葉輪機(jī)械原理講義2氣動熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械中氣體流動過程分析一、軸流壓氣機(jī)和軸流渦輪的結(jié)構(gòu)特點,軸流壓氣機(jī),結(jié)構(gòu)特點：1、在軸向，靜葉與動葉交錯排列。2、在周向，幾何參數(shù)相同的葉片均勻排列。3、存在軸向間隙。4、存在徑向間隙。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉片機(jī)中的氣體流動的三維特性 1、葉片機(jī)中的氣體流動的三維速度分布

2、,二、葉片機(jī)中的氣體流動的三維特性 2、葉片機(jī)中的氣體流動特性,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),1、軸向速度變化。2、周向速度變化。 3、徑向速度變化。4、粘性對速度的影響。5、可壓縮性。6、非定常流動。,葉柵流動的簡化：,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),假設(shè)流動是定常的； 假設(shè)流動是軸對稱的； 假定粘性作用主要在邊界層中。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動

3、熱力學(xué)基礎(chǔ),§2.2 一維定常流動的基本方程,一維流動分析的作用：1、初始階段設(shè)計方案分析及設(shè)計參數(shù)優(yōu)化；2、初步確定流道形狀、葉片數(shù)、級數(shù)各截面特征參數(shù)。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),在氣體動力學(xué)和工程熱力學(xué)中已介紹過描述氣體運動的基本方程:連續(xù)方程、能量方程、熱力學(xué)第一定律方程、動量方程和動量矩方程。 本章重點介紹上述方程在葉輪機(jī)械中的應(yīng)用。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)

4、中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),一、連續(xù)方程在dt時間內(nèi)流過面積dA的氣體質(zhì)量dm為：在單位時間內(nèi)流過dA的氣流質(zhì)量為：,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),用滯止參數(shù)及流量函數(shù)表示連續(xù)方程：,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),如果假定過流斷面參數(shù)均勻（對軸流式流體機(jī)械來說既徑向參數(shù)均勻）：,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),二、能量守恒方程,上圖給出的流管中取控制體(即開口系統(tǒng))

5、1122中的氣體為研究對，導(dǎo)出一維定常流的能量方程式。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),注：非慣性坐標(biāo)系下必須考慮所有慣性力做功，慣性力包括離心力和哥氏力。哥氏力與相對運動速度垂直不做功。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),熱力學(xué)第一定律方程：,上述方程是對氣體微團(tuán)建立，在葉柵中氣體微團(tuán)從

6、1截面運動到2截面相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)從1變化到2：,注：狀態(tài)參數(shù)變化與坐標(biāo)系無關(guān)，流體微團(tuán)與外界能量交換可等效為熱量交換。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),機(jī)械能形式的能量守恒方程：,目的是反映機(jī)械能（動能與壓力勢能）的變化，以及流動損失對機(jī)械能變化的影響。 通過狀態(tài)參數(shù)變化也能反映非絕熱過程影響。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉

7、輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),機(jī)械能形式的能量守恒方程沒有顯式地反映氣體與外界熱量交換的情況，但對與外界有或無熱量交換的流動過程都是適用的。氣體與外界的熱量交換對壓縮功或膨脹功項有影響，進(jìn)而會影響到氣體絕對和相對動能變化量的大小。,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章

8、 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),動量矩方程：,葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第二章 葉片機(jī)中的氣動熱力學(xué)基礎(chǔ),葉輪機(jī)械原理——第三章 軸流壓氣機(jī)工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章 軸流壓氣機(jī)工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,壓縮過程的熱力學(xué)圖示表征,T-S圖,h-S圖,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,滯止等熵

9、效率Isentropic efficiency,等熵壓縮功,實際壓縮功,滯止等熵效率計算式,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,結(jié)構(gòu)參數(shù),1、外徑2、輪轂直徑（內(nèi)徑）3、輪轂比4、徑向間隙5、軸向間隙,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,級的參數(shù)變化及熱力過程焓熵圖,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,葉輪機(jī)

10、械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,平面基元級,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,基元級的局限性：,1、無法考慮端部損失；2、徑向參數(shù)的不均勻性；3、多級匹配問題；4、周向參數(shù)不均勻的問題,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,基元級速度三角形及主要參數(shù)速度三角形（velocity triangles）的組成,C: 絕對速度W：相對速度U：牽連速度,葉

11、輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)的工作原理,決定速度三角形的主要參數(shù)1、進(jìn)口軸向分速度C1a2、進(jìn)口切向分速度C1u3、圓周速度U4、扭速△WU （△CU）,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,基元級輪緣功（理論功、輪周功）,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,輪緣功的表達(dá)式：1、歐拉方程第一表達(dá)式：,（1）

12、、式中 和 常稱為扭速，計算所得的比功Lu常稱為理論功或理論加功量。（2）該式清楚池表明：基元級中加給氣體的理論功與動葉柵的圓周速度和氣流流過葉柵時的扭速成正比。（3）在國際單位制，輪緣功的單位是J／kg,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,2、歐拉方程第二表達(dá)式：,（1）、給氣流加入功葉柵中的氣流動能必然發(fā)生變化，也就是加工量體現(xiàn)在氣流動能的變化上。（2）三項的意義分別是：相對動能的變化量（動葉靜壓的升

13、高）、絕對動能的變化量（為靜葉靜壓升高做準(zhǔn)備）、離心力做的功。,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,基元級中靜葉作用,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,基元級反動度：,氣流流過基元級時動葉、靜葉都對氣流有增壓作用，總的靜壓升高確定后靜

14、壓升高在動葉和靜葉的分配對基元級的加功量和效率有較大影響。,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,反動度定義：,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)反動度0.5~0.7,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,運動反動度的定義：,由機(jī)械能形式的能量守恒方程有：,由靜葉能量守恒方程有：,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,反動度的表達(dá)式可寫為：,葉輪機(jī)械原理——第三章軸流壓氣機(jī)基元級理論,