涡轮结构设计PPT课件
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第一讲 燃气涡轮发动机概述
推力18000-22000 kg 耗油率比小涡扇低1/3 授课人 贾斯法
高涵道比涡扇发动机特点
起飞推力大 耗油率低 噪声低
授课人 贾斯法
第一代宽体客机
B747
1970年
L1011 (1972) DC-10 (1971)
71
高涵道比涡扇发动机
已在现代民机上广泛采用 A300、A310、A320、A330、A340, B737、B747、B757、B767、B777, A3XX B747-500X、 B717、A318、湾流Ⅴ
授课人
贾斯法
51
F-22用发动机－F119-PW-100
总压比 35 涵道比 ~0.2 涡轮前燃气温度 ~1850~1950 K 3+6___1+1 反向转动的双转子 推力 157.5 kN 推重比 10.0
授课人 贾斯法
52
F119 与 F100 比较
级数 17---11 少 6 级 零件数少 40% 中间推力大 47% 可使战斗机超声速巡航 巡航耗油率低 11% 可靠性、维修性好
授课人
贾斯法
40
加力式涡轮风扇发动机扇发动机 F-4“鬼怪”式战斗机 用涡扇(斯贝MK202)换装涡喷(J79)后 飞机性能的改进 最大M数 由 2.2→2.4 最大航程 ↑54% 加速到M=2的时间 ↓1/3 爬升到12000m的时间 ↓20%
授课人 贾斯法
41
加力式涡轮风扇发动机
60年代后期采用高循环参数 总压比≈25、T3≈1600K 发展高性能核心机 研制成专为先进战斗机用的、推重比为8.0一 级8的发动机 F100-PW-100→F-15 (1974)
2006年3月
航空发动机结构设计
风力涡轮机结构
风力涡轮机结构
风力涡轮机主要由塔筒、机舱、轮毂和叶片组成。
塔筒是风力涡轮机的支撑结构，它将机舱、轮毂和叶片举到高处，以获得更好的风能。
塔筒通常由钢材或混凝土制成，高度从几十米到上百米不等。
机舱位于塔筒顶部，内部装有风力发电机的核心部件，如发电机、变速箱、控制器等。
机舱还配备有各种传感器和监控设备，用于监测风力涡轮机的运行状态。
轮毂是连接叶片和机舱的部分，它将叶片的旋转传递到机舱内部的发电机。
轮毂通常由钢材制成，具有足够的强度和刚度来承受叶片的重量和旋转力。
叶片是风力涡轮机的核心部件，它通过捕获风能并将其转化为机械能来驱动发电机。
叶片通常由复合材料制成，如玻璃纤维和碳纤维增强塑料，具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。
除了以上主要部件外，风力涡轮机还包括其他辅助设备，如偏航系统、刹车系统、电缆等。
这些部件协同工作，确保风力涡轮机能够高效、稳定地运行。
随着技术的不断进步，风力涡轮机的结构设计也在不断优化，以提高效率、降低成本和增强可靠性。
同时，为了适应不同的风场条件和应用场景，风力涡轮机的结构也在不断创新和发展。
航空发动机结构_ ppt课件
结构类型： 轴流式 离心式 混合式
24
轴流式压气机的特点: 增压比高、效率高、单位空气流量大。
➢在相同迎风面积下，轴流式比离心式吸入的空气多 得多，产生的推力更大。 ➢通过增加级数就能增加增压比。 ➢高增压比有利于采用轴流式压气机，因为它改善了 效率，并进而改善了给定推力下的耗油率。 ➢在大、中推力发动机上，普遍采用轴流式压气机。
19
核心发动机（燃气发生器）：
发生燃气的部件，即压气机、燃烧室和涡 轮称为燃气发生器。由于它处于发动机的核心 部位，故又称为核心发动机。
• 对单转子发动机来讲，就是指压气机、主燃烧 室的带动压气机的涡轮；
• 对双转子发动机来讲，就是指高压压气机、主 燃烧室和高压涡轮。
以核心机为基础，增添不同类型的部件 就可以发展成不同类型的发动机。
涡轮），尾喷管 特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。 涵道比（流量比）：外、内涵道空气流量之比。
2021/7/5
15
4、WZ发动机
主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡 轮、自由涡轮、尾喷管
特点：通常带有自由涡轮，而其他形式的涡轮 喷气发动机一般没有自由涡轮。2021/7/5源自165 桨扇发动机
2021/7/5
6
航空发动机研究工作的特点
•技术难度大
一台发动机内有十几个部件和系统及数万个零件
研制一种新的发动机需要1万小时的整机试验和10万小
时的部件和系统试验。
•周期长
先进发动机的研制周期为9-15年，F119从1986年开始
到2005年投入使用，前后达19年。
•费用高
F119的研制费用超过20亿美元；发动机的研究和发展
转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点而进行的。
涡轮钻具介绍
涡轮钻具的改进
目前FBS型涡轮钻具的尺寸
钻具尺寸
2-7/8″ 3-3/8″ 4-3/4″ 5″ 6-5/8″ 7-1/4″ 9-1/2″
井眼尺寸
3.25-4.0 ″ 3.75-5.375 ″ 5.625-6.75 ″ 6.0-6.75 ″ 7.625-9.875 ″ 8.375-9.875 ″ 12.0-17.5 ″
涡轮钻具的改进
涡轮钻具叶片的压力分布图
标准压力 扭 矩 涡 轮 压 降
钻井范围
钻头转速
涡轮钻具的改进
涡轮钻具轴承座圈图
• • •
PDC止推轴承具有较高的耐研磨能力，可以在超高温（目前最高温度233 ℃）下进行作 业，并能够承受较大的轴向载荷 PDC材质具有较小的摩擦系数，不受钻井中存在的天然的或者泥浆里的化学物质的影响 轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效、结构紧凑，因此也大大缩短了钻具长度
飞机机翼的基本原理流动空气举升力比如功率是通过压差产生的机翼下面的压力较高机翼上部的压力较低液体动力流态图如流量压力旋转扭矩速度功率关系图功率空转标准速度常规的t3三级动力单元涡轮钻工具全长达70英尺213m精确长度根据不同工具尺寸外径来定涡轮叶片盘排列图转子叶片盘定子叶片盘泥浆流单级动力转子叶片盘定子叶片盘涡轮本体动力部分涡轮驱动轴涡轮弹性轴承排列图移动盘固定盘移动盘前轴承前轴承稳定器迷宫环止推轴承可调弯筒钻头母扣稳定器涡轮径向轴承排列图hnbr型橡胶下径向轴承中间径向轴承轴承部分驱动轴下部流态图95流体口涡轮钻具叶片的设计原理定子上和转子下尾流状态图等同于飞机机翼的原理利用涡流在叶片两面产生的压差来使转子发生转动压差的大小和叶片的形状和涡流进入叶片的角度相关mk1是恒压降型不管驱动轴的转速有多快叶片产生的压降不变这是三种叶片中效率最高的主要应用在直井钻井中mk2是压降变化型地面压力随着驱动轴转速的降低而减小它的工作效率比mk1稍低但是给司钻的提供了更多的钻头运转状况的反馈信息主要应用在定向井钻井中mk3和mk2同属于压降变化型但是比mk2结构性能加强了从而可以用在高压大排量的环境中涡轮钻具叶片的压力分布图钻头转速钻井范围标准压力涡轮钻具轴承座圈图pdc止推轴承具有较高的耐研磨能力可以在超高温目前最高温度233下进行作业并能够承受较大的轴向载荷轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效结构紧凑因此也大大缩短了钻具长度轴承受力和承受载荷图推力110000lbs50t80000lbs36t钻压30000lbs14t泵排量750gpm3410lm用标准的912t3mk1涡轮钻具止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承水平力水平力钻压反作用力涡轮叶片上液压的垂向力涡轮平衡毂图驱动轴平衡毂衬套大约3的液体流到环空tsb型或从中空的驱动轴向下通过轴内腔流进轴承段流到钻头tsh型流进涡轮钻具的主泥浆流涡轮平衡毂tsb型图tsb型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具旁通阀是直接通到环空的平衡毂的受推力面叶片等的受推力面合成的受推力面推力推力推力的影响效果
无人机结构与系统课件：涡轮发动机
功能：将喷嘴供应的燃油和压气机供应的空气混合燃烧释 放热量，供给涡轮所需的均匀加热的平稳高温高压燃气流。
（4）涡轮
功能：高温高压燃气膨胀，将热能转换成涡轮的机械能， 同时驱动压气机和附件提供功率。在涡轮螺旋桨和涡轮轴 发动机它还为螺旋桨和旋翼提供轴功率。
（5）尾喷管
功用：使从涡轮流出的燃气膨胀，加速，以一定的速度和 要求的方向排入大气，得到需要的推力。也可通过反推力 装置改变喷气方向，产生反推力，缩短飞机的滑跑距离。
（1）进气道
功能：在各种状态下, 将足够量的空气, 以最小的流动损失, 顺利地引入发动机，在飞行中还可通过冲压作用提高气体压 力。
（2）压气机
功能：通过旋转的叶片对气体进行压缩, 提高空气的压力, 为燃气膨胀作功创造条件，同时为飞机和发动机提供高压 气源。
图3-33 离心式压气机组成
（3）燃烧室
反推
着陆时，使用反推可 缩短着陆滑跑距离， 减轻刹车的负荷。 中断起飞等紧急情况 时也要使用反推。
反推
2.涡轮发动机工作原理（涡轮喷气发动机 ）
风扇把空气从外面吸到里面来 喷油燃烧，空气变热，能量增加
热气流过风车，推动风车转动，风车 转动推动风扇的转动
热气流过风车后以高速喷出发动机
推力的产生
燃油 燃烧 内能
机械能
推力
进气
压缩
燃烧 、膨胀
排气
3.4.2 涡轮螺旋桨发动机
全部动力： 螺旋桨拉力为主，约90%， 喷气产生推力只占10%左右。
螺旋桨
减速器
螺旋桨飞机的特点
1. 螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖 部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的 效率急剧下降；
1. 效率高，适合高亚音速（M=0.8-0.9）飞行 2. 喷气噪音低，风扇噪音大 3. 推力由内涵和外涵共同产生，风扇是产生正推力的
（4）涡轮
功能：高温高压燃气膨胀，将热能转换成涡轮的机械能， 同时驱动压气机和附件提供功率。在涡轮螺旋桨和涡轮轴 发动机它还为螺旋桨和旋翼提供轴功率。
（5）尾喷管
功用：使从涡轮流出的燃气膨胀，加速，以一定的速度和 要求的方向排入大气，得到需要的推力。也可通过反推力 装置改变喷气方向，产生反推力，缩短飞机的滑跑距离。
（1）进气道
功能：在各种状态下, 将足够量的空气, 以最小的流动损失, 顺利地引入发动机，在飞行中还可通过冲压作用提高气体压 力。
（2）压气机
功能：通过旋转的叶片对气体进行压缩, 提高空气的压力, 为燃气膨胀作功创造条件，同时为飞机和发动机提供高压 气源。
图3-33 离心式压气机组成
（3）燃烧室
反推
着陆时，使用反推可 缩短着陆滑跑距离， 减轻刹车的负荷。 中断起飞等紧急情况 时也要使用反推。
反推
2.涡轮发动机工作原理（涡轮喷气发动机 ）
风扇把空气从外面吸到里面来 喷油燃烧，空气变热，能量增加
热气流过风车，推动风车转动，风车 转动推动风扇的转动
热气流过风车后以高速喷出发动机
推力的产生
燃油 燃烧 内能
机械能
推力
进气
压缩
燃烧 、膨胀
排气
3.4.2 涡轮螺旋桨发动机
全部动力： 螺旋桨拉力为主，约90%， 喷气产生推力只占10%左右。
螺旋桨
减速器
螺旋桨飞机的特点
1. 螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖 部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的 效率急剧下降；
1. 效率高，适合高亚音速（M=0.8-0.9）飞行 2. 喷气噪音低，风扇噪音大 3. 推力由内涵和外涵共同产生，风扇是产生正推力的
涡轴发动机(PPT)
• 飞行条件、燃气发生器转速变化归 结为 n
2024年7月27日T * 1
共同工作线的求法
• 共同工作线的具体求法需要试凑
• 步骤：
–根据压气机设计点的参数和共同工作方程计算Cd
q(1 )
* k
1
* k
k*
1
C
•在等换算转速线上任取一点a •将a点的参数代入共同工作方程式，得C’
•比较Cd和C’，若两者差值小于允许误差，
2024年7月27日
2.4 非线性方程组
E1
f1
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E2
f
2
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E3
f3
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E4
f
4
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
2024年7月27日
这个方程组是多元非线性方程组，而且无法用 显式表达，只能按照发动机流程热力计算步骤 进行计算才能得到偏差量E和试取值V之间的关 系。
T*=常数
燃气发生器共同工作方程
• 将各共同工作方程式联立，获得
共同工作方程
q(1 )
* k
1
* k
k*
1
C
将压气机特性图上所有使方程式
得到满足的点连成线获得燃气发 生器的共同工作线
2024年7月27日
燃气发生器共同工作线
• 一台几何不变的发动 机，当自由涡轮处于 临界工作状态时：
2024年7月27日T * 1
共同工作线的求法
• 共同工作线的具体求法需要试凑
• 步骤：
–根据压气机设计点的参数和共同工作方程计算Cd
q(1 )
* k
1
* k
k*
1
C
•在等换算转速线上任取一点a •将a点的参数代入共同工作方程式，得C’
•比较Cd和C’，若两者差值小于允许误差，
2024年7月27日
2.4 非线性方程组
E1
f1
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E2
f
2
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E3
f3
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
E4
f
4
(
* K
,
T3*
,
* T
,
* TZ
)
2024年7月27日
这个方程组是多元非线性方程组，而且无法用 显式表达，只能按照发动机流程热力计算步骤 进行计算才能得到偏差量E和试取值V之间的关 系。
T*=常数
燃气发生器共同工作方程
• 将各共同工作方程式联立，获得
共同工作方程
q(1 )
* k
1
* k
k*
1
C
将压气机特性图上所有使方程式
得到满足的点连成线获得燃气发 生器的共同工作线
2024年7月27日
燃气发生器共同工作线
• 一台几何不变的发动 机，当自由涡轮处于 临界工作状态时：
涡轮基本原理
式中是转子叶片角速度，叶片旋转速度U r。 叶轮机械
欧拉方程 单位质量气体的功率为 Wx U2C 2 U1C1
涡轮工作的基本原理 单位质量气体的功率为 Wx U2C 2 U1C1
叶轮机械 欧拉方程
从上式可以看出，决定涡轮做功的主要参数是 • 圆周速度U大小。 • 动叶出口的切向分速Cθ2和进口预旋Cθ1的大小。 通常情况下： 1. 进口预旋Cθ1可以为零(轴向进气的压气机Cθ1=0)。 2. 对于涡轮，为了提高效率，一般总希望出口绝对速度C2沿轴向
燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压涡轮 驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，还有发 电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。
涡轮种类
•带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片 带有叶冠形式的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。 叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶片根部应 力。 绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。
蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽在较少 数目的涡轮级内有效膨胀。
涡轮种类
•冲动式涡轮级和反动式涡轮级
根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反动度的 大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级(反动度为0)和反动式 涡轮级(反动度大于0)。
在后面将给出反动度的定义及具有不同反动度涡轮级的速度 三角形。
方向。
从焓熵图上可以看出涡轮内部的膨胀功可以用涡轮级的进出口
滞止焓之差表示
Wx h01 h03
思考题：
1 为什么涡轮要轴向排气？
垂直于流通面积上的速度为有效流通速度。因此轴向排气时 的速度为最小。
思考题：
2 根据速度三角形比较C2、C3三个绝对速度大小，W2、W3三 个相对速度的大小？
W3 C3
欧拉方程 单位质量气体的功率为 Wx U2C 2 U1C1
涡轮工作的基本原理 单位质量气体的功率为 Wx U2C 2 U1C1
叶轮机械 欧拉方程
从上式可以看出，决定涡轮做功的主要参数是 • 圆周速度U大小。 • 动叶出口的切向分速Cθ2和进口预旋Cθ1的大小。 通常情况下： 1. 进口预旋Cθ1可以为零(轴向进气的压气机Cθ1=0)。 2. 对于涡轮，为了提高效率，一般总希望出口绝对速度C2沿轴向
燃气轮机具有不同的结构形式，对于风扇发动机，为低压涡轮 驱动风扇的结构。对于涡轮轴发动机和螺旋桨发动机，还有发 电燃气轮机，都是燃气发生器带有动力涡轮的结构。
涡轮种类
•带叶冠涡轮叶片和不带叶冠涡轮叶片 带有叶冠形式的涡轮叶片可以减小叶尖泄漏损失。 叶片带有叶冠后重量明显增加，因此会明显增加叶片根部应 力。 绝大多数第一级涡轮是不带叶冠的。
蒸汽透平的高压级通常是超声速的，这样可以使蒸汽在较少 数目的涡轮级内有效膨胀。
涡轮种类
•冲动式涡轮级和反动式涡轮级
根据涡轮级内气流在动静叶片中的膨胀比例，也即反动度的 大小，可以把涡轮级分成冲动式涡轮级(反动度为0)和反动式 涡轮级(反动度大于0)。
在后面将给出反动度的定义及具有不同反动度涡轮级的速度 三角形。
方向。
从焓熵图上可以看出涡轮内部的膨胀功可以用涡轮级的进出口
滞止焓之差表示
Wx h01 h03
思考题：
1 为什么涡轮要轴向排气？
垂直于流通面积上的速度为有效流通速度。因此轴向排气时 的速度为最小。
思考题：
2 根据速度三角形比较C2、C3三个绝对速度大小，W2、W3三 个相对速度的大小？
W3 C3
第二章 涡轮增压器
第二章 涡轮增压器与中冷器
2.1 离心式压气机
压气机分轴流式与离心式 离心式亚及其结构紧凑、质量轻，在较宽的
流量范围内能保持较好的效率，且对于小尺 寸压气机，效率优于轴流式。 涡轮增压器一般都采用离心式压气机。
2.1.1 离心式压气机的结构
进气道 1 叶轮 2 压气机蜗壳 3 扩压器 4
分类：
无叶扩压器 叶片扩压器
无叶扩压器
无叶扩压器是一环形通道。 气流在该通道中近似沿对数螺旋线的轨迹运
动，气流流动轨迹在任意直径处与切向的夹 角基本不变。 缺点：气流流动路线长，损失大，效率低， 出口流通面积小，扩压能力低。 优点：流量范围宽，结构简单，制造方便。 应用：经常处于变工况运行的小型涡轮增压 器。
2.2.1.2 按燃气在涡轮中焓降的分配分类
冲击式涡轮：燃气的能量（压力、温度）在喷嘴中 全部转化为动能，完全依靠燃气动能在工作叶片通 道中转弯产生的离心力对叶轮的冲击力矩推动涡轮 叶片做功。在叶轮中，燃气不再膨胀，气体压力不 变，因此在叶轮中焓降为零。
反力式涡轮：燃气的能量一部分在喷嘴中膨胀转化 为动能，利用冲击力矩做功；另一部分在工作叶轮 通道中继续膨胀，转化为动能的同时一空气流与叶 片相对速度增加所产生的反作用力推动涡轮做功。 这种涡轮气流速度低，叶片弯曲程度小，流动损失 小，效率高。高增压比的涡轮增压器都采用。
叶片扩压器
在环形通道中加上若干导向叶片，使气流沿 叶片通道流动。
气流流动路线短，流动损失小，效率高。 叶片形成的通道使气流的流通面积迅速增大，
扩压能力强，尺寸小。 缺点：当流量偏离设计工况，叶片入口气流
将撞击叶片，使效率急剧下降。
叶片扩压器
2.1.1.4 压气机蜗壳
2.1 离心式压气机
压气机分轴流式与离心式 离心式亚及其结构紧凑、质量轻，在较宽的
流量范围内能保持较好的效率，且对于小尺 寸压气机，效率优于轴流式。 涡轮增压器一般都采用离心式压气机。
2.1.1 离心式压气机的结构
进气道 1 叶轮 2 压气机蜗壳 3 扩压器 4
分类：
无叶扩压器 叶片扩压器
无叶扩压器
无叶扩压器是一环形通道。 气流在该通道中近似沿对数螺旋线的轨迹运
动，气流流动轨迹在任意直径处与切向的夹 角基本不变。 缺点：气流流动路线长，损失大，效率低， 出口流通面积小，扩压能力低。 优点：流量范围宽，结构简单，制造方便。 应用：经常处于变工况运行的小型涡轮增压 器。
2.2.1.2 按燃气在涡轮中焓降的分配分类
冲击式涡轮：燃气的能量（压力、温度）在喷嘴中 全部转化为动能，完全依靠燃气动能在工作叶片通 道中转弯产生的离心力对叶轮的冲击力矩推动涡轮 叶片做功。在叶轮中，燃气不再膨胀，气体压力不 变，因此在叶轮中焓降为零。
反力式涡轮：燃气的能量一部分在喷嘴中膨胀转化 为动能，利用冲击力矩做功；另一部分在工作叶轮 通道中继续膨胀，转化为动能的同时一空气流与叶 片相对速度增加所产生的反作用力推动涡轮做功。 这种涡轮气流速度低，叶片弯曲程度小，流动损失 小，效率高。高增压比的涡轮增压器都采用。
叶片扩压器
在环形通道中加上若干导向叶片，使气流沿 叶片通道流动。
气流流动路线短，流动损失小，效率高。 叶片形成的通道使气流的流通面积迅速增大，
扩压能力强，尺寸小。 缺点：当流量偏离设计工况，叶片入口气流
将撞击叶片，使效率急剧下降。
叶片扩压器
2.1.1.4 压气机蜗壳