2-气动热力学基础
叶轮机械气动热力学-第 2 章
Institute of Turbomachinery
第二章 叶轮机械的基本原理、分析和性能
本章采用一维分析方法分析叶轮机械的总体性能 与效率； 为了分析叶轮机械的性能，了解叶轮机械通道中 的流动过程是重要的； 以压气机、透平为例，首先分析叶轮机械中的流 动过程。
2011-9-28
2/97
R:气体常数 N:转速 D:直径 l1:叶高 l2:弦长
2011-9-28
18/97
Xi’an Jiaotong University
Institute of Turbomachinery
应用量纲分析中的 定理，得到：
几何相似的条件下： l1 / D、l2 / D 相等，则可得：
十组参数化为三种无量纲参数
透平中情形： 透平等熵焓降 ？各级等熵焓降之和 透平效率 ？各级平均效率
2011-9-28
13/97
Xi’an Jiaotong University
Institute of Turbomachinery
2.3.2 透平中的膨胀过程
喷嘴中气体由P1(P01)膨胀至P2(P02) 过程线1－2； P2<P1 ；P02<P01（粘性）； 动叶中部分内能进一步转换为动能，输出功 过程线2－3； P3<P2 ；P03<P02 ；
2011-9-28
19/97
Xi’an Jiaotong University
Institute of Turbomachinery
上面表达式对叶轮机械中所有类型的可压缩流动（径流、轴流×压气机、 透平）适用。为了更方便应用，作以下处理：
Pshaft R h01 h02 T01 1 m
340mm17000pm压比20旋转失速发展为喘振仅出现旋转失速旋转失速频率比喘振频率高很多xianjiaotonguniversityinstituteturbomachinery20119284397255马赫数对压气机压比的影响压气机设计趋向于采用更高的叶尖速度相对马赫数压气机叶片的升力系数为
气动基础培训课件
气动基础培训课件一、教学内容本节课我们将学习《气动技术基础》教材的第1章“气动系统概述”和第2章“气动元件”，详细内容涉及气动系统的基本组成、工作原理以及气源装置、执行元件、控制元件等功能和用途。
二、教学目标1. 理解气动系统的基本组成、工作原理及其应用领域。
2. 掌握气动元件的分类、功能及选用原则。
3. 学会分析气动系统原理图，具备简单的气动系统设计能力。
三、教学难点与重点教学难点：气动元件的分类、功能及选用原则，气动系统原理图的分析。
教学重点：气动系统的基本组成、工作原理，以及气动元件在实际应用中的搭配与使用。
四、教具与学具准备1. 教具：气动基础培训PPT、气动元件实物、气动系统原理图、挂图等。
2. 学具：笔记本、教材、笔、计算器等。
五、教学过程1. 导入：通过展示实际气动设备运行视频，引发学生对气动技术的兴趣。
2. 理论讲解：1) 气动系统的基本组成、工作原理。
2) 气动元件的分类、功能及选用原则。
3. 实例分析：分析气动系统原理图，讲解气动元件在实际应用中的搭配与使用。
4. 随堂练习：让学生根据所学知识，分析气动系统原理图，并进行简单的气动系统设计。
5. 课堂小结：对本节课的重点内容进行回顾，巩固学生所学知识。
六、板书设计1. 气动系统的基本组成、工作原理。
2. 气动元件的分类、功能及选用原则。
3. 气动系统原理图分析步骤。
七、作业设计1. 作业题目：1) 简述气动系统的基本组成、工作原理。
2) 分析给定气动系统原理图，并指出其中所使用的气动元件。
3) 设计一个简单的气动系统，并说明其功能。
2. 答案：1) 气动系统的基本组成：气源装置、执行元件、控制元件、辅助元件等。
工作原理：通过气源装置提供压缩空气，经过控制元件调节后，驱动执行元件完成相应动作。
2) 略。
3) 略。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课通过实际案例导入，激发学生兴趣，结合理论讲解、实例分析和随堂练习，使学生更好地掌握了气动基础知识。
气动基础知识教学课件.
气动基础知识教学课件.一、教学内容本节课的教学内容选自教材第四章“气动技术基础”，具体包括气压的定义、气源设备、气动执行元件、气动控制元件和气动系统的设计。
二、教学目标1. 使学生理解气压的概念及其在工程中的应用；2. 使学生熟悉气源设备、气动执行元件和气动控制元件的结构和工作原理；3. 培养学生设计简单气动系统的能力。
三、教学难点与重点重点：气压的定义及其在工程中的应用；气源设备、气动执行元件和气动控制元件的结构和工作原理；气动系统的设计。
难点：气动系统的设计方法和步骤。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、气动元件实物、气动系统模型。
学具：教材、笔记本、画图工具。
五、教学过程1. 实践情景引入：介绍气动系统在工业生产中的应用实例，引发学生对气动技术的兴趣。
2. 理论讲解：讲解气压的定义及其在工程中的应用，介绍气源设备、气动执行元件和气动控制元件的结构和工作原理。
3. 实例分析：分析典型气动系统的工作原理和设计方法，引导学生理解气动系统的设计方法和步骤。
4. 课堂练习：让学生根据给定的需求设计一个简单的气动系统，巩固所学知识。
5. 课堂讨论：引导学生探讨气动技术在现代工业中的作用和发展趋势，激发学生的创新意识。
六、板书设计板书内容：气压的定义及其在工程中的应用；气源设备、气动执行元件和气动控制元件的结构和工作原理；气动系统的设计方法和步骤。
七、作业设计作业题目：设计一个简单的气动系统，要求能够实现一个特定的功能。
答案：根据气动元件的选型和系统设计原则，结合实际情况，设计出一个能够实现特定功能的气动系统。
八、课后反思及拓展延伸拓展延伸：引导学生查阅相关资料，了解气动技术在现代工业中的最新应用和发展趋势，提高学生的综合素质。
重点和难点解析一、教学内容细节1. 气压的定义及其在工程中的应用：理解气压的概念，掌握气压在工程中的作用和应用场景，如气动控制、气动执行等。
2. 气源设备：熟悉气源设备的结构和功能，如气泵、气瓶、气压罐等，理解它们在气动系统中的作用。
第一部分 热力学和气动力学基础讲解
2018/11/8
发动机原理
9
§1.1 气体的成分与状态参数
1.1.2 气体的基本状态参数
（2）压力P
如果气体作用于器壁表面积S上的垂直作用力为F，则壁面上的 压力为 F (N )
P
S（m 2）
SI单位 Pa 1bar 105 Pa bar 汞柱或水柱的高度来表示 标准大气压atm F
2018/11/8
发动机原理
13
§1.2 气体能量方程
1.2.2 气体能量存在的几种方式
能量形式
气体内能 u PV功 气体的焓 h 气体的动能 w 气体的位能 z
含
义
气体内部具有的能量，包括气体内部分子的动能以及分子间相 互吸引而具有的位能。内能=动能+位能 气体微团具有压力P 和占有体积V，PV为气体微团对抗外界压 力P占有空间V对外所做的功。 气体的内能和PV功之和。h=u+PV 气体运动速度的大小和方向与所选择额运动坐标系有直接的关 系，因此气体动能的大小也与所选择的坐标系有关。 气体的位能与气体的动能一样，其数值的大小与所选择的运动 坐标系及引力场有关。
h = u + pv J/kg h(T) = u(T) + RT 是温度T 的单值函数；
例: 向无张力的气球加热
qp cp(T )dT cp(T 2 T 1)
T1
T2
加热 = 内能增加 + 对外做功
cv(T 2 T 1) p(v2 v1)
(cv R)(T 2 T 1) h
理想气体：分子只有质量而没有体积、分子之间没有作用力的气体。 氧气、氮气、氢气、二氧化碳及其混合物空气、燃气、烟气在所 使用的温度和压力条件下均可视为理想气体； 大气中和燃气中所含的水蒸气，由于其质量浓度很低，也可视为 理想气体；
热工气动基础知识
1.1.2 状态和状态参数
⒈ 状态
热力系在在某一指定的瞬间所呈现的一切宏观性质 平衡态
是热力系与外界不发生相互作用时, 是热力系与外界不发生相互作用时, 其宏观性质不随时间而 变化的状态 平衡态是一个理想的概念。但在许多情况下, 平衡态是一个理想的概念。但在许多情况下, 热力中, 气体与气体、 是研究气体在流动过程中, 气体与气体、气体与固体之间 相互作用所遵循的规律及参数的变化规律 主要内容包括: 气体流动的基本方程, 变截面管流等。 主要内容包括: 气体流动的基本方程, 变截面管流等。
第1.1节 基本概念 1.1节
分类
闭口系－ 闭口系－热力系与外界无质量交换 开口系－ 开口系－热力系与外界有质量交换 绝热系－ 绝热系－热力系与外界无热量交换 孤立系－ 孤立系－热力系与外界既无质量的交换也无能量的交换 简单热力系－ 简单热力系－热力系与外界只交换热量和一种模式功量 简单可压系－ 简单可压系－由可压缩流体构成的简单热力系
引起耗散的因素有摩擦，电阻，磁滞，非弹性变形等 引起耗散的因素有摩擦，电阻，磁滞，
补充： 补充：热工气动知识
工程热力学
是研究能量及其转换的科学
主要内容包括: 热力学第一定律和热力学第二定律; 主要内容包括: 热力学第一定律和热力学第二定律; 工质 的热力性质和热力过程等 热力学第一定律：在热能和机械能（ 热力学第一定律：在热能和机械能（功）的相互转换过 程中, 程中, 能量的总和保持不变 热力学第二定律： 热力学第二定律：一切实际的宏观热力过程都具有方向 性、不可逆性
1.1.4 热力过程和热力循环
热力系从一个平衡态向另一个平衡态变化时所经历 的全部状态的总和称为热力过程 热力过程按其性质分为
准静态过程
气动基础知识讲课教案
第二章 气动基础知识2.1 气动技术常用单位换算各换算关系入表2.1所示：表2－1 单位换算表一、长度（Length ）cm m in ft 1 0.01 0.39370.0328 100 1 39.3713.2809 2.54 0.0254 1 0.0833 30.48 0.3048 12 1 二、质量(Mass)kg lb1 2.20.4536 1三、面积（Area ） cm 2 m 2 in 2 ft 2 1 0.01 0.15500.001076 四、重量或力(Force) Kgf（千克力） Kp （千克力） N(Newton) lbf （磅-力）1 1 9.812.2 五、压力(Pressure) kg ／cm 2 atm lb/in 2(psi) bar MPa(N/m 2) l 0.9678 14.2230.9807 0.09807六 、流量(Flow) m 3／hr Ft 3/hr l ／Min 1 35.317 16.6667七、体积(Volume)m 3 dm 3或l ft 3 1 1000 35.317 0.0283228.315l2.2 气动技术常用公式：一、基本单位：长度l:m ，质量m ：kg ，时间t ：S ，体积：m 3或l 一、基本公式：（一） 力(Force): a m F ⋅= （2s m kg N ⋅=）； 牛顿定律 （二） 重量(weight)：g m G ⋅= （2smkg N ⋅=）；（三） 压力：A F P =(2mN Pa =)； 1Pa=10-5bar 上式为巴斯卡原理(Pascal ’s theory)（四） 波义尔定律：见图2.1（说明压力与体积成反比）2211V P V P =（五） 查理定律（charle ’s Law ）：图2.1波义尔定律222111T V P T V P = 说明压力与体积的变 化与温度成正比。
（六） 流量公式：V A Q ⋅= （smm s m ⋅=23）说明了流量为管路截面积与流速之乘积，见图2.2。
《气动基础知识》课件
《气动基础知识》课件一、教学内容本节课主要围绕《气动基础知识》教材的第一章“气动系统概述”进行展开。
详细内容包括气动系统的基本组成、工作原理、气动元件的功能及分类等。
具体章节为1.1节“气动系统简介”，1.2节“气动系统的基本组成”及1.3节“气动元件的分类及功能”。
二、教学目标1. 了解气动系统的基本组成，掌握气动系统的工作原理。
2. 掌握气动元件的分类及功能，能够正确区分和应用各种气动元件。
3. 能够分析并解决简单的气动系统故障。
三、教学难点与重点教学难点：气动元件的分类及功能，气动系统的故障分析。
教学重点：气动系统的基本组成，气动系统的工作原理。
四、教具与学具准备1. 教具：气动系统演示模型、PPT课件、视频资料。
2. 学具：气动元件实物、气动系统图解、练习题。
五、教学过程1. 实践情景引入：通过展示气动系统演示模型，让学生直观地了解气动系统的实际应用，激发学习兴趣。
2. 理论讲解：1) 介绍气动系统的基本组成，解释工作原理。
2) 讲解气动元件的分类及功能，结合实物进行展示。
3. 例题讲解：分析一个简单的气动系统故障，引导学生运用所学知识解决问题。
4. 随堂练习：分发练习题，让学生现场解答，巩固所学知识。
六、板书设计1. 气动系统的基本组成2. 气动系统的工作原理3. 气动元件的分类及功能4. 气动系统故障分析及解决方法七、作业设计1. 作业题目：1) 列出气动系统的基本组成，并简述其工作原理。
2) 画出气动元件的分类图，并说明各类型元件的功能。
2. 答案：1) 气动系统的基本组成为：气源装置、执行元件、控制元件、辅助元件。
2) 气动元件分类图略。
3) 故障分析及解决方法略。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生对气动系统的基本概念和组成有了较为清晰的认识，但对气动元件的分类及功能掌握不够扎实，需要在下节课进行巩固。
2. 拓展延伸：引导学生了解气动系统在现代工业中的应用，探索气动技术的前沿发展。
预备知识气动热力基础
对1kg静止气体 de du cvdT
dW pdv
解析式： dq du pdv
对气体的加热转换为气 体内能变化并对外做功
q cv
T2 dT
T1
v2 pdv
v1
q cv (T2 T1)
v2 pdv
v1
q u2 u1
v2 pdv
v1
对于静止气体
二、气体的熵
抽象的热力学参数
定义：ds dq T
因为熵增只取决于 始点和终点的 状态参数
熵也是状态量
ds du pdv dh vdp cpdT vdp
T
T
T
ds
cp
dT T
R
dp p
s
c
p
ln(T2 T1
)
R
ln(
p2 p1
)
温熵图(T-S)
T
各种热力过程均可以 描述在T－S图上
预备知识 气动热力学基础
工程热力学
研究工质的性质、能量守恒与转换规律 在遵循这些规律的条件下，如何才能使热机
将热能以最大可能、最经济地转换为机械能
气体动力学
研究对象为气体 研究气体在各种装置内流动中所遵循的规律
第一节 热力学第一定律
一、气体的状态参数
气体是由大量杂乱无章运动着的气体分子组成 研究气体性质时，将气体作为宏观物体 在燃气轮机的工作过程中
1
面积a21ba
W a
1
bv
静止气体绝熱压缩功（或绝热膨胀功）
2
W pdv u
1
u
Cv (T2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
等熵压缩功 实际压缩功
滞止等熵效率计算式
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
结构参数 1、外径 2、轮毂直径（内径） 3、轮毂比 4、径向间隙 5、轴向间隙
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
级的参数变化及热力过程焓熵图
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
总结 1、压气机的压缩过程 2、基元级的概念 3、速度三角形的组成及参数
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
反动度定义：
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
现在航空发动机反动度0.5~0.7
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
运动反动度的定义： 由机械能形式的能量守恒方程有：
由静叶能量守恒方程有：
3
dp
2
2 2 c3 c2 0 2
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
反动度的表达式可写为：
2 2 2 w12 w2 w12 w2 w12 w2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 c2 c3 w1 w2 c2 c12 w12 w2 u (c2u c1u ) 2 2 2 2
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
动量矩方程：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
第三章轴流压气机基元级理论
基元级速度三角形及主要参数
速度三角形（velocity triangles）的组成
C W U
C: 绝对速度 W：相对速度 U：牵连速度
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
决定速度三角形的主要参数 1、进口轴向分速度C1a 2、进口切向分速度C1u 3、圆周速度U
2 2 W12 W22 C2 C12 U 2 U12 Lu 2 2 2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
在单位时间内流过dA的气流质量为：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
用滞止参数及流量函数表示连续方程：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
如果假定过流断面参数均匀（对轴流式流体机械 来说既径向参数均匀）：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
二、能量守恒方程
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
在气体动力学和工程热力学中已 介绍过描述气体运动的基本方程:连续 方程、能量方程、热力学第一定律方 程、动量方程和动量矩方程。
本章重点介绍上述方程在叶轮机 械中的应用。
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
一、连续方程
在dt时间内流过面积dA的气体质量dm为：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械中气体流动过程分析 一、轴流压气机和轴流涡轮的结构特点
轴流压气机
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
结构特点： 1、在轴向，静叶与动叶交 错排列。 2、在周向，几何参数相同 的叶片均匀排列。 3、存在轴向间隙。 4、存在径向间隙。
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶栅流动的简化：
假设流动是定常的； 假设流动是轴对称的； 假定粘性作用主要在边界层中。
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
§2.2 一维定常流动的基本方程
一维流动分析的作用： 1、初始阶段设计方案分析及设计参数 优化； 2、初步确定流道形状、叶片数、级数 各截面特征参数。
4、扭速△WU （△CU）
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级轮缘功（理论功、轮周功）
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轮缘功的表达式： 1、欧拉方程第一表达式：
Lu U (C2u C1u ) UCu
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
热力学第一定律方程：
上述方程是对气体微团建立，在叶栅中气体微团从1 截面运动到2截面相应的状态参数从1变化到2：
注：状态参数变化与 坐标系无关，流体微 团与外界能量交换可 等效为热量交换。
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
机械能形式的能量守恒方程：
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶片机中的气体流动的三维特性 1、叶片机中的气体流动的三维速度分布
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
二、叶片机中的气体流动的三维特性 2、叶片机中的气体流动特性
1、轴向速度变化。 2、周向速度变化。 3、径向速度变化。 4、粘性对速度的影 响。 5、可压缩性。 6、非定常流动。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级中静叶作用
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级反动度： 气流流过基元级时动叶、静叶都对气流 有增压作用，总的静压升高确定后静压升高 在动叶和静叶的分配对基元级的加功量和效 率有较大影响。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
平面基元级
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
基元级的局限性： 1、无法考虑端部损失；
2、径向参数的不均匀性；
3、多级匹配问题； 4、周向参数不均匀的问题
叶轮机械原理——
（1）、式中 Cu 和 Wu常称为扭速，计算所得的 比功Lu常称为理论功或理论加功量。 （2）该式清楚池表明：基元级中加给气体的理 论功与动叶栅的圆周速度和气流流过叶栅时的扭速 成正比。 （3）在国际单位制，轮缘功的单位是J／kg
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
2、欧拉方程第二表达式：
目的是反映机械能（动能与压力势能）的变化，以 及流动损失对机械能变化的影响。 通过状态参数变化也能反映非绝热过程影响。
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
机械能形式的能量守恒方 程没有显式地反映气体与外 界热量交换的情况，但对与 外界有或无热量交换的流动 过程都是适用的。气体与外 界的热量交换对压缩功或膨 胀功项有影响，进而会影响 到气体绝对和相对动能变化 量的大小。
叶轮机械原理——
第三章 轴流压气机工作原理
叶轮机械原理——
第三章 轴流压气机工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
压缩过程的热力学图示表征
T-S图
h-S图
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
滞止等熵效率Isentropic efficiency
上图给出的流管中取控制体(即开口系统)1122中的气体为 研究对，导出一维定常流的能量方程式。
叶轮机械原理——
章 叶片机中的气动热力学基础
叶轮机械原理——
第二章 叶片机中的气动热力学基础
注：非惯性坐标系下必须考虑所有惯性力做功，惯性力包括 离心力和哥氏力。哥氏力与相对运动速度垂直不做功。