叶轮机原理与设计反动度(正式)资料
4流体机械原理课件第三章叶轮解析
第二节 叶轮主要结构参数
▪ 叶轮主要由轮盘、 叶片、轮盖三部分 组成
▪ 叶轮的主要结构参 数如图所示。
流体机械原理 闻苏平主讲
第三节 能量头、周速系数计算
▪ 无限多叶片假设 假设叶片无限多时，以至于一个叶片流道只容纳一 条流线，即：轴向涡不存在， β2A= β2∞。
▪ 轴向涡： ▪ 滑移系数：
流体机械原理 闻苏平主讲
一、反作用度（反动度）
在叶轮中气体获得的静压能和欧拉功（理论能量头）之比
二、叶轮效率：
2 dp
1
hth
叶轮的多变效率一般为84％～92％
(hpol )imp
2 1
dp
mi mi
1
RT1
p2 p1
mi 1
mi
1
htot hth hl hdf
( pol )imp
c2u
c2u
流体机械原理 闻苏平主讲
轴向涡与滑移系数
▪ 无限多叶片假设，用下标∞表示 ▪ 有限叶片数
流体机械原理 闻苏平主讲
斯陀道拉（stodola）计算周向分速的半理论半经验公式： 斯陀道拉假设：
（1）轴向涡的速度=Δwu （2）轴向涡的半径＝叶轮叶道的出口宽度b2
c2u u2 c2rctg2 A
西安交通大学流体机械研究所 西安交通大学流体机械国家专业实验室
闻苏平
流体机械原理（离心压缩机部分）
流体机械原理 闻苏平主讲
第三章 叶轮
叶轮是离心压缩机中唯一对气体作功的部件，且是高速旋转 部件，所以对叶轮的设计、材料和制造要求都很高，对叶轮 的要求主要是： （1）提供尽可能大的能量头； （2）叶轮以及与之匹配的整个级的效率要比较高； （3）叶轮型式能使级及整机的性能稳定工况区较宽； （4）强度及制造质量符合要求。
叶轮机械原理-演示文稿(1)
→ 气 特 → 流 性 → → 加工工艺： 加工工艺：
气流马赫数 M、气流雷诺数 Re 、 气流进口角 α 0、β1(攻角 i = α 0 g − α 0 ) 气流湍流度
……
→ 叶型表面加工的粗糙度
ξ p = ξ p (α、t 、α s、M、 、∆、粗糙度、叶栅型式等 ) Re
热力叶轮机械原理（1） 主要影响型面损失的因素： 主要影响型面损失的因素： ① 叶型进口气流角度 α 0、β1/攻角 i 的影响
图1.31 冲击式叶栅表面的压力分布图
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
四、型面损失和冲波损失
型面损失：叶型表面附近产生的损失。 ◆ 型面损失：叶型表面附近产生的损失。
图1.26 叶型表面边界层示意图
图1.27 叶栅尾迹区示意图
叶型表面边界层中的摩擦损失 摩擦损失； ① 叶型表面边界层中的摩擦损失； ② 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 边界层脱离叶片表面形成的涡流损失； 涡流损失 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失 涡流损失。 ③ 叶片出口边（尾迹区）产生的涡流损失。
(a) 膨胀式叶栅压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
图1.30
冲击式叶栅的压力分布曲线
热力叶轮机械原理（1） ◆ 叶型表面压力矢量图
XJTU
说明： 叶片背面至腹面的两相应点之间， 说明：① 叶片背面至腹面的两相应点之间， 存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源； 存在一个压力梯度，气流对叶栅作功的来源； 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。 ② 气流在进口斜切部分有一个扩压段，流动效率较低。
XJTU
2）气动参数
表示方向： 表示方向： 气流进、出汽角（ ① 气流进、出汽角（ α 0、α 1、β 1、β 2 ） —— 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 叶栅进、出口气流方向与叶栅额线的夹角。 冲角（攻角） ② 冲角（攻角） —— 叶栅进口几何角与气流角的差值。 叶栅进口几何角与气流角的差值。 喷管： 喷管： i = α 0 g − α 0 动叶： 动叶： i = β 1g − β 1
《叶轮机械原理》PPT课件
反力式涡轮。
T1c1 u2 u c2u
运动反力度
c
w c c 1a
w
C2a
u
w1u
c1u cu
C2u u wu
w2u
二者差异？ 航空发动机中典型涡轮平均半径处反力度为0.25-0.4
➢载荷系数/负荷系数
H Tu(c1 u u 2c2 u) u cu
物理意义：涡轮级的做功能力 典型数值范围1.4-1.7 HT↑，冲击涡轮速度三角形
➢涡轮基元级反力度
21(w22 w12) Lu
u1＝u2 c1a＝c2a
Ω＝0 c1u－c2u＝2u， c1u－u＝u＋c2u，即w1u＝w2u 动叶特征：进出口形状对称。
气体流经动叶只拐弯不膨胀。
称为“冲击式”涡轮
Ω＝0.5，c1u＝u＋c2u＝w2u c1和w2大致对称。w1u=c2u
u
反力度大于零的涡轮称为：
❖《叶轮机械原理》PPT 课件
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涡轮工作原理及特性
涡轮是一种将工质的焓转换为机械能的旋转式动力机械， 是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等主要部件之一
2
涡轮工作原理及特性
➢涡轮的一般形式：静子〔导向器〕+转子＝一级。 ➢气流以高速冲击工作轮旋转做功 ➢工作环境特点：压力梯度、温度
3
涡轮分类〔工质不同〕
按工质大致可分为：风车、水轮机、蒸汽涡轮、燃气
涡轮。。。
4
根据工质
叶轮机械原理-1
* 2(i0 i1 ) 2h1*s
其中：
* i 0 ， i 0 —— 分别是喷管进口焓值和滞止焓值； * h1s ， h1s —— 分别是喷管等熵焓降和等熵滞止焓降； c1s —— 喷管出口理想汽流速度。
◆ 在流管表面 取压力的平均值： ( p p 受力面积：
XJTU
p dx ) / 2 x
A
受力： ◆ 流动阻力：
A dx A x p p p dx dx ( A A dx A) 2 x
s
动量方程（以流动方向为正）为：
p A Ap ( p dx)( A dx) x x p p p dx x ( A A dx A) S Adx dc 2 x v dt
XJTU
p1 根据等熵过程方程： k k → 得到： 1 0 p 0 1 0 p 根据出口（ 1 ， 1 ）→ 可以确定所有出口状态参数 s （ i1 ，t1 ， ，……）。
p0 p1
② 计算喷管出口理想汽流速度 c1 和临界速度 ccr
蒸汽在喷管中的流动过程是定常流动;
◆ 动叶栅： 安装在叶轮上并与主轴相连，在工作中是
转动的部分，称为转子。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
叶片 特点
◆喷管：结构大体上是一样的； ◆动叶：结构大体也是一样的。 喷管叶栅 → 动叶栅 → 喷管叶栅
→动叶栅 → ……
基 本 特 点
排列 特点
工作 特点
◆喷管叶栅：汽流膨胀加速， 热能转化为动能；
热力叶轮机械原理（1） 基本方程： 1）状态方程： p zRT 2）连续方程：
叶轮机械原理
叶轮机械原理
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。
它包括涡轮、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等，广泛应用于能源、动力、航空航天等领域。
叶轮机械的工作原理基于动量矩定理和欧拉方程。
在叶轮机械中，工质进入叶栅通道后，通过收敛或扩张的流道，速度逐渐增大或减小，工质在经过导向器时改变流动方向，然后冲击工作轮，使工作轮旋转做功。
涡轮是叶轮机械的一种，它包括静子和转子两部分。
气流以高速冲击涡轮工作轮旋转做功，气流经过涡轮基元级时，速度、压力、温度和焓都会发生变化。
涡轮的效率和经济性都与这些参数密切相关。
叶轮机械的设计和制造需要考虑到多种因素，如工质的物理性质、流道的设计、叶片的材料和形状等。
因此，在实际应用中需要根据具体情况进行设计和优化。
叶轮机械原理作业资料
叶轮机械原理作业张硕 201520503005离心通风机设计设计一台离心通风机，其流量Q=90000m³/h ，压力P=4000pa ，介质为空气，进气状态为通风机的标准状态。
要求确定流通部分的形状和尺寸，并进行主要零部件的强度计算和材料选用。
一、叶轮设计制定390000/360025/Q m s ==；P=4000pa;进口压力pa P in 101325=，进口温度︒=20in t ，空气密度3/205.1m kg air =ρ (1)转速、叶片出口角和轮径的确定 选取转速n=1300r/min ， 比转速为6.71400025130054.554.5n 4343=⨯⨯=⨯=PQ s根据比转速值，由图5-5预选8.0=ψ，根据比转速和压力系数估算出叶片出口角2b β：︒---=⨯-⨯⨯+=⨯-⨯+=3.32107966.23835.06.711044.128.0107966.23835.0n 1044.1232532s 5-b 2ψβ 2b β值与通风机的压力P 关系密切。
经过多次试算，为了保证获得所需要的通风机压力，确定︒=352b β。
压力系数为：()815.06.711044.135107966.23835.02253=⨯⨯-⨯⨯+⨯=--ψ圆周速度为：()s m Pu 44.90815.02.14000222=⨯⨯==ρψ329.114.3130044.906013006022=⨯⨯==πu D取整，确定m D 3.12=()s m u 44.8860130014.33.16013003.12=⨯⨯=⨯=π853.044.8822.140002222=⨯==u P ρψ(2)确定叶轮入口参数。
由式（7-10），叶轮入口喉部直径为：330110)1(25.3v n n Q D ηνμτξ-=，由于是径向自由入口，轮毂比0d==D ν。
采用锥弧形集流器，叶轮入口截面气流充满系数10=μ。
《叶轮机械原理》课件
03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。
叶轮反动度定义
叶轮反动度定义
嘿，朋友们！今天咱来聊聊叶轮反动度这个有意思的玩意儿。
你说这叶轮反动度啊，就像是一场比赛中的策略！想象一下，叶轮就像是一个在赛道上奔跑的运动员，而反动度就是他选择的奔跑方式和节奏。
如果反动度大一些呢，就好比运动员迈的步子大，冲劲十足；要是反动度小一点呢，那就是小步快跑，稳稳当当。
咱平常生活中也有类似的情况呀！比如说你去做一件事，你可以选择大刀阔斧地去干，这就像高反动度；或者你也可以小心翼翼、一步一个脚印地来，这就类似低反动度啦。
叶轮反动度对于机器的运行可重要啦！就好像人的心脏对于身体一样。
要是反动度不合适，那机器可能就没法好好工作，就跟人心脏出问题了身体会不舒服一样。
你说这能不重要吗？
而且啊，不同的叶轮设计，它的反动度也是不一样的哟！这就跟不同的人有不同的性格似的。
有的叶轮天生就是“急性子”，反动度高；有的呢，就是“慢性子”，反动度低。
那怎么选择合适的叶轮反动度呢？这可得好好琢磨琢磨。
这就好比你去买衣服，得挑适合自己身材和风格的呀！要是随便拿一件，那可能穿起来就不伦不类的。
选择叶轮反动度也是一样的道理，得根据具体的使用场景和需求来呀。
你想想看，如果是在那种需要大力气、高速度的场合，那是不是就得
选高反动度的叶轮呀？要是在一些要求精细、稳定的地方，那还是低反动度的叶轮更靠谱吧！
总之呢，叶轮反动度可不是个能随便糊弄的事儿。
咱得重视起来，就像重视咱自己的身体健康一样。
毕竟，它可是关系到机器能不能好好干活的关键呀！大家说是不是这个理儿呢？所以啊，咱可得好好研究研究叶轮反动度，让它在合适的地方发挥出最大的作用！
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蒸汽在动叶 通道内膨胀
反动力的大小取决于汽体压强的变化。
厦门大学航空系
B. 反动度
三、定义与计算
反动度的定义 判断有无反动力的作用及其大小是根据蒸汽在动叶栅中的 膨胀程度(压强变化)
衡量气体在动叶栅中的膨胀程度的参数叫做反动度或反力度 运动反动度Ωk 热力反动度Ωt (基元级)运动反动度Ωk定义为：蒸汽通过动叶通道时的静 焓降与其滞止理想焓降之比，即： h h
空心球体支承在两根垂直导管上，球下 的容器内的水被加热时，蒸汽便沿着两 根导管分别进入球内，从球上两根相反 方向 的弯管喷出，由于喷气反作用， 球便沿着与喷气流动相反的方向旋转
希罗球
抛射物质，获得反作用力 厦门大学航空系
B. 反动度
二、工作原理 蒸汽反动作用的特点 蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速， 从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。
叶轮机原理与设计 ——反动度
王奕首 wangys@
厦门大学航空系
本节内容提要 A.内容回顾与引入
B.本讲主要内容（反动度）
一、基本概念 二、工作原理
Turbine
三、定义与计算
C.课后思考及预习
四、应用举例
厦门大学航空系
A.内容回顾与引入
内容回顾
叶轮机械(透平机械、叶片机械)：回转式动力机械 以连续流动的流体为工质、以叶片为主要工作元件，实现工 作元件与工质之间能量转换的一类机械 1）原动机械(动力机)— 流体的动能、势能—>机械能 汽轮机 汽轮机、燃气轮机、水轮机及风力机 2）被动机械(工作机)— 机械能—>流体的动能和势能 透平压缩机、鼓风机、通风机、风扇
1－主轴
2ห้องสมุดไป่ตู้叶轮
3－动叶栅
转子
4－喷嘴（静叶栅）
5－汽缸
6－排汽口
厦门大学航空系
B. 反动度
一、基本概念 熵(S)：热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。
δQ TdS
1 2 1 2 h1 c1 q h2 c2 w 2 2 滞止焓(h*)： h c2 / 2
B. 反动度
一、基本概念 级：完成由热能到机械能转换的汽轮机基本做功单元，在 结构上由喷嘴(静叶栅)和其后的动叶栅所组成。 静叶栅(喷嘴)：静叶按一定的距离和一定的角度排列形成 静叶栅，静叶栅固定不动。 动叶栅：动叶按一定的距离和一定的角度安装在叶轮上形 成动叶栅，并构成许多相同的蒸汽通道。
• 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降 低，速度增加一方面通过速度方向的 改变，产生冲动力Ft • 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低， 所产生的焓降转化为动能造成动叶出 口的相对速度w2大于进口相对速度w1， 使汽流产生了作用于动叶上的与汽流 方向相反的反动力Fr。 • 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下 推动动叶旋转作功。
k
h h
(基元级)热力反动度Ωt定义为：蒸汽在动叶通道内膨胀时的 理想焓降△hb与蒸汽在整个级的滞止理想焓降△ht*之比，即：
1 * 1
2 * 2
t hb / ht*
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B. 反动度
反动度的计算
三、定义与计算 h0
h
蒸汽经过一级膨胀作功时在焓熵图 上的热力过程线如右图
0点 —— 级前蒸汽状态点 0*点—— 汽流被等熵滞止到初速 h1 等于零的状态点(滞止点) 1点 —— 喷嘴出口点 1s 1s点—— 等熵膨胀状态点 h2 2点 —— 动叶出口点 ht*——级的理想滞止焓降 ht —— 级的理想焓降 2s 2ss hn*——喷嘴中理想滞止焓降 o hb —— 动叶中理想滞止焓降 级的热力过程线 s 01s2ss ——喷嘴和动叶均为等熵流动的过程线 012s ——喷嘴有损失、动叶等熵流动的过程线
Q1 2 T dS
w 2 u2 h 常数 2 2
2 1
焓(h)：单位质量的物质所含的全部热能(蒸汽所具有做功能力)
h u pv
定常流动能量平 衡基本方程式
定常绝热流动过程中，h*在流线上是恒值
焓降：蒸汽做功能力的降低,基本相当于汽轮机转化的能量
特点： q=0，w=0 所以有 1 2 特点: q=0，c1≈c2
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A.内容回顾与引入
汽轮机的工作原理 用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机： 将蒸汽的热能转换为机械能，拖动其他旋转机械。蒸 汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程： 蒸汽热能 喷嘴 气流动能 动叶 冲动式汽轮机 轴(转子)的机械能
按照其做功 原理划分：
反动式汽轮机
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走马灯（现代燃气涡轮工作原理的原始应用）
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B. 反动度
二、工作原理
蒸汽冲动作用的特点
蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机 械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶 通道不收缩 • 喷嘴出口
• 动叶通道
动叶叶型近似对称弯曲
冲动力的大小取决于单位时间内通过动叶通 道的蒸汽质量及其速度的变化(动量定理)。
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B. 反动度
二、工作原理 蒸汽的反动作用原理 反动力的定义 根据牛顿第三定律(力的相互作用原理)，当气体从容 器中加速流出时，要对容器产生—个与流动方向相反 的力，即称为反动力。 汽流在动叶片中降温降压向出汽边流动，由于蒸汽的 流动，使其对动叶产生反作用力，推动叶片运动，向 外输出机械功，即反动作用原理。
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B. 反动度
三、定义与计算
* ht* h0 h2ss ht h0 h2ss
* 0
c h0 h h0 2
2 0
h1s h2ss hb hb h1 h2s h2 h1 h2
h1 h2
在喷管中，依靠工质的焓 降而使工质流速增加
2
2 (c2 c1 )
所以有 ws=h1-h2
汽轮机依靠工质的 焓降而输出轴功
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B. 反动度
二、工作原理 蒸汽的冲动作用原理 冲动力定义 根据牛顿第二定律（动量方程）：当运动物体碰到另一个 静止的或速度不同的物体时，就会受到阻碍而改变其速度 的大小和方向，同时给阻碍它运动的物体一个作用力，这 个力称为冲动力。