nullnull第四章 涡轮(透平) 4.1 基元级的工作原理
在涡轮级里,燃气的热能和压力能转变为轴上的机械功 ,这一能量的转换过程是在静止的喷嘴 (静叶)和旋转的动叶中完成的。 null1.基元级的工作过程
级的组成：静叶+动叶 热能 动能（静叶） 机械能（动叶） 工质在喷嘴（静叶）中膨胀，把热能转变成动能，这时气体的温度和压力都降低。然后，工质以很高的速度喷向动叶，并在动叶的流道中顺着流道的形状逐渐改变气流的方向,把动能转换为机械能。轴流级null 动叶轮的转动是由于高速气流有一个力作用于叶轮，这个作用与叶片上的总力，其在周向上的分力就推动着工作轮不断的旋转并发出机械功，完成工质的热能转换成机械功的过程。而叶片也必须有一个与之相应的反作用力作用在气流上,使气流改变方向。null 简化涡轮级叶栅nullnull气流流道：nullnull 具有一定压力和温度的工质首先进入喷嘴（静叶）中膨胀，由于流道的收敛以及气体的膨胀，为了满足连续流，于是:
静叶:
动能增加，温度和静压减小，总温不变。
动叶：
动能转化为机械能，静温、静压、总温、总压、绝对速度减小。相对动能增加。null
2. 基元级速度三角形 高温高压的燃气以初速C0流入喷嘴（静叶），经能量转换以C1流出喷嘴。由于流道的收敛以及气体的膨胀，工质的流速由C0加速到C1，此时温度T0随之下降到T1（热能转换成动能），P0 下降到 P1，P0 *下降到P1 * ， T0 * 等于 T1 *。C1与喷嘴出口额线方向的夹角α1来确定气流的方向。
null然后， 高温高压的燃气是以相对速度W1流入动叶。由于动叶是以圆周速度U1运动的，所以用绝对速度C1及α1和动叶进口相对速度W1、W1与额线方向的夹角β1、圆周速度U1来合成动叶进口速度三角形。
u1null由于绝对运动和相对运动轨迹不同，气流和叶片相互之间的作用力也是不同的。在绝对运动上，气体是作功的，而相对运动上，则认为动叶栅是静止的，因此气体对外不作功，于是能量方程在形式上完全可以写成和静止叶栅相同的形式。在旋转的动叶栅中，气体通常也有膨胀加速，其流动过程的分析和喷嘴中完全一样。但在绝对运动上气体的的轨迹行程是十分复杂的，而在相对运动上则依循与流道的形状（图中虚线所示）。null把动叶出口速度W2及方向角β2和下一级静叶进口速度C2及方向角α2、圆周速度U2合成动叶出口速度三角形。
nullnull速度三角形：nullnull3. 级的热力过程在T-S图上的表示1P0*FEP1*2tHN2G H C DTS等熵过程: 1-2t
等熵功：wt=h1*-h2t* (h*E) (1-E-G-C-2t-1)
实际过程： 1-2
实际功: w= h1*-h2* (h*F) (1-F-H-C-2t-1)
动能损失： HN=h2*-h2t*(2-2t-C-D-2)
摩擦功 : 1-2t-C-D-2-1
重热功： 1-2t-2-1
摩擦产生的热加入气流重新转换成功， 称重热功。null4.级的焓熵图 h（I）– S图nullh（i）– S图1hSPo*pop1p2P2*P1*021t2t’2tnull5. 级的功和效率null 6. 级的反动度反动度的定义：气流在动叶气道内膨胀的理想焓降△hb与整个级的滞止理想焓降△ht*之比。
null热力反动度和运动反动度的关系 热力反动度是动叶等熵焓降和级等熵焓降之比；运动反动度是动叶实际焓降和级实际焓降之比（即考虑损失存在的影响后实际功量之比）。
前者用来热力计算，后者用来功量计算。null4.2 透平级进出口气流参数的确定
喷嘴（静叶）
1.喷嘴的热力过程
涡轮喷嘴的功能是将燃气所具有的热能转换成速度能，速度能在动叶中转换为机械功。对喷嘴热力
设计
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的
要求
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可归纳为：
使燃气加速，把热能转换成速度能。
能通过设计所要求给定的燃气流量。
为气流造成一定的出口角度的的α1（一般α1=14~25）。
能量转换过程中具有良好的经济性，因此必须与动叶有良好的配合。null 2. 喷嘴的气流参数
（1）喷嘴出口速度
喷嘴（静叶）在透平机中是固定不动的，因此气流流过喷嘴时不对外作功，即w=0；又假设流动是绝热的，故q=0，根据稳定流动能量方程式：null喷嘴速度系数：nullnull3. 喷嘴中气流的临界参数喷管流动中截面流速变化的规律：亚临界：临界：超临界：截面积收缩截面积最小截面积扩张物理解释：
亚音速范围内，速度增长率比密度减小要快；
超音速范围内，速度增长率比密度减小要慢；M<1M.>1M=1Aminnull亚临界：临界：超临界：音速：nullnull4. 喷嘴流量和通流面积nullnull亚音速
当叶栅出口背压p1>pcrit(临界压力)，这时喷嘴喉口截面AB处的气流压力就是p1或pcrit(即AB面上的流速小于音速或等于音速)。这时气体仅在喷嘴的收缩部分膨胀，而在斜切口部分气体不膨胀。在出口截面上，平均流速的大小及其方向基本上保持喉口截面处的平均流速的大小和方向。
喷嘴平均出口气流角： null 超音速
高负荷的涡轮机中，喷嘴出口气流的速度往往达到很高的速度，故压比较低。当p1
方法
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（跨叶片流面绕流计算）求得，也可以在叶栅的静态吹风试验中，通过测定沿壁面的静压分布的方法获得。p1null 在驻点处 =1。过驻点，速度很快增加， 相应的较快下降。在叶背部，由于驻点后叶型表面的曲率半径很小，所以 下降很快，只有在离驻点较远处， 的下降率才有所减小。腹面上的 值总是大于背面上的 值。也就是说，从背面到腹面的相应点有一个横向压力梯度，腹面上的气流压力较高，这种情况，即使在理想情况下也总是存在的，这可以看成是气流对叶栅产生周向力的来源。null 在这个横向压力梯度的作用下，叶背上的压力可能会下降的十分显著，并有可能低于叶栅的出口压力（见图）。这取决于气流的转折 ，转折越大，就越可能出现这种情况。反动式叶型压力分布null 在气道出口的斜切部分，气流已经走出腹面的范围，建立横向梯度的条件消失，原先较低的压力就逐渐升高，出现一个扩压段。通过扩压作用，气流压力回升到出口的压力。在腹面上，气流逐渐下降到接近背压p1,它不可能出现扩压段。冲动式叶型压力分布null4.6 级内损失和效率型面损失:
附面层摩擦损失、附面层脱流损失、尾迹损失、掺混损失等。
端部损失:
端部表面摩擦损失、二次流损失、叶顶径向间隙中的漏洩损失、叶高损失。
附加损失:
叶栅旋转所带来的相对运动中的不稳定损失、流线径向摆动损失、转子间隙内工质径向漏洩损失、结构因素引起的损失、冷却空气和转盘摩擦鼓风损失等等。
下面着重讨论叶型损失和端部损失形成的机理。null1.型面损失：
型面损失包括叶型表面上附面层中的摩擦损失、附面层分离时的涡流损失以及叶片出口边尾迹区域中地涡流损失。
附面层摩擦和分离损失（有粘性和冲角引起）
研究粘性流体运动的通用方程是纳维尔-斯托克斯（Navier-Stokes)方程，对它的求解，迄今为止在数学上仍然存在着巨大的困难。但在高Re数下，粘性作用可视为只集中在叶片型面表面处的薄层，称之为边界层内。在这薄层内的流动可近似地用简化的边界层方程来处理。边界层外的流动则仍可用无粘性理想流体的方法计算。null 由于气体有粘性和叶型表面光洁度的影响，及冲角的影响，都有可能引起附面层的增加。粘性效应集中在叶型表面既边界层。由于叶型通道收敛，并使气流加速，往往使边界层变薄，从而减小损失。如果加速率减小，甚至出现扩压段，边界层就会迅速增厚，使损失增加。附面层增厚到一定时就会发生脱流，损失迅速增加。图1.5.1 附面层中速度图
null 当叶型表面上存在着附面层脱离时，很难将附面层的摩擦损失与脱离后引起的涡流损失分开，所以，通常将附面层脱离时引起的涡流损失包括在摩擦损失中。因此，叶型损失就有摩擦损失和尾迹损失两部分组成。null冲角引起的附面层分离：null尾迹损失和掺混损失：
气流流经尾缘的附面层增厚到一定程度时就会产生脱流。该脱流的附面层以不同的流速从叶背和叶腹流出，并相互作用，结果在出口缘后面形成一个漩涡区即尾迹。这种旋涡运动引起的能量损失称尾迹损失。 null 这股旋涡和主气流在叶栅后掺混所引起的能量损失称掺混损失。有时把上两种损失统称为尾迹损失。
实验研究表明，尾迹损失与叶片尾缘厚度、出口边形状、喉口宽度、节距等有关。其中叶片出口边厚度愈大，尾迹损失就愈大。
null下面分析叶栅的几何参数和工况参数影响叶型损失的某些实验研究结果
叶栅节距的影响： 叶型损失随着节距的增加有一最佳值。null
叶型安装角的影响： 在叶栅的相对节距、马赫数、雷诺数和气流进口角不变的条件下，存在着一个最佳安装角。在此安装角下，叶型损失最小。null冲角的影响： 冲角为零的工况对应着叶栅最佳工况。
小的气流进口角，损失大。
冲动式叶栅对冲角的感受更灵敏。null雷诺数的影响:null马赫数的影响：叶型损失系数null2.端部损失：
端部二次流损失：
气流流过叶栅时，叶腹上的压力大于叶背的压力，在流道内形成横向压力梯度。
在叶栅中部，横向压力梯度与气流微团的离心力相平衡。但在叶栅的端部，由于气体具有粘性。在气体流过流道时，其端壁上形成附面层。附面层内的气流速度小于层外的速度，使层内气流产生的离心惯性力不足以平衡由叶腹到叶背的横向压力梯度。_null在这个横向压力梯度作用下，附面层内的气流便产生自叶腹到叶背的横向运动。根据流动的连续条件，在靠近端部附面层外的气流又会产生由背面向腹面的横向补偿运动。这种在流道端部产生的气流横向运动称端部二次流。讨论端部损失的主要因素是叶片的相对高度,相对高度越大，分配到每单位高度的损失就越小，反之就越大。nullnull端部损失系数nullnullnull叶高损失
是喷嘴和动叶气道上下端壁附面层内的摩擦和二次流所造成的。损失的大小与叶高有关，叶片高，相对损失就小，叶片短，相对损失就大。
扇形损失
计算截面上的节矩、圆周速度和进气角等偏离最佳值，从而产生了流动损失，它与径高比的平方成反比。null叶轮摩擦损失
由圆柱面上的速度梯度引起的摩擦损失:
叶轮与隔板（或汽缸）之间的蒸汽存在着速度梯度，造成蒸汽微团之间及蒸汽微团与壁面之间的摩擦。
子午面内的涡流运动引起的损失：
叶轮两侧的子午面内形成的涡流。null鼓风损失：
当旋转着的动叶通过无喷嘴区时，动叶就象鼓风机一样，将基本处于静止状态的蒸汽鼓到另一侧，需消耗一部分轮周功。
斥汽损失：
发生在装有喷嘴的弧段内。当动叶进入工作弧段时，喷嘴中射出的高速汽流首先必须把汽道中的停滞蒸汽推出去，并加速，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。 4.7 透平长叶片气动计算
1 .气体动力学方程
从基元级出发的目的是可以在简化的条件下研究级内一个半径处的气流流动。但在透平级内，气流参数在不同半径处是变化的，所以还必须研究气流参数沿径向的变化规律。
通常是研究三个特征截面上的气动力问
题
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取一微元体A，将微元体运动分解为子午面内的运动和绕z轴的回转面内的运动。 null子午面：通过回转轴z的平面；
回转面：任一条流线绕z轴的旋成面；
Cm是微元体在子午面内的运动速度；
Cu是回转面内圆周方向的分速度。null长叶片叶根平均截面叶顶null研究特征截面上的气动力计算问题：nullX 、Y、 Z是作用于单位质量流体上的质量力在x、y、z轴上的投影。
Cx、Cy、Cz分别为气流的实际速度在座标轴上的投影。null 在研究透平机械的气体运动时，一般采用圆柱坐标系中的气体动力学方程。在多数情况下，气体在透平级内的流动可以看成是轴对称流动，它可以大大简化求解过程。
圆柱坐标系中的连续流方程：nullnull2.简化径向平衡方程
在计算中通常忽略一些对气体运动主要规律不起决定性影响的因素，使问题易于求解。
假设：
（1）气体是不可压缩的理想气体，ρ=常数;
（2）流动是定常的 ，
（3）气流径向分速度为零,cr=0;
（4）气流流动是轴对称的， ；
（5）忽略质量力。
经假设，可压缩粘性气体的三元非定常流动问题就简化为不可压缩、无粘性的一元定常流动的计算。null在流场中取一固体的微元控制体
作用在微元控制体向外的力有：null等功等熵简化径向平衡方程式null上式有两个变量：cu和cz，自由地选定一个参数，另一个参数也就确定了。
如选定 cur=const 则有cz=const ，反之亦然，称等环量规律。
选定 cur=const只是选定cu沿半径变化的一种方式。
除此之外，还可选定：
等周向速度规律：cu=const
等刚体旋转规律：cu/r=const
等出气角扭曲规律：
等密流扭曲规律：null3.等环量流型计算
在叶栅前后的轴向间隙内，气流沿径向的速度环量cur=const时得到的气流参数沿径向分布形式，称等环量流行规律。
C1ur=const C1z=const
C2ur=const C2z=const
Cumrm=const Czm=const
Wu=(C2ur- C1ur)ω=constnullnullnull从速度三角形知： Cur=const nullnull等环量流型的特点：null4.完全径向平衡方程 由于反动度沿叶高变化剧烈，在低工况时，根部容易脱流，在顶部通道有扩张角时，也会伴有强烈的涡旋。要改变这种状况，就必须提高根部反动度，降低顶部反动度。下面介绍受控涡流型。 通过静叶和动叶的流面不再是同心圆柱，而可以是在径向有摆动的任意旋转面。因此，在子午面上的投影将是一条弯曲的流线，这时径向分速不再等于零。null完全径向平衡方程式：null目的：是通过改变通流部分子午面形状来控制反动度的剧烈变化。null图a图b只有把通流部分形状造成像图b这样的流线，即Rm很小，才能有效地减小压力梯度，但这种通流部分形状在实际涡轮中是难以实现的。null因此必须在改变自身的叶片规律上考虑，如按下图的扭转规律。它的 分布是由顶截面向根截面增大，和等环量的恰恰相反，这样由于根截面附近的通流能力大，所以流量向下流而使得流线下凸。在动叶中 的规律也和等环量相反，随着半径的增加而增加。在顶截面通流能力大于是流量又复向上。
这样的受控涡规律设计中，叶片的扭转规律与常规的相反，也称反向扭转规律。null 4.8 多级透平
多级透平的第一特点就是功率大。为了提高透平功率，同时又要保证其效率较高，必须采用多级透平。这样，整个透平焓降可以分别分配给若干个级，这样每级只利用总焓降的一部分。因此，容易保证每个级均在最佳速度比范围内工作。这时，透平发出的功率等于每个级发出功率的总和。
.null 必须指出，增大透平焓降的同时，必须相应地增加通过透平的气体流量。因为焓降的增加相应于透平前气体的压力和温度增高，因而相应的初始密度增大（对蒸汽透平尤其是这样，因为初压很大）。如果流量不相应的增加，透平进口总的容积流量太小，会使叶片的高度和部分进气率都很小，造成高压级内损失增加，效率下降。所以，为了提高透平的功率，必须同时提高透平的 焓降和流量。null 多级透的第二个特点是效率高。首先，由于提高了气体得初参数，使循环热效率提高了。对蒸汽透平，由于采用多级结构，因而可以将蒸汽从级间抽出加热给水，实现回热循环，提高循环效率。对燃气透平，这可利用排气的热量加热空气，提高循环热效率。其次，由于采取多级结构，使每级均可在最佳速比范围内工作，中间的余速动能可被下一级完全的或部分的利用，因而透平的相对内效率提高。此外，在多级透平中，前一级的能量损失使他下一级的进口气体温度升高，提高了级内的气体作功能力。
null 在多级透平中，前一级的能量损失可提高它下一级前的气体温度，使下一级的等熵焓降在相同压差下比上一级无能量损失时的等熵焓降略有增加。所以与单级透平相比，多级透平在工作原理方面存在三个特殊问题：
（1）重热问题。总焓降与各级理想焓降的关系。
（2）余速利用问题。
（3）级间漏气问题。
重热现象：
由热力学知：在焓熵图上，等压线是朝着熵增的方向呈扩散型的。因此，每级的等熵焓降的总和一定是大于前面所定义的所有级的等熵焓降。即nullhSnullnull余速利用：
通常在设计计算中，要考虑第一级的余速损失可以在第二级加以利用，第二级的余速可以在第三级加以利用，只有最末级的余速由于排出而不能利用。所以，有时用总效率和静效率来区分。Ｐ２
hnull 由以上分析知：多级透平具有比单级透平有更高的效率。但需要指出的是，在多级透平中对前级损失的利用只是部分。而要提高多级透平效率的根本办法，还是需要首先提高单级透平的效率，即尽量减少单级透平中的流动摩擦损失。null 4.9 透平特性
1、透平级的通用特性
设计中，透平级的通流部分形状和叶片形状只能和一个特定的工况的参数有关，这个工况通常称为设计工况。
设计工况的性能参数总是按最佳流动条件考虑的，即流动损失最小，功率最大。
但机组不可能一直在设计工况下工作的，随着外界负荷的变化（ 加速或减速）和大气条件的变化，透平级进口流量G、温度T、压力P及膨胀比 都会发生变化，其最终导致功率和效率的变化。
这种在非设计工况下工作的任何运行工况，人称变工况。透平特性就是研究在非设计工况下透平性能参数随工况参数变化时的规律性。它可以通过试验获得，也可以通过计算获得。null 透平的通用特性就是以动力相似准则数为坐标而绘制的。这样得到的特性线具有很大的通用性，它可以不受具体参数严格控制。在独立变量中，如果用相似准则数来绘制通用特性线，就可以不计及单个独立变量的绝对数值是否变化，这在实践应用中十分方便。
动力相似是建立在几何相似和运动相似的基础上的。
相似理论中已建立的相似准则数对透平机械同样适用。
表征流体可压缩性的马赫数准则M(mach)、表征流体粘性的雷诺数准则Re(Reynelds)、表征流体热交换的贝克来数准则Pe(peclet)、表征地球引力作用于流体上的福鲁得准则数Fr(Froude)。null 要完全满足上述四个相似准则是很困难的，在实际应用中，有重点地满足一些对流动起主导作用的准则，而忽略一些对流动起次要作用的准则。如：研究高速气流流动时，必须使马赫数相等；研究流体的粘性时，必须使雷诺数相等。
在涡轮机械中，往往略去地心引力的作用；认为流动是绝热的，不存在热交换；所以后两项可忽略。另在高速气流中，粘性力与流体运动的惯性力相比较小时，也可忽略雷诺数的影响（Re>105在自模化区工作时）。
最后剩下马赫数准则，既保证M(Mc,Mu)相似，就能保证两工况相似。
nullnullnullnull2.试验方法测定涡轮特性
两种方法：
在台架上整机试验（工况局限性大，测量因参数分布不均匀，精度不高，测点分布受结构限制不尽如人意，故不作为主要手段）。
在模拟动态的空气或蒸汽涡轮试验台上进行（通过测定特征截面上的气流参数来获得）。
试验
内容
财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容
：
（1）外特性试验
（2）流场测定及空转损失试验
（3）级特性试验null应测定的参数：
（1）流量G，用孔板流量计测定;
（2）功率Ne,用水力测功器测定;
（3）空转损失功率，通过专门试验测定；
（4）级前总压、总温和级后的静压（p0*,T0*,p2)
（5）气流出口角和损失沿栅距和叶高的变化规律。
把测得的参数，按照相似准则数的要求，算出相应的综合性能参数nullnull透平试验台及测量系统null4.10 冷却透平 提高燃气轮机装置性能的一个主要途径是提高燃气初温。这不仅能提高装置的经济性，同时也能改善比功等性能。
提高燃气初温有几条途径：一是对高温部件选用超级热强合金材料，另一是对这些部件采用冷却，但冷却高温部件会带来额外损失和作功量的减少。近来对新材料的研究表明，采用高温结构陶瓷，如氮化硅、碳化硅等来制作叶片。由于陶瓷在高温下仍能维持原有较高强度水准，因此不在需要附加的冷却系统以及由此而带来的麻烦的能量损耗。但由于陶瓷材料是脆性材料，变形率和热导系数均低，在设计上仍有许多专门课题需要研究。null冷却叶片nullnullnullnull 作业（2）
1.为了分析涡轮级的性能，试从速度三角形的值验证该级的轮周功、效率、热力学反动度、各项损失及其占总热焓降的比例（取φ=0.97、 ψ=0.95）null2. 什么是 透平级的轮周效率、内效率和有效效率？静效率和滞止效率是如何定义的？有何区别？
3.叶栅的流动损失有哪些？说明它们的形成机理。
4.如何计算透平级的轮周功？通过哪些途径可以提高轮周功？
5.透平级作的理论功、实际功和摩擦功如何在T-s图上表示？什么是重热功？
浙公网安备 33021202002483