热能工程基础(5)

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1、第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械5-1 叶轮机械能量转换原理叶轮机械能量转换原理一、叶轮机械工作原理一、叶轮机械工作原理 具有一定压力和温度的工质（蒸汽或燃气）先在喷嘴（静叶栅）中膨胀加速，工质压力、温度降低，流速增加，完成热能到动能的转换。从喷嘴出来的高速气流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，气流速度受叶片作用改变大小及方向后排出。气流对叶片产生一作用力，推动叶轮作功，完成动能到机械能的转换。 喷嘴（静叶栅）和与其配合的动叶栅构成了涡轮机作功的基本单元，这个作功单元称作涡轮级涡轮级或透平级透平级。由一个级构成的涡轮机称为单级涡轮机，由两

2、个及以上的级所构成的涡轮机称为多级涡轮机。级是涡轮机械的级是涡轮机械的基本作功单元。基本作功单元。 1、轴流式原动机的工作原理、轴流式原动机的工作原理 第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械 叶轮位于涡壳形的压出室中。在外力矩的作用下，叶轮旋转，叶轮中的流体获得了机械能，压力、温度、速度均提高，在惯性的作用下挤入压出室，使速度降低，压力提高，然后从扩散管排出。由于叶轮的连续旋转，流体将连续不断地由叶轮吸入和排出。这样实现了机械能向压能或动能的转换。离心式叶轮机械也有单级和多级之分。 2、离心式工作机的工作原理、离心式工作机的工作原理第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械第五章第五章 叶

3、轮式动力机械叶轮式动力机械二、流动模型的简化二、流动模型的简化不考虑工质粘性工质在叶栅内的流动为稳定流动工质的流动是平面二元流动流动是等熵或绝热的定性分析时将工质作为理想气体第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械稳定流动时气流的基本方程式 稳定流动：管道内各点的状态及流速、流量等都不随时间变化。 假设：状态及流速只沿流动方向变化；流动中能量转换过程是可逆的。 分析气体流动过程所依据的主要方程式：连续性方程式；能量方程式；动量方程式；状态方程式。CvAcqfm由能量守恒关系，有：对其取对数再求微分，有：0dddvvccAAff上二式称为稳定流动过程的连续性方程式。第五章第五章 叶轮式动力机械

4、叶轮式动力机械喷管利用气体压降使气流加速的管道。即dcf0。 气流流经喷管的时间很短，因此，喷管中气体的流动可作为绝热流动过程处理。 按能量方程式，当q = 0时，有：)(21212221ffcchh 即，dh0。气体的焓降低而转换为气体的流动动能。 按动量方程式，得到流速变化和压力变化的关系：ffccpvdd 即，dp0。气体压力降低时流速增加。第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械 气流掠过物体表面时，由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速度降低为零的现象称为滞止滞止现象。 滞止发生时气体的温度及压力都要升高，致使物体的温度及受力状况受到影响。 忽略滞止过程中的散热，则可认为过程为绝热滞

5、止绝热滞止过程。绝热滞止状态下气体的状态参数称为绝热滞止参数或简称为滞止参数。 由绝热流动的能量关系式)(212f12f221cchhfchchchh2121212f222f110可得到绝热滞止焓h0的关系式为可见，绝热滞止焓等于绝热流动中任一位置气体的焓和流动动能的总和，因此也称总焓总焓。 第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械三、级的作用原理与反动度三、级的作用原理与反动度1、级的作用原理、级的作用原理 通过通过冲动作用原理冲动作用原理与与反动作用原理反动作用原理实现。按照工质在级的动叶内不同的膨胀程度，实现。按照工质在级的动叶内不同的膨胀程度，又可分为又可分为冲动级冲动级和和反动级反

6、动级两种。两种。 以冲动作用原理工作的级，工质在动叶流道中不膨胀加速，而只随流道形状改变其流动方向，工质因改变流动方向对动叶栅产生的作用力，即冲动力冲动力，推动叶轮作出机械功，此作功原理称为冲动作用原理冲动作用原理。此时工质所作的机械功等于它在动叶栅中动能的变化量，依靠冲动力推动的静、动叶栅组成的级称为冲动级冲动级。 在涡轮机中，当工质在动叶流道内膨胀加速时，工质不仅改变流动方向，并且因为膨胀使其速度也有较大的增加，加速汽流流出汽道时，对动叶栅将施加一个与工质流出方向相反的反作用力，这个作用力叫做反动力反动力。此作功原理称为反动作用原理反动作用原理。依靠反动力推动的级称为反动级反动级。 第五章

7、第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械2、反动度、反动度为说明工质在动叶气道中膨胀的程度，常用级的焓降反动度来表示，简称反动度。它等于气流在动叶气道内膨胀时的理想焓降与整个级的滞止理想焓降之比。即bnbtbmhhhhh*bh表示理想焓降 *th表示整个级的滞止理想焓降 *nh表示喷嘴的滞止理想焓降 m表示级的平均直径（动叶顶部和根部处叶轮直径的平均值）截面上的反动度。 第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械3、级的分类、级的分类（1）纯冲动级）纯冲动级 在纯冲动级中，热能到动能的转换在喷嘴内进行，而在动叶中只有动能到机械功的转换。工质在动叶中只改变流向而不膨胀。动叶内流通截面沿流道不变。作功

8、能力大，效率较低。0m21pp 0bh*nthh第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械（2）带反动度的冲动级）带反动度的冲动级 工质的膨胀大部分发生在喷嘴叶栅中，只有小部分在动叶栅中发生，故动叶流道也收缩变窄。 20. 005. 0m第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械（3）反动级）反动级 在反动级中，工质的热能转变为动能的过程一半发生在喷嘴叶栅中，一半发生在动叶栅中。喷嘴气道与动叶气道都为渐缩型，动、静叶片形状相同，反向安装。反动级作功能力较低但效率最高，因此现代大型汽轮机中更普遍地采用了反动级。5 . 0m*5 . 0tnbhhh21pp 第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机

9、械（4）复速级）复速级 是冲动级的一种，在叶轮上装有两列动叶栅，并在第一列动叶栅后装有一列固定不动的导向叶栅，工质在喷嘴中膨胀加速，压力降低而速度增加。工质经过第一列动叶栅时，只将一部分动能转变成机械能，出来的工质流速还很高，由于这时气流的方向与转动方向相反，需安装一列导向叶栅来改变气流的方向，再到第二列动叶栅作功。 常用于单级汽轮机或中小型汽轮机的第一级（作为调节级）。（d）复速级）复速级第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械（d）复速级）复速级第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械四、叶轮机械的几何特性四、叶轮机械的几何特性1、涡轮级叶栅参

10、数、涡轮级叶栅参数第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械叶栅叶栅:由许多相同叶片以同样的间距和安装角度排列在某一几何面上而形成的栅型气流通道。静叶栅常称为喷嘴叶栅，动叶栅又称为工作叶栅。 叶型叶型:叶片的横截面形状称为叶型，其周线称为型线。若叶片型线沿叶高不变，则称为等截面叶片，若叶片型线沿叶高变化，则称变截面扭叶片。 反动式叶栅反动式叶栅:叶栅前后有静压差，截面由进口到出口显著缩小，故工质通过时除流动方向改变外还有加速；喷嘴叶栅和反动度较大的动叶栅（反动级动叶栅）为反动式叶栅。 冲动式叶栅冲动式叶栅:叶栅前后静压差近似相等，工质通过时主要改变流向，基本上不加速。冲动级的动叶栅及复速级的导

11、向叶栅为冲动式叶栅。实用中为了减少流动损失，使汽道也略有收缩，即有一定反动度。 叶栅出口气流的马赫数叶栅出口气流的马赫数 ： Ma0.8时，称为亚音速叶栅，渐缩型汽道； 0.8Ma1.2时称为超音速叶栅，缩放型汽道。第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械叶片节距叶片节距叶栅宽度叶栅宽度叶型弦长叶型弦长出口边厚出口边厚出口宽度出口宽度叶栅安装角叶栅安装角出口气流角出口气流角几何进口角几何进口角几何出口角几何出口角进口气流角进口气流角高度、高度、平均直径平均直径第五章第五章 叶轮式动力机械叶轮式动力机械叶片节距叶片节距叶栅宽度叶栅宽度叶型弦长叶型弦长出口宽度出口宽度叶栅安装角叶栅安装角出口气流