叶轮机械原理_第七章2

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多级涡轮内的重热系数
高压涡轮
低压涡轮
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作业
新编写教材P218 第7题、第18题、第19题
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多级涡轮
a1的分配：一般前小后大。(18°-25°) -(30°-35°)
前面级的叶片不致过短（二次损失较小）,而后面级 的叶片不致过长（容易保证强度） 流道的扩张变化也较和缓
1 A1 * nb p0 Kq c1 sin 1
a1角愈小，则环形面积愈大，叶片长。
mg T0
Lad
*
T
Lad
*
i

* T
* T
se Lu T
Lad
* Tst
* T
假设各级的效率相等
：
L
L
* ad i * ad T
* * T Lad T i* Lad *i Lu i se se
* * T Tst
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多级涡轮内的重热系数
相同落压比下，膨胀终了气体总温高于等熵膨胀终了总温 气体膨胀过程中发生的“流阻”损失，可在其以后膨胀过 程中回收一部分，落压比愈大，则回收得愈多。
c2 a c2u u
c 优点：流动无旋， ca分布均匀， w w c c 效率较高，而且计算简便，与实 测数据比较一致。 C2a 缺点：反力度沿叶高变化剧烈， u C2u c u 根部可能出现反力度。

1a






来自百度文库1u
wu c u
半径↑，c1u、c2u↓, c1a、c2a− 1和1 ↑， 2 ↓ 与压气机的区别？
7.3 涡轮级和多级涡轮
将叶高不同半径上 的基元级叠加起来 涡轮级 将几个级串联起来 多级涡轮。
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级空间的气流组织
研究区域：叶片环轴向间隙 简化径向平衡方程
2 dp cu dr r
2 dLu 1 1 d (cu r )2 dca 2 0 dr 2 r dr dr
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级的流动损失
叶型损失 环面边界层引起的摩擦损失和对涡损失 潜流损失、漏气损失 冷气掺混损失
来流边界层
端壁
通道涡 横向流动 马蹄涡
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降低二次流损失方案
倾斜
直叶片
弯叶片
三维造型对负荷分布的影响
端 壁 的 控 制
本质上都是控制负荷 的三维分布，最终达到控 制二次流、叶片表面边界 层等流动的目的
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多级涡轮
多级采用的优点 ：
级数多，每级焓降较小，工作时圆周速度不高，涡轮的安全 性好，寿命长
级焓降减少，变工况性能也较好 多级涡轮中，上一级的损失会引起下一级温度的升高，使 各级理想焓降之和大于整个涡轮的理想焓降，这个现象称为 重热现象
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多级涡轮
参数分配原则 ：（考虑涡轮级间的协调以及部件间的匹配） 功的分配：总焓降逐级下降为佳。 末级功小，易使末级出口气流接近轴向，能量损失 较小。可以减少加力燃烧室进口扩压段的整流损失 第一级功大则焓降大，反力度一定时，第一级静中 叶气流的膨胀功就大，气流在静叶中的温度降降低就 多，对强度有利 缺点：第一级轴向速度一般较低，a1较小，若分配功大， 则气流转折角大，流动损失大。
*
a1角越大，则环形面积越小，叶片短。
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多级涡轮
中径上的反力度分配：前小后大。 在焓降前大后小的分配方案下，第一级反力度小就 可以降低工作轮前的温度。这里叶片又短，所以可以 小一些。 后面几级要选得大，则是为了避免叶根出现负的反 力度。 流道形式：等内径、等外径、等中径
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多级涡轮内的绝热效率
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级空间的气流组织
优点：
反力度沿叶高分布均匀，根部反力度提高，尖部反力度降低
改善动叶根部流动状态，减小顶部径向间隙漏气量 静叶根部出马赫数和动叶顶部出口马赫数相应减小 反力 度均 减弱静叶叶片表面边界层内潜移现象，避免了过多的 匀化 附面层在根部的堆积，降低叶栅根部的能量损失 多级涡轮可控 涡设计中，增 大动叶出口环 量的设计 增大涡轮作功能力 涡轮动叶出口的绝对气流角会偏离轴 向较远（可达30°），出口级需加一 排静叶将气流拐为轴向。
PI
*
多级涡轮滞止绝热效率范围：0.91-0.94
流动损失：
多变功： 轮缘功： 绝热功：
Lad
* I
L fT L fi LnT Lni LuT Lui
PII
A B C D E F H I
*
PIII P3
*
*
G
k 1 k 1 k 1 * * k k * P k k k P * * 1 3 * L II PII L *II III k * RT RT 1 ad III ad II * P * RTI 1 * P k 1 k 1 III k 1 II PI
3
级空间的气流组织
等a1叶片（静叶）
1 const
Lu const
c w
半径↑，c1u、 c1a ↓
改善反力度和静叶出口马赫数 const 等参数的分布 cos 2 1 c1a r const 优点：静叶基本上是直叶片，便 于加工，而且便于做成空心叶片， w c c 进行内部冷却。承力支杆。
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降低泄漏损失方案
叶尖带冠 叶 尖 冷 气 射 流 叶 尖 负 荷 的 影 响 叶 尖 形 状 的 影 响 机 匣 形 状 的 影 响
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涡轮效率和涡轮功率
se Lu LT 滞止绝热效率 T * Lad Lad *
*
单级涡轮的效率范围：0.88-0.91 总功率的计算
LT T Lad
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级空间的气流组织
可控涡设计
规定环量（或控制旋涡）沿叶片高度按一定规律变化，以获得 反力度沿叶高较缓慢变化的长叶片设计方法。
运用能反映变功、变熵和流线曲率等因素对流场影响的三维流 场计算方法
2 1 p cu sin cm 2 cos cm r r R c m m m * cos sin cm cm 1 s cu (cu r ) h T cm r cm r r r cm m Rm r
在多变线一定的前提下（即多变指数n值一定），落压比愈 大，则涡轮效率的愈高，而和具体的涡轮级数无关，合理 的多级涡轮设计就意味着多变线的改进
提高涡轮效率的正确途径在于减少气体流径涡轮的流阻损 失，使多变线靠拢等熵线。合理的分级设计能够避免气流 拐弯过大或马赫数过高引起的损失增大，使流阻减少，因 而在相同的落压比下，涡轮效率提高
涡轮叶片设计中常用的变化规律： 等环量设计，等a1叶片设计，通用扭向规律，可控涡设计
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级空间的气流组织
等环量叶片
cu r const ca const Lu const
1 arctan
c1a c1u c 1 arctan 1a c1u u
2 arctan
*
*
Lad
*
k 1 * RT3 1 k 1 k 1 * k T
NT mg LT
k 1 * * N T mg RT3 1 k 1 T k 1 * k T
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多级涡轮
多级采用的原则 ： 单级功率不够 受到马赫数的限制，轴流式压气 机圆周速度较低。如采用单级涡 轮，则需加大圆周速度，可能造 成涡轮的直径过，增大发动机迎 风面积增大。 涡轮的最大尺寸受到限制或者需要 保证一定的效率时。
c1u r
cos 2 1
1a







C2a



u c1u
C2u
动叶：Lu沿径向不变的条件
u
wu c u
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级空间的气流组织
通用扭向规律
m=1，等环量扭向规律
c1u r const Lu const
m
m=cos2a1，等a1扭向规律 cos2a1<=m<=1，中间规律 0< m< cos2a1，(小轮毂比)