叶轮机械原理
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14-叶轮机械原理课程总结
惯性反动度：
2 u12 u2 2 2 2 u1 (1 D2 ) 2 c0 2
iner
u1
D2 D2 D1
速比 轮径比
叶轮机械原理课程总结
一、简答： 1、涡轮和压气机叶片与气流间的能量交换有何不同？ 2、写出轴流压气机基元级理论功的欧拉方程表达式， 并指明提高增压能力的途径。 3、什么是旋转失速？解释旋转失速产生机理。 4、画出反动度为0的轴流式涡轮机基元级的焓-熵图和 速度三角形。 2 cu dp 5、解释简单径向平衡方程 dr r 的物理意义。 6、解释多级涡轮重热现象。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械的定义： 具有绕旋转轴转动的转子； 工质对转子叶片进行连续绕流；
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
压气机相似准则：
1 2
G T1*
* p1 D2
nD T1*
叶轮机械原理课程总结
压气机特性线：
叶轮机械原理课程总结
二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：
2 u12 u2 2 2 2 u1 (1 D2 ) 2 c0 2
iner
u1
D2 D2 D1
速比 轮径比
叶轮机械原理课程总结
一、简答： 1、涡轮和压气机叶片与气流间的能量交换有何不同？ 2、写出轴流压气机基元级理论功的欧拉方程表达式， 并指明提高增压能力的途径。 3、什么是旋转失速？解释旋转失速产生机理。 4、画出反动度为0的轴流式涡轮机基元级的焓-熵图和 速度三角形。 2 cu dp 5、解释简单径向平衡方程 dr r 的物理意义。 6、解释多级涡轮重热现象。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械的定义： 具有绕旋转轴转动的转子； 工质对转子叶片进行连续绕流；
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
压气机相似准则：
1 2
G T1*
* p1 D2
nD T1*
叶轮机械原理课程总结
压气机特性线：
叶轮机械原理课程总结
二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：
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：
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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-演示文稿(1)
喷管叶栅和动叶栅中各完成一半。 即：蒸汽在喷管叶栅和动叶栅中都膨胀加速。 → 汽流改变流动方向产生一个冲击力； 加速汽流产生一个反作用力； → 透平级作功是在汽流冲击力和反作用力共同作用下完成的。
XJTU
特点：① 喷管叶栅与动叶栅的叶型相同； ② 喷管叶栅与动叶栅都是收缩的。
热力叶轮机械原理（1） ③ 带反动度的冲动级
热力叶轮机械原理（1）
略去高次项： vdp sdx cdc 对一元定常流动，有：
XJTU
忽略侧面的 粘性阻力，有：
对于绝热的理想 （等熵）流动，有：
cdc vdp 0
p
k
pvk const
k 1 p1 k 1 ( ) c0 p0
c1s
3）变工况特性问题。
◆ 研究方法
1）理论方法：采用一元流动分析法，研究透平级的能量转换、通
流能力和变工况特性（可以很好反映出：能量转换、
通流能力以及变工况的实质）。 2）实验方法：通过实验得到叶栅的能量损失，用来分析叶栅流动
效率问题。
热力叶轮机械原理（1） 三、级的研究范围和内容 ◆ 研究范围：
XJTU
代入能量方程，有：
c1s 2k ( RT0* RT1 ) k 1
* 0 * 0
k 1 p p1 k 2k 1 p* k 1 0
XJTU
根据已知参数，通过计算确定以下 热力状态参数、 运动参数和几何参数。
◆ 确定参数： ① 喷管出口截面的状态参数 t1 （或i1……）； ② 喷管出口截面积 A1 和喉部（临界）面积 Acr； ③ 喷管出口汽流速度 c1 和喉部（临界）速度 ccr。
热力叶轮机械原理（1） ◆ 设计与计算过程 ① 计算出口状态参数
XJTU
特点：① 喷管叶栅与动叶栅的叶型相同； ② 喷管叶栅与动叶栅都是收缩的。
热力叶轮机械原理（1） ③ 带反动度的冲动级
热力叶轮机械原理（1）
略去高次项： vdp sdx cdc 对一元定常流动，有：
XJTU
忽略侧面的 粘性阻力，有：
对于绝热的理想 （等熵）流动，有：
cdc vdp 0
p
k
pvk const
k 1 p1 k 1 ( ) c0 p0
c1s
3）变工况特性问题。
◆ 研究方法
1）理论方法：采用一元流动分析法，研究透平级的能量转换、通
流能力和变工况特性（可以很好反映出：能量转换、
通流能力以及变工况的实质）。 2）实验方法：通过实验得到叶栅的能量损失，用来分析叶栅流动
效率问题。
热力叶轮机械原理（1） 三、级的研究范围和内容 ◆ 研究范围：
XJTU
代入能量方程，有：
c1s 2k ( RT0* RT1 ) k 1
* 0 * 0
k 1 p p1 k 2k 1 p* k 1 0
XJTU
根据已知参数，通过计算确定以下 热力状态参数、 运动参数和几何参数。
◆ 确定参数： ① 喷管出口截面的状态参数 t1 （或i1……）； ② 喷管出口截面积 A1 和喉部（临界）面积 Acr； ③ 喷管出口汽流速度 c1 和喉部（临界）速度 ccr。
热力叶轮机械原理（1） ◆ 设计与计算过程 ① 计算出口状态参数
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》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
叶轮机械原理
叶轮机械原理是通过旋转的叶轮来转化或传递能量的一种机械原理。
叶轮通常由装备在轴上的叶片构成，这些叶片通过旋转提供机械能或液压能。
叶轮的工作原理基于牛顿第三定律，即作用力与反作用力相等而方向相反。
当叶轮旋转时，它会通过叶片与流体之间的相互作用产生一个作用力。
这个作用力会将流体推动并转化为机械能。
叶轮机械用于很多不同的应用，例如水泵、涡轮机和风力发电机等。
在水泵中，叶轮通过转动将流体吸入并推出，提供压力和流动。
在涡轮机中，叶轮则通过流体的作用转动轴，从而驱动发电机或者其他机械设备。
风力发电机中的叶轮接收风的能量，将其转化为旋转能量，然后由发电机生成电力。
叶轮机械的效率取决于其设计和操作参数，例如叶轮的形状、角度和转速等。
优化这些参数可以提高叶轮机械的效率和性能。
同时，叶轮机械还需要定期的维护和保养，以确保其正常运行和寿命。
总之，叶轮机械原理是一种通过旋转的叶轮将流体能转化为机械能的重要机械原理。
它在各种领域中都有广泛的应用，并且对于能源转换和流体传输具有重要意义。
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
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综合高性能涡轮发动机技术）
精品课件
第一章 绪 论
• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40 年所取得的进步
推重比翻一倍，达到15～20， SFC下降40％～50％。
（Specific Fuel Consumption，单位燃油消耗 率）
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Comparison of CJ805 and GE90 Compressor Systems
精品课件
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
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第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义 • 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
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第一章 绪 论
六、航空叶片机的发展概况 • 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。 •人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
第一章 绪 论
• 叶轮机内部流动的复杂性： 1）流动的三维性 ； 2）流体的可压缩性 ； 3）流体的粘性 ； 4）流动的非定常性。
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
八、叶轮机械内部复杂流动的简化 • 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。
精品课件
水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
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UDF on Boein精g 品7课2件7 test bed
GP7200 for the Airbus A380
三、叶轮机的主要形式 • 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流式、 径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
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第一章 绪 论
（一）轴流式
轴流式压气机 转子
精品课件
第一章 绪 论
轴流式涡轮
精品课件
第一章 绪 论
轴流泵
精品课件 轴流式水轮机转子
第一章 绪 论
精品课件
精品课件
第一章 绪 论
•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等； •另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势能） 和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水泵、螺 旋桨、风扇、压气机等。
精品课件
第一章 绪 论
精品课件
第一章 绪 论
1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
“飞行者”1号采用的活塞式发动 精品课件
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
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The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940
Caproni-Campini CC-2
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The Third Jet Flight - May 15, 1941
British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet
engine
第一章 绪 论
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S2流面
第一章 绪 论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
流动损失模型 和 落后角模型
精品课件
第一章 绪 论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology ,
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
精品课件
精品课件
第一章 绪 论
二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度；
• 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
精品课件
第一章 绪 论
• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向 压力低的地方，沿流向是顺压梯度；
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮 的级数少；
精品课件
第一章 绪 论
精品课件
第一章 绪 论
•叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿 用翼型绕流的成熟概念往往不能成功，必需考虑 叶轮机械本身的特殊性和复杂性。 •叶轮机内部流动的特殊性： 1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响； 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大； 3）叶轮机通常存在内外精环品课壁件 边界。
第一章 绪 论
九、叶轮机械设计过程简介 • 子午面流道的确定； • 子午面（或S2m流面）上气流参数的确定；
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第一章 绪 论
• 叶片造型 ； • 三维数值分析；
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第一章 绪 论
作业1
1）以能量转换形式区分，叶轮机械有哪两类？并举例。 2）叶轮机械存在几种典型的流动形式？分别是什么？ 3）什么是S1流面？什么是S2流面？ 4）叶轮机内部流动的复杂性主要体现在哪些方面？
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第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1 版
精品课件
第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
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第一章 绪 论
• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。 •20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片机 设计的理论计算研究开始取得突破性进展。
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第一章 绪 论
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S1和S2流面
第一章 绪 论
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S1流面
叶轮机械原理
北京航空航天大学 能源与动力工程学院
流体机械系 二零零六年三月
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第一章 绪 论
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
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第一章 绪 论
20、回流器导流叶片； 21、中精间品冷课却件吸气管； 22、出气管
第一章 绪 论
离心精式品水课件泵
第一章 绪 论
向心式涡轮
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第一章
（三）斜流式
绪论
斜流式压气机 精品课件
第一章 绪 论
混合式压气机 精品课件
第一章 绪 论
精品课件
第一章 绪 论
涡轮增精品压课器件
第一章 绪 论
精品课件
GE90 circa 1996 44:1 system pressure ratio
Booster Fan
CJ805 circa 1960 12.5:1 pressure ratio
HP (core) compressor
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第一章 绪 论
七、叶轮机械内部的复杂流动 • 叶轮机通常由多级组成，而每一级中又分成 转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和 机匣）； • 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶 轮机内流动的研究思路仍然可以追溯到在机翼 上首先研究成功的成果。
（二）径流式
离心式压气机
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第一章 绪 论
图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封；
9、隔板密封； 10、轮盖密封； 11、平衡盘； 12、推力盘； 13、联轴器； 14、卡环； 15、主轴； 16、机壳； 17、支持轴承； 18、止推轴承； 19、隔板；
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第一章 绪 论
• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40 年所取得的进步
推重比翻一倍，达到15～20， SFC下降40％～50％。
（Specific Fuel Consumption，单位燃油消耗 率）
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Comparison of CJ805 and GE90 Compressor Systems
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第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
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五、叶轮机研究的意义 • 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
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第一章 绪 论
六、航空叶片机的发展概况 • 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。 •人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
第一章 绪 论
• 叶轮机内部流动的复杂性： 1）流动的三维性 ； 2）流体的可压缩性 ； 3）流体的粘性 ； 4）流动的非定常性。
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
八、叶轮机械内部复杂流动的简化 • 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。
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水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
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UDF on Boein精g 品7课2件7 test bed
GP7200 for the Airbus A380
三、叶轮机的主要形式 • 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流式、 径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
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（一）轴流式
轴流式压气机 转子
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轴流式涡轮
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轴流泵
精品课件 轴流式水轮机转子
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第一章 绪 论
•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等； •另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势能） 和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水泵、螺 旋桨、风扇、压气机等。
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
“飞行者”1号采用的活塞式发动 精品课件
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
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The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940
Caproni-Campini CC-2
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The Third Jet Flight - May 15, 1941
British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet
engine
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S2流面
第一章 绪 论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
流动损失模型 和 落后角模型
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第一章 绪 论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology ,
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
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第一章 绪 论
二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
• 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度；
• 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
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• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向 压力低的地方，沿流向是顺压梯度；
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮 的级数少；
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第一章 绪 论
•叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿 用翼型绕流的成熟概念往往不能成功，必需考虑 叶轮机械本身的特殊性和复杂性。 •叶轮机内部流动的特殊性： 1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响； 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大； 3）叶轮机通常存在内外精环品课壁件 边界。
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九、叶轮机械设计过程简介 • 子午面流道的确定； • 子午面（或S2m流面）上气流参数的确定；
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• 叶片造型 ； • 三维数值分析；
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第一章 绪 论
作业1
1）以能量转换形式区分，叶轮机械有哪两类？并举例。 2）叶轮机械存在几种典型的流动形式？分别是什么？ 3）什么是S1流面？什么是S2流面？ 4）叶轮机内部流动的复杂性主要体现在哪些方面？
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第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1 版
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第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
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第一章 绪 论
• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。 •20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片机 设计的理论计算研究开始取得突破性进展。
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S1和S2流面
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S1流面
叶轮机械原理
北京航空航天大学 能源与动力工程学院
流体机械系 二零零六年三月
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• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
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第一章 绪 论
20、回流器导流叶片； 21、中精间品冷课却件吸气管； 22、出气管
第一章 绪 论
离心精式品水课件泵
第一章 绪 论
向心式涡轮
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第一章
（三）斜流式
绪论
斜流式压气机 精品课件
第一章 绪 论
混合式压气机 精品课件
第一章 绪 论
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第一章 绪 论
涡轮增精品压课器件
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GE90 circa 1996 44:1 system pressure ratio
Booster Fan
CJ805 circa 1960 12.5:1 pressure ratio
HP (core) compressor
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七、叶轮机械内部的复杂流动 • 叶轮机通常由多级组成，而每一级中又分成 转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和 机匣）； • 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶 轮机内流动的研究思路仍然可以追溯到在机翼 上首先研究成功的成果。
（二）径流式
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图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封；
9、隔板密封； 10、轮盖密封； 11、平衡盘； 12、推力盘； 13、联轴器； 14、卡环； 15、主轴； 16、机壳； 17、支持轴承； 18、止推轴承； 19、隔板；