涡轮理论

航空发动机涡轮叶片冷却技术一、引言航空发动机自诞生以来，对它的基本发展要求就是推力更大、推重比更高、耗油率更低、质量更轻、耐久性更好和费用更低等。

因此，航空发动机涡轮的发展趋势主要在以下两个方面：其一是不断提高涡轮前温度；其二就是不断增加涡轮气动负荷，采用跨音速涡轮设计方案，减少涡轮级数和叶片排数。

在现有技术条件下，并在保证尺寸小、质量轻的情况下，提高涡轮前温度，是获得大推力和高推重比的主要措施之一。

从理论上讲，涡轮进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比能够提高10%左右。

当前，先进航空发动机涡轮前温度已经达到1900K 左右，这远远超过了涡轮叶片所用的高温合金材料的熔点温度。

为了保证涡轮叶片在高温燃气环境下安全可靠地工作，就必须对叶片采取冷却和热防护措施。

对于高温所带来的一系列问题，解决的办法主要有两个：一是提高材料的耐热性，发展高性能耐热合金，制造单晶叶片；二是采用先进的冷却技术，以少量的冷却空气获得更高的降温效果。

其中材料的改善占40%，冷却技术占60%。

对于军用航空发动机，第3代的涡轮进口温度为1680~1750K，涡轮叶片耐温能力主要通过第1代单晶合金或定向合金和气膜冷却技术保证；第4代的涡轮进口温度达到1850~1980K，涡轮叶片耐温能力主要通过第2代单晶合金和对流-冲击-气膜复合冷却技术来保证；未来一代的涡轮进口温度将高达2200K，预计涡轮叶片耐温能力通过第3代单晶合金或陶瓷基复合材料等耐高温材料和包括层板发散冷却在内的更加高效的冷却技术来保证。

二、航空发动机涡轮叶片冷却技术概述涡轮冷却技术研究始于上个世纪40年代，大约在1960年，气冷涡轮首次应用于商业航空发动机上。

经过多年的发展，目前基本上形成了由内部冷却和外部冷却构成的涡轮叶片冷却方案。

1.内部冷却其基本原理是冷气从叶片下部进入叶片内部，通过带肋壁的内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却，一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却，剩下的一部分气体经过叶片尾部的扰流柱，被扰动强化换热以后从尾缘排出。

涡轮的原理涡轮是一种常见的动力装置，它的原理和应用十分广泛。

涡轮的原理主要是基于流体动力学和热力学的基本原理，通过流体的动能和动量转换来产生动力。

涡轮可以用于飞机发动机、汽车涡轮增压器、水力发电站等领域，具有重要的应用价值。

首先，涡轮的原理基于流体动力学的基本原理。

流体动力学是研究流体运动规律的科学，涡轮利用了流体的动能和动量来产生动力。

当流体通过涡轮叶片时，流体的动能被转换成了机械能，推动涡轮旋转。

这种原理类似于风力发电机，利用风能转换成机械能驱动发电机发电的原理。

其次，涡轮的原理也与热力学的基本原理密切相关。

在某些情况下，涡轮可以利用流体的温度和压力来产生动力。

例如，在汽车涡轮增压器中，涡轮可以利用发动机排气的高温高压气体来驱动，从而为发动机提供更多的空气，增加燃烧效率，提高动力性能。

涡轮的原理还与流体的流动状态有关。

当流体通过涡轮时，会产生旋涡和湍流，这些流动状态对涡轮的性能和效率有重要影响。

因此，设计优化涡轮的叶片形状和流道结构，可以提高涡轮的效率和性能。

除此之外，涡轮的原理还与材料科学和制造工艺有关。

涡轮需要具有良好的耐热性、耐磨性和高强度，因此需要采用高温合金材料，并经过精密的加工工艺来制造。

这些材料和工艺对涡轮的性能和可靠性有重要影响。

总的来说，涡轮的原理是基于流体动力学和热力学的基本原理，利用流体的动能和动量来产生动力。

涡轮在飞机发动机、汽车涡轮增压器、水力发电站等领域有着重要的应用，对于提高动力性能和能源利用效率具有重要意义。

因此，深入研究涡轮的原理和优化设计具有重要的理论和实际意义。

飞机发动机原理管理提醒：本帖被大秦从航空航天生产与制造工艺移动到本区(2008-10-01)飞机发动机原理——涡轮螺旋桨发动机一般来说，现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比是有着不断加大的趋势的。

因为对于涡轮风扇发动机来说，若飞行速度一定，要提高飞机的推进效率，也就是要降低排气速度和飞行速度的差值，需要加大涵道比；而同时随着发动机材料和结构工艺的提高，许用的涡轮前温度也不断提高，这也要求相应地增大涵道比。

对于一架低速（500～600km/h）的飞机来说，在一定的涡轮前温度下，其适当的涵道比应为50以上，这显然是发动机的结构所无法承受的。

为了提高效率，人们索性便抛去了风扇的外涵壳体，用螺旋桨代替了风扇，便形成了涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机。

涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成，螺旋桨由涡轮带动。

由于螺旋桨的直径较大，转速要远比涡轮低，只有大约1000转/分，为使涡轮和螺旋桨都工作在正常的范围内，需要在它们之间安装一个减速器，将涡轮转速降至十分之一左右后，才可驱动螺旋桨。

这种减速器的负荷重，结构复杂，制造成本高，它的重量一般相当于压气机和涡轮的总重，作为发动机整体的一个部件，减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。

涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比发动机大很多，气流量也远大于内涵道，因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。

尽管工作原理近似，但涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机在产生动力方面却有着很大的不同，涡轮螺旋桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率，而尾喷管喷出的燃气推力极小，只占总推力的5%左右，为了驱动大功率的螺旋桨，涡轮级数也比涡轮风扇发动机要多，一般为2～6级。

同活塞式发动机＋螺旋桨相比，涡轮螺旋桨发动机有很多优点。

首先，它的功率大，功重比（功率/重量）也大，最大功率可超过10000马力，功重比为4 以上；而活塞式发动机最大不过三四千马力，功重比2左右。

风力发电系统的控制原理风力涡轮机特性：1，风能利用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示：P---风力涡轮实际获得的轴功率r---空气密度S---风轮的扫风面积V---上游风速根据贝兹〔Betz〕理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：。

2，叶尖速比l为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。

n---风轮的转速w---风轮叫角频率R---风轮半径V---上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。

从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。

如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。

图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。

在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。

每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段〔假设风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。

〕它是工作区段。

在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。

3，变速发电的控制变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确〔机组惯量大〕。

三段控制要求：低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。

联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ〔ｎ〕关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。

图３是风速变化时的调速过程示意图。

设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。

·实验技术·基于实验室朗肯循环装置的实验研究李维腾，李 季（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206）摘要： 朗肯循环是工程热力学课程最基本且最重要的动力循环。

该文通过实验室朗肯循环装置对朗肯循环进行了实验研究，测定不同排汽压力下的循环热效率、涡轮相对内效率、循环摩擦损失等参数。

实验结果表明，实验室朗肯循环装置能够模拟朗肯循环的基本热力过程，但是热效率较低、摩擦损失较大。

论文对实验结果进行了分析，循环热效率低的主要原因是涡轮摩擦损失大、主蒸汽参数低，同时提出了改进实验室朗肯循环装置的措施。

实验室朗肯循环将热力学理论与实验结合，有助于学生理解和分析热力学基本理论，提高实验动手操作能力，提高分析和解决实际问题的能力。

同时将自主实验和创新实验融入到实验教学中，激发了学生的学习热情和基础科研能力，为创新性实验教学提供了借鉴。

关　键　词：工程热力学；朗肯循环；循环热效率；相对内效率中图分类号：TK123 文献标志码：A DOI: 10.12179/1672-4550.20190414Experimental Research Based on Rankine Cycle Lab-EquipmentLI Weiteng, LI Ji（School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China ）Abstract: Rankine Cycle is the most fundamental and important power cycle in Engineering Thermodynamics. This paper conducted Rankine Cycle experiments with Rankine Cycle Lab-Equipment, and measured thermal efficiency, turbine relative internal efficiency, cycle friction loss and other parameters. Results showed that Rankine Cycle Lab-Equipment can simulate the basic thermal processes of Rankine Cycle, but with relatively low thermal efficiency and huge cycle friction loss. The main reasons for low thermal efficiency were huge friction loss of steam turbine and low main-steam parameters. Measures to improve Rankine Cycle Lab-Equipment were proposed according to experimental results and analysis. Laboratory Rankine Cycle combined Thermodynamic theory with experiment to help students understand and analyze the fundamental theory of Thermodynamics, improve their hands-on ability to conduct experiments and problem-solving capability. At the same time, independent and innovative experiments were integrated into experimental teaching, which stimulated students’ learning enthusiasm and basic scientific research ability, and provided reference for innovative experimental teaching.Key words: engineering thermodynamics; Rankine Cycle; thermal efficiency; relative internal efficiency理想朗肯循环是蒸汽动力装置最基本的循环，热力发电厂各种复杂蒸汽动力循环包括再热循环和回热循环都是在朗肯循环的基础上发展而来的。

涡轮工作原理涡轮是一种常见的动力装置，它通过流体力学原理来实现能量转换。

涡轮的工作原理基于流体的动能转换为机械能，是许多领域中常见的动力装置，如航空发动机、汽车涡轮增压器等。

本文将详细介绍涡轮的工作原理及其在不同领域中的应用。

涡轮的工作原理可以简单地描述为流体的动能传递给涡轮叶片，使其产生旋转运动，从而驱动相关设备工作。

在航空发动机中，涡轮通过高速流动的燃气推动叶片旋转，进而驱动压气机和涡轮机进行工作。

在汽车涡轮增压器中，涡轮则是利用排气气流的动能来推动叶片旋转，进而压缩进气气流，提高发动机的功率输出。

涡轮的工作原理涉及到流体力学中的一些重要概念，如动能转换、叶片设计、流体流动等。

首先，涡轮叶片的设计对于涡轮性能至关重要。

叶片的形状、角度和材料都会影响涡轮的效率和输出功率。

其次，流体的动能转换是涡轮工作的基础。

流体的动能通过叶片的作用转换为机械能，从而驱动涡轮进行旋转。

此外，流体的流动特性也对涡轮的工作性能有着重要影响。

流体的压力、速度和流动方向都会影响涡轮的工作效果。

涡轮在航空、汽车、发电等领域中都有着广泛的应用。

在航空领域，涡轮作为航空发动机的重要组成部分，驱动压气机和涡轮机进行工作，提供动力支持飞机的飞行。

在汽车领域，涡轮增压器可以有效提高发动机的功率输出，提高汽车的动力性能。

在发电领域，涡轮也被广泛应用于水力发电、火力发电等领域，通过流体的动能转换为机械能，驱动发电机进行发电。

总之，涡轮作为一种常见的动力装置，其工作原理基于流体力学原理，通过流体的动能转换为机械能，驱动相关设备进行工作。

涡轮在航空、汽车、发电等领域中有着广泛的应用，为各个领域提供了重要的动力支持。

希望本文能够对读者对涡轮的工作原理有所了解，并对其在不同领域中的应用有所认识。

通常情况下，涡轮流量计的‎流量方程可分‎为两种：实用流量方程‎和理论流量方‎程。

实用流量方程‎：qv=f/K公式1；qm=qvρ式中q‎v,qm分别为体‎积流量，m3/s，质量流量，kg/s；f为流量计输‎出信号的频率‎，Hz；K为流量计的‎仪表系数，P/m3。

涡轮流量计的‎系数可分为二‎段，即线性段和非‎线性段。

线性段约为其‎工作段的三分‎之二，其特性与传感‎器结构尺寸及‎流体粘性有关‎。

在非线性段，特性受轴承摩‎擦力，流体粘性阻力‎影响较大。

当流量低于传‎感器流量下限‎时，仪表系数随着‎流量迅速变化‎。

压力损失与流‎量近似为平方‎关系。

当流量超过流‎量上限时要注‎意防止空穴现‎象。

结构相似的T‎U F特性曲线‎的形状是相似‎的，它仅在系统误‎差水平方面有‎所不同。

涡轮流量计特‎性曲线由流量‎校验装置校验‎得出，它完全不问传‎感器内部流体‎机理，把传感器作为‎一个黑匣子，根据输入(流量)和输出(频率脉冲信号‎)确定其转换系‎数，它便于实际应‎用。

但要注意，此转换系数(仪表系数)是有条件的，其校验条件是‎参考条件，如果使用时偏‎离此条件系数‎将发生变化，变化的情况视‎传感器类型，管道安装条件‎和流体物性参‎数的情况而定‎。

而涡轮流量计‎的理论流量方‎程可以根据动‎量矩得出叶轮‎的运动方程。

流量计的性能‎比较1 电磁流量计电磁流量计是‎根据法拉弟电‎磁感应定律制‎成的一种测量‎导电性液体的‎仪表。

电磁流量计有‎一系列优良特‎性,可以解决其它‎流量计不易应‎用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量‎。

70、80年代电磁‎流量在技术上‎有重大突破,使它成为应用‎广泛的一类流‎量计,在流量仪表中‎其使用量百分‎数不断上升。

优点:(1)测量通道是段‎光滑直管,不会阻塞,适用于测量含‎固体颗粒的液‎固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等; (2)不产生流量检‎测所造成的压‎力损失,节能效果好; (3)所测得体积流‎量实际上不受‎流体密度、粘度、温度、压力和电导率‎变化的明显影‎响; (4)流量范围大,口径范围宽; (5)可应用腐蚀性‎流体。