華科大能源與動力裝置基礎(chǔ)課件第2章 葉片機械（透平機械）

第二章葉片機械（透平機械）結(jié)構(gòu)簡單（主體部件少）理論復(fù)雜用途廣泛目前單機水平最大流量：660000m3/min(風(fēng)機)

最高功率：8萬Kw(風(fēng)機)，

130萬Kw(汽輪機組)

最大轉(zhuǎn)速：80萬r/min(膨脹機)特點：流量大、功率大、轉(zhuǎn)速高；連續(xù)流動；易損件少概況第一節(jié)典型結(jié)構(gòu)和級一、典型結(jié)構(gòu)葉輪蝸殼進口1、單級單吸懸臂離心泵轉(zhuǎn)軸軸承軸承2、單級雙吸水平中開式離心泵葉輪蝸殼進口進口轉(zhuǎn)軸軸承軸承3、多級（4級）離心泵轉(zhuǎn)軸鍵4、單級離心通風(fēng)機特點：板金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸軸承軸承5、增壓器（單級壓縮機，單級渦輪機）

5-壓縮機葉輪(離心)6-擴壓器7-空氣進口8-出口離心壓縮機1-燃氣進口2-噴嘴3-渦輪葉輪(軸流)4-出口軸流渦輪機6、空調(diào)用膨脹機

（單級壓縮機，單級膨脹機）

飛機上用兩個相同的徑流葉輪葉輪葉輪1-空氣入口2-壓氣機(17級)3-燃油4-燃燒室

5-渦輪(3級)6-噴管7、渦輪噴氣發(fā)動機原理簡圖靜葉動葉靜葉動葉二、級（定義和表示）一個旋轉(zhuǎn)葉輪+固定元件(擴壓器或?qū)~或噴嘴、蝸殼等)或者動葉柵+靜葉柵定義分類常用徑流級軸流級葉輪葉輪葉輪葉輪蝸殼蝸殼擴壓器擴壓器噴嘴噴嘴蝸殼徑向工作機徑向原動機1、

徑流級（常用子午面和徑向面表示）◆子午面——通過旋轉(zhuǎn)軸的平面，也稱為軸面；面上葉片為旋轉(zhuǎn)投影?！魪较蛎鎰t是垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面。

2、軸流級（常用子午面和周向面表示）工作機級原動機級葉輪噴嘴后導(dǎo)葉動葉柵動葉柵靜葉柵后導(dǎo)葉靜葉柵噴嘴子午面周向展開面原動機級工作機級一.葉輪進出口速度三角形1.

矢量定義：◆速度——絕對c、相對w、牽連u◆葉輪旋轉(zhuǎn)才有速度三角形2.

標(biāo)量關(guān)系：◆cu=c·cos(α)=u-cm·

ctg(β)◆α—絕對速度c與周向速度u的夾角◆β—相對速度w與周向速度u的反(正)方向夾角αβ第二節(jié)葉輪中能量轉(zhuǎn)換歐美表示反向u

正向αβWucβ3、一般由下面三個條件畫出：底邊u:u=2πrn/60底邊u上的高cm:cm=qm/(ρF)某角度或線段：例如Wuc高cmαβcu進口的α1(或β1):與葉輪前導(dǎo)葉出口α1b有關(guān)出口的β

2(或cu2):與葉輪出口葉片角β2b等參數(shù)有關(guān)cm=wm=哪個分量

?cu=cm·tg(α)=u-cm·

ctg(β)離心葉輪速度三角形例1：葉輪的流量qv=56700m3/h,轉(zhuǎn)速n=2900rpm,出口直徑D2=0.88m,出口寬度b2=0.182m,出口角β2=β2b=50o,進口直徑D1=0.6m,寬度b1=0.21m,進口無預(yù)旋(c1u=0)，不可壓縮流體，請計算有關(guān)參數(shù)，并畫出進出口速度三角形？(離心葉輪)解:⑴邊u1=πD1n/60=91.1m/s;u2=πD2n/60=133.6m/s;⑵u邊上的高c1m=c1r=qv/(πD1b1)=39.79m/sc2m=c2r=qv/(πD2b2)=32.06m/s⑶c1u=0

或α1=90o，進口為直角速度三角形β2=β2b=50o，或W2u

=c2r

ctg

β2=27.35m/s或c2u=u2-c2r

ctg

β2=106.25m/s例1圖u1=91.1c1=c1r=39.79w1c2r=32.06u2=133.6w2c2w2uc2u=u2-w2u=27.35u的反方向β2=50o

動葉柵原動機動葉柵工作機軸流葉輪速度三角形渦輪機進、出口速度三角形例2、軸流葉輪的流量qv=38m3/s，葉片頂部直徑Dt=1.5m，根部直徑Dh=1.05m，轉(zhuǎn)速n=960rpm,氣流轉(zhuǎn)折角β2-β1=15o，進口無預(yù)旋，不可壓縮流體，請計算葉片平均面上有關(guān)參數(shù)，并畫出進出口速度三角形？解：在葉片平均面上，平均直徑為Dm=(Dt*Dh)0.5⑴邊u1=u2=πDmn/60=63.08m/s;

⑵高c1z=c2z=qv/[π(Dt2-Dh2)]=42.14m/s

⑶α1=90o，進口為直角速度三角形；

由β1=arctg(c1r/u1)=33.745o得β2=β1+(β2-β1)=48.745o；

或計算w2u=c2z

ctg

β2=36.96m/s

或計算c2u都是為定底邊上的一個點例2圖c1=c1r=c2rw1w2c2w2uc2u=u2-w2uw1u-w2uc2u-c1uu=u2u=u1等高、等底的進出口速度三角形；w1u-w2u=c2u-c1u

決定如下情況的機器形式，畫出各葉輪進出口速度三角形，分析其特點。

①u1=u2=100m/s，w1=115m/s，α1=90°，w2=60m/s，軸向分速為常數(shù)，β2<90°。

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。例2-1.解：①u1=u2

是軸流式機械，w1>w2為擴壓的工作機。由圖u=-w1u+c1u=-w2u+c2u

所以w2u-w1u=c2u-

c1u=

△cu；

w2z=w1z=c2z=

c1z=

c1m

③n=32000rpm，r1=200mm，r2=80mm，

u1=лd1n/60=335.1m/s,u2=(d2/d1)u1=134.04m/s；

u1>u2

是徑流式機械，一般為膨脹的原動機。c1=387m/s，c2=200m/s，α2=95°，β1=90°。4.絕對速度分量：cm=cr?cm=cz

?第三節(jié)一元流動分析一元：以流道中心線為坐標(biāo)，垂直該線的截面上參數(shù)取平均值討論：級中流動參數(shù)變化；級或機器的性能；一、級中流體參數(shù)的變化（級工作原理概述）1、單級離心壓縮機、通風(fēng)機(泵)=cp(T2-T1)+0.5(c22-c12)=

h2*-h1*=cp(T2*-T1*

)由能量方程式：W

=∫dp/ρ+0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW滯止壓力p*=p+ρc2/2

加速加減接近等速功速2、單級軸流水輪機（原動機）：活動導(dǎo)葉葉輪擴壓器固定導(dǎo)葉速度總水頭靜水頭δHhyh等速加速減速減速3、反動式汽輪機

(9級)工質(zhì)的絕對速度c有9次增加后又降低的過程（進入導(dǎo)葉噴嘴速度增大，葉輪中速度下降），而靜焓、壓力隨流動方向逐步下降。動葉靜焓h壓力p速度C轉(zhuǎn)軸機殼靜葉二.級和機器的性能參數(shù)性能參數(shù)流量:質(zhì)量qm

(kg/s),容積qv(m3/s,m3/M,m3/h)

能量頭有關(guān)量:h(J/kg)，焓差，壓力(膨脹)比等經(jīng)濟性評價量:效率η等總能量:

功率P(J/s)有時還有噪聲、轉(zhuǎn)速等量關(guān)聯(lián)式：P=h

qm/η(工作機)P=h

qm*η

(原動機)能量頭h的表示、分類！1.能量頭有關(guān)量:能量頭h(J/kg)，功w(J/kg)，焓差Δh(J/kg),揚程H（m）,壓力差Δp(N/m2),

壓力(或膨脹)比，J/kg=Nm/kg=kg

(m/s2)m/kg=(m/s2)m;h=gHJ/kg=Nm/kg=

(N/m2)/(kg/m3);h=Δp/ρH=h/gΔp=ρh

◆工作機：多變能量頭hpol

=∫12dp/ρ（氣體有效能）級或機器進出口的Δc2/2≈0，僅考慮h=hth則：◆原動機：等熵能量頭hs

=–(∫12dp/ρ)s(氣體等熵焓降）

輪周功hu

=hth=hs

–δhhyh◆理論能量頭±

hth

=∫12dp/ρ+

δhhyh

hth=hpol

+δhhyh葉輪內(nèi)表面作功hth

(hu

)由伯努利方程±

w=±h

=∫12dp/ρ+Δc2/2+

Σδh

工作機取+原動機取-hth=氣體有效能變化±δhhyh

兩種過程效率?輪盤摩擦損失輪盤摩擦損失內(nèi)泄露損失δhrδhv◆內(nèi)總能量頭

htot(hi)

=hth

±

非流道損失(如δhv+δhr)汽輪機的非流道損失為講義p88的級內(nèi)損失（已除了流道損失后介紹了6項）=有效能變化±δhhyh

±

非流道損失(如δhv+δhr)是否為與外界交換的總能量頭？hs原動機he工作機流動損失δhhyh

外泄露損失δhvo

內(nèi)泄露損失δhv

輪盤摩擦損失δhr

軸承摩擦損失δhm

原動機hehpolhthhtot用圖表示各種能量頭和損失的關(guān)系<

hth

<htot<he

he<hu<hi<huhi、◆與外界交換的總能量頭

he=htot

(hi)

±

外部損失能量頭：多變能量頭hpol、等熵能量頭hs

理論能量頭hth、輪周功hu

總能量頭htot(

hi)、he等注：用焓差表示能量頭：等熵焓降Δhs

=等熵能量頭hs

有效焓降Δ

hn=輪周功hu

總焓降Δ

ht等=總能量頭htot

(

hi)、he等流體有效理論實際交換能(機械功)=流體有效能變化±有關(guān)損失

=不同定義的能量頭;原動機取-，工作機取+損失分類損失內(nèi)容有效能變化交換能效率總

損

失

δht內(nèi)部損失

δhi

流道損失

水力損失δhhyh

原動機

hs工作機hpol

huhth輪周效率ηu流動效率ηhyh

內(nèi)效率ηi多變效率ηpol

外部效率ηe

非流道損失級內(nèi)露損失δhv

輪阻損失δhr等hihtot外部損失δhe

外露損失

δhvohehe機械損失

軸承等摩擦損失δhm

2.

效率和損失的分類效率η=得到能量/消耗能量；原動機得到機械功，工作機消耗機械功習(xí)題12．

離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速3000rpm，葉輪內(nèi)外半徑分為25、40cm，葉片進口寬度為8cm，出口流體相對流動角為90?，葉輪進口絕對速度是徑向的并等于出口徑向速度100m/s，流動效率70%，空氣密度不變，等于1.2kg/m3。求機器產(chǎn)生的壓力和所需要的內(nèi)功率？(δhv+δhr

=0.03hth)解：壓力與能量頭有關(guān)，用歐拉方程計算hth（歐拉功）出口：u2=nπD2/60=30002π0.4/60=125.66m/s

因β2=90°,所以cu2=u2進口：cu1=0;hth=125.662=15790J/kghth0.7=11053J/kg=Δp/ρΔp=110531.2=13264Pahtot=hth+δhv+δhr

=1.03hthqm=ρc1r2πr1b1=15.08kg/sP=qm

htot=245244W=245kw習(xí)題13．

由如下參數(shù)確定級中流體有效能量的變化值、無限多葉片時的毆拉功hth∞和有限多葉片時的毆拉功hth：a)徑向向心透平轉(zhuǎn)速24000rpm,葉輪內(nèi)外直徑分為15、30cm，葉片進出口幾何角分為70?、-25?，進出口流體相對流動角分為75?、-35?，葉輪進出口徑向速度100m/s，流動效率91%。b)軸流風(fēng)機周向速度100m/s,葉片進出口幾何角分為45?、80?，進出口流體相對流動角分為40?、75?，葉輪進出口軸向速度100m/s，流動效率82%。解：歐拉方程中u、cu最好通過速度Δ先找到計