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認(rèn)證類型：個人認(rèn)證

認(rèn)證主體：袁**（實(shí)名認(rèn)證）

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軸流式燃?xì)馔钙降墓ぷ髟?-噴嘴環(huán)葉柵2-1-噴嘴環(huán)葉柵2-動葉柵圖5-6燃?xì)馔钙降幕壠矫嫒~柵當(dāng)高溫高壓的燃?xì)庥扇紵伊鞒龊?，將以平均初速c0流入燃?xì)馔钙降膰娮飙h(huán)。那時，燃?xì)鈺倪M(jìn)口壓力p0膨脹到壓力p1。由于燃?xì)獾呐蛎浺约皣娮飙h(huán)葉柵中漸縮流道的控制，氣流的速度將由c0加速到c1。與此同時，燃?xì)獾臏囟葘⒂稍鹊腡0值隨之降低到T1。流出噴嘴環(huán)時氣流的絕對速度為c1，它與出口平面夾成α1的角度。α1通稱為噴嘴氣流的出氣角，一般取為14°~20°。由于相對運(yùn)動的關(guān)系，這股高溫燃?xì)鈱⒁韵鄬λ俣葁1進(jìn)入置于噴嘴環(huán)之后的動葉柵，它與動葉柵進(jìn)口平面的夾角為β1。當(dāng)c1的方向和大小已定時，β1角的大小就取決于動葉柵的圓周速度u的大小。圖5-7燃?xì)馔钙郊壷腥細(xì)鉅顟B(tài)參數(shù)的變化在大多數(shù)情況下，動葉柵的流道通流面積也是做成漸縮型的，這樣可以使燃?xì)饬髟趧尤~柵中也有所加速，以求改善其流動特性。這種透平稱為反動式透平。因而，在這種動葉柵中不僅相對速度有增加(∣w2∣>∣w1∣)，而且氣流在其中還發(fā)生折轉(zhuǎn)，即方向也有所改變，那時，燃?xì)饬鲗⒁韵鄬λ俣葁2，并與動葉柵的出口平面夾成β2的出氣角流出動葉柵。在此過程中，燃?xì)庖蛟趧尤~柵中的繼續(xù)膨脹，將使壓力由p1下降到p2，與此同時，溫度會降至T2圖5-7燃?xì)馔钙郊壷腥細(xì)鉅顟B(tài)參數(shù)的變化在動葉工作葉輪的出口處，氣流的絕對速度為c2。這個離開葉輪的絕對速度c2將帶走相應(yīng)的動能，對于單級燃?xì)馔钙絹碚f，它就是一種能量的損失(稱為余速損失)。因此，希望它盡可能地減小，即力求c2的方向大致接近于90°。通常，絕對速度c2要比進(jìn)口速度c1小得多，即：流過動葉柵時氣流的動能是減小的。但是由于氣流在反動式透平的葉柵中是加速的，因而在動葉柵中相對速度卻是增大的，即∣w2∣>∣w1∣。這些變化關(guān)系如圖5-7所示。但是在有些透平級的動葉柵中，氣流的相對速度大小是恒定不變的，這種透平稱為沖動式透平。圖5-8上給出了沖動式和反動式燃?xì)馔钙交壍乃俣热切?，它們是分析基元級工作過程的基礎(chǔ)。a)沖動式b)反動式圖5-8燃?xì)馔钙交壍乃俣热切位壷腥細(xì)饬魇┘佑趧尤~柵的作用力和機(jī)械功在明確了高溫高壓燃?xì)庠诹鹘?jīng)動葉柵時，速度三角形的變化關(guān)系后，就有條件來研究：燃?xì)饬鬟^動葉柵時施加給動葉柵的作用力和機(jī)械功的問題了。根據(jù)圖5-8和動量定理可以得知：當(dāng)燃?xì)饬鬟^動葉柵，作用在動葉柵(也就是工作葉輪)上的切向作用力(5-4)從圖5-8中可以看出：由于c1u與c2u的方向彼此相反，在計算時通?？梢园焉鲜接么鷶?shù)關(guān)系式來表示，即鑒于故(5-5)式中mg---每秒鐘流過基元級動葉柵的燃?xì)赓|(zhì)量。當(dāng)然，燃?xì)饬鬟^動葉柵時作用力與動葉柵上的切向作用力也可以根據(jù)相對速度的變化關(guān)系來推導(dǎo)，即(5-6)顯然，動葉柵在Pu力的作用下，每秒鐘內(nèi)沿圓周方向移動了距離u，因此，燃?xì)饬魇┘咏o動葉柵的機(jī)械功為mgu(c1u+c2u)=mgu(w1u+w2u)。相對于流經(jīng)動葉柵的每㎏/s燃?xì)鈦碚f，燃?xì)鈱尤~柵施加的機(jī)械功為(5-7)基元級中燃?xì)饽芰康霓D(zhuǎn)換關(guān)系既然高溫高壓的燃?xì)庠诹鬟^透平的動葉柵時，會產(chǎn)生一個切向的作用力Pu，并推動工作葉輪旋轉(zhuǎn)作功，那么，這股能量是從哪兒來的呢？顯然，它必定是由高溫高壓的燃?xì)馓峁┑模簿褪钦f，當(dāng)燃?xì)饬鬟^透平級時，必然會使自身的能量水平有所下降，它將轉(zhuǎn)化成為透平通過高速旋轉(zhuǎn)的工作葉輪而對外界所作的機(jī)械功。下面，讓我們來研究透平級中燃?xì)饽芰康霓D(zhuǎn)換關(guān)系，它能幫助我們進(jìn)一步理解透平的工作原理。從圖5-8所示的速度三角形中可知即(5-8)而根據(jù)圖5-8可知因而即(5-9)當(dāng)工作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時，u1=u2=u，因而，把式(5-8)和(5-9)帶入式(5-7)后，可得(5-10)顯然，當(dāng)u1≠u2時(5-11)從關(guān)系式(5-10)中可以非常清楚地看出：當(dāng)1㎏/s燃?xì)饬鬟^工作葉輪上的動葉柵時，對外界所作的膨脹功lt，應(yīng)等于燃?xì)獾慕^對速度動能與相對速度動能變化量的總和。對于在動葉柵中氣流的相對速度大小并不發(fā)生變化的沖動式透平來說，其膨脹功lt就等于燃?xì)饬鹘?jīng)動葉柵時，絕對速度能的減少量。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來說，當(dāng)把噴嘴環(huán)和動葉柵組合在一起作為一個對外作功的整體(即：一個透平級)來研究時，1㎏/s燃?xì)獾呐蛎浌?5-12)實(shí)際上，燃?xì)庠谕钙郊壷械淖鞴^程是與燃?xì)忭樞虻亓鬟^噴嘴環(huán)和動葉柵時所發(fā)生的狀態(tài)參數(shù)的變化密切相關(guān)的。由于當(dāng)燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時，并不與外界發(fā)生熱能與功量的交換，因而燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時即故(5-13)從熱力學(xué)中得知：在有摩擦等現(xiàn)象的不可逆流動中，由于燃?xì)庠趪娮飙h(huán)中與外界均無熱能的交換，所以因而式(5-13)可改寫為(5-14)式中l(wèi)m2——燃?xì)饬鬟^噴嘴環(huán)時，由于摩擦等不可逆現(xiàn)象的存在所必須損耗的能量；——在噴嘴環(huán)前后燃?xì)獾钠骄芏?。由此可見，高溫高壓的燃?xì)庠诹鬟^噴嘴環(huán)時，由于燃?xì)鈮毫Φ慕档?即p1<p0)所發(fā)生的膨脹過程，將使燃?xì)獾慕^對速度由c0增高到c1，那時，氣流動能的增加則完全是由于燃?xì)獗旧硭哂心芰?焓h或壓力勢能p/ρ)的下降轉(zhuǎn)換過來的。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)而流過動葉柵時，由于同樣可以忽略與外界發(fā)生的熱能交換，因而在工作葉輪的前后，相對于1㎏/s燃?xì)鈦碚f，能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以表示為(5-15)同理，在忽略對外界的熱能交換時，由于因而，上式可改寫為(5-16)當(dāng)比較式(5-11)與式(5-16)時，可以發(fā)現(xiàn)(5-17)式中l(wèi)m3——燃?xì)饬鬟^動葉柵時，由于不可逆現(xiàn)象的存在所必須耗損的能量；——在動葉柵前后燃?xì)獾钠骄芏取ｊP(guān)系式(5-17)告訴我們：在動葉柵流道內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ睦^續(xù)下降(當(dāng)然，同時會引起溫度和焓值的降低)，可以促使相對速度w2的增高，其結(jié)構(gòu)是在工作葉輪上將會有一部分壓力勢能轉(zhuǎn)化為膨脹功。然而，在沖動式透平級中，由于動葉柵前后相對速度w1和w2的大小差不多是不變的，因而p1≈p2這就是說，燃?xì)庠跊_動式透平的動葉柵中，并沒有繼續(xù)發(fā)生膨脹過程。那時，工作葉輪所接受的燃?xì)鈱λ鞯臋C(jī)械功，只是氣流絕對速度動能減小的結(jié)果。通過以上分析，我們能夠比較清楚地看到高溫高壓的燃?xì)庵詴谕钙街凶鞴Φ倪^程和原因是：(1)首先，在噴嘴環(huán)中使燃?xì)獍l(fā)生膨脹過程，以增高氣流的流動速度c1，這樣，就能把燃?xì)獗旧硭哂械哪芰縣0*，部分地轉(zhuǎn)化成為氣流的動能。在這個過程中燃?xì)獾膲毫0、溫度T0和熱焓h0都被降低了，但其比體積v0則增大，而速度c0卻增高了。由于當(dāng)時燃?xì)馀c外界尚無熱能和功量的交換，因而燃?xì)獾臏轨手礹0*和滯止溫度T0*是維持恒定不變的，可是滯止壓力p0*則由于不可逆現(xiàn)象的存在，將略有降低。(2)隨后，將高速的燃?xì)鈬娤蜓b有動葉柵的工作葉輪。利用燃?xì)庠诹鬟^動葉柵流道時所發(fā)生的動量的變化關(guān)系，可以在動葉柵中產(chǎn)生一個連續(xù)作用的切向推力Pu，借以推動工作葉輪轉(zhuǎn)換，并對外作功。(3)在工作葉輪中燃?xì)獾淖鞴^程有兩種方案可循。在沖動式透平級中，氣流流過動葉柵時一般不再繼續(xù)膨脹了，因而在動葉柵的前后，燃?xì)獾膲毫1、溫度T1和相對速度w1的大小幾乎不再發(fā)生變化(嚴(yán)格地講，由于不可逆現(xiàn)象的存在，壓力p1會略有減小)；但是絕對速度和滯止焓值必然都有相當(dāng)程度的降低。當(dāng)時，燃?xì)饨^對速度動能的減少量將全部轉(zhuǎn)化為燃?xì)鈱ν饨缢鞯呐蛎涊S功。但是，在反動式透平級中，氣流流過動葉柵時還會繼續(xù)膨脹。因而在動葉柵的前后，燃?xì)獾膲毫1、溫度T1和焓值h1都將進(jìn)一步下降，而其比體積v1和相對速度w1卻有所增大。當(dāng)然，膨脹終了時燃?xì)獾慕^對速度和滯止焓值也都會有相當(dāng)程度的降低。在這種情況下，燃?xì)饬鹘?jīng)工作葉輪時所發(fā)生的絕對速度動能與相對速度動能變化量的總和，將全部轉(zhuǎn)化為燃?xì)鈱ν饨缢鞯呐蛎涊S功。綜上所述，高溫高壓的燃?xì)饩褪前凑丈鲜龉ぷ鬟^程，從透平的第一級噴嘴環(huán)開始，順序地逐級膨脹到最后一級動葉柵的出口。其最終結(jié)果將是使燃?xì)獾臓顟B(tài)參數(shù)發(fā)生了變化；與此同時，把燃?xì)獗旧硭哂械哪芰?可以用滯止焓值h0*來表示)部分地轉(zhuǎn)化成為對外界所作的膨脹軸功lt。在圖5-9中給出了在沖動式和反動式透平中，燃?xì)鉄崃?shù)的變化趨勢，以及透平級中燃?xì)獾呐蛎涍^程在焓熵圖(即h-s圖)上的表示方法。a)沖動式b)反動式圖5-9在沖動式和反動式透平級中熱力參數(shù)的變化趨勢，以及在透平級中燃?xì)馀蛎涍^程的焓熵圖在反動式透平中，人們習(xí)慣于用一個反動度Ωt的概念，來表示燃?xì)庠趧尤~柵流道中繼續(xù)膨脹的程度。它的定義是(參見圖5-9b)(5-18)顯然，在沖動式透平級中Ωt=0，在反動式透平級中0<Ωt<1。通常，為了減小氣流在透平噴嘴環(huán)和動葉柵流道中的流阻損失，在反動式透平級中Ωt一般取為0.5左右。Ωt通稱為熱力學(xué)反動度。反動度的另一種表達(dá)形式是(5-19)它稱為基元級的運(yùn)動反動度。由式(5-10)和式(5-15)可知，對于正圓柱的回轉(zhuǎn)面來說，由式(5-17)已知因而(5-20)可以證明，當(dāng)Ωk=0.5時，假如c1a=c2a，流進(jìn)和流出動葉柵的氣流速度三角形是左右對稱的，如圖5-10所示。那時(5-21)圖5-10Ωk=0.5的速度三角形顯然，當(dāng)Ωk=0.5時，Ωt≠0.5，但與0.5很接近。Ωk=0的純沖動級和Ω圖5-10Ωk=0.5的速度三角形當(dāng)然，隨著反動度Ωt的加大，相對速度w2就要比w1大得更多，因而，動葉的進(jìn)氣角β1與出氣角β2之間的差值就會相應(yīng)地增大?；壍奶匦詤?shù)通常可以用流量因子φ、載荷系數(shù)Ψt、速度比χa(或χ1)以及等熵效率ηt來描寫透平基元級的特性。流量因子φ我們定義流量因子為進(jìn)入動葉柵的氣流軸向分速c1a與圓周速度u的比值，即(5-23)流量因子是基元級的重要特性參數(shù)。當(dāng)流量因子變化時，基元級的通流能力和葉片的形狀都會有相應(yīng)的變化。在圓周速度一定時，選擇大的流量因子標(biāo)志著設(shè)計者想通過增大氣流軸向分速度的辦法來減小葉片的高度。因而，高的φ值是大流量、高速透平的一個特征。反之，在概定的圓周速度條件下，如果φ值選得較小，設(shè)計者就可以把小流量透平的葉片制造得盡可能地高些，以求減少葉片流道的損失。載荷系數(shù)Ψt我們定義基元級的比功lt與圓周速度u2的比值為載荷系數(shù)(5-23)顯然，Ψt值正表示透平級的作功能力。Ψt值大，則表示在給定的圓周速度條件下，流經(jīng)透平級的每㎏/s氣體所作的膨脹軸功多。速度比我們稱燃?xì)鈴倪M(jìn)口的滯止?fàn)顟B(tài)(參見圖5-9)0*，等熵膨脹到出口的靜壓p2時所能達(dá)到的理論速度為燃?xì)馔ㄟ^基元級的假象速度cad，即(5-24)定義速度比為(5-25)有時，人們是這樣定義速度比的，即(5-26)在以后我們將看到速度比或?qū)壍男视忻芮械年P(guān)系。等熵膨脹效率ηt目前，常用等熵膨脹效率ηt來描寫透平基元級的膨脹效率，即(5-27)從圖5-9中可以看出：ηt中的等熵焓降h0*-h2*是根據(jù)燃?xì)獾目倝簆0*和膨脹終了時的靜壓得出的，因而又稱為等熵膨脹的靜效率，它常被用于單級透平或者多級透平的最末一級的計算中，那時，認(rèn)為透平級排氣的余速c2未能被利用。但對于余速得到利用的中間級，或是在作燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)計算時，則常用等熵膨脹滯止效率ηt*來描寫基元級的膨脹效率，即(5-28)顯然，當(dāng)級的余速c2被利用時，在計算級的等熵焓降時就必須扣除余速動能c22/2，那時ηt*中的等熵焓降h0*-h2s*是根據(jù)燃?xì)獾目倝簆0*和膨脹終了時的總壓p2*得出的。當(dāng)然，ηt*>ηt。透平級中的能量損失像壓氣機(jī)級那樣，透平級中會發(fā)生型阻損失、端部損失、徑向間隙的漏氣損失等那些會影響透平級中燃?xì)獾臓顟B(tài)參數(shù)的內(nèi)部損失，此外，還有由于氣流離開透平動葉柵時，因具有一定的絕對速度c2，而帶走的余速損失。從圖5-9中可以看出：由于型阻損失和端部損失的作用，燃?xì)庠趪娮飙h(huán)和動葉柵中就不能按等熵過程進(jìn)行膨脹，這將導(dǎo)致氣流在噴嘴環(huán)中發(fā)生Δhn的能量損失，同時使氣流在動葉柵中發(fā)生Δhb的能量損失。其結(jié)果將使氣流流出噴嘴環(huán)和動葉柵的流速c1和w2有一定程度的減小。倘若燃?xì)庠趪娮飙h(huán)中是按理想的等熵過程進(jìn)行膨脹，那么，在噴嘴環(huán)的出口氣流的理想絕對速度c1s應(yīng)等于(5-29)當(dāng)有摩擦和脫離等型阻損失和端部損失時，在噴嘴環(huán)出口處燃?xì)獾膶?shí)際絕對速度c1將降為(5-30)在透平的設(shè)計中，人們把實(shí)際速度c1與理想速度c1s的比值稱為速度系數(shù)，并以符號φ記之，即(5-31)由此可見(5-32)當(dāng)我們把噴嘴環(huán)中的能量損失Δhn，用噴嘴環(huán)中的理想等熵焓降h1，s的百分?jǐn)?shù)ζ1來表示時，則(5-33)式中ζ1稱為噴嘴環(huán)的能量損失系數(shù)。ζ1值越小，或是速度系數(shù)φ值越高時，那么噴嘴環(huán)中的能量損失就越小，其工作性能必然越加良好。不難證明，噴嘴環(huán)中能量損失Δhn的另一種表達(dá)形式ξ1=Δhn/hs*，可以表示為：(5-34)顯然，當(dāng)ψ和Ωt一定時，噴嘴環(huán)的能量損失ξ1就是一個常數(shù)。倘若φ=0.95~0.98，則沖動級(即Ωt=0)的ξ1=10%~4%；Ωt=0.5的反動級之ξ1=5%~2%。同理，可以推導(dǎo)出氣流在流經(jīng)動葉柵時，能量損失系數(shù)ζ2與相對的速度系數(shù)Ψ值之間的關(guān)系。其中定義(5-35)(5-36)(5-37)w2s是在動葉柵中當(dāng)氣流按等熵膨脹過程加速時，葉柵出口處的理想相對速度值(5-38)同樣不難證明：動葉柵中能量損失Δhb的另一種表達(dá)形式ξ2，(5-39)顯然，當(dāng)φ、Ψ、Ωt、、α1一定時，動葉柵的能量損失ξ2與速度比u/c1有密切的關(guān)系。倘若φ=Ψ=0.95~0.98，取u/c1=cosα1/2(以后將證明這是最佳選擇)α1=20°，那么，對于Ωt=0的級來說，ξ2=3%~13%；當(dāng)Ωt=0.5時，去u/c1=cosα1則ξ2=5%~2%。試驗表明：影響噴嘴環(huán)和動葉柵中能量損失系數(shù)ζ1(或φ)和ζ2(Ψ)的因素是很多的。其中型阻損失和端部損失與氣流進(jìn)入葉片時的沖角有密切關(guān)系。在正沖角范圍內(nèi)，隨著沖角的增大，端部損失，特別是型阻損失增加得很迅速，致使葉柵的總能量損失增大得很厲害。在負(fù)沖角范圍內(nèi)，隨著負(fù)沖角的加大，型阻損失雖然同樣是增大的，但是端部損失卻有所減小，因而葉柵的總能量損失卻反而會有所下降。對于型線已定的葉柵來說，通過合理地選擇葉柵的安裝角γp和相對柵距，可以使能量損失系數(shù)ζ1(或ζ2)趨于最小值。一般來說，沖動式葉柵的最佳相對柵距的范圍為0.60~0.70；反動式葉柵者大約為0.70~0.80。ζ2值還與氣流出口的馬赫Ma2=w2/a2有關(guān)。一般情況下對于設(shè)計良好的葉型來說，Ma2=0.7~0.8時，能量損失系數(shù)ζ2為最小。當(dāng)Ma2達(dá)到0.85左右時，由于在葉片背弧的出口段上，會開始出現(xiàn)局部的超音速區(qū)，以致產(chǎn)生激波損失，同時還會使尾跡渦流的損失加大，其總的效果是使ζ2值急劇增大。Re數(shù)對ζ2也有一定影響，加大Re數(shù)可以使ζ2下降。但是當(dāng)Re數(shù)增大到特定的臨界值Re1后，ζ2就不再受Re數(shù)的影響了。對于沖動式葉柵來說，Re1=3×105左右；在反動式葉柵中，Re1=2×105左右。顯然，透平級的余速損失Δhc，2=c22/2，它的另一種表達(dá)形式是(5-40)(5-41)顯然，當(dāng)φ、Ψ、Ωt、、α1和β2值選定后，余速損失系數(shù)ξc也速度比u/c1有密切關(guān)系。對Ωt=0的沖動級來說，若取φ=Ψ=0.95~0.98，α1=β2=20°u/c1=cosα1/2，則ζc=3.7%~4.4%。對于Ωt=0.5的反動級來說，則應(yīng)取u/c1=cosα1(以后將證明這是最選擇)，那時，ξc=5.3%~5.6%。我們定義：僅考慮了透平級內(nèi)Δhn、Δhb和Δhc，2三項能量損失的膨脹效率為透平級的輪周效率ηu，即(5-42)把式(5-34)、式(5-39)和式(5-41)帶入上式，經(jīng)整理后可得(5-43)由式(5-43)可知：減小噴嘴環(huán)和動葉柵中的型阻損失和端部損失等效應(yīng)(即：使φ和Ψ值增大)或者減小α1和β2角，在任何情況下都可以使透平級的輪周效率增高。但是u/c1和Ωt這兩個因素則不然，對應(yīng)于不同的反動度Ωt，為了確保ηu值為最大，必將有各自相應(yīng)的最佳速比值(u/c1)opt。從理論上可以證明：(1)對于Ωt=0的純沖動式透平級來說，當(dāng)φ、Ψ、β2、α1選定后，使ηu達(dá)到最大值所對應(yīng)的最佳速比值(5-44)(2)對于Ωt=0.5的反動式透平級來說，當(dāng)φ、Ψ、α1、β2選定后，通常α1很小時，上式可以近似地簡化為圖5-11Ωt=0和Ω圖5-11Ωt=0和Ωt=0.5兩種透平級的輪周效率曲線(3)對于任意反動度的透平級來說(5-46)圖5-11和圖5-12上給出了Ωt=0和Ωt=0.5時，透平級的輪周效率ηu隨速比值u/c1的變化關(guān)系。從圖5-12可以更清楚地看出：①噴嘴環(huán)中的能量損失ξ1只與φ和Ωt有關(guān)，而與速度比u/c1無關(guān)，因而在圖5-12上ξ1值可以用一條水平線來表示；②動葉柵中的能量損失ξ2與u/c1有關(guān)系的，當(dāng)Ωt與α1選定不變時，隨著u/c1的增大，動葉柵進(jìn)口的w1和氣流的折轉(zhuǎn)角[180°-(β1+β2)]都相應(yīng)地有所減小，其結(jié)果將會使φ值增高。因而，隨著u/c1的增加，ξ2是下降的；③級中最大的能量損失項是余速損失ξc。隨著u/c1偏離(u/c1)opt值，余速損失的增大是極其明顯的。ξc最小值所對應(yīng)的u/c1值，也正是使級的輪