叶轮机械原理

……
→ 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
热力叶轮机械原理（1）
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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

惯性反动度：
2 u12 u2 2 2 2 u1 (1 D2 ) 2 c0 2
iner
u1
D2 D2 D1
速比 轮径比
叶轮机械原理课程总结
一、简答： 1、涡轮和压气机叶片与气流间的能量交换有何不同？ 2、写出轴流压气机基元级理论功的欧拉方程表达式， 并指明提高增压能力的途径。 3、什么是旋转失速？解释旋转失速产生机理。 4、画出反动度为0的轴流式涡轮机基元级的焓-熵图和 速度三角形。 2 cu dp 5、解释简单径向平衡方程 dr r 的物理意义。 6、解释多级涡轮重热现象。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械的定义： 具有绕旋转轴转动的转子； 工质对转子叶片进行连续绕流；
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
压气机相似准则：
1 2
G T1*
* p1 D2
nD T1*
叶轮机械原理课程总结
压气机特性线：
叶轮机械原理课程总结
二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：

参数的变化规律和作功情况。
热力叶轮机械原理（1）
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1.2 喷管和动叶通道中的流动过程与通流能力
流动非常复杂：◆ 三元、粘性、可压缩、非定常流动
◆ 伴随有能量的转换 ◆ N-S方程描述
一、一元流动模型和方程 基本假定： ① 蒸汽在叶栅通道中的流动是定常流动
→ 在流动过程中，空间任何一点的蒸汽参数不随时间而变化； → 汽轮机运行工况一定时，各点参数不再变化。符合假设条件。
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蒸汽在通过透平级时，蒸汽热能向动能的转化过程，大部分是在 喷管中完成，小部分是在动叶栅中完成。 → 汽流对动叶施加一个离心力和一个反作用力； → 在汽流冲击力和反作用力共同作用下，透平级完成对外作功。
④ 复速级（速度级）
蒸汽热能主要在喷管叶栅中转化为动能， 而从喷管叶栅出来的高速汽流要在同一个叶轮 上的两列动叶栅中进行功的转化。 特点：四排叶栅 喷管叶栅 + 动叶栅1 + 导向叶栅 + 动叶栅2
代入能量方程，有：
c1s 2k ( RT0* RT1 ) k 1
* 0 * 0

k 1 p p1 k 2k 1 p* k 1 0
双列复速级
热力叶轮机械原理（1）
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a) 冲动级
b) 反动级
c) 带反动度的冲动级
d) 双列复速级
图1.4 四种透平级叶栅通道示意图
热力叶轮机械原理（1） 二、级的主要问题和研究方法 ◆ 主要问题
从工作原理上讲，透平级的主要问题有三个方面：
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1）蒸汽在汽轮机通流部分中的能量转换和通流能力问题； 2）蒸汽的流动效率问题；
2 c12 c2 i2 w 能量方程： i1 2 2

《叶轮机械原理》课程教学大纲
课程基本信息（Course Information） 课程代码 （Course Code） *课程名称 （Course Name） 课程性质 (Course Type) 授课对象 （Audience） 授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程 （Prerequisite） 授课教师 （Instructor） PO320 *学时 （Credit Hours） 48 *学分 （Credits） 3
教学内容 概论 流道中的一 元流动 参观 透平级工作 原理 4 12 学时 2 4 教学方式 课堂教学 课堂教学 课外进行 课堂教学 课堂教学 章节作业 章节作业 资料查阅 现代叶轮 机械的设 计特点 章节作业 章节作业 章节作业 章节作业 复习 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 至少完成本章 节作业 60% 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交报告、 交 流 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 交作业、 批 改、订正 作业及 要求 基本要求 考查方式
叶轮机械原理
Principles of Turbomachinery 专业选修课 本科三年级
中文
机械与动力工程学院
叶轮机械研究所
工程热力学、空气动力学、流体力学、理论力学
忻建华 课程网址 tion）
作为动力机械，热力叶轮机械在能源利用和能量转换中占有非常重要 的位置。从发电、供热、能源勘采，一直到海、陆、空运载工具的推进领 域，已得到非常广泛的应用。可以说，没有叶轮机就没有现代的电力工业； 没有叶轮就没有现代的航天、航空、航海等事业。该课程是能源、动力和 航空航天专业的核心专业课程。 本课以热力学、传热学、气动力学和理论力学为基础，着重介绍燃气 轮机和蒸汽轮机工作原理和结构，使学生深刻地了解一次能源重要的能量 转换装置之一燃气轮机蒸汽轮机在国民经济发展中的重要作用，熟练地掌 握叶轮机械中的气体流动、能量转换、损失形成等重要工作过程及设计计 算理念，较为清晰的了解叶轮机械发展过程的中遇到的技术瓶颈，以拓宽 学生的知识面，为后需续的蒸汽轮机、燃气轮机的设计和研究提供坚实的 理论基础和实际能力。

反力式涡轮。
T1c1 u2 u c2u
运动反力度
c
w c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u cu
C2u u wu
w2u
二者差异？ 航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4
➢载荷系数/负荷系数
H Tu(c1 u u 2c2 u) u cu
物理意义：涡轮级的做功能力 典型数值范围1.4-1.7 HT↑，冲击涡轮速度三角形
➢涡轮基元级反力度
21(w22 w12) Lu
u1＝u2 c1a＝c2a
Ω＝0 c1u－c2u＝2u， c1u－u＝u＋c2u，即w1u＝w2u 动叶特征：进出口形状对称。
气体流经动叶只拐弯不膨胀。
称为“冲击式”涡轮
Ω＝0.5，c1u＝u＋c2u＝w2u c1和w2大致对称。w1u=c2u
u
反力度大于零的涡轮称为：
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涡轮工作原理及特性
涡轮是一种将工质的焓转换为机械能的旋转式动力机械， 是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一
2
涡轮工作原理及特性
➢涡轮的一般形式：静子〔导向器〕+转子＝一级。 ➢气流以高速冲击工作轮旋转做功 ➢工作环境特点：压力梯度、温度
3
涡轮分类〔工质不同〕
按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮、燃气
涡轮。。。
4
根据工质

03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。

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完全径向平衡方程简化为： ◆ 当Cr = 0 时，完全径向平衡方程简化为：
2 1 ∂p cu = ρ ∂r r
（简单径向平衡方程） 简单径向平衡方程） 径向平衡方程
可以看出： ◆ 可以看出：
① 即使径向分速度 =0 ，但只要存在周向分速度 ： 即使径向分速度Cr 但只要存在周向分速度Cu： 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， ② 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律 沿叶片高度的变化规律。 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律。
热力叶轮机械原理（3）
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◆ 长叶片透平级的特点： 长叶片透平级的特点： 透平级的特点
① 长叶片级的圆周速度沿径向变化很大
uh =
πd h n
60
< um =
πd m n
60
< ut =
πd t n
60
② 长叶片级的反动度沿径向变化很大
Ω h < Ωm < Ωt
③ 长叶片级的速度三角形沿径向变化很大
热力叶轮机械原理（3）
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⑥ 有径向梯度的离心力场 在级进口（ 截面、出口（ 截面， → 在级进口（0-0）截面、出口（2-2）截面， 很小或为零， 由于周向分速度 Cu 很小或为零， 不存在离心力场， 不存在离心力场， → 在叶栅通道和轴向间隙（1-1）截面处， 在叶栅通道和轴向间隙（ 截面处， 轴向分速度很大， 轴向分速度很大， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 且由于Cr≠ 圆弧线的曲率半径变化， 且由于 ≠0，圆弧线的曲率半径变化， 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 梯度

2 (sin 2 2 c2 z c2 c r zh 1 zh

2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)

2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
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5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
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三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
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② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
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r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r

c2uh 1 uh