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第三章 燃气涡轮,概述（功能、分类、基本结构等）； 轴流式燃气涡轮的工作原理； 轮周功、轮周效率、速度比； 多级涡轮； 涡轮特性； 燃气涡轮的冷却。,3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理,一、涡轮级的概念 一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅共同构成的轴流式涡轮的一个级。 单级涡轮：整台涡轮只有一个“级” 多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级” 一般轴流式燃气涡轮采用多级。,三个特征截面： 0-0喷嘴进口； 1-1喷嘴出口；2-2工作叶轮的出口。,二、工作原理,涡轮中的能量转换过程主要是 在动叶栅中气流的转向来实现的。,涡轮级中燃气参数的变化,喷嘴 叶轮,1、冲动式涡轮,燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不再膨胀； 依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮旋转作功。 工作叶片进出口气流的压力和相对速度几乎不变，即 P1p2，w1 w2 工作动叶片的通道一般是等截面的。,2、反动式涡轮,除了在喷嘴中膨胀加速外，燃气进入动叶栅中继续膨胀而加速； 加速气流在流出动叶栅时，会对动叶产生反推力，同样会使叶轮旋转而获得机械功。 这样叶轮旋转作功，既依靠高速气流的冲击力，又靠加速气流的反动力。 P2 w1 工作动叶片的通道一般是收敛的.,3、反动度T,在反动式涡轮中，静叶栅（喷嘴）内的燃气只是部分地膨胀到某一中间压力，其余地继续在动叶栅中膨胀。 定义：燃气在动叶栅中的理论焓降与在整个涡轮级内的理论焓降之比，又称为热力学反动度 T = H2s / Hs 一般T =0.30.5 T =0时，冲动式涡轮； T =0.5时，能量损失最小。,4、叶片叶型,涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大， 相对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大。,冲动级的动叶片更为厚实、弯曲角更大。,三、基元级及其速度三角形,气体在涡轮级中的流动是十分复杂的三元流动，气流参数沿着半径方向、圆周方向都是不均匀的，而且沿轴向是变化的。 采用基元级的分析方法，流动简化为一元轴向分析。 1、基元级定义 将平均直径处的环形叶栅展开成平面叶栅，由喷嘴和动叶的平面叶栅组成的级，称为基元级。 （注意：与压气机级中的基元级定义不同！）,涡轮基元级的选取,喷嘴 叶轮,Dm,1,1,2,2,静叶,动叶,u,注意: (1)静叶在前,动叶在后; (2) 叶片间通道截面渐缩; (3)叶片运动方向由叶腹叶背; (4)叶片厚实且弯曲角大。,2、基元级的速度三角形,如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和， 即 c = w + u,喷嘴 0-1,燃气流过喷嘴后，压力降低、温度下降，流速c增加； 喷嘴相当于一个静止喷管（减压增速），流道截面逐渐收敛。,静叶,动叶,u,动叶进口处 1-1,气流以速度c1和气流角1自喷嘴流出； 动叶栅以 u1 旋转； 那么气流以相对速度w1与进气角1进入动叶栅。,w1 = c1 u1,u,静叶,动叶,一般 1=1420°,动叶出口处 2-2,动叶栅通道收敛，气流流过膨胀加速，则压力降低、 相对速度w2增加；且气流方向改变、转折较大，出气角21 ； 那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅额线的夹角为2。,c2 = w2 + u2,u,静叶,动叶,一般 1=1420°,基元级的速度三角形,把进出口的速度三角形画在一起。 注意： 一般c2x c1x (c2x c1x )； 气流转折角很大 （ 90°）， 进出口速度三角形是分开的 ； 一般圆周速度u1u2。 (轴流级u1 u2 ),反动式涡轮基元级的速度,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u1,u2,叶栅额线,T0,c1u,c2u,c2u很小（接近轴向出气），而预旋c1u却很大,则c1u和u一起决定L的数值（L=ucu）。,90°,c2x c1x,压气机级 基元级的速度,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,气流转折角,c2u,c1u,预旋c1u很小 ，而c2u较大,则c2u和u一起决定L的数值。,T=0.5基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2x= c1x u1= u2= u,c1= w2 1= 2 w1= c2 1= 2,进出口速度关于轴对称,大小相等方向相反,T=0 冲动式基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,假设：c2x= c1x u1= u2= u,w1= w2 1= 2,相对速度w1、w2关于轴对称,大小相等方向相反,气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。 通过基元级内的能量转换情况来确定气流速度。,四、涡轮基元级中各速度的确定,1、喷嘴出口（c1s与c1）,喷嘴中（0-1s），气体流动为稳定流动。 绝热膨胀：q=0；喷嘴静止不动：L=0,气体总焓不变；则气体动能增加时，其静焓降低，即静压能转换为动能。,理想情况：,理想情况：,喷嘴中的理论焓降,喷嘴中的膨胀比,实际流动（0-1）：,有摩阻及其他阻力存在； 燃气的绝热指数和比热容均不是常数。 c1i1s 两种表示: (1)用速度系数表示： (2)用多变膨胀过程(nkT)表示：,2、动叶进出口的气流参数,动叶进口 相对速度w1，由速度三角形求得:,w1 = c1 u1,c1,u1,w1,1,1,动叶出口,T 0时，w2w1 对于理想情况1-2s，在相对坐标系中：,气体继续膨胀，静焓降低、相对动能增加， 即静压能转换为动能。,实际流速：w2 w2s,涡轮级的理想焓降,动叶中的理想焓降,冲动式 T=0 w2 = w1 若不考虑损失， =1， w2=w1,动叶出口的绝对速度c2,由速度三角形求得 c2余速： 若被下级利用，则为下一级进口速度； 若不被利用，则为余速损失。,c2 = w2 + u2,五、通过喷嘴的流量 及通流面积的确定,若参数p0*、T0*及背压p1给定 ： 已知喷嘴出口截面面积A时，可求出流量GT； 或者，已知设计流量，要求确定出口截面积。,理想情况下：,理想情况下：,临界压比,临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算GT更方便。,无因次流量 （相对密度）,无因次速度,图3-5(p81),实际流动,存在粘性摩擦阻力 气流在喉部截面后某一截面达到音速，即最有效流通截面不在喉部。 则喉部的实际最大相对密流q()1，但相差很小，一般不超过0.1%。 故粘性影响很小。,3-2 轮周功、轮周效率、速度比 及多级涡轮,一、轮周功Lu,1.定义 气体在涡轮级的动叶中，把本身具有的能量经过转换后变成轴上的机械功。即气体对动叶作的功。 意义 代表了整个涡轮级的能量转换过程。 规律 能量守恒关系（稳定流动能量方程 、伯努利方程） 动量守恒关系 （欧拉方程）,
