北航-发动机原理(第2章涡轮)

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1、第二节涡轮工作原理一、功能、工作环境、设计要求及组成功能将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率，带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。工作环境高温:热负荷(1600-1950K)高速转动:离心负荷高气动负荷:气动力、气动力矩轴负荷：传递巨大的扭矩设计要求提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻耐高温的高强度材料冷却组成静子（导向器）静子叶片内、外环转子工作叶片盘轴排列方式静子在前转子在后基元级平面叶栅二、工作原理高温高压气体在导向器中膨胀加速热焓动能高速气流冲击工作叶轮，使叶轮高速转动，发出功率。1、气流在基元级中的流动

2、截面0静叶进口1静叶出口（动叶进口）2动叶出口(1)气流在静子叶栅中的流动气体作绝能流动伯努利方程V1V0dp0对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道。叶栅向背离轴向弯曲形成收敛通道。在静子叶片中的工作原理：膨胀加速气流在静叶中的流动叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道在叶栅通道出口处为最小截面，称为喉道截面；在喉道截面处，气流通常达到当地音速，又称为临界截面；在临界截面后气流进一步加速，以超音速进入工作轮；静子叶片起导向作用又称为导向器。(2)气流在动叶叶栅中的流动基元级速度三角形进口：气流以V1流向动叶由于叶片转动切线速度U1气

3、流以相对速度W1进入动叶出口：气流以相对速度W2流出动叶由于叶片转动切线速度U2气流以绝对速度V2流出动叶速度三角形将进、出口速度三角形叠画在一起,W和V均向背离转动方向发生偏转W2W1V2V1伯努利方程绝对坐标系膨胀功、动能增量输出轮缘功、耗损于摩擦功相对坐标系dp0W2W1叶型弯曲形成收敛通道相对速度增加，压力降低两式相减，得：涡轮对外输出轮缘功绝对动能机械能相对动能膨胀加速产生反作用力要提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高Wu轮缘功Wu动量矩原理推导出U–切线速度WU–扭速增加输出功率：U、扭速。由于气流在涡轮

4、中作膨胀加速流动,气流不易分离因此允许气流的转角较大。一级涡轮输出功率可以带动多级压气机扭速涡轮压气机2、涡轮级涡轮级沿叶高由基元级叠加而成；因沿叶高的切线速度大小不同，相对速度大小和方向均不同，速度三角形不同；沿叶高叶片是扭转的。3、全台涡轮沿发动机轴向为扩张形气流通道三、热力过程及主要参数1、热力过程理想情况：绝热等熵膨胀实际情况：多变膨胀hS34i4P3*P4*理想膨胀功实际膨胀功主要参数膨胀比：流量：转速：多变膨胀功：绝热效率：涡轮效率（0.88~0.92)：叶型流动损失（分离、摩擦）端面损失（潜流、径向间隙漏气）冷却气流掺

5、入带冠、主动间隙控制涡轮功与进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。三、涡轮特性当涡轮膨胀比增加到一定时，涡轮进口流量相似参数保持常数；称流量相似参数保持常数的状态为：临界或超临界状态涡轮效率随膨胀比变化较平缓。