叶轮机械原理-演示文稿(1)

……
→ 气 特 → 流 性 → → 加工工艺： 加工工艺：
气流马赫数 M、气流雷诺数 Re 、 气流进口角 α 0、β1(攻角 i = α 0 g − α 0 ) 气流湍流度
……
→ 叶型表面加工的粗糙度
ξ p = ξ p (α、t 、α s、M、 、∆、粗糙度、叶栅型式等 ) Re
热力叶轮机械原理（1） 主要影响型面损失的因素： 主要影响型面损失的因素： ① 叶型进口气流角度 α 0、β1/攻角 i 的影响
图1.31 冲击式叶栅表面的压力分布图
热力叶轮机械原理（1）
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四、型面损失和冲波损失
型面损失：叶型表面附近产生的损失。 ◆ 型面损失：叶型表面附近产生的损失。
图1.26 叶型表面边界层示意图
图1.27 叶栅尾迹区示意图
叶型表面边界层中的摩擦损失 摩擦损失； ① 叶型表面边界层中的摩擦损失； ② 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 涡流损失 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失 涡流损失。 ③ 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。
(a) 膨胀式叶栅压力分布曲线
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图1.30
冲击式叶栅的压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1） ◆ 叶型表面压力矢量图
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说明： 叶片背面至腹面的两相应点之间， 说明：① 叶片背面至腹面的两相应点之间， 存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源； 存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源； 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。 ② 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。
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2）气动参数
表示方向： 表示方向： 气流进、出汽角（ ① 气流进、出汽角（ α 0、α 1、β 1、β 2 ） —— 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 冲角（攻角） ② 冲角（攻角） —— 叶栅进口几何角与气流角的差值。 叶栅进口几何角与气流角的差值。 喷管： 喷管： i = α 0 g − α 0 动叶： 动叶： i = β 1g − β 1
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二、叶栅损失及叶栅实验
1）叶栅能量损失的构成 型面损失： ① 型面损失： 叶型表面上产生的损失 ② 端部损失： 叶栅通道上、下两端面处产生的损失 端部损失： 叶栅通道上、
冲波损失： ③ 冲波损失： 在近音速和超音速气流中产生的波损
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2）叶栅能量损失的衡量（两种方法 ）： 叶栅能量损失的衡量（ 损失的衡量
冲动式 反动式
图1.35 叶型损失系数与相对节距的关系曲线
热力叶轮机械原理（1） 气流马赫数M ③ 气流马赫数 对型面损失的影响
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图1.36 马赫数对叶型损失系数的影响 结论： 结论：→ 在 M > 0.3 ~ 0.4 下，随马赫数的增大，边界层减薄， 随马赫数的增大，边界层减薄， 扩压段减少，型面损失系数减少到最小值。 扩压段减少，型面损失系数减少到最小值。 叶栅通道内局部发生超音速， → 在 M > ( M ) opt 下，叶栅通道内局部发生超音速，产生冲波 损失；且冲波可能导致边界层脱离，使尾迹区损失增大。 损失；且冲波可能导致边界层脱离，使尾迹区损失增大。 随马赫数着的进一步增大，激波后压力高于叶栅出口压力， → 随马赫数着的进一步增大，激波后压力高于叶栅出口压力， 可以改善背弧出口边附近的流动，总损失也随之下降。 可以改善背弧出口边附近的流动，总损失也随之下降。
热力叶轮机械原理（1） ◆ 型面损失的影响因素 叶 几 栅 何 主 参 要 数 → → → → → →
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叶栅类型（膨胀式/冲动式叶栅） 叶栅类型（膨胀式/冲动式叶栅） 叶型进、出口几何角（ 叶型进、出口几何角（α 0 g 、α 1g 、β 1 g 、β 2 g） 节距 t （相对节距 t ） 安装角（ α s / β s ） 安装角（ 叶片出口边厚度（ 叶片出口边厚度（ ∆ ）
结论： 叶型进口汽流角最佳值为90° 结论：→ 叶型进口汽流角最佳值为90°。 90 范围变化时， → 当进口汽流角在 90 o ± 30 o 范围变化时， 压力分布变化不大，对型面损失的影响较小。 压力分布变化不大，对型面损失的影响较小。
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当进口汽流角下降到45 45° 扩压段增大，型面损失增大。 → 当进口汽流角下降到45°时，扩压段增大，型面损失增大。
hn ξn = * h1s
hb ξb = * h2s
叶栅能量损失系数： ① 叶栅能量损失系数：
② 叶栅速度系数： 叶栅速度系数：
c1 ϕ= ： 能量损失系数与速度系数的互相转换： 互相转换
ϕ = 1− ξn
ψ = 1 − ξb
热力叶轮机械原理（1） 3）叶栅试验
热力叶轮机械原理（1） ① 叶型表面边界层中的摩擦损失 叶型表面边界层中的摩擦损失 原因： 原因：粘性摩擦阻力 位置：整个叶片表面附近 位置：
边界层 主流场
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涡流
边界层脱离叶片表面形成的涡流损失 涡流损失； ② 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 原因：扩压流动，边界层脱离壁面，形成涡流。 原因：扩压流动，边界层脱离壁面，形成涡流。 位置：扩压段区域，主要在叶型背面接近出口边处。 位置：扩压段区域，主要在叶型背面接近出口边处。
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表示大小： 表示大小： 气流速度： ③ 气流速度： 叶栅进、 叶栅进、出口的气流绝对速度 c 或相对气流速度 w 。 气流马赫数： ④ 气流马赫数： M = c a 气流雷诺数： ⑤ 气流雷诺数： Re =
cb
ν
（ Re =
wb
ν
）
速比： ⑥ 速比：
x1 = u
（ xa = u c ） c1 a
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叶栅进、中间、出口通道的宽度: 三处内切圆的直径。 ⑦ 叶栅进、中间、出口通道的宽度: 三处内切圆的直径。
确定了叶片的大小 叶片弦长、叶高、 大小、 叶片弦长、叶高、型线 → 确定了叶片的大小、形状 平均直径、节距、 确定了叶片的相对位置 平均直径、节距、安装角 → 确定了叶片的相对位置
热力叶轮机械原理（1）
热力叶轮机械原理（1）
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三、压力分布曲线
横坐标： 横坐标：叶型表面各测点的相对位置
纵坐标： 纵坐标：叶型表面压力系数
pi − p1 静叶： 静叶： p = c12s ρs 2 pi − p 2 动叶： 动叶： p = 2 c2 s ρs 2
热力叶轮机械原理（1） 理想情况下 如虚线所示） ◆ 理想情况下（如虚线所示）：
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叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失 涡流损失。 ③ 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。 原因：叶片出口边两股气流汇合，形成旋涡。 原因：叶片出口边两股气流汇合，形成旋涡。 位置： 位置：叶栅出口后的一段区域
涡流
冲波损失 叶栅通道内局部发生激波，导致波损。 损失： ◆ 冲波损失：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。 原因：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。 原因：叶栅通道内局部发生激波，导致波损。 位置： 位置：激波产生的区域
图1.34 膨胀式叶栅压力分布曲线及损失系数
热力叶轮机械原理（1） ② 叶栅相对节距 t 对型面损失的影响
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结论： 存在一个最佳相对节距 结论：→ 存在一个最佳相对节距 (t ) opt ，型面损失系数达到最小值。 型面损失系数达到最小值。 流量增大；背弧扩压段增大；边界层增厚， → 当 t > (t ) opt 时，流量增大；背弧扩压段增大；边界层增厚， 甚至脱离；型面损失系数增大。 甚至脱离；型面损失系数增大。 背弧扩压段减小，边界层中的损失减小； → 当 t < (t ) opt 时，背弧扩压段减小，边界层中的损失减小； 边界层及尾迹区在叶栅通道比例增大，型面损失系数增大。 边界层及尾迹区在叶栅通道比例增大，型面损失系数增大。
p → 驻点：速度为零，压力系数： = 1 驻点：速度为零，压力系数：
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离开驻点：压力沿叶栅的背面和腹面均匀下降， → 离开驻点：压力沿叶栅的背面和腹面均匀下降， 出口压力系数： 速度逐渐增大。 出口压力系数：p = 0 ;速度逐渐增大。 实际情况下 如实线所示） ◆ 实际情况下（如实线所示）： →驻点：压力系数 p = 1 驻点： →背弧压力系数： 背弧压力系数： 快速下降； 快速下降； 缓慢变化； 缓慢变化； 快速下降至过度； 快速下降至过度； 恢复至 p = 0
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测 点
测点
网 格 加速段
试验叶栅
图1.29 平面叶栅风洞实验台示意图
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实验内容: 实验内容:
① 叶型表面压力分布 叶型表面压力分布 目的：分析叶栅中损失产生的位置和原因， 目的：分析叶栅中损失产生的位置和原因， 叶栅中损失产生的位置和原因 确定改进叶型几何结构，减少流动损失 改进叶型几何结构 流动损失， 确定改进叶型几何结构，减少流动损失， 提高叶栅流动效率 叶栅流动效率。 提高叶栅流动效率。 叶栅出口截面各点的速度 ② 叶栅出口截面各点的速度 目的：确定气流流线上的速度大小及流动损失， 目的：确定气流流线上的速度大小及流动损失， 气流流线上的速度大小及流动损失 获得叶栅通道内的叶栅各项损失和总损失 叶栅通道内的叶栅各项损失和总损失。 获得叶栅通道内的叶栅各项损失和总损失。 叶栅出口气流的实际方向 ③ 叶栅出口气流的实际方向 气流出口角度随各参数的变化规律。 目的：确定气流出口角度随各参数的变化规律 目的：确定气流出口角度随各参数的变化规律。
热力叶轮机械原理（1）
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一、叶栅的型式及几何参数
1）叶栅/叶片的几何参数 叶栅/叶片的几何参数
① 叶型 ② 型线 ③ 叶型中线 ④ 叶型前缘点 叶型后缘点 ⑤ 叶型弦长 ⑥ 弯曲角 ⑦ 出口边厚度 ⑧ 等截面叶片 ⑨ 变截面叶片 —— 叶片的截面形状。 叶片的截面形状。 —— 叶型周线（轮廓线）。 叶型周线（轮廓线） —— 叶型内各内切圆圆心的轨迹线。 叶型内各内切圆圆心的轨迹线。 —— 叶型中线的前端点。 叶型中线的前端点。 —— 叶型中线的后端点。 叶型中线的后端点。 —— 叶型前缘点与后缘点间的距离。 叶型前缘点与后缘点间的距离。 —— 叶型中线两端点处切线的夹角。 叶型中线两端点处切线的夹角。 —— 叶型尾部出汽边的厚度。 叶型尾部出汽边的厚度。 —— 叶片型线沿叶高不变的叶片。 叶片型线沿叶高不变的叶片。 —— 叶片型线沿叶高变化的叶片。 叶片型线沿叶高变化的叶片。