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1、第三章 燃气涡轮,概述（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气涡轮的工作原理；轮周功、轮周效率、速度比；多级涡轮；涡轮特性；燃气涡轮的冷却。,3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理,一、涡轮级的概念一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅共同构成的轴流式涡轮的一个级。单级涡轮：整台涡轮只有一个“级”多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级”一般轴流式燃气涡轮采用多级。,三个特征截面：0-0喷嘴进口；1-1喷嘴出口；2-2工作叶轮的出口。,二、工作原理,涡轮中的能量转换过程主要是 在动叶栅中气流的转向来实现的。,涡轮级中燃气参数的变化,喷嘴 叶轮,1、冲动式涡轮,燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀
2、；依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮旋转作功。工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即 P1p2，w1 w2工作动叶片的通道一般是等截面的。,2、反动式涡轮,除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中继续膨胀而加速；加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力。P2 w1工作动叶片的通道一般是收敛的.,3、反动度T,在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分地膨胀到某一中间压力，其余地继续在动叶栅中膨胀。定义：燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内的理论焓降之比，又称为热力学反动度 T=H
3、2s/Hs一般T=0.30.5 T=0时，冲动式涡轮；T=0.5时，能量损失最小。,4、叶片叶型,涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大，相对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大。,冲动级的动叶片更为厚实、弯曲角更大。,三、基元级及其速度三角形,气体在涡轮级中的流动是十分复杂的三元流动，气流参数沿着半径方向、圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的。采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析。1、基元级定义将平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级。（注意：与压气机级中的基元级定义不同！）,涡轮基元级的选取,喷嘴 叶轮,Dm,1,1,2,2,静叶,动叶
4、,u,注意:(1)静叶在前,动叶在后;(2)叶片间通道截面渐缩;(3)叶片运动方向由叶腹叶背;(4)叶片厚实且弯曲角大。,2、基元级的速度三角形,如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和，即 c=w+u,喷嘴 0-1,燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，流速c增加；喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速），流道截面逐渐收敛。,静叶,动叶,u,动叶进口处 1-1,气流以速度c1和气流角1自喷嘴流出；动叶栅以 u1 旋转；那么气流以相对速度w1与进气角1进入动叶栅。,w1=c1 u1,u,静叶,动叶,一般1=1420,动叶出口处 2-2,动叶栅通道收敛，气
5、流流过膨胀加速，则压力降低、相对速度w2增加；且气流方向改变、转折较大，出气角21；那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅额线的夹角为2。,c2=w2+u2,u,静叶,动叶,一般1=1420,基元级的速度三角形,把进出口的速度三角形画在一起。注意：一般c2x c1x(c2x c1x)；气流转折角很大（90），进出口速度三角形是分开的；一般圆周速度u1u2。(轴流级u1 u2),反动式涡轮基元级的速度,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u1,u2,叶栅额线,T0,c1u,c2u,c2u很小（接近轴向出气），而预旋c1u却很大,则c1u和u一起决定L的数值（L=ucu）。,90,c2x c
6、1x,压气机级 基元级的速度,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,气流转折角,c2u,c1u,预旋c1u很小，而c2u较大,则c2u和u一起决定L的数值。,T=0.5基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2x=c1x u1=u2=u,c1=w2 1=2w1=c2 1=2,进出口速度关于轴对称,大小相等方向相反,T=0 冲动式基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2x=c1x u1=u2=u,w1=w2 1=2,相对速度w1、w2关于轴对称,大小相等方向相反,气流速度的变化是反
7、映能量转换的重要表达式。通过基元级内的能量转换情况来确定气流速度。,四、涡轮基元级中各速度的确定,1、喷嘴出口（c1s与c1）,喷嘴中（0-1s），气体流动为稳定流动。绝热膨胀：q=0；喷嘴静止不动：L=0,气体总焓不变；则气体动能增加时，其静焓降低，即静压能转换为动能。,理想情况：,理想情况：,喷嘴中的理论焓降,喷嘴中的膨胀比,实际流动（0-1）：,有摩阻及其他阻力存在；燃气的绝热指数和比热容均不是常数。c1i1s两种表示:(1)用速度系数表示：(2)用多变膨胀过程(nkT)表示：,2、动叶进出口的气流参数,动叶进口相对速度w1，由速度三角形求得:,w1=c1 u1,c1,u1,w1,1,1
8、,动叶出口,T 0时，w2w1对于理想情况1-2s，在相对坐标系中：,气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加，即静压能转换为动能。,实际流速：w2 w2s,涡轮级的理想焓降,动叶中的理想焓降,冲动式 T=0 w2=w1 若不考虑损失，=1，w2=w1,动叶出口的绝对速度c2,由速度三角形求得c2余速：若被下级利用，则为下一级进口速度；若不被利用，则为余速损失。,c2=w2+u2,五、通过喷嘴的流量 及通流面积的确定,若参数p0*、T0*及背压p1给定：已知喷嘴出口截面面积A时，可求出流量GT；或者，已知设计流量，要求确定出口截面积。,理想情况下：,理想情况下：,临界压比,临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算GT更方便。,无因次流量（相对密度）,无因次速度,图3-5(p81),实际流动,存在粘性摩擦阻力气流在喉部截面后某一截面达到音速，即最有效流通截面不在喉部。则喉部的实际最大相对密流q()1，但相差很小，一般不超过0.1%。故粘性影响很小。,3-2 轮周功、轮周效率、速度比 及多级涡轮,一、轮周功Lu,1.定义气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过转换后变成轴上的机械功。即气体对动叶作的功。意义代表了整个涡轮级的能量转换过程。规律能量守恒关系（稳定流动能量方程、伯努利方程）动量守恒关系（欧拉方程）,
