燃气轮机涡轮
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化燃气轮机中的涡轮叶片是该机械中非常重要的一个部分，其设计和优化对燃气轮机的性能和效率都有很大的影响。
本文将对燃气轮机涡轮冷却叶片的设计和优化进行详细阐述。
一、设计原则在设计燃气轮机涡轮冷却叶片时，需要遵循以下原则：1. 保证叶片的强度和刚度涡轮叶片需要承受高速旋转的冲击力和压力，同时还要耐受高温高压的腐蚀和热应力，因此叶片的强度和刚度是非常重要的。
在叶片的设计中需要保证这些要求，以确保叶片在使用过程中不会发生破裂或变形等问题。
2. 提高叶片的散热能力涡轮叶片在工作过程中会受到高温环境的影响，因此需要通过散热来降低其温度。
设计时需要考虑到叶片的材料和结构，以确保其具有良好的散热能力。
3. 降低流体对叶片的损耗涡轮叶片需要旋转在高速流体中，流体对叶片的损耗会影响其性能和效率。
设计时需要考虑减小流体对叶片的损耗，以提高燃气轮机的效率和性能。
二、涡轮冷却叶片的优化优化涡轮冷却叶片可以从以下几个方面进行：1. 叶片的材料涡轮叶片需要选择高温、高压下具有高强度、高耐蚀性的高温合金材料。
优质的高温合金材料可以提高叶片的使用寿命和性能，进一步降低燃气轮机的维护成本。
2. 叶片的厚度和形状叶片的厚度和形状会影响其强度和承受流体压力的能力。
通过优化叶片的厚度和形状，可以在保证强度和刚度的情况下尽可能的减小流体对叶片的损耗。
3. 温度分布的优化涡轮叶片的温度分布会影响其散热能力和强度。
通过优化叶片的冷却结构和流路设计，可以实现叶片温度分布的均匀，从而提高其散热能力和强度。
4. 表面处理优化涡轮叶片表面的处理可以降低其表面粗糙度和湍流程度，从而减小流体对叶片的损耗。
表面处理可以采用抛光、喷砂、电化学抛光等方式进行。
在设计和优化燃气轮机涡轮冷却叶片时，需要综合考虑上述方面，并在实际应用中进行验证和调整。
通过优化叶片结构和材料，可以降低燃气轮机的维护成本，提高其效率和性能，进一步推动燃气轮机技术的发展。
燃气轮机发电原理
燃气轮机发电原理
燃气轮机发电原理是利用燃烧燃气产生的高温燃气驱动涡轮旋转，从而带动发电机发电的一种方式。
具体原理如下：
1. 燃气燃烧：燃气轮机通过燃烧机将燃气（通常为天然气或石油气）与空气混合并点燃，形成高温高压的燃气。
2. 涡轮旋转：燃烧后的高温高压燃气进入涡轮机中，燃气的能量被转化为动能，推动涡轮机转动。
3. 转动发电机：涡轮机的轴与发电机的轴相连，涡轮机的旋转运动带动发电机的转子旋转，由磁力感应原理，发电机的转子旋转在定子线圈中产生电流。
4. 发电：通过发电机产生的电流，经过变压器的升压处理，最终输送到电网中供电使用。
燃气轮机发电原理简单明了，能够高效利用燃气的能量来产生电力。
相较于其他发电方式，燃气轮机具有启动快、热效率高、排放少等优点，因此在大型电力厂、工业用电以及航空舰船等领域得到广泛应用。
燃气轮机手册
燃气轮机手册燃气轮机是一种热力机械，将燃料的化学能转化为机械能。
下面是一份简要的燃气轮机手册，介绍燃气轮机的基本原理、类型、应用和维护。
一、燃气轮机基本原理燃气轮机的工作原理是基于热力学循环，通常采用布雷顿循环。
在布雷顿循环中，气体在高温高压条件下膨胀，产生动力，然后通过冷却在低压低温条件下收缩，形成一个闭合的循环。
燃气轮机的四个主要部分是：燃烧室、喷嘴、涡轮和压缩机。
1. 燃烧室：燃烧室是将燃料和空气混合并燃烧的地方。
燃料可以是天然气、石油气、煤炭气等多种形式。
2. 喷嘴：喷嘴是将高温高压的气体排放到涡轮的地方。
喷嘴的设计对燃气轮机的性能至关重要。
3. 涡轮：涡轮是燃气轮机的核心部分，利用高温高压气体的能量驱动。
涡轮的叶片设计要承受高速气流的冲击，因此需要高温合金等先进材料。
4. 压缩机：压缩机是将空气压缩并送入燃烧室的地方。
压缩机的工作效率直接影响到燃气轮机的性能。
二、燃气轮机类型1. 轴流式燃气轮机：轴流式燃气轮机的气体流动方向与轴线平行，具有结构简单、体积小、重量轻、维护方便等优点。
2. 径流式燃气轮机：径流式燃气轮机的气体流动方向与轴线呈径向，具有效率高、抗振性能好等优点。
3. 反动式燃气轮机：反动式燃气轮机在涡轮后方设有反作用轮，可以提高输出功率和效率。
三、燃气轮机应用燃气轮机广泛应用于电力、石油、化工、航空、航天等领域。
在电力领域，燃气轮机主要用于应急发电、调峰发电和热电联产等。
在航空航天领域，燃气轮机是飞机和火箭的动力装置。
四、燃气轮机维护1. 定期检查：定期对燃气轮机进行检查，确保各部件工作正常，及时发现并排除故障。
2. 清洁保养：保持燃气轮机清洁，避免灰尘和污物进入机内，影响性能和寿命。
3. 燃料系统维护：定期检查燃料系统，确保燃料供应稳定，防止泄漏。
4. 冷却系统维护：保持冷却系统畅通，避免过热损坏。
5. 润滑系统维护：定期更换润滑油，保证各部件润滑良好。
燃气轮机是一种高效、环保的热力机械，具有广泛的应用前景。
燃气涡轮原理
燃气涡轮原理
燃气涡轮是一种利用燃气动力驱动的旋转机械，其原理基于牛顿第三定律和热
力学原理。
燃气涡轮广泛应用于航空发动机、燃气轮机、汽车涡轮增压器等领域，是现代工业中不可或缺的动力装置之一。
下面我们将详细介绍燃气涡轮的原理。
首先，燃气涡轮的工作原理基于牛顿第三定律，即每个作用力都有一个相等且
反向的反作用力。
当燃气在涡轮叶片上流过时，由于燃气的冲击力，涡轮叶片会受到推力，从而产生旋转运动。
这种旋转运动被传递到轴上，驱动其他设备进行工作。
其次，燃气涡轮的原理还基于热力学原理。
燃气在经过燃烧后会产生高温高压
的燃气，这些燃气被引入涡轮中，使得涡轮叶片受到燃气的冲击力，从而产生旋转动力。
同时，燃气在涡轮中释放能量，使得燃气的压力和温度降低，这也是燃气涡轮能够连续工作的重要原因之一。
在燃气涡轮的工作过程中，燃气的流动状态对涡轮的工作效率有着重要影响。
为了提高燃气涡轮的效率，工程师们设计了各种复杂的叶片形状和流道结构，以确保燃气在涡轮中能够充分释放能量，并且尽量减小能量损失。
这些设计不仅需要考虑燃气的流动特性，还需要充分考虑涡轮的强度和稳定性，确保涡轮能够在高速高温的工作环境下安全可靠地运行。
总的来说，燃气涡轮的原理是基于热力学和动力学原理的，通过燃气的冲击力
和能量释放来驱动涡轮进行旋转运动，从而产生动力。
燃气涡轮在现代工业中有着广泛的应用，不仅推动了航空航天、能源和交通运输等领域的发展，也为人类创造了更加便利的生活条件。
随着科学技术的不断进步，相信燃气涡轮在未来会有更加广阔的发展空间。
燃气涡轮原理
燃气涡轮原理燃气涡轮是一种利用燃气动力驱动的旋转机械，其原理是利用燃气的动能来驱动涡轮旋转，从而产生功率。
燃气涡轮广泛应用于航空发动机、燃气轮机、汽车涡轮增压器等领域，是现代工程技术中不可或缺的重要部分。
燃气涡轮的工作原理可以简单概括为燃气经过压缩后进入涡轮，使涡轮叶片受到燃气冲击而旋转，从而驱动涡轮轴输出功率。
具体来说，燃气涡轮的工作过程可以分为以下几个步骤：首先，燃气从燃烧室中高速喷出，经过喷嘴后形成高速气流。
这个过程中，燃气受到喷嘴的限制，从而使其速度增加，同时压力降低。
接着，高速燃气进入涡轮，冲击涡轮叶片，使其产生旋转。
涡轮叶片的设计和布置可以有效地将燃气的动能转化为机械能，从而驱动涡轮轴旋转。
随后，涡轮轴的旋转驱动相关设备，如飞机的涡轮风扇、汽车的涡轮增压器等，从而实现对飞行器或发动机的动力输出。
最后，燃气排出涡轮后，通过排气管排出，完成了一次完整的工作循环。
总的来说，燃气涡轮的工作原理是利用燃气的动能来驱动涡轮旋转，从而实现对设备的动力输出。
燃气涡轮具有结构简单、功率密度大、响应速度快等优点，因此在现代工程领域得到了广泛的应用。
除了上述基本原理外，燃气涡轮的工作性能还受到许多因素的影响，如涡轮叶片的材料和结构、燃气的压力和温度、涡轮的设计参数等。
因此，在实际工程中，需要对燃气涡轮的工作原理和性能进行深入研究和优化设计，以实现更高效、更可靠的工作。
总之，燃气涡轮作为一种重要的动力传动装置，其工作原理简单清晰，但在实际应用中需要综合考虑多方面因素，才能发挥其最大的效能。
希望本文对燃气涡轮的工作原理有所帮助，也希望读者能对燃气涡轮有更深入的了解。
燃气轮机涡轮叶片冷却试验测试技术
涡轮叶片冷却设计的各项验证试验是燃气轮机整机测试前需要完成的基本任务。
这些验证试验会用到多种测试技术，叶片设计人员掌握这些测试技术的原理、仪器和使用方法，可以为叶片冷却设计的验证和产品的研制成功提供基础支撑。
燃气轮机涡轮叶片冷却设计的验证，需要经过一系列循序渐进的试验，一般分为流量试验、内换热系数试验、气膜有效度试验、外换热系数试验、冷效试验、整机试验等。
燃气轮机研发中的这些试验需要用到多种试验测试技术，主要分为常规流场测量技术、叶片温度测量技术、传热组合量的测量等几类。
其中，流场测量是各项冷却试验测试的基础，叶片温度测量是冷却试验的核心，其他物理量的测量则是为了测量一些组合物理量，如热流密度、换热系数、气膜有效度等。
为了达到试验目的，顺利完成试验任务，选择合适的测量技术至关重要。
常规流场测量技术涡轮叶片的各项验证试验都需要测量流场的基本参数，其中，流量、压力、流场温度、湍流度等参数是最基本的测量物理量。
流体流量和压力的测量已经非常成熟，不再赘述。
流场的温度测量方法也很多，叶片温度测量所使用的大部分技术和手段都可用于流场温度的测量（在叶片温度测量技术中详细叙述）。
流场湍流度的测量相对复杂，且一般需要经过数据处理和换算，目前常用的手段有脉动压力传感器、激光多普勒测速（LDV）、热线风速仪（hot wire anemometer）和粒子图像测速（PIV）技术等，其中热线风速仪使用最为广泛。
热线风速仪主要有恒温式和恒流式两种，常用的是恒温式。
热线风速仪有很多的生产厂家，但可用于流动细节和机理研究、可测量较高脉动频率的较少。
目前的技术还是用于测量较为宏观的参数，这对于试验而言也已经足够。
热线风速仪的国际知名厂商主要有美国的提赛环科仪器（TSI）公司和丹麦的丹迪动态（Dantec）公司，它们的典型产品性能如表1所示。
表1 热线风速仪性能叶片温度测量技术叶片温度的测量是冷却试验的核心。
温度测量技术可以分为两大类，接触式测量和非接触式测量。
燃气轮机的工作原理
燃气轮机的工作原理
燃气轮机是一种利用燃料燃烧产生高温高压气体做工质，通过气流转动涡轮，再将动能转化为机械能的装置。
以下是燃气轮机的工作原理：
1. 空气进气：燃气轮机的工作过程始于将空气引入进气道中。
为了达到更高的效率，一般会采用压气机提升空气的压力，以增加进气气流量。
2. 燃料燃烧：在压缩后的空气进入燃烧室之前，燃料被喷入燃烧室进行燃烧。
通常情况下，燃料燃烧产生的热量会使气体的温度和压力升高。
3. 气体膨胀：经过燃烧室燃烧后，高温高压气体进入涡轮机，气体的动能随之转化为涡轮得以旋转。
4. 涡轮工作：涡轮由多个叶片组成，这些叶片被高速旋转的气体冲击，使得涡轮自身也随之旋转。
涡轮旋转的目的是为了将气体流动时的动能转化为机械能。
5. 惯性运动：涡轮和轴传动装置的联系使得涡轮的运动将会传递给其他设备，如发电机或驱动船只的螺旋桨。
同时，惯性使得涡轮与压气机相互影响，构成了一个循环的工作系统。
6. 排气：气体工作完毕后，通过排气道排出。
部分排出的热能可以用于发电或供热。
总结起来，燃气轮机通过燃烧燃料产生高温高压气体，通过涡轮转动的方式将气体的动能转化为机械能，最终实现能量的利用。
燃气轮机和涡轮机的关系
燃气轮机和涡轮机的关系燃气轮机和涡轮机都属于热力机械，都是通过外界能量源（如燃烧燃料）转化为机械能的装置。
它们之间存在着密切的关系，可以说燃气轮机是涡轮机的一种。
我们先了解一下涡轮机。
涡轮机是一种利用流体动能驱动转子旋转的机械装置。
它由定子和转子两部分组成，其中转子通过叶片与流体作用，从而转动起来。
涡轮机广泛应用于航空、船舶、发电等领域，如飞机的涡轮发动机、汽轮机等。
而燃气轮机则是一种利用燃气燃烧产生高温高压气流驱动涡轮旋转的机械装置。
它的工作原理是通过燃气与空气的混合燃烧产生高温高压气流，然后将这个气流喷入涡轮机中，使涡轮旋转。
涡轮的旋转通过轴将动能传递给负载，如发电机或涡扇发动机的风扇。
从上述描述可以看出，燃气轮机和涡轮机的关系是燃气轮机是一种特殊的涡轮机。
燃气轮机的工作原理和涡轮机基本相同，都是通过流体动能驱动转子旋转。
不同的是，燃气轮机是利用燃气燃烧产生的高温高压气流驱动涡轮旋转，而其他涡轮机则可以通过不同的能源，如水力、蒸汽等来驱动涡轮旋转。
燃气轮机的优点主要体现在高效率、高功率和快速启动等方面。
燃气轮机可以在较短的时间内启动并达到额定功率，适用于紧急发电或需要快速启动的场合。
而且燃气轮机的热效率较高，可达到40%以上，远高于其他火力发电设备。
此外，燃气轮机还具有灵活性强、响应速度快等特点，适用于多种应用场景。
然而，燃气轮机也存在一些限制和挑战。
燃气轮机的制造和维护成本较高，需要使用高温合金材料和精密制造技术。
此外，燃气轮机在低负载情况下效率较低，燃烧产生的高温气流对轴承和涡轮叶片等部件会产生较大的热应力，导致寿命减少。
燃气轮机和涡轮机的关系是燃气轮机是涡轮机的一种。
燃气轮机利用燃气燃烧产生的高温高压气流驱动涡轮旋转，从而将燃气的能量转化为机械能。
燃气轮机具有高效率、高功率和快速启动等优点，但也面临着制造和维护成本高以及低负载效率低等挑战。
随着科技的进步和应用领域的拓展，燃气轮机和涡轮机的发展前景将更加广阔。
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燃气轮机涡轮
压气机级 基元级的速度
•气流 转折角
•w1
•
1
•w2
•2 •u
•cx •c1 •c2 •1 •2
•u •c1u •c2u
•叶栅额线
•轴向分速度cx
•预旋c1u很小 ，而c2u较大 •则c2u和u一起决定L的数值。
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燃气轮机涡轮
T=0.5基元级的速度三角形
• 假设：c2x= c1x u1= u2= u
(轴流级u1≈ u2 )
燃气轮机涡轮
•T> 反动0 式涡轮基元级的速度
•叶栅额线
•c1
•w1
•1
•1
•u1
•c1u
• •2 •c2 •c2u
•w2
•2 •u2
•c2x > c1x •>90°
•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）。
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•c1
•w1
•1
•1
•u
•
•进出口速度
•c2 •w2 关于轴对称
•2
•2
•u
•c1= w2 •w1= c2
1= 2 •大小相
1= 2
等方向相 反
燃气轮机涡轮
T=0 冲动式基元级的速度三角形
• 假设：c2x= c1x u1= u2= u
•c1
•w1
•1 •1
•u
•
•w2
•2 •c2 •2
若不考虑损失， =1， w2=w1
燃气轮机涡轮
动叶出口的绝对速度c2
由速度三角形求得
c2 = w2 + u2
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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。
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燃气轮机涡轮
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 ： n 已知喷嘴出口截面面积A时，可求
燃气轮机涡轮
动叶出口
T > 0时，w2>w1
对于理想情况1-2s，在相对坐标系中：
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•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。
燃气轮机涡轮
实际流速：w2 < w2s
•动叶中的 理想焓降
•涡轮级 的理想焓 降
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•冲动式 T=0 w2 = w1
•
喷嘴中（0-1s），气体流动为稳定流动。
•理想情况：
绝热膨胀：q=0；喷嘴静止不动：L=0
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•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。
燃气轮机涡轮
理想情况：
•喷嘴中的理论焓降
•喷嘴中的膨胀比
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燃气轮机涡轮
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。
c1< c1s i1>i1s
两种表示:
(1)用速度系数表示： (2)用多变膨胀过程(n<kT)表示：
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燃气轮机涡轮
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: •c1
•w1
•1 •1
w1 = c1 – u1
•u1
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•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。
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燃气轮机涡轮
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。
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燃气轮机涡轮
涡轮级中燃气参数的变化
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•喷嘴 叶轮
燃气轮机涡轮
1、冲动式涡轮
n 燃气只在喷嘴中膨胀加速，进入动叶栅中不 再膨胀；
(3)叶片运动方向由叶腹
→叶背;
•2
(4)叶片厚实且弯曲角大。
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•静叶 •1
•u •动叶
•2
燃气轮机涡轮
2、基元级的速度三角形
n 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，
n
即c = w + u
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喷嘴 0-1
•u
•相对速度w1、w2
关于轴对称
•w1= w2
1= 2
•大小相 等方向相
反
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燃气轮机涡轮
四、涡轮基元级中各速度的确定
n 气流速度的变化是反映能量 转换的重要表达式。
n 通过基元级内的能量转换情 况来确定气流速度。
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燃气轮机涡轮
1、喷嘴出口（c1s与c1）
燃气轮机涡轮
实际流动
n 存在粘性摩擦阻力 n 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。 n 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%。
n 故粘性影响很小。
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燃气轮机涡轮
3-2 轮周功、轮周效率、速度比 及多级涡轮
n 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
n
T = H2s / Hs
n 一般T =0.3~0.5
n
T =0时，冲动式涡轮；
n
T =0.5时，能量损失最小。
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4、叶片叶型
n 涡轮级中能量转换大，即气流速度高且转折大， n 相对于压气机叶型，涡轮叶片厚实且弯曲角大。
燃气轮机涡轮
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2020/11/21
燃气轮机涡轮
3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理
n 一、涡轮级的概念
n 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。
n 单级涡轮：整台涡轮只有一个“级” n 多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级” n 一般轴流式燃气涡轮采用多级。
n 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。
n 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。
n
P2<p1 ，w2 > w1
n 工作动叶片的通道一般是收敛的.
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燃气轮机涡轮
3、反动度T
n 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。
出流量GT； n 或者，已知设计流量，要求确定出
口截面积。
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燃气轮机涡轮
理想情况下：
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燃气轮机涡轮
理想情况下：
•临界压 比
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燃气轮机涡轮
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
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•图3-5(p81)
n 燃气流过喷嘴后，压 力降低、温度下降， 流速c增加；
n 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
•u •动叶
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燃气轮机涡轮
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。
•静叶
•静叶
•一般 •1=14~20 °
•u
•动叶
c2 = w2 + u2
燃气轮机涡轮
基元级的速度三角形
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n 把进出口的速度三角形画在一起。 n 注意：
n ①一般c2x c1x (c2x> c1x )； n ②气流转折角很大 （ >90°），
进出口速度三角形是分开的 ； n ③一般圆周速度u1≠u2。
•一般 •1=14~20 °
•u •动叶
w1 = c1 – u1
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燃气轮机涡轮
Hale Waihona Puke 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 2>1 ；
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。
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燃气轮机涡轮
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/21
燃气轮机涡轮
•冲动级的动叶 片更为厚实、 弯曲角更大。
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燃气轮机涡轮
三、基元级及其速度三角形
n 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。
n 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
n 依靠高速气流产生对动叶的冲击力来使叶轮 旋转作功。
n 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
n 工作动叶片的通道一般是等截面的。
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燃气轮机涡轮
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燃气轮机涡轮
2、反动式涡轮
n 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；