叶轮机械讲义原理讲义
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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
→ 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
叶轮机械三元流理论(课堂PPT)
rm
Am
Dwr dm
0
dm dt
Dwr dm
wm
1
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（六、完全径向平衡方程）
b
wm wr wz
2 29
完全径向平衡方程
rm
Dw dt
r
Dwr dm
wm
b
wm
A
wr
wz
D(wdmsmin)wm
wr wmsin)(
w msinD dm m w w m 2coD d sm
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（四、流面动方程
Drw(wr)2 1p
径向
dt
r
r
D dw twrwr 2wr 1r p 周向
Dwz 1 p
轴向
dt z
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（五、基本方程---运动方程 ） 23
流面流动方程
< 3~5,不适用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（二、径向流动的产生）
11
12
S2流面
精确定义: 翘曲的S2流面 简化定义: 1.中心S2流面(内切圆) 2.平均S2流面(几何参数) 3.无穷多叶片假设(中弧线) 4.周向平均(S1计算得到)
设计中的作用
§2-1基于S1,S2流面的准三元设计基础（三、S1,S2流面的概念）
U1
p
r
c rzcr c rzcur cz cz czz
Z 1 p
z
6
二、简化条件
1、不考虑径向流动效应 cr 0
2、间隙内轴向均化 3、间隙内周向均化 4、定常
0 z 0
0 t
5、忽略体积力 7
北航-叶轮机械原理- ch5(4)
边界层理论：L. Prantl于1904年提出 边界层厚度与摩擦损失
摩擦损失计算
l fric
2
d 1 hyd
v2 dx 2
式中， 为摩擦阻力系数，与Re和表面粗糙度相关 f (Re,r / K)
dhyd 为水力直径，对于半径为r的圆截面：dhyd 2r
对于长、宽分别为a、b的矩形截面：dhyd
航空叶轮机械原理
第五章 离心压气机
北京航空航天大学 航空发动机数值仿真研究中心
金东海 2019年春
主要内容
第一节 工作过程及性能参数 第二节 叶轮理论 第三节 固定元件（进气装置、扩压器、排气装置） 第四节 叶轮损失 第五节 性能特性
第六节 相似理论的应用——比转速 第七节 水泵的气蚀问题
第四节 叶轮损失
分离损失
易分离位置——进口分离
轮盖处：加速过急、扩压加剧，易 分离
轮盘处：转弯过急，形成冲击分离
迎角特性（冲击损失）
第四节 叶轮损失
尾迹损失
Lwake
wake
v22 2
式中， wake 为尾迹损失系数
总损失系数经验关系
爱盖尔特经验式（后弯式叶轮）
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶片式叶轮流道出口速度分布更加不均匀
a、后弯叶片式
前、后弯叶片叶轮流道内部速度分布比较
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
不同形式叶轮的反力度（Reaction ratio）
离心压气机的主要性能参数
流量： 质量流量 G VA 体积流量 Q VA G /
摩擦损失计算
l fric
2
d 1 hyd
v2 dx 2
式中， 为摩擦阻力系数，与Re和表面粗糙度相关 f (Re,r / K)
dhyd 为水力直径，对于半径为r的圆截面：dhyd 2r
对于长、宽分别为a、b的矩形截面：dhyd
航空叶轮机械原理
第五章 离心压气机
北京航空航天大学 航空发动机数值仿真研究中心
金东海 2019年春
主要内容
第一节 工作过程及性能参数 第二节 叶轮理论 第三节 固定元件（进气装置、扩压器、排气装置） 第四节 叶轮损失 第五节 性能特性
第六节 相似理论的应用——比转速 第七节 水泵的气蚀问题
第四节 叶轮损失
分离损失
易分离位置——进口分离
轮盖处：加速过急、扩压加剧，易 分离
轮盘处：转弯过急，形成冲击分离
迎角特性（冲击损失）
第四节 叶轮损失
尾迹损失
Lwake
wake
v22 2
式中， wake 为尾迹损失系数
总损失系数经验关系
爱盖尔特经验式（后弯式叶轮）
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶片式叶轮流道出口速度分布更加不均匀
a、后弯叶片式
前、后弯叶片叶轮流道内部速度分布比较
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
不同形式叶轮的反力度（Reaction ratio）
离心压气机的主要性能参数
流量： 质量流量 G VA 体积流量 Q VA G /
《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_第五章
05-3-15 (Channel)
4000 3000 2000
Pstj
1000 0 -1000 -2000 -3000 4000-0.5 3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
16
5.3 轴流压气机相似准则的应用
求解：
（1） “加零级”设计的相似准则是
G T0 / p0
n / T0
在什么截面上应用如下等式？
G T1* G ` T1* ` * * P P 1 1 `
n T
* 1
n` T1* `
问：是否满足雷诺数大于2×105？
17
5.3 轴流压气机相似准则的应用
1 1 1
u
U D n / 60 ＝ 2k 2k RT1 RT1 k 1 k 1
同时必须满足雷诺数大于2×105
Re Ut Dt / 2 105
（2）原型所需耗费的功率为：
P G L / adk k 1 k G RT1 ( * k 1) / 8717KW k 1
第五章 轴流压气机性能特性
第2次作业 1，新讲义P138，第10题：
一台高涵道比风扇，在标准海平面大气条件下 TH 288k PH 101325N / m ，风扇流量为360kg/s，风扇压比为1.65，风扇效率为0.89，风扇直径 1.6m，风扇转速为n=5000r/min。 （1）计算传动这台风扇动力的功率数值； （2）按缩型比为0.6缩型此风扇进行实验研究时，其动力原功率为多 少千瓦？ （3）实验台动力必须达到的转速是多少？
27
4000 3000 2000
Pstj
1000 0 -1000 -2000 -3000 4000-0.5 3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
16
5.3 轴流压气机相似准则的应用
求解：
（1） “加零级”设计的相似准则是
G T0 / p0
n / T0
在什么截面上应用如下等式？
G T1* G ` T1* ` * * P P 1 1 `
n T
* 1
n` T1* `
问：是否满足雷诺数大于2×105？
17
5.3 轴流压气机相似准则的应用
1 1 1
u
U D n / 60 ＝ 2k 2k RT1 RT1 k 1 k 1
同时必须满足雷诺数大于2×105
Re Ut Dt / 2 105
（2）原型所需耗费的功率为：
P G L / adk k 1 k G RT1 ( * k 1) / 8717KW k 1
第五章 轴流压气机性能特性
第2次作业 1，新讲义P138，第10题：
一台高涵道比风扇，在标准海平面大气条件下 TH 288k PH 101325N / m ，风扇流量为360kg/s，风扇压比为1.65，风扇效率为0.89，风扇直径 1.6m，风扇转速为n=5000r/min。 （1）计算传动这台风扇动力的功率数值； （2）按缩型比为0.6缩型此风扇进行实验研究时，其动力原功率为多 少千瓦？ （3）实验台动力必须达到的转速是多少？
27
叶轮机械原理西安交大演示文稿PPT学习教案
vdp sdx cdc
忽略侧面的 粘性阻力，有：
cdc vdp 0
对于绝热的理想 （等熵）流动，有：
p pvk const
k
带入上式得：
c1s
2k k 1
p0
0
1 (
p1 p0
k 1 )k
c0
2k k 1
R
T0
1
(
p1 p0
)
k 1 k
c0
第16页/共146页
4 ） 能 量 方程
cr
Hale Waihona Puke pcr p0*(2
k
) k1
k 1
（ 空气：cr 0.528
）
临界密度：
cr
0
(
pcr p0
)
1 k
；cr 过 0热.5蒸46汽：
A1
Acr
G
A1 1c1
Acr
G
cr ccr
第29页/共146页
2 ） 喷 管 中的 实际流 动过程
向心式透平级 第4页/共146页
离心式透平级
◆ 按 蒸 汽 在 静 叶栅 和动叶 栅中的 能量转 换情况 分：
冲动级、反动级、带反动度的冲动级、复速级
轴 流 式 透 平 级：
蒸汽在通过透平级时，它所释放的热能全部在喷管中
① 冲动级：
转化为蒸汽的动能；在动叶栅中蒸汽不再膨胀加速， 而只是改变汽流的流动方向。
根据动量 方程：
可以看出 ：动能↑ → 速 度↑（ ）→ → 流动 过程： 膨胀过 程 → 理想 无损失 情况:等 熵膨胀 过程
cdc dp 0
dc 0
dp 0
第21页/共146页
② 几何条件 根 据 等 熵 过 程方程 ： 代 入 动 量 方 程：
《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。
叶轮机械原理-演示文稿(3)
XJTU
完全径向平衡方程简化为： ◆ 当Cr = 0 时，完全径向平衡方程简化为：
2 1 ∂p cu = ρ ∂r r
（简单径向平衡方程） 简单径向平衡方程） 径向平衡方程
可以看出： ◆ 可以看出：
① 即使径向分速度 =0 ，但只要存在周向分速度 ： 即使径向分速度Cr 但只要存在周向分速度Cu： 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， ② 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律 沿叶片高度的变化规律。 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律。
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 长叶片透平级的特点： 长叶片透平级的特点： 透平级的特点
① 长叶片级的圆周速度沿径向变化很大
uh =
πd h n
60
< um =
πd m n
60
< ut =
πd t n
60
② 长叶片级的反动度沿径向变化很大
Ω h < Ωm < Ωt
③ 长叶片级的速度三角形沿径向变化很大
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
⑥ 有径向梯度的离心力场 在级进口（ 截面、出口（ 截面， → 在级进口（0-0）截面、出口（2-2）截面， 很小或为零， 由于周向分速度 Cu 很小或为零， 不存在离心力场， 不存在离心力场， → 在叶栅通道和轴向间隙（1-1）截面处， 在叶栅通道和轴向间隙（ 截面处， 轴向分速度很大， 轴向分速度很大， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 且由于Cr≠ 圆弧线的曲率半径变化， 且由于 ≠0，圆弧线的曲率半径变化， 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 梯度