重要的一点
轴流式涡轮示例:
用于发电的燃气涡轮机组或涡喷发动机主要由压气机、燃烧室和产生推力的涡轮组成。通过压缩机的空气压力增加。
然后空气被泵入燃烧室，导致温度上升。然后，这种高压和高温气体通过涡轮，在那里它被膨胀，并获得所需的功率。涡轮，像压缩机一样，可以分为径向，轴向和混合流机器。
在轴向机械中，流体基本上沿轴向通过转子运动。在径向型中，流体运动主要是径向的。混合流机的特点是流体相对于转子的轴向和径向运动的组合。
涡轮类型的选择取决于应用，尽管并不总是清楚哪种类型更好。比较相同总直径的轴向和径向涡轮，我们可以说轴向机，例如在压缩机的情况下，能够处理明显更高质量的流量。另一方面，对于较小的质量流量，径向机器可以比轴向机器更有效。
径向涡轮的每相压力比比轴向涡轮高。而轴向涡轮多级布置要容易得多，因此轴向涡轮实现大的总压比并不困难。在本章中，我们将重点介绍轴流涡轮。一般来说，设计良好的涡轮的效率要高于压缩机的效率。
此外，设计过程也比较简单。造成这种情况的主要原因是流体通过涡轮内的压降，压气机内的压力增大。涡轮内的压降足以使边界层一般表现良好，可以避免压气机因涡轮内压力梯度不利而经常发生的边界层分离。
抵消这一优势是一个更重要的应力问题，因为涡轮转子必须在非常高温的气体中运行。实际的叶片形状往往更依赖于应力和冷却的考虑，而不是空气动力学的考虑，超出了满足速度三角形的要求。
由于涡轮流道中的压力通常是下降的，因此与轴向压气机叶片排相比，可以进一步弯曲给定的叶片排而不会产生流动分离的危险。这意味着每个级要做更多的工作，压力比也会显著提高。
近年来，在涡轮叶片冷却和涡轮叶片材料冶金方面取得了进展。这意味着涡轮能够在越来越高的入口气体温度下成功运行，并且涡轮发动机的推力、重量和燃料消耗都有了实质性的改进。
轴流式涡轮的类型:
根据工作流体的不同，轴流涡轮机可以是蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、液压涡轮机、水平轴风力涡轮机或洋流涡轮机。
# 1。轴流式汽轮机
蒸汽轮机的工作是将蒸汽中的热能转化为机械能。188BET网页版它们被用于火力发电厂发电。蒸汽被引导通过涡轮到多级旋转叶片驱动发电机。
这些发电厂使用天然气、化石燃料、煤或核燃料。蒸汽轮机是一种热机，它通过几个步骤来实现其热力学效率的大部分进步，这些步骤导致理想可逆膨胀过程的封闭状态。
由于涡轮产生旋转运动，它特别适合驱动发电机。例如，在2014年，美国大约85%的电力是由蒸汽涡轮机产生的。涡轮发电机是连接到发电机上的蒸汽轮机。
蒸汽轮机比燃气轮机早开发了好几年。因此，轴流式燃气轮机的设计是汽轮机技术发展的结果。
# 2。轴流式燃气轮机
轴流涡轮是使用压缩流体的燃气轮机中应用最广泛的一种。轴流式涡轮提供大多数燃气轮机机组，并且在大多数工作范围内比径向涡轮更有效。燃气轮机是发电厂的核心，是将天然气或其他燃料转化为机械能的内燃机。188BET网页版
然后，能量驱动发电机产生电能。来自内燃机的高温加压气体进入燃气轮机并产生轴功输出。这个动作也会导致压缩机运行;在涡轮喷气发动机中，剩余的能量必须重新部署用于外部工作，包括直接产生推力、旋转风扇、螺旋桨或其他与发电机连接的独立涡轮。
# 3。能量转换方法的类型
因此，轴流涡轮可以分为两大类:冲击涡轮和反应涡轮。在脉冲式涡轮中，整个焓降发生在喷嘴之间;因此，进入转子的流速非常高。另一方面，反应涡轮的结构是这样的，喷嘴和转子之间有一个焓降。
3.1.冲动式汽轮机
脉冲式涡轮具有所有涡轮中最简单的基础。在燃气轮机中，这包括一组喷嘴和一排叶片。当气体进入喷嘴时，其高热能转化为动能。可以用下式表示:
V_{入口}= \√6{2 \三角洲h_ {0}} Vinlet = 2Δh0
高速气体撞击叶片，运动气流的大部分动能被转移到涡轮轴上做功。
下图是单级脉冲燃气轮机的原理图。在喷嘴内，静压随绝对速度的增大而减小。此时，转子内绝对速度减小;但静压和相对速度不变。
为了获得最大的能量传递，叶片必须以大约一半的气体喷射速度旋转。两个或更多的运动叶片排有时实现与一个喷嘴，以减少叶片尖端速度和车轮张力。在动叶排之间是导叶，将气体从一个动叶排转移到另一个动叶排——柯蒂斯涡轮(下图)。
另一种脉冲涡轮是速率涡轮，其中的工作是在不同的阶段完成的。每一级包括一个喷嘴和一排叶片。因此，射流的全部动能的一部分被涡轮的每一级吸收为有用的功。第一排动叶片的空气进入下一组喷嘴，进一步降低焓。速度增加，另一部分动能被吸收到相关的一排动叶片中。
在下面的图中，流速和压力分布通过一个速率涡轮显示。应该注意的是，除了一些摩擦损失外，喷嘴内的总压力和温度保持不变。
在脉冲式涡轮中，整个焓降都在喷口处，喷口的出口速度较大。因此，根据定义，脉冲涡轮的响应度等于零。由于转子的焓没有变化，所以进入转子和离开转子叶片的相对速度是相同的。绝对排气速度必须是轴向的，以达到最大的利用系数。因此，风角(α)可计算为:
\ cosα= \ \压裂{2 u} {V_{进口}}cosα= Vinlet2U
下标“inlet”表示涡轮转子入口，u为叶片转速。α通常很小，在12°到25°之间。
U/Vinlet的最佳值是表示向轴传递的最大能量的测量值。它也表示偏离cos α的预期设计值，导致能量转移的损失。在非设计条件下，由于不正确的气体攻角相对于转子叶片，损失增加。最大阶跃效率等于或接近上述的α值。
脉冲式涡轮流动产生的功率由欧拉方程确定:
P = \点{m} U (V_{\θ,入口}-V_{\θ,插座})P = m˙U (Vθ,进口−Vθ,出口)
在上式中，Vθ是绝对速度的切向分量。
对于最大效用因子，这个方程可以改写为:
P = \点{m} U (V_{\θ,入口}\因为\α)P = m˙U (Vθ,inletcosα)
在纯脉冲涡轮中，相对速度保持不变，除了摩擦和湍流的影响。损失范围从高速涡轮机的约20%到低速涡轮机的约8%不等。
3.2.反动式汽轮机
轴流式反馈涡轮是应用最广泛的涡轮。在反应式涡轮中，喷管和叶片都是喷管的延伸。因此，静叶和动叶的静压减小。静叶起到喷嘴的作用，并以略高于动叶速度的速度引导气流流向动叶。
在反应式涡轮中，速度通常很低，进入叶片的相对速度近似轴向。下图是反应式涡轮的示意图。
响应度等于1的100%反作用力涡轮是不实用的，因为需要很高的转子转速才能获得良好的利用率。
50%反应式透平应用广泛，具有特殊的强度。这种反应式水轮机的速度图是对称的，出口速度必须是轴向的，才能达到最大的利用系数。固定叶片和旋转叶片的角度相等。所以，为了最大限度地利用，我们有:
\ cosα= \ \压裂{你}{V_{进口}}cosα= VinletU
使用一般欧拉方程计算反应涡轮产生的功率:
P = \点{m} U (V_{\θ,入口}\因为\α)P = m˙U (Vθ,inletcosα
单级脉冲涡轮在相同转速下运行所产生的功是反应涡轮的两倍。因此，在相同的工作量下，反应式涡轮机的成本要高得多，因为它需要更多的级。
此外，由于叶片吸力效应，反应式涡轮具有更高的效率。因此，在多级涡轮的前几个级中使用脉冲级是非常常见的，其次是50%响应涡轮，以最大限度地降低压力。
这种组合导致了一种有效的妥协，因为全冲击涡轮的效率非常低，而全反应涡轮的级数过多。
轴流式水轮机:
水轮机的工作流体是水。轴向水轮机的一个非常常见的例子是卡普兰涡轮。水轮机是一种将河流或水库等高架水体中的可用势能转化为旋转机械能的涡轮机械。188BET网页版卡普兰是一种螺旋桨式水轮机，它应用了反应式水轮机的原理，通过改变通过涡轮的水的压力来从流体中提取能量。
轴流式风力机:
水平轴风力涡轮机有自己的旋转轴水平于地面，几乎平行于风流。大多数商用风力涡轮机都是由这些涡轮机制成的。水平轴风力涡轮机有自己的旋转轴水平于地面，几乎平行于风流。
大多数商用风力涡轮机都是由这些涡轮机制成的。风力涡轮机将风动能转化为机械能。188BET网页版它也可以直接应用于机械用途，如抽水或研磨谷物和发电。188BET网页版
轴流式船用涡轮机:
轴流式海涡轮机类似于典型的水平轴风力涡轮机上面所述。这些涡轮机的转子一端装有叶片，安装在固定在海底的垂直横梁上。当电流使叶片旋转时，涡轮机旋转并产生电能。
轴流涡轮所使用的能量可以最大化，因为叶片的流动面积包括当前的流动方向。因此，在某些形式的轴流涡轮中，转子可能会根据电流流动的方向而打哈欠。
P=0.5 P {P}\rho AV ^{3}P=0.5CpρAV3
式中为流体密度，A为轴流涡轮扫掠面积，V为流体速度，Cp为功率系数，一般为船用涡轮功率系数在0.35-0.5之间变化。
轴流式涡轮性能分析程序:
性能分析过程的目的是计算在一定压力比范围内以特定速度旋转的涡轮的关键涡轮性能参数。压力比通过保持涡轮级入口总温度和总压力恒定以及通过改变出口恒定压力来改变，这对涡轮分析是最优的(Mitchell, 1982)。
对于每个恒定的排气压力值，计算通过级的质量流量和通过级的平均半径气体。这些状态被用于涡轮性能参数的计算。计算各出口静压值的涡轮性能参数的工艺流程图。
在指定的出口恒压下，对涡轮级的中间静压进行了估算。这些估计被修正，直到质量流量通过发动机成为不变的所有部分。一旦通过四个涡轮截面的质量流量收敛到一个值，就可以计算涡轮性能参数。
# 1。定子进口状态
燃烧气体以纯轴向速度进入涡轮级，已知总温度和总压力。基于单相出口状态解的静压，对进口静压进行了估计。因此，对于定子进口处的状态计算，也将进口静压力视为一个已知的量。
定子进口的质量流量是通过等熵关系来确定的。总焓和常数焓之间的差，然后用于获得平均半径的通量速度。然后将该速度乘以平均半径静密度和进口流动面积，得到定子进口的质量流量。
# 2。定子退出状态
在求解定子排气条件时，假定流量离开后缘时与叶片角度一致。此外，由于静叶号。提供工质流动，且无热损失;总焓在叶片排保持不变。
因此定子的总温度和总焓是已知的。由于静叶排压力的损失，静叶排总压不能保持恒定。
相对总压损失系数用于量化这些损失，其定义为跨叶片排的相对总压损失与叶片排排气相对动压的比值:
取决于叶片几何形状、流速和叶片排两侧的气体性质。因此，由于流场和气体性质也依赖于，所以需要迭代求解出口状态。
An initial guess of is made, facilitating the calculation of the exit state. The resulting gas properties and flow field are then used to calculate a new total pressure loss coefficient, and the process is repeated until the loss coefficient has converged.
对于静叶，由于叶片排静止，相对总压损失系数变为绝对总压损失系数。The definition of is rearranged with the exhaust total pressure as the independent variable.
变比热理想气体的等熵关系用于将总比静态比温熵差与任意给定状态下的总压比静态压差联系起来。
静叶出口静态比温度熵的表达式为:
由于所得到的值仅与温度有关，因此还可以求出状态1时的静态温度和其他静态性质。
与定子进口状态相同，得到了静密度和流速大小。然而，与定子进口状态不同的是，由于流动符合出口叶片角度，因此它不是纯轴向流动。
因此，定子出口速度的轴向投影乘以相应的气体密度和流动面积，得到该位置的质量流量。
# 3。转子进口状态
在定子出口状态和转子进口状态之间，叶片高度和平均半径可能发生变化。平均半径的变化对圆周速度有影响。
这种效应是通过加强角动量守恒来模拟的。流体粒子在状态1的平均半径处的角动量为
角动量守恒定律规定，在状态二的平均半径处的流体粒子的角动量应该与状态一相同。假设两种状态下的粒子质量相等，两种周向速度之间的关系可以表示为
环形尺寸的变化也会改变环形截面积。根据指示，场中的这种变化被视为等熵喷嘴或等熵扩散器。在这种各向同性喷嘴和扩散器中，总温度和总压力保持恒定。因此，在转子进口的总性质是已知的。
在转子进口的静态特性计算使用静态气体密度的初始估计，并假设质量流量保持恒定从状态1到状态2。用这个估计值来计算状态2的恒定温度和压力，由此计算新的密度。
这些过程不断重复，直到转子入口处的静态密度值发生变化，表明真正的静态特性已经计算出来。在状态2中，相对流速和相对总气体性质变得相关。状态2的相对周向速度为:
由于叶片的运动垂直于轴向，因此绝对轴流速度和相对轴流速度之间没有差异。因此，状态二的相对流速由
用这个相对速度来计算状态2时气体的相对总焓和压强。状态2是计算中最后一次迭代的样本计数。
# 4。转子退出状态
转子排气位置的求解过程与定子排气位置的求解过程相似。这两种情况的主要区别是，由于转子做功的通量，总焓在状态2和状态3之间变化。
但是，可以看出，等半径轴流叶片排的相对总焓在叶片排上保持不变(Dixon, 1998)。因此，同样的方法被用于确定定子排气流特性，所有骨料特性都被相对骨料特性所取代。
质量流量是用相对转子排气速度的轴向投影来计算的。绝对速度和总流量性质，然后计算从常数和相对性质和速度。
# 5。计算涡轮级性能参数
在一定总静压比下工作的涡轮级的性能参数包括总压比、质量流量和总效率。
质量流量在最后一次状态计算迭代中计算，总压比也可以直接由这些计算值得到。然而，总效率对总效率的计算公式如下:
在总压比不变的情况下，利用等熵关系计算出理想转子排气总焓。
常见问题
轴流式涡轮实例
轴流式水轮机:水流方向与轴轴线平行。例子:卡普兰涡轮和螺旋桨涡轮。
轴流式涡轮的类型
- 轴流式汽轮机
- 轴流式燃气轮机
- 能量转换方法的类型
轴流式涡轮机
轴流式涡轮机，或水平轴涡轮机，非常类似于典型的水平轴风力涡轮机。轴流涡轮的转子一端有叶片，安装在固定在海底的垂直梁上。当电流使叶片转动时，涡轮机开始旋转并产生电能。