表面的壓力分布圖, 葉型表面壓力矢量圖,說明： 葉片背面至腹面的兩相應(yīng)點(diǎn)之間， 存在一個(gè)壓力梯度，氣流對葉柵作功的來源； 氣流在進(jìn)口斜切部分有一個(gè)擴(kuò)壓段，流動效率較低。,四、型面損失和沖波損失, 型面損失：葉型表面附近產(chǎn)生的損失。, 葉型表面邊

6、界層中的摩擦損失；, 邊界層脫離葉片表面形成的渦流損失；, 葉片出口邊（尾跡區(qū)）產(chǎn)生的渦流損失。, 葉型表面邊界層中的摩擦損失,原因：粘性摩擦阻力,位置：整個(gè)葉片表面附近, 邊界層脫離葉片表面形成的渦流損失；,原因：擴(kuò)壓流動，邊界層脫離壁面，形成渦流。,位置：擴(kuò)壓段區(qū)域，主要在葉型背面接近出口邊處。, 葉片出口邊（尾跡區(qū)）產(chǎn)生的渦流損失。,原因：葉片出口邊兩股氣流匯合，形成旋渦。,位置：葉柵出口后的一段區(qū)域, 沖波損失：葉柵通道內(nèi)局部發(fā)生激波，導(dǎo)致波損。,位置：激波產(chǎn)生的區(qū)域,原因：葉柵通道內(nèi)局部發(fā)生激波，導(dǎo)致波損。, 型面損失的影響因素,葉 幾 柵 何 主 參 要 數(shù),氣 特 流 性,加工工

7、藝：, 葉柵類型（膨脹式/沖動式葉柵）, 葉型進(jìn)、出口幾何角（ ）, 節(jié)距 （相對節(jié)距 ）, 安裝角（ ）, 葉片出口邊厚度（ ）, , 氣流馬赫數(shù) M、氣流雷諾數(shù) Re, 氣流進(jìn)口角 (攻角 ), 氣流湍流度, , 葉型表面加工的粗糙度,圖1.34 膨脹式葉柵壓力分布曲線及損失系數(shù),主要影響型面損失的因素：, 當(dāng)進(jìn)口汽流角在 范圍變化時(shí)， 壓力分布變化不大，對型面損失的影響較小。, 當(dāng)進(jìn)口汽流角下降到45時(shí)，擴(kuò)壓段增大，型面損失增大。, 葉型進(jìn)口氣流角度 /攻角 的影響, 葉柵相對節(jié)距 對型面損失的影響, 當(dāng) 時(shí)，流量增大；背弧擴(kuò)壓段增大；邊界層增厚， 甚至脫離；型面損失系數(shù)增大。, 當(dāng) 時(shí)

8、，背弧擴(kuò)壓段減小，邊界層中的損失減?。?邊界層及尾跡區(qū)在葉柵通道比例增大，型面損失系數(shù)增大。,圖1.36 馬赫數(shù)對葉型損失系數(shù)的影響, 氣流馬赫數(shù)M 對型面損失的影響, 在 下，葉柵通道內(nèi)局部發(fā)生超音速，產(chǎn)生沖波 損失；且沖波可能導(dǎo)致邊界層脫離，使尾跡區(qū)損失增大。, 隨馬赫數(shù)著的進(jìn)一步增大，激波后壓力高于葉柵出口壓力， 可以改善背弧出口邊附近的流動，總損失也隨之下降。,五、端部次流損失,1）端部損失產(chǎn)生的原因和位置, 葉柵通道的四個(gè)組成表面：, 葉柵通道上、下兩端面邊界層中的摩擦損失, 葉柵通道上、下兩端部產(chǎn)生的渦流損失（次流損失）。, 端部損失：葉柵通道上、下兩端面處產(chǎn)生的能量損失。,原因：

9、汽流在葉柵通道上、下兩端面形成邊界層。 由于粘性摩擦而產(chǎn)生能量損失。,位置：葉柵通道的上、下兩個(gè)端面附近。,原因：葉柵上、下兩端形成的兩個(gè)旋渦區(qū)， 引起可觀的能量損失次流損失。,位置：葉柵通道的上、下兩個(gè)端部渦流區(qū)域。,(a) 雙旋渦示意圖 (b) 邊界層和壓力分布示意圖 1-內(nèi)??； 2-背弧； 3-壓力圖； 4-邊界層增厚區(qū)； 5-雙旋渦 圖1.37 葉柵中的次流圖譜,葉型損失,二次流損失,圖1.37 葉柵中二次流示意圖,二次流損失：模型1,二次流損失：模型2,二次流損失：模型3,二次流損失：模型4,2）端部損失的計(jì)算,葉柵損失系數(shù) = 型面（含沖波）損失系數(shù) + 端部損失系數(shù),葉高平均 損

10、失系數(shù),葉高平均 端部損失 系 數(shù),葉柵速度系數(shù)： （噴管） （動葉）,3）端部二次流損失的主要影響因素, 相對葉高 對端部損失的影響,當(dāng),當(dāng),當(dāng),：上、下兩個(gè)端部旋渦正好匯合；,：端部二次流結(jié)構(gòu)不會發(fā)生任何變化。 端部損失的絕對值保持不變。 端部損失系數(shù)平均值反比于葉高。,：上、下兩個(gè)旋渦互相重疊、干擾和強(qiáng)化。 端部損失絕對值和平均值都增大。 端部損失系數(shù)隨葉高減小急劇增大。, 葉柵型式對端部損失的影響,結(jié)論：膨脹式葉柵的端部損失 沖動式葉柵的端部損失,原因： 沖動式葉柵的轉(zhuǎn)角和厚度較大， 汽流產(chǎn)生的離心力強(qiáng)， 使葉型腹面壓力遠(yuǎn)大于背面壓力， 造成強(qiáng)烈的二次流，渦流損失大。, 沖動式葉柵出口

11、擴(kuò)壓段大， 邊界層厚度增大，汽流分離情況嚴(yán)重， 相應(yīng)的能量損失也大。,六、葉柵出口氣流角 （ ）,主要影響因素：, 葉柵相對節(jié)距 對出口氣流角的影響, 葉型安裝角 （ ）對出口氣流角的影響,結(jié)論：葉型安裝角 出口汽流角正比增大, 馬赫數(shù) M 出口氣流角的影響,結(jié)論： 在MMcr時(shí)，M 出口汽流角,結(jié)論：相對節(jié)距 出口汽流角 （ ）,七、環(huán)形葉柵及其損失,1）環(huán)形葉柵的特點(diǎn)及損失, 環(huán)形葉柵的相對節(jié)距 不是一個(gè)常數(shù)， 而是隨半徑成正比的增大。, 帶來額外流動損失, 環(huán)形葉柵中汽流的運(yùn)動軌跡是螺旋形運(yùn)動, 帶來額外流動損失,環(huán)形損失：環(huán)形葉柵中產(chǎn)生的額外損失（損失增加部分）,2）環(huán)形損失的計(jì)算,經(jīng)

12、驗(yàn)公式：,說明：當(dāng)徑高比 時(shí)， 在總損失系數(shù)中所占比例很小，可以忽略； 當(dāng)徑高比 時(shí)， 在總損失系數(shù)中所占比例大， 應(yīng)考慮環(huán)形損失的影響。,1.7 葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用,一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表達(dá)方式, 平面葉柵空氣動力特性指標(biāo)與影響因素, 型面損失 端部損失 出口汽流角,特 性 指 標(biāo),影 響 因 素, 葉柵相對節(jié)距 葉柵相對葉高 安裝角, 葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)表達(dá)方法1 （三幅主曲線圖 + 二幅修正曲線圖）,主 曲 線 圖, 葉柵出口汽流角曲線圖：, 葉柵型面損失系數(shù)曲線圖：, 葉柵端部損失系數(shù)曲線圖：,輔 助 曲 線, 葉柵出口汽流馬赫數(shù)M 對損失系數(shù)的修正曲線, 葉柵進(jìn)口汽流角（攻角）對損失系數(shù)的修正曲

13、線, 葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)表達(dá)方法2 （二幅主曲線圖 + 三幅修正曲線圖）,主 曲 線 圖, 葉柵出口汽流角曲線圖：, 葉柵總損失系數(shù)曲線圖：,輔 助 曲 線, 葉柵出口汽流馬赫數(shù) 對 損失系數(shù)的修正曲線：, 葉柵進(jìn)口汽流角（攻角） 對損失系數(shù)的修正曲線：, 葉柵相對節(jié)距對損失系數(shù)的修正曲線：,圖1.40 國產(chǎn)HQ葉型及動力特性曲線,HQ-1（動葉）,HQ-2（靜葉）,圖1.41 原蘇聯(lián)的葉型及動力特性曲線,P-3021A型（動葉）,C-9012A型（靜葉）,二、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用, 選擇噴管葉柵和動葉柵的型式，并確定兩個(gè)葉柵 的葉片高度；, 透平級的熱力計(jì)算（包括：級速度三角形計(jì)算、 輪周功率和輪周效率

14、等的計(jì)算）。,兩方面工作：,計(jì)算特點(diǎn)： 葉柵型式選擇受到 級氣動參數(shù) 的影響； 熱力計(jì)算 又需要葉柵的 特性試驗(yàn)曲線； 整個(gè)熱力設(shè)計(jì)過程是一個(gè)迭代過程。,1）透平級的熱力設(shè)計(jì)參數(shù),直接給定 的參數(shù),選 定 的參數(shù), 透平級的進(jìn)口蒸汽狀態(tài)參數(shù)：, 透平級的出口壓力：, 透平級的轉(zhuǎn)速：, 透平級的流量或功率：, 透平級的反動度：, 透平級的速比：, 噴管出口汽流角度：, 動葉出口汽流角度：,計(jì)算確定的參數(shù)：, 氣動參數(shù)：速度三角形； 輪周功率和輪周效率計(jì)算； 內(nèi)功率和內(nèi)效率等的計(jì)算。, 幾何參數(shù)：噴管和動葉的葉型； 透平級的平均直徑； 噴管和動葉的葉片高度； 部分進(jìn)汽度 ,2）透平級的熱力設(shè)計(jì)過程

15、（初步計(jì)算迭代計(jì)算）,初步計(jì)算：, 初步選取噴管葉柵和動葉葉柵的速度系數(shù), 確定噴管出口汽流速度c1, 確定級的平均直徑dm, 透平級速度三角形計(jì)算,確定： （進(jìn)口速度三角形） （出口速度三角形）, 初步確定噴管葉柵通流面積、葉片高度和部分進(jìn)汽度,噴管葉柵通流面積：,噴管葉柵所占弧段長度與級平均直徑處圓周長度的比值,部分進(jìn)汽度：,葉片高度：, 初步確定動葉柵通流面積和動葉柵高度,動葉柵通流面積：,動葉葉高：, 確定透平級的超高, 超高： 1.5 4.0 mm, 如果: 1.5 4.0 mm，,則需要重新選擇反動度 ； 從開始重新計(jì)算直到滿足。, 選擇噴管葉柵和動葉柵型式，并初步確定噴管葉柵和 動葉柵的相對節(jié)距、安裝角,根據(jù)初步計(jì)算 的氣動參數(shù), 選擇合適的噴管葉柵和動葉柵,根據(jù)葉柵特性 試驗(yàn)曲線及數(shù)據(jù), 初步確定噴管/動葉葉柵的相對節(jié)距,根據(jù)汽流角度 和相對節(jié)距, 在葉型特性曲線 查出 和 。, 初步確定葉柵內(nèi)的流動損失系數(shù)和速度系數(shù),根據(jù)初步計(jì)算的葉高 確定的相對節(jié)距 查出的安裝角, 在葉柵特性曲線分別查出： 型面損失系數(shù)： 端部損失系數(shù)：, 噴管能量損失系數(shù)： 動葉能量損失系數(shù)：, 噴管速度系數(shù)： 動葉速度系數(shù)：, 將得到的速度系數(shù)與前面