向心透平

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、方便利用导向叶片进行流量调节3、应用小流量透平、增压器、高速微型膨胀机叶轮机械原理——第十二章向心透平叶轮机械原理——第十二章向心透平叶轮机械原理——第十二章向心透平与单级轴流透平比较：余速损失小轮周效率高动叶的气动性能要求低可组成结构紧凑的机组利用可调的导向叶片实现流量调节叶轮机械原理——第十二章向心透平叶轮机械原理——第十二章向心透平222*222wdpwuuIconst相对坐标系下的伯努利方程：与轴流式相比12**wwII在相同膨胀比情况下由于圆周速度的减小可以使相对速度的变化减小叶轮机械原理——第十二章向心透平由上述特点可以看出：1、向心透平叶轮出口相对速度较低；2、相对速度低、牵连速度下降可以降低余速损失3、流动损失与平均流速相关，流速低流动损失小流动效率高。4、动叶速度系数对透平效率影响不敏感，叶轮加工精度要求低。叶轮机械原理——第十二章向心透平单位质量工质所产生的力矩轮周功222222121221222uccuuwwH由于克服离心力所产生的膨胀功是无损失转化来的叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平的反动度叶轮的等熵焓降222221121222sswwuuH12sstHH叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平的反动度惯性反动度：22122221202(1)2ineruuuDcinergas1u速比221DDD轮径比叶轮机械原理——第十二章向心透平增大惯性反动度有利与提高叶轮焓降。途径：1、减小轮径比（受结构条件限制）2、增大速比（提高转速）增大轮径比则使其趋向轴流，取值应小于0.55叶轮机械原理——第十二章向心透平气动反动度反映气流在叶轮中膨胀情况冲动式叶轮：21ww反动度远大于相对能量损失的叶轮称为反动式叶轮22gasstHH从一元流动角度考虑叶轮应加速膨胀，不应设计为纯冲动式叶轮。叶轮机械原理——第十二章向心透平依靠经验确定总反动度是不可取的向心透平的总反动度与下列参数相关：121Du、、、、与轴流式相比增加了轮径比叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平效率：叶轮机械原理——第十二章向心透平速比在很大程度上影响向心透平的经济性与结构1、高反动度的情况下最佳效率点对应速比高；2、向心透平的效率中影响因素增加了轮径比3、与轴流透平相比，向心透平的动叶相对能量损失、余速损失较小叶轮机械原理——第十二章向心透平气流出口角为90度不一定对应向心透平效率最高点叶轮机械原理——第十二章向心透平1、提高反动度有利于减少静叶流动损失2、提高反动度低马赫数下难以获得较高的速度系数3、但提高反动度应提高速比4、向心透平的漏气损失与轮盘摩擦损失较大(机械效率低)叶轮机械原理——第十二章向心透平二、向心透平初步设计轴流透平设计参数：流量（给定）转速（给定）功率（给定）反动度（选取）载荷系数（选取）内效率（选取）向心透平设计参数：流量（给定）转速（给定）功率（给定）轮径比（选取）速比（选取）内效率（选取）叶轮机械原理——第十二章向心透平二、向心透平设计方案参数的选择1、试求法2、最佳轮周效率法3、筛选法：通过分析透平膨胀比、马赫数、转速、许用应力等因素确定透平的速比及反动度的数值叶轮机械原理——第十二章向心透平透平膨胀比和马赫数的限制作用静叶出口马赫数：1、大于1流动损失增加，且变工况性能差2、亚音速流动马赫数低粘性影响大不利于获得较高的速度系数静叶栅出口速度受反动度影响，若反动度过小不利于应用惯性力作功叶轮机械原理——第十二章向心透平马赫数对速比及反动度的影响高膨胀比设计参数，为避免出口超音速应选用较高反动度；相应的选用较高速比；根据速度系数范围相对应的最小、最大马赫数确定相应膨胀比的范围minmax叶轮机械原理——第十二章向心透平冲角的限制作用1、径向叶片叶轮入口叶片角等于900；2、叶轮流道中的全部能量损失中入口冲击损失占较大比例；3、负冲角对能量损失影响较小，正冲角影响大建议冲角范围：最大不超过：叶轮机械原理——第十四章向心透平由于惯性力可抑制压力面边界层的发展向心透平可在较大的负冲角条件下工作；考虑向心叶轮的滑移现象建议采用负冲角；从结构设计角度，适当采用正冲角有助于减小速比（正冲角使气流经叶轮弯角增大，气动反动度增加）叶轮机械原理——第十四章向心透平由速度三角形关系可以看出：叶轮机械原理——第十二章向心透平速比的表达式：1111tanucos1(1)tan应用冲角范围可大致确定向心透平速比范围叶轮机械原理——第十二章向心透平叶轮进口绝对气流角一般在12~23度范围内高膨胀比、小流量、转速受负荷限制的透平很难保证相对气流角在80度以上，这种情况下应设计成反弯叶轮。叶轮机械原理——第十二章向心透平叶轮加速因子的限制作用1、叶轮出口平均流速应大于叶轮进口流速2、不允许在叶轮流道中出现局部扩压流动21ww加速因子的定义叶轮机械原理——第十二章向心透平加速因子的影响因素用加速因子作校核计算可间接限定速比及反动度的应用范围叶轮机械原理——第十四章向心透平1、叶根加速因子的限制叶根受离心力影响最严重，校核叶根加速因子使其值大于1；2、结构方面的限制叶轮应满足连续方程，前面所考虑的因素仅仅影响叶轮内的能量转换过程，并未考虑质量守恒的要求。叶轮机械原理——第十四章向心透平叶轮机械原理——第十二章向心透平效率的限制作用：1、等效率线与加速因子线的走向大致相同。2、轮周效率越高位置越靠近最大速比；3、速比一定，降低反动度可提高透平的轮周效率注：在反动度许用范围内最小的反动度有利于获得最高的轮周效率叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平效率：叶轮机械原理——第十二章向心透平应用小偏差法分析对效率的影响：222222(,,,)uuuuuuFDdddddDD叶轮机械原理——第十二章向心透平静叶速度系数的取值范围：0.92~0.9752(1)u忽略余速损失变化及叶轮流动损失变化叶轮机械原理——第十二章向心透平轴流径流的反动度一般处于0.43~0.55之间轮周效率的相对变化：0.85~1.10u由此可见静叶栅速度系数相对变化与轮周效率相对变化率趋近于1叶轮机械原理——第十二章向心透平动叶速度系数对轮周效率的影响：2122111sin12cossin()uDu叶轮机械原理——第十二章向心透平特性参数对效率的影响：1、小反动度情况下速度系数对轮周效率影响较大。2、轮周效率对叶轮速度系数不敏感，有利于采用高效的叶轮成型技术；叶轮机械原理——第十二章向心透平出口相对气流角的影响：出口气流角减小效率上升，但小于35度后效率上升不明显叶轮机械原理——第十二章向心透平轮径比的影响：轮径比高效率下降，轮径比过小效率影响不明显（0.4~0.55）叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平方案设计步骤：1、列出向心透平初始设计数据2、根据所掌握的试验数据选取进口绝对气流角、出口相对气流角、速度系数及轮径比注意：轮径比的选取要考虑叶轮流量，流量小不宜采用小的轮径比，为得到较高速比应增加叶轮转速叶轮机械原理——第十二章向心透平3、确定导向装置的结构形式及其气流出口马赫数由透平膨胀比确定反动度取值范围为保证机器变工况性能，导向叶栅出口马赫数应小于1对高膨胀比叶轮，可利用导向装置的斜切部分获得超音速气流叶轮机械原理——第十二章向心透平4、根据透平工况变化情况确定气流入口冲角需用范围由入口冲角需用范围及反动度范围确定速比注：速比决定了进口圆周速度，进口圆周速度的大小要满足轴承允许转速要求及叶轮应力要求叶轮机械原理——第十二章向心透平5、确定透平的假想膨胀速度和最大速比6、应用加速因子校核选用的反动度及速比是否合理加速因子应介于1~2之间叶轮中不允许局部出现扩压流动现象叶轮机械原理——第十二章向心透平7、应用初步确定的参数计算向心透平的轮周效率校核计算得到的轮周效率是否满足设计要求若不满足要求可参考速度系数、出口气流角、轮径比的影响结果对初步确定的参数进行修正。叶轮机械原理——第十二章向心透平8、进行透平的热力计算及通流计算，校核透平通流部分几何尺寸是否合理，并求出透平的轴效率、功率和流量。叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平特性叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平特性叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平特性叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平特性扭矩特性斜率小于轴流透平叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平流量特性叶轮机械原理——第十二章向心透平向心透平流量特性叶轮机械原理——透平冷却1、提高燃气初温可有效提高燃机热效率；2、提高燃气初温受材料需用温度限制；3、随着压比提高，应用于冷却的温度逐渐升高。叶轮机械原理——透平冷却涡轮叶片冷却方式：对流冷却叶轮机械原理——透平冷却涡轮叶片冷却方式：对流冷却叶轮机械原理——透平冷却涡轮叶片冷却方式：对流冷却叶轮机械原理——透平冷却