涡轮设计论文范文

涡轮设计论文范文第1篇

油涡轮部件的基本工作原理

油涡轮部件的基本结构型式，如图2所示，主要包括油涡轮和升压泵两个子部件，二者之间通过传动轴联接，其中油涡轮基本结构如图3所示，主要包括蜗壳、喷嘴、转轮和弯管四部分。油涡轮通过喷嘴将油流的压力能部分转换为动能冲动转轮做功，通过传动轴将所获得的轴功率传递给升压泵，升压泵再给主油泵入口供油。油涡轮与升压泵的轴功率匹配原则为：式中：NT为油涡轮轴功率；ηT为油涡轮水力效率；NB为升压泵输出轴功率；ηm为油涡轮部件的机械效率。其中，油涡轮的轴功率为：式中：QT为通过油涡轮流量；ΔPT、HT分别为油涡轮的压降和水头。升压泵的轴功率为：式中：QB为升压泵送出的流量；ΔPB、HB分别为升压泵的压降和扬程；Ne为升压泵输入轴功率；ηB为升压泵水力效率。

油涡轮基本原理模型的建立

1基本原理模型的概念

油涡轮基本原理模型就是理想的“极限型”油涡轮，即是将等角速度旋转的空间环列叶栅简化为等速直线运动的平面直线叶栅，如图4所示。

根据径流式与冲击式流体机械的经典假设，将油涡轮的复杂三元流动问题简化为二元流动问题。

（1）鉴于油涡轮叶片排列密集，假设转轮叶片数目Z0无限多，也就是说每枚叶片的流动一致。

（2）由于油涡轮叶片为一定高度的与图面相垂直的柱面，轴面速度沿叶片高度均匀分布。

（3）转轮直径D1逐渐增加至无限大，转轮叶片绕着无限远处的轴心线转动，其运动可以视为等速直线运动，其速度为旋转线速度U。（4）射流直径d0逐渐减小至无穷小，可以视为理想的连续质点束。其中，油涡轮基本原理模型的主要参数包括：入口射流与叶栅运动速度U夹角为入射角α1；出口射流与叶栅运动速度U夹角为出流角α2；相对速度W1与叶栅运动速度U的夹角为射流相对入流角β1；相对速度W2与叶栅运动速度U的夹角为射流相对出流角β2。基本原理模型中，叶片作直线运动，射流位置始终保持不变，且每个叶片型线完全相同，因此，叶片上的流体质点均沿着彼此完全相同的轨迹运动。叶片运动方向上转轮所受射流的作用力等于各个叶片受力之和，力的大小完全等同于一个位置固定的、翼型完全相同的叶片，接受以相对速度为W1的射流冲击时所产生的作用力。

2理想射流对叶片的作用力

根据冲量定理，Δt时间内叶片作用于流体质点的合成冲量为：式中：m为单个流体质点的质量；F为叶片反作用力；1W为进口速度；2W为出口速度。

理想射流对叶片的作用力[6]为：油涡轮关心的是转轮的扭矩和轴功率，需要获得射流对叶片作用力在叶片运动方向上的投影，也就是U方向上的分力FU。

3基本原理模型的特征方程

定义速度比ψ为叶片运动速度U与射流速度V1之比，由图4可知，流体质点速度在U方向上的投影为：因此，射流对转轮做功，即是油涡轮的输出功率为：这就是油涡轮基本原理模型的特征方程，主要包括几何参数（射流入射角α1，射流相对入流角β1，射流相对出流角β2）与运动参数（速度比ψ），给出了其水力性能与几何参数、运行参数的定量关系。

4关键影响因素的辨识

射流相对入流角β1的表达式为：式中：射流相对入流角β1，仅由射流入流角α1与速度比ψ决定，同时，油涡轮转轮叶片反动度很小，可以视为冲动式叶片，即β2＝π－β1。若假定喷嘴效率φ2为定值，则油涡轮效率仅为速度比ψ与射流入流角α1的函数，即η＝f(α1,ψ)。真实油涡轮由基本原理模型演化而来，将基本原理模型的转轮直径逐渐减小，射流直径逐渐加大，其实质是直径比D1/d0次第减小，便获得了一系列真实油涡轮。

综上所述，真实油涡轮的关键影响因素包括射流入流角α1、速度比ψ与直径比D1/d0。

转轮叶片相对于射流的运动

令射流不动，则转轮以角速度ω转动，同时，转轮中心逆着射流方向运动，其速度大小等于射流速度，方向相反，即是-V1。这一运动等同于在转轮上固定一个虚拟圆，虚拟圆沿着与射流平行的直线无滑动地滚动，如图5所示。虚拟圆的半径为α＝V1/ω，转轮与叶片均处于虚拟圆内，即是D1＜2a。在Y轴上取点K（0,r），虚拟圆转动t度时，K点在直角坐标系中的位置是（x,y），其方程式如下：因为a＞r，则为内摆线方程，这便是转轮叶片相对于射流的运动轨迹方程。

相邻叶片相应点的相对轨迹也是内摆线，形状完全一样，只是沿x轴平行移动一段距离P＝2πa/Z0．

油涡轮参数化设计模型的建立

若转轮的直径比D1/d0一定，根据油涡轮基本原理模型可知，给定叶片型线与射流入射角之后，速度比ψ为定值。换句话说，确定结构参数及运动参数（α1,ψ），便可以设计相应的最佳叶片型线。根据如图4所示的速度三角形可知，若叶片运动速度U保持不变，逐渐减小射流入射角α1，则叶片型线曲率变大，更加弯曲；若射流入射角α1不变，逐渐减小叶片运动速度U，则叶片型线曲率变大，亦更加弯曲。下面根据油涡轮基本原理模型指出的关键设计参数建立了有涡轮的参数化设计模型，如图6所示。

由图可知，参数化设计模型的主动参数包括：

（1）转轮转速n，对应于叶片运动速度U。

（2）喷嘴孔轴心线与Y轴夹角θ，对应于射流入射角α1．

（3）转轮直径D1和喷嘴直径d0，确定了转轮直径比D1/d0。

（4）顺时针旋转的转轮，前一个叶片的工作面圆弧R1与后一个叶片的背面圆弧R2，确定了叶片型线以及二者之间的流道变化规律。

（5）转轮叶片弦线与过叶片端点轴心线的夹角γ，也就是叶片在上的定位。其余参数均为被动参数，随着以上主动参数改变。

油涡轮设计边界条件的确定

“主油泵－油涡轮”子系统框架如图7所示。主要元件包括主油泵M、油涡轮T、升压泵B、节流阀TV、旁通阀BV、安全阀SV。根据汽轮机和电机转子轴承的润滑油流量与主油泵端部泄漏量Qml、安全阀溢油量Qsl之和以及升压泵出口与主油泵入口的高差Δh2，可以确定升压泵的流量和出口压力（节点1），从而确定其需要的输入轴功率。根据轴承的润滑油压力，可以确定反推油涡轮出口压力（节点6）；根据主油泵出口压力（节点3）与主油泵出口与油涡轮入口的高差Δh1、节流阀压降ΔP1之差，可以确定油涡轮蜗壳入口，也就是节流阀后压力（节点5），节点5与节点6的压差即为油涡轮蜗壳入口至弯管出口的压降ΔPT。根据升压泵的输入轴功率，假定油涡轮的水力效率ηT、机械效率ηm为定值，由式（2）与式（3）可知，通过油涡轮的流量与其压降值的乘积为常数，即QTΔPT＝C，若ΔPT已知，则可以确定通过油涡轮的流量QT。

油涡轮基本设计流程

（1）蜗壳设计按等速度矩原则设计蜗壳。uCr=K（19）式中：Cu为速度的圆周分量；r为半径；K为常数。

（2）喷嘴数目与喷嘴直径的确定

油涡轮的喷嘴为转轮提供自由射流，其流量的大小完全取决于出力NT。由式（2）、式（3）可知，油涡轮出力为：将式（20）、式（21）与式（14）联立可知，喷嘴水力损失系数φ与喷嘴直径直接相关，因此，喷嘴直径d0与喷嘴数目nj的乘积仅为油涡轮出力NT、蜗壳入口至弯管出口压降ΔPT的函数，如式（22）所示。

（3）设计转数与转轮直径的确定

将式（20）、式（21）与式（14）联立可知，喷嘴水力损失系数φ与喷嘴直径直接相关，因此，喷嘴直径d0与喷嘴数目nj的乘积仅为油涡轮出力NT、蜗壳入口至弯管出口压降ΔPT的函数，如式（22）所示。转轮运动线速度U为：将式（23）与式（14）联立可知，喷嘴直径确定后，喷嘴水力损失系数φ为定值，同时，速度比Ψ与转轮直径直接相关，选取转轮转速n后，即可确定速度比，因此，转轮直径D1与转数n的乘积取决于蜗壳入口至弯管出口压降ΔPT。油涡轮设计必须遵循“转数第一”原则，即保证油涡轮在其最优速度比下运行。

（4）喷嘴射流角的确定

第（2）步与第（3）步，已经可以确定油涡轮的速度比Ψ与直径比D1/d0，同时，根据油涡轮基本原理模型的特征方程可知，油涡轮的效率仅为速度比Ψ与射流入流角α1的函数，即η＝f(α1,Ψ)由此可以获得喷嘴射流角α1。

（5）叶片型线的确定

由第（2）～（4）步可知，直径比D1/d0、速度比Ψ与射流入流角α1均已确定，叶片的进、出口速度三角形也就确定了，叶片型线也就确定了，叶片曲率可以通过工作面与背面的圆弧半径调整。

（6）转轮叶片数目的确定

保证所有射流质点都对叶片做功的极限条件，两条内摆线恰好交汇于射流的外表线，可得叶片数目的下限值为：增加叶片数目，从而减少每个叶片的工作区段、受水时间与受水量，使其工作状态向基本原理模型靠拢，提高转轮效率。

（7）叶片在上的定位

叶片接受射流做功的大部分时间里，保持与射流垂直或接近垂直，也就是说每个叶片接受射流的中间位置与射流成垂直状态将是最佳选择。在图5中首先将叶片沿径向方向布置，然后将叶片沿内摆线平行移动至中间位置，并使叶片与射流垂直，同时，保证叶片在接受射流的整个过程中，偏离垂直位置的偏角最小，这就是叶片在上的定位原则。

（8）转轮流道变化规律检查

转轮上前一个叶片的工作面和后一个叶片的背面构成了流道，采用内切圆方法获得过水断面面积沿其中间流线的变化规律。

油涡轮性能预测模型的精度验证

借鉴径流式涡轮的预测模型，采用二阶迎风格式的标准k－ε模型，压力－速度耦合方式采用SIMPLEC算法，选用多重参考坐标系模拟转轮与喷嘴隔板动静交界面耦合问题，采用速度进口、压力进口与无滑移壁面边界条件，工作介质为22#透平油。

利用FLUENT软件可以直接提取压力、扭矩等外特性参数，从而获得水头、效率等次生参数值。以Ⅰ型油涡轮为例进行性能预测模型的精度验证，其关键几何参数如表1所示，其设计工况点相关参数为进出口压差0.8MPa，流量4000L/min，转速1500r/min。油涡轮全流道三维模型，如图8所示。设计工况点附近，油涡轮输出功率、水力效率与通过流量的关系，如图9所示。数值分析模型预测值与实验值相比，其最大误差为1.7%。油涡轮转轮叶片表面的静压分布，如图10所示，其进出口压差仅为0.11MPa，叶片反动度很小，同时考虑到58枚叶片的冲击损失与沿程阻力损失，可知转轮叶片主要利用射流所具有的动能做功，可以作为冲动式涡轮进行设计。

油涡轮设计实例

1油涡轮基本设计流程

以Ⅰ型油涡轮为基础改型设计Ⅱ型油涡轮为例说明其基本设计流程。根据设计边界条件，参照Ⅰ型油涡轮的关键几何参数，生成多组方案并利用经过精度验证的性能预测模型进行筛选获得最终方案。

（1）设计边界条件

由图7可知，根据汽轮机转子轴承、电机轴承以及氢密封所需的润滑油流量，再加上预估的主油泵端部泄漏量与安全阀溢油量，可以确定升压泵需要提供流量为9500L/min；根据升压泵出口与主油泵入口的高差可知，升压泵出口压力为0.26MPa；考虑到Ⅱ型与Ⅰ型油涡轮传动轴的通用性，应当降低传递的扭矩，因此，将设计转速升高至1600r/min。由此可知，设计工况点处升压泵的轴功率需求为52.5kW，若假设传动轴的机械效率为95%，则油涡轮输出功率的设计要求为55.3kW；根据主油泵出口压力、主油泵出口与油涡轮入口的高差与节流阀压降可知，Ⅱ型油涡轮的进出口压差为0.85MPa，略高于Ⅰ型油涡轮；根据经验假定油涡轮效率为60%，由式（20）可知，Ⅱ型油涡轮的设计流量为6900L/min。

则Ⅱ型油涡轮设计参数为进出口压差0.85MPa，流量6900L/min，转速1600r/min。

（2）关键几何参数

Ⅱ型比Ⅰ型油涡轮的设计流量增加了2900L/min，为了保证通流能力与喷嘴的效率，必须增加喷嘴数目与喷嘴直径，经过试算后取喷嘴数目为20组，喷嘴直径增大2mm，由于是双孔喷嘴所以叶片高度也随之增加4mm。再次考虑到传动轴的通用性，进一步减小传动轴的扭矩，叶轮直径增大10mm；由油涡轮基本原理特征方程可得，喷嘴孔轴心线与Y轴夹角为54°。Ⅱ型油涡轮关键几何参数，如表1所示。

（3）叶片型线

Ⅰ型油涡轮叶片数目的设计余量较大，因此，Ⅱ型油涡轮叶片数目可以保持不变，同时，叶片宽度（叶片弦长）应该随喷嘴直径增大而增大，因此，将叶片型线略微放大，Ⅱ型油涡轮的流道面积变化规律，如图11所示。

（4）Ⅱ型油涡轮性能评估

Ⅱ型油涡轮的流量-功率-转速关系，如图12所示，设计工况点处，其输出轴功率为59.8kW，能够满足升压泵的输入轴功率要求，同时，具有一定余量使得油涡轮在6300～7500L/min范围内也能满足升压泵的需求。Ⅱ型油涡轮的流量－效率－转速关系，如图13所示，设计工况点处，其水力效率为61.5%，与设计之初的假定值60%比较接近，同时，油涡轮在6300～7500L/min范围内其效率值亦稳定在60%左右，与假定值一致。

2产品性能的试验验证

厂里油系统试验台的布局与主要装置，如图14所示，可以进行主油泵试验、油涡轮试验以及二者的联动试验。保持油涡轮的进出口压差0.85MPa不变，通过调节通过油涡轮的流量来保证升压泵的“压力－流量”曲线，Ⅱ型油涡轮试验结果，如表2所示，油涡轮在1600～1750r/min范围内均满足升压泵的工作要求。

结论

（1）通过借鉴径流式与冲动式涡轮的设计理论，提出了基于速度三角形与冲量定理建立的油涡轮基本原理模型及其特征方程，找出了其关键影响因素——射流入流角α1、速度比ψ与直径比D1/d0。

涡轮设计论文范文第2篇

(1)概念。

能源节约型园林设计是设计中的新理念，它的出现与人们节能环保意识增强密切相联。具体是指，在进行园林设计过程中，重视对能源的有效利用，最大限度的降低能源消耗，减少环境污染，促进园林工程建设取得更大的综合效益。该理念的出现适应了现代园林设计的需要，越来越受到设计工作者的重视，其运用也愈加广泛。

(2)特征。

作为一种新的设计理念，能源节约型园林设计具有自身显著特征。一方面，在设计过程中，它以降低资源能源消耗为目的，对各种能源进行有效利用，促进园林工程建设综合效益的提高。另一方面，该设计理念的最终目的是实现节能和环保的目的，促进园林工程综合效益的发挥，也为人们生活营造更好的环境。

2能源节约型园林设计的意义

能源节约理念满足园林设计工作的需要，在设计中运用具有重要的现实意义。总的来说，其意义体现在以下几个方面。

(1)降低能耗。

园林设计中，从降低资源能源消耗的角度出发，根据具体工作需要，实现对各种能源的有效利用，达到尽量降低能耗的目的。这样不仅有利于降低对周围环境的污染，还有利于减低能耗，促进园林更好的发挥综合效益。

(2)提高生态环境质量。

设计工作理念对园林作用的发挥有着重要影响。设计中通过采取节能措施，有利于维护周围生态平衡，促进周围环境质量的提高。园林在日常运行中，能够吸收二氧化碳，释放氧气，涵养水源，减轻噪声污染，调节周围的温度与湿度，促进生态环境质量的提高。

(3)促进人与自然和谐。

通过运用能源节约理念，提高设计工作水平，更好的指导园林规划建设，降低园林运行的能源消耗，这是从人与自然和谐相处的理念出发，运用先进工作理念指导日常工作，有利于促进设计水平提高，同时也遵循规律，为人们生产生活创造良好氛围，实现对资源能源的有效利用，避免对周围环境带来污染，最终实现人与自然和谐相处的目的，为人们日常生活创造更好的环境氛围。

3能源节约型园林设计的方法

为了更好的落实能源节约的目的，在设计过程中，需要以能源节约理念为指导，从以下几个方面入手，采取有效的设计方法。

(1)太阳能设计方法。

太阳清洁，无污染，取之不尽用之不竭，在园林设计中加以合理利用，能够取得显著的节能效果。一方面，应该重视对树木、花草的设计和布局，发挥树叶吸收太阳能辐射的作用，通过布局具有较大树冠的树木，吸收太阳辐射热能，遮挡太阳光线，改善园林空间舒适度，取得更好的绿化效果。另一方面，要采取适当的对策搜集和利用太阳能，有效解决绿化照明问题。通过合理设计太阳能景观灯，不仅能够达到应有的照明效果，还可以增强夜景的高效、美观，营造良好的环境氛围，取得良好的节能效果。

(2)风能设计方法。

首先，需要根据园林具体情况，对各类景观进行合理布置。例如，设计过程中，通过合理利用假山、小径、地形、廊架等各类景观，对风的流速加以引导或聚集，使空气的温度得以改变。利用空气的流动，在夏季高温情况下，也能够带走人体的热量，起到降温的效果。其次，设计中需要考虑园林的主导风向因素，尤其是活动空间位置。冬季活动空间应设置在太阳照耀的地方，避开不利风向。夏季也需要合理利用主导风向，为自然通风营造良好氛围，为人们生活营造舒适的环境。另外，风中夹带热风和冷风，会使周围环境发生相应的变化，改善周围环境，使周围环境更加舒适。因此，在园林设计中，必须合理利用风能，采取相应措施，实现对风能合理有效利用，以取得更好的风能设计效果，优化园林设计环境。

(3)水能设计方法。

设计中不仅要重视水的利用，营造良好的环境氛围，提高园林景观观赏价值，还需要合理利用园林环境，实现降低水资源消耗的目的，取得更好的节能效果。首先要考虑水体来源，大面积水体不仅能改善周围温度和湿度，还能够改善周围小气候条件。但设计中不能片面追求大面积水体，因为这样会增大水资源消耗量。所有，必须考虑水资源消耗问题，充分利用园林的地形、自然水体、景观设计需要等因素，实现最佳的水体设计效果。同时还需要考虑天然水和地表水，设置相应的收集措施，实现对天然水的收集和有效利用，并对其进行绿化，从而取得更好的运用效果。另外，进行喷泉、水幕设计的时候，也需要考虑水资源消耗问题，对水源消耗进行严格控制，避免水资源浪费，取得更好的节约用水效果。

(4)生物能设计方法。

主要是将园林内的废弃物、垃圾等进行集中处理，设置沼气池，通过净化之后对沼气进行合理利用，实现发热、发电的目的，从而促进整个园林景区取得更好的节能效果。

(5)地热能设计方法。

设计中采用地源热泵技术，实现对地热能的利用，将其运用到采暖和热水方面，供整个园区使用。该技术不仅无污染，而且成本低，效果良好，对整个园林设计具有重要作用，在进行能源节约型园林设计中需要高度重视。

4结束语

涡轮设计论文范文第3篇

对于透平机械制造厂商来说，不仅要尽可能地提高叶片的效率和安全可靠性，同时要求尽可能地降低开发设计制造成本。例如作为汽轮机的能量转换关键部件叶片，其制造加工约占整个汽轮机机械加工量的30%以上。开发高负荷叶片，在保证输出功率的前提下，可以大幅度减少叶片数目。结合高负荷叶片设计的大焓降透平级，可以减少汽轮机通流部分的级数。日本东芝公司的250MW到450MW汽轮机，高压缸加调节级只有7级，中压缸5级。日立公司的600MW汽轮机的高压缸加调节级只有7级，中压缸5级。但是都采用增大根径来保证透平级的最佳速比，从而得到最佳的轮周效率。因此，在保证汽轮机运行安全可靠性的前提下，高负荷叶片和大焓降透平级的研发和应用将显著地减小汽轮机通流部分的结构尺寸和保持高效率，从而降低汽轮机制造成本及电厂建设和安装成本，提高汽轮机制造厂商的产品竞争力［3］。高负荷叶片是指增加叶片的负荷，主要应用于燃气轮机工业中。高负荷叶片设计可以提供通过增加每只叶片的负荷而减少透平级叶片的数目。一般采用Zweifel负荷系数［4］来定义叶片的负荷。其中s是叶片吸力面高度，Bx是轴向弦长，β1和β2分别是进口和出口气流角，u1和u2分别是气流速度流线方向的分量。负荷系数Zw可以通过确定叶片的数目和稠度来优化透平性能。目前在航空发动机涡轮的高负荷叶片设计是认为负荷系数Zw大于1．15［5］。而对汽轮机叶片负荷设计中的负荷系数的具体数值还没有统一的认识，一般认为负荷系数Zw大于0．75以上就是具有高负荷叶型特点的叶片。

1高负荷叶片在燃气轮机中应用

现代航空发动机的低压涡轮效率已经达到很高水平，在此基础上期望继续提高效率变得非常困难，由于低压涡轮部件占整台发动机重量的近1/3，降低其重量成为进一步提高发动机性能的关键技术。减轻发动机重量的关键在于减轻低压涡轮的重量，这就需要减少低压涡轮级的叶片数目，在给定涡轮级负荷的前提下，必须增加单个叶片的气动负荷，因此发展了区别于传统叶型的高负荷和超高负荷叶型。高负荷叶型由于负荷的增大，叶型的吸力面压力分布相比于传统叶型具有较大的差别，主要区别在于高负荷叶型的负荷分布具有前移的特征，进而导致叶栅内横向压力梯度增大，叶栅内的端部次流损失增加，同时流动具有较大的逆压梯度，易导致流动发生分离，因而使得高负荷叶型具有很高的叶栅损失。控制高负荷叶型的流动分离和减少二次流损失成为高负荷叶型发展与应用的关键技术和研究热点［6－8］。国外在近10多年的时间内，针对涡轮高负荷叶片在叶型设计、边界层流动分离和控制以及气动性能方面开展了大量的实验测量、数值模拟和理论分析。Sjolander等［9］利用风洞试验台开展了跨音速叶型不同负荷分布对其气动性能影响的实验研究，分别研究了气流攻角和出口马赫数对三种典型加载设计的叶型气动性能的影响特性。图1是Sjolander等［9］开发了不同载荷方式下的叶型型线，分别是针对前加载叶型、中部加载叶型和后加载叶型型线。图2是不同加载方式的等熵马赫数分布的实验结果。Sjolander等［9］实验研究结果表明:后加载方式设计的叶型具有最佳的气动效率，其次是中部加载。而前加载叶型的气动性能最差。

英国剑桥大学的Whittle实验室的Hodson和Howell对高负荷低压涡轮叶片在定常和非定常气动性能及其影响因素方面开展了数值和实验研究工作。Hodson和Howell在发展高负荷叶型的同时对影响高负荷叶型气动性能的有关因素进行了详细的实验和数值研究，分别开展进口Re数、进口湍流度、非定常上游尾迹等对高负荷叶片流动分离的影响。Hodson的高负荷叶片的试验台是采用运动绕流柱结构开展非定常尾迹对高负荷叶片和超高负荷叶片的边界层及气动性能影响机理研究，获得了大量的实验数据和理论分析结果，为高负荷叶型的设计和工程应用奠定了坚实的理论基础和参考数据。图3是在不同Re数下，高负荷叶片和超高负荷叶片在涡轮应用中对涡轮效率的影响。

Sonoda等［10］采用遗传算法为优化方法，开展了总压损失和折转角最小为优化目标的先进高负荷跨音速叶型的优化设计工作。在优化得到的高负荷叶型的基础上，利用数值和实验方法对优化的高负荷叶型进行了气动性能的验证。图4和图5是Sonoda等［10］设计优化的高负荷涡轮叶片型线和总压损失系数的比较。研究结果表明:在等熵出口马赫数1．2时优化的高负荷叶型相比于传统叶型具有12%的能量损失下降。

德国MTU实验室的Gier等［11］经历了10～15年时间的研究旨在提高涡轮叶片的负荷，特别是针对低压涡轮叶片。图6(见下页)是Gier等［11］研发设计的高负荷涡轮叶片压力系数分布的实验测量和数值模拟结果的比较。实验测量与数值模拟结果吻合良好，验证了设计优化得到的高负荷涡轮叶片气动性能的可靠性。Gier等［11］设计研发了在负荷系数从0．86提高到1．04、0．95提高到1．14、0．96提高到1．13和1．04提高到1．24的高负荷新叶型。实验测量和数值模拟的结果可以证明:在基本叶型基础上，实现了20%～50%负荷增加的高负荷叶型设计。

2高负荷叶片和大焓降级的研发应用

叶栅损失一般分为叶型损失、二次流损失和叶顶泄漏损失。叶型损失与叶片表面的附面层状态和特性有关，主要包括气流粘性引起的摩擦损失、附面层分离引起的涡流损失及出口尾迹损失。叶型损失的大小取决于叶片表面附面层的流动特性、尾迹区旋涡的能量耗散和尾迹区与主流区气流的相互掺混等。二次流损失是透平叶栅损失的主要组成部分，约占30%，甚至高达50%～70%。随着汽轮机通流技术的发展，GE、日立等公司近些年来都在发展高负荷叶型。在保证足够的强度条件下，选择最佳的负荷系数，减少叶片只数，使整周叶片表面面积减小，减小型面摩擦损失和尾迹损失，并使吸力面不产生脱流，使叶型保持低的型损，同时通过全三维设计来抑制由于叶片负荷增加可能带来的二次流损失增加，这样在保持叶型高气动效率的情况下，大大减小了叶片只数，降低制造成本［3］。

在高负荷叶片设计和研发的同时，需要考虑大焓降级的设计要求。结合高负荷动叶片和大焓降静叶片的匹配，可以使得透平级的焓降大幅度提高，减少汽轮机通流部分透平级数，降低制造成本。高负荷叶片的研发和应用与传统常规动叶片相比可以减少叶片数目14%～20%。在透平级中高负荷叶片数目的减少导致栅距增加，透平级栅距的减少虽然带来了型面损失的降低，包括尾迹损失。但是由于叶片负荷的增加导致叶栅流道内叶片的压力面和吸力面间的横向压差增加，使得叶栅通道内的二次流强度增加，从而造成流动损失增加。同时由于高负荷叶片相比常规叶片具有更大的气流折转角，需要对高负荷叶片的吸力面靠近尾缘附件认真考虑，从而尽量降低吸力面尾缘附近较大的逆压梯度而导致流动发生分离，流动发生分离不仅造成流动损失增加，而且降低叶片的负荷，使得高负荷叶片的作用减弱甚至消失。

GE公司报道其某些静叶整圈只数减小了近50%，日立公司在DH－600B机型的低压前几级静叶采用了高负荷前加载无扩压叶型－CUC叶型，并采用了AVN设计。为了提高叶栅的负荷，采用前加载是一种比较好的方法，通过型线曲率的控制使叶栅在进口段有较大的收敛度，使叶栅迅速加载从而提高整个叶栅通道的负荷。Hashinmoto和Kimura［12］研究了一种高负荷前加载叶型，试验验证了高负荷前加载叶型的能量损失系数较后加载叶型低。图7给出了常规叶型与高负荷叶型的效率比较。［12］Kiyoshi［13］在常叶片的基础上设计了高负荷叶片，将常规叶片的负荷系数从0．64～0．79提升为0．70～0．85。Kiyoshi采用数值模拟和平面叶栅性能实验对设计的高负荷叶片进行验证。数值模拟和实验测量的结果表明在保证性能基本不变的情况下，高负荷动叶片可减少叶片只数约14%。文献提到了所发展的高负荷动叶片已经应用于汽轮机的高压级改造。

周凡贞等［3］针对汽轮机通流部分的高负荷和大焓降级的设计方法和基础理论进行了研究，探讨了采用高负荷叶片和大焓降级设计运行安全可靠的新型高效率汽轮机的途径。周凡贞等［3］对于高负荷叶片和大焓降级的研发认为需要参考燃气轮机高负荷叶片的特点，结合实验研究进行。提出的基本设计方法是:(1)通过增大根径或者转速来增大圆周速度，可以保证在增加级焓降时具有最佳速比;(2)进一步减小静叶和动叶的出口气流角，但是有一定的限制;(3)减小反动式级的反动度，可以增大反动式透平级的焓降;(4)采用可控涡或者弯扭叶片成型技术，控制反动度沿叶高的分布来增加焓降;(5)减少叶片数目来增加叶片的气动负荷。

周凡贞等［14］开展了某100MW汽轮机的高压缸大焓降级的改进设计和叶栅成型研究。在转速和根径不变的情况将16级高压缸通流部分设计成12级，平均级焓降增加25%，平均的速比由原先的0．514减少为0．446。热力设计表明改进设计后仍然具有较好的效率，但是动叶和静叶的几何进汽角减小。论文提出需要开发具有良好攻角特性的小进汽角叶栅。周凡贞等［15］对汽轮机高负荷叶片三维成型设计进行了研究，同时采用级进行气动性能的数值验证。研究结果给出了典型汽轮机的透平级，减少动叶片的数目是18只，在三维数值计算分析的基础上验证了新设计的叶栅叶片负荷增加15%，而效率基本保持不变。

孙奇［1］和李军等［16］对高负荷叶片和后加载叶片的气动性能和三维积叠规律进行了实验和数值研究。采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究。图8给出了前加载和后加载叶型的型线和直列叶栅吹风实验压力系数分布结果与数值模拟结果的比较。平面叶栅吹风试验结果表明:前加载叶型的头部为较大的圆弧形，在±20°攻角范围内，能量损失系数几乎不变。后加载叶型的能量损失系数随攻角的变化也很小，只是在－15°攻角以后损失增加较多。但总的说来，前加载叶型在各种攻角下的叶型损失系数都较后加载叶型略低。

图9是前加载和后加载叶片径向弯曲设计后的叶片型线和环形叶栅吹风实验结果比较。环形叶栅吹风试验结果表明:前加载叶型叶根、顶部的端损都较后加载叶型小，说明了前加载叶型通过对三维弯曲成型生成线的控制，减小了通道涡的强度，有效地抑制了端部二次流。从试验结果来看，前加载叶型采用的弯曲较好地抑制了端部二次流，也说明前加载叶型可通过较好的弯曲成型来减小由于其内外弧压差大而可能导致的横向二次流的加大，同时也说明前加载叶型宜采用较大的弯曲量和较大的根、顶部正、负倾斜角度。前加载直叶栅由于其叶型本身前加载的特点，二次流的生成较早，其根部的损失最大。而后加载直叶栅由于其后加载的特点，在根部的端部损失较前加载直叶栅小。前加载叶栅采用较大切向弯曲后效果最好，而后加载采用弯曲后较直叶栅也能有效降低单排叶栅的损失。

3结论和展望

3．1结论

论文综述了航空涡轮中高负荷叶片的设计研发和气动性能的实验和数值研究进展。在航空涡轮高负荷叶片气动设计概念的基础上，详细介绍了汽轮机中高负荷叶片和大焓降级的设计思路和研究现状。介绍了汽轮机中高负荷叶片设计中不同载荷方式设计思路和方法，特别是大焓降透平级在汽轮机中应用的初步探讨。论文给出了前加载高负荷叶片在汽轮机中应用的研发现状和进展。

3．2展望

在航空涡轮高负荷叶片和大焓降透平级气动设计和基础研究进展综述的基础上，针对高负荷叶片和大焓降透平级在汽轮机通流设计中的应用和相关关键技术研究进行了如下展望。

(1)高负荷叶片的设计优化研究

常规高负荷叶片由于叶道中横向压力梯度增加，导致对于低展弦比叶片的二次流损失增加。开展高负荷叶片的三维气动优化设计，降低二次流损失，对于拓展高负荷叶片在汽轮机透平级中的应用具有现实的工程应用价值。高负荷叶片在汽轮机透平级设计中应用需要开展径向积叠三维优化设计，同时结合非轴对称端壁成型技术等方法，降低高负荷叶片端壁的横向压力梯度，进而降低二次流强度和减少二次流损失。具体研究工作应该集中在两个方面:(a)高负荷叶片型线和径向积叠规律的设计和优化和非轴对称造型技术的研究，旨在提高高负荷叶片的气动效率;(b)高负荷叶片在设计工况和变工况性能的研究，包括数值和实验研究。旨在研究变工况下高负荷叶片的边界层可能发生流动分离，进而大幅度降低叶片负荷和增加流动损失的影响因素和控制方法。

(2)大焓降透平级的设计优化研究

在汽轮机透平级最佳速比的设计条件下，开展汽轮机通流部分中大焓降透平级设计理论和方法的研究。大焓降透平级的设计优化主要包括大焓降透平级的速比选择;静叶/动叶匹配的最佳设计;大焓降透平级的定常和非定常气动性能研究。

涡轮设计论文范文第4篇

1流固耦合的分析方法

流固耦合问题的历史可以追溯到1843年，当时Stokes[2]研究了一个无限长圆柱体在无限流体介质中的均匀加速问题。他得出的结论是：流体对圆柱体运动仅有的影响是增加了它的有效质量。Stokes早年的这种引入附加有效质量的基本概念和做法极大地影响了流固耦合分析理论后来的发展。现代流固耦合分析开始于20世纪50年代。最早进行航天运载器中液体燃料容器的分析研究，而对于核动力系统，最著名的是Fritz和Kiss关于同心圆柱体摆动运动的研究报告，其中流体介质是有限的，固体是刚性体。自20世纪70年代以来，人们开始研究流体与弹性体间的流固耦合问题。最早的论文是Krajcinovic在1974年发表的。早期的流体-结构耦合分析一般是以核反应堆安全分析为背景的，Belytschko在1977年对这一阶段进行了总结，指出当时的耦合分析实际是以解耦的方式进行的，即：首先，忽略结构变形，将结构看作流体的刚性壁，计算流场分布；然后，将流体计算得到的刚性壁压力加在结构上，计算结构的变形、响应。一般认为，流场作用于刚性壁的压力比柔性壁要大，所以结果对结构来说是趋于保守的。这种解耦算法一方面导致结构的过于安全的设计；另一方面，当流体—结构系统发生共振时，这种算法是不可信、不安全的。正是因为采用解耦的算法，流体域可以采用有限元，也可以采用有限差分。在随后的三十多年中，由于计算固体力学、计算流体力学的不断发展完善以及计算经验的不断积累，最初的分析方法不再被采用。耦合的算法取代了解耦算法，因为有限差分与有限元联合计算有很大困难以及有限元在流场计算中的不断完善，有限元成为流体—结构耦合的主导算法。

2标准k-ε湍流模型的封闭方程组

Reynolds首先认为流体的运动在从层流状态过渡到湍流状态后，流体的物理和力学性质没有变化，流体的续性没有受到破外，Navier-Stokes方程仍能描写湍流的瞬时规律。上述假定虽然至今仍未能得到严密论证和证实，但一百多年以来，研究湍流的实践表明，这些假定并没有与实际情况发生矛盾，说明Navier-Stokes方程应用于湍流问题是适宜的。如用f表示流动变量的瞬时值，表示f的统计平均值，各量的瞬时值与统计平均值之差即为各量大的脉动值′，即：根据式(1)，将连续方程、动量方程平均化后得(为符号简单起见，平均值速度u、压力p符号上的“-”都去掉了)。

3流固耦合系统的方程

ALE描述实际只是与物质时间导数相关，反映了物理量时间上的绝对变化和相对变化的关系，从而容易得到N-S方程的ALE描述形式如下：从式(10)可以看出，ALE描述并不影响空间导数项。针对边界问题，相当于调整网格后，使对原问题的描述既不是Lagrangian描述，也不是Eulerian描述，调整网格引入的对流量也必须考虑在内。

4迭代法求解双向耦合

在很多耦合问题中，流体的作用力影响结构的变形，同时结构的位移又影响流场的形态。这正是进行流固耦合分析的原因，这种类型的分析叫做“双向耦合(two-waycoupling)”。在某些情况下，结构的变形非常小，它对流体的影响可以忽略。只有流体的应力需要施加到结构上，流体和结构模型之间不需要迭代，这种类型的耦合叫做“单项耦合(one-waycoupling)”。迭代法求解双向耦合的解法也叫做分离法。流体和结构的求解变量是完全耦合的。流体方程和结构方程是按顺序相互迭代求解的，各自在每一步得到的结果提供给另一部份使用，直到耦合系统的解达到收敛，迭代停止。计算过程可以概括为：为了得到t+Δt时刻的解，在流体模型和结构模型之间开始迭代计算。设初始解为。

5算例

涡轮设计论文范文第5篇

关键词：航空发动机；叶尖间隙；微电容检测；拟合方法；负阶次多项式；拟合算法

对于现代航空发动机而言，叶尖间隙对于提升压气机和涡轮效率具有重要影响［1］。英国罗罗公司对现代燃气涡轮发动机研究表明［2］，如果将叶尖间隙每增加叶片长度的1％，效率就会降低约1．5％；而效率每降低1％，耗油率约增加2％。据GE公司对CF5～CF50发动机的分析可得，叶尖间隙对耗油率的影响约占叶型与间隙密封总损失的67％。因此，在设计过程中，应在保证安全的前提下尽可能地减小叶尖间隙；在发动机使用与维护过程中，必须严格而精确地控制和测量叶尖间隙，使发动机处于最佳运行状态。目前，航空发动机叶尖间隙测量技术主要有探针火花放电法、电容法、微波法、电涡流法、光纤法、激光法、超声波法和X射线法等［3］。这些方法具有不同的优缺点，其中，电容法具有结构简单、体积小、分辨率高和非接触式测量等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作［4］，是国内外目前应用比较广泛的测试方法之一。本文应用MATLAB软件的Cftool拟合工具箱，通过试验研究叶尖间隙微电容检测的高精度拟合方法，并结合相关数学理论与方法进行深入地探讨和分析；之后，根据工程实践与研究的需要，选定负阶次多项式作为最佳的拟合工具，并给出详细、实用的拟合算法。

1微电容检测原理

间隙式电容传感器应用广泛，它采用平面极板作为敏感元件，适用于小位移检测。以定极板为传感器测头，动极板与被测件相连，或被测件即为动极板。当两极板间距变化时，电容量改变。

2叶尖间隙测试数据拟合试验分析

由于微电容C和叶尖间隙d成反比例关系，而C又与测量电压U成正比例关系，因此，测量电压U与叶尖间隙d也成反比例函数关系。在试验中，可通过测量和标定，获得U与d之间的准确数据，然后通过拟合，获得二者之间的函数关系，进而可在数据分析中，方便地读出叶尖间隙d的相关数据。

2．1典型拟合步骤数据

拟合问题是指如何从一组给定的试验数据（xi，yi）（i＝0，1，L，N）出发，寻找函数的一个近似表达式y＝φ（x），要求近似表达式能够反映数据的基本趋势而又不一定过全部的试验数据点。最小二乘法拟合是最常用的拟合方法之一，它要求误差的平方和最小，即寻求与给定点的距离平方和最小的曲线y＝φ（x）。

2．2Cftool试验分析

在本试验中，首先应用MATLAB软件的Cftool拟合工具箱进行拟合，来确定最佳的拟合函数类型。Cftool拟合工具箱功能强大，能够实现多种类型的线性和非线性曲线拟合，主要包括指数逼近、傅里叶逼近、高斯逼近、插值逼近、多项式逼近、幂逼近、有理数逼近、平滑逼近、正弦曲线逼近及用户自定义函数类型等。

3负阶次多项式拟合算法

负阶次多项式拟合问题是指对于给定的试验数据（xi，yi）（i＝0，1，…，N）。

4结语

论文从工程应用的角度出发，采用MATLAB拟合工具箱试验对比的方式，寻找高精度的拟合方法；结合相关数学理论，对拟合试验的结果进行深入地分析，并选定－7阶次多项式拟合作为本试验的最佳拟合公式；最后，研究了负阶次多项式的拟合算法，具有较强的实用性和很高的拟合精度。本方法的研究结果可应用于实验研究、工程应用及特种条件下的发动机损伤检测等领域。

参考文献

［1］李磊，张俊，蔡歆．叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用［J］．航空动力学报，2017，32（9）：2260－2264．

［2］黄春峰，侯敏杰，石小江．航空发动机叶尖间隙测量技术研究［J］．国际航空，2009（9）：77－79．

［3］毕超，孙建华，徐昌语．航空发动机叶尖间隙测量技术的研究与应用［C］／／第七届中国航空学会青年科技论坛．中山：中国航空学会，2016．

［4］张龙，韩鹏卓，王亮．基于电容法的叶尖间隙测量准确度主要影响因素研究［J］．测控技术，2016，35（5）：137－143．

［5］马标．薄片电容式间隙测量技术研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013．

涡轮设计论文范文第6篇

一、在物理课堂中渗透STS教育

由于课堂教学是学校教学的主要阵地，所以要促进STS教育在物理教学中的渗透，自然不能够忽略物理课堂．在课堂教学中，教师需要认真分析教材中的各种知识点，找到能够渗透STS教学的知识点，然后有条理地将两者结合起来，进行STS教育的渗透．

（一）巧妙举例，渗透STS教育在教师进行授课的时候，可以在进行新课引入，举例说明等时候运用一些社会中的真实例子，这样就能够潜移默化地渗透STS教育，起到很好的教育效果．例如在学习光的有关知识时，教师就可以通过若干例子巧妙地渗透STS教学．例如，在讲授红外线的物理性质的时候，教师可以给学生介绍红外线报警器的工作原理，让学生明白利用红外线的物理性质可以更好地造福社会．而在讲授薄膜干涉的原理的时候，教师可以拿出照相机镜头，让学生通过观察照相机镜头呈现出的淡紫色，从而了解增透膜在照相机上的实际使用．这些巧妙的例子能够让学生更快、更具象化地了解物理知识，同时还能够激发他们自主学习的兴趣，能够起到更好的教育效果．

（二）展示实验，渗透STS教育除了课堂讲学以外，在课堂上运用丰富多彩的物理实验来巧妙渗透STS教育，也是一个相当有效的方法．物理学本身就是以实验作为基础的学科，通过物理实验不仅能够让学生掌握必要的物理知识，更能够让他们养成良好的科学态度．例如，在学习电学的相关知识时，可以通过教师展示实验或者学生集体实验操作的方法来巧妙渗透STS教育．教师可以先让学生复习一下有关电学的基础知识，然后利用铜线圈、钢钉和电池等材料来制作一个简单的电磁铁，从而让学生更好地理解电的相关原理．在学生进行实验之后，教师可以利用水电站涡轮机来做例子，启发学生思考水电站的发电原理，正是由于涡轮机内的磁铁在铜线圈中不断旋转才导致电子在铜线圈中移动，因此才产生了电流．这样的实验形象生动，能够让学生举一反三，更快地联想到生活中的其他科学技术，让他们的记忆更加深刻．

二、在课余活动中强化STS教育

开展各种丰富多彩的STS教育活动课，是对于课堂STS教育的有效延伸，各种活动能够更好地培养学生的动手能力，促进他们动手能力和动脑能力的协调发展，更能够促进他们的个性化发展．在进行STS活动的时候，教师可以征求学生的意见，让他们根据自己的兴趣爱好、课堂学习的知识点、社会热点等问题制定相关的活动主题．例如，在学习了有关空气的浮力、气压等相关知识后，教师可以安排学生搞一个名为“我心飞翔”的小活动，让学生开动思维，运用各种生活中寻常的材料来设计一个小实验，证明飞机起飞之后不会掉下来的基本原理，还可以让学生根据自己学到的物理知识让自己制作的飞机飞起来，看谁飞得更快，更远．教师在活动中可以向学生提出一些启发性的问题，例如，如果要让飞机起飞的话，是要让机翼上方的速度更快，还是下方的速度更快；飞机的机翼设计成什么形状更适合飞行等．在活动中教师还可以根据活动的具体情况介绍一些其他的现代化航空器，以及它们的飞行原理，让学生思索物理知识对于人们的生活所起到的作用．

三、在社会实践中深化STS教育

为了让STS教育在物理教学中更加深入，教师还可以利用各种社会实践活动来增长学生的见识，让他们补充到那些书本上学不到的知识，同时也可以培养他们主动关注人类生活环境，产生社会责任感，让他们萌发出想法，认为学习物理知识要更好地利用在生活和工作中．例如，在学习了有关惯性、向心力等力学的原理后，教师可以带着学生到路边观察，让学生注意观察公路路面两边的高度差，并启发他们思索这和公路转弯向心力的关系，还可以请交警来学校讲课，讲解行车保持安全距离的重要性，让学生更好地理解惯性的原理，同时也明白违章驾车所带来的严重后果．在学习了声音的有关原理后，可以让学生到花园、公路、商场、工厂等不同的地方测量当地的噪音指数，并通过记录测试结果、分析数据、撰写论文等方式让学生明白噪音的危害，并尝试根据自己学习的知识来提出有效控制和改善噪音的方法．用这样的社会活动能够更好地深化对学生的STS教育，增强他们的环保意识、安全意识，让他们树立更强的社会责任心，树立学习物理知识造福人类的理想．

四、结束语

涡轮设计论文范文第7篇

耐热钢的发展是高温下工作的动力机械的需要，如火电厂的蒸汽锅炉，蒸汽涡轮、航空工业的喷气发动机，以及航天、舰船、石油和化工等工业部门的高温工作部件。它们在高温下承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳和冲击等。此外，它们还与高温、蒸汽、空气或燃气接触，表面发生高温氧化或气体腐蚀。在高温下工作，钢将发生原子扩散过程，并引起组织转变，这就是与低温工作部件的不同点。耐热钢的基本要求是：一是要具有良好的高温强度及与之相适应的塑性；

二、是要具有足够高的化学稳定性(如抗氧化、抗腐蚀等)

钢在温度和应力作用下将发生连续而缓慢的变形，即蠕变，钢中的组织变化是蠕变的内因，表示高温强度的指标有三种：其一为蠕变强度，它表示在某种温度下，在规定时间达到规定变形(如0.1%)时，所能承受的应力；其二为持久强度，它指定在规定的温度和规定时间断裂所能承受的应力；其三为持久寿命，它表示在规定温度和规定应力作用下，拉断时间。另外，高温下的紧固件要求有低的应力松驰性能。承受交变应力的高温零件要求高的高温疲劳强度。

钢在高温下与空气接触将发生氧化，表面氧化膜的结构因温度和合金的化学成份而有着不同的化学稳定性。钢在575℃以下表面生成Fe2O3和Fe3O4层，在575℃以上出现FeO层，此时氧化膜外表层为Fe2O3，中间层为Fe3O4，与钢接触层为FeO。当FeO出现时，钢的氧化速度剧增。FeO为铁的缺位固溶体，铁离子有很高的扩散速率，因而FeO层增厚最快，Fe3O4和Fe2O3层较薄，氧化膜的生成依靠铁离子向表层扩散，氧离子向内层扩散。由于铁离子半径比氧离子小，因而氧化膜的生成主要靠铁离子向外扩散。要提高钢的抗氧化性，首先要阻止FeO出现。加入形成稳定而致密氧化膜的合金元素，能使铁离子和氧离子通过膜的扩散速率减慢，并使膜与基体牢固结合，可以提高钢在高温下的化学稳定性。合金元素对钢的氧化速度的影响见下图：

二、合金元素对钢的氧化速度的影响：

钢中加入铬、铝、硅，可以提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。就质量分数而言，1.03%Cr可使FeO在600℃出现，1.14%Si使FeO在750℃出现，1.1%Al+0.4%Si可使FeO在800℃出现。当铬和铝含量高时，钢的表面可生成致密的Cr2O3或Al2O3保护膜。通常在钢表面生成FeO•Cr2O3或FeO•Al2O3等尖晶石类型的氧化膜，含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，它们都有良好的保护作用。铬是提高抗氧化能力的主要元素，铝也能单独提高钢的抗氧化能力。而硅由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。其他元素对钢抗氧化能力影响不大，少量稀土金属或碱土金属能提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高温下晶界优先氧化的现象几乎消失。钨和钼将降低钢和合金的抗氧化能力，由于氧化膜内层贴着金属生成含钨和钼的氧化物，而MoO3和WO3具有低熔点和高挥发性，使抗氧化能力变坏。

三、合金元素的比例对不同体型耐热钢的高温强度的影响

耐热钢根据显微组织不同可分为铁素体型耐热钢和奥氏体形耐热钢两大类。其中，铁素体型耐热钢工作范围的350--650℃。这类钢的合金元素总量不超过5%。它的强化方法是固溶强化和碳化物沉淀强化。

固溶强化元素有钨、钼、铬。钨、钼铬溶于基体a相，能增强基体原子间结合强度，提高再结晶温度，因而能显著地提高基体的蠕变抗力。铬在ω≤0.5%时强化基体的作用较强，铬再增加则强化作用增加很少。其他元素如锰、硅、镍、钴的影响很小。

碳化物沉淀强化作用以MC型最高，它不易聚集长大；M2C型的沉淀强化作用次之；M6C型又次之；M7C3型由于聚集长大速度高，将降低钢的蠕变强度。碳化物形成元素有钒、钛、铌在钢中形成各自的特殊碳化物VC、TiC、NbC。钨、钼在钢中形成M2C型的W2C、Mo2C和M6C型的Fe3W3C、Fe3Mo3C;铬在钢中的含量低时，出现合金渗碳体(Fe,Cr)3C;当ω超过2%--3%时，出现(Fe,Cr)7C3碳化物。

含钨、钼、钒、铌的钢经过热处理，在500--700℃范围析出MC和M2C型碳化物，产生沉淀强化，当V/C=4，符合VC化学式时，碳和钒几乎全部结合形成VC，就达到最佳的沉淀效果，具有最高的蠕变抗力。铌和钛的作用与钒相似，当Nb/C=8,Ti/C=3时，几乎全部形成NbC和TiC，具有最高蠕变抗力。当其比例小于各自的数值时，有剩余碳有存在，它就会与钨、钼形成M2C或M6C型碳化物。这两种碳化物，尤其是M6C，其聚集长大速度高，强化效果差，同时减少了钨、钼在基体中的固溶强化作用。当钒、铌、钛与碳的比例超过各自的数值时，过剩的钒会降低基体的蠕变抗力，过剩的铌或钛会形成AB2相，如Fe2Nb和Fe2Ti其聚集长大速度较高，对蠕变强度不利。

具有体心立方结构的铁素体型耐热钢在600-650℃温度条件下的蠕变强度明显下降。而具有面心立方结构的奥氏体型耐热钢，在650℃或更高的温度下有较高高温的强度。奥式体型耐热钢可分为Cr18Ni9型奥氏体不锈钢、固溶强化型奥氏体耐热钢和沉淀强化型奥氏体耐热钢。

固溶强化型奥氏体耐热钢是以钨、钼进行固溶强化，以硼进行晶界强化。这类钢的沉淀强化相为MC碳化物，并含有钨、钼等固溶强化元素。当钒、铌和碳的比例正好和VC和NbC的化学式相等时，具有最佳的高温强度。VC析出的最高速度的温度在670--700℃，在此温度时效后，钢具有最高的沉淀硬化。另外一种碳化物是复合的M23C6型的(Cr,Mn,Mo,Fe,V)23C6,它是不能成为沉淀强化相。

四、显微组织对耐热钢的强度影响

显微组织对耐热钢的蠕变强度有着很大的影响。以12Cr1MoV钢为例，经980℃奥氏体化后炉冷(1--6℃/min),得到铁素体加珠光体组织；空冷(200--500℃/min)得到粒状贝氏体加入少量铁素体和马氏体组织；淬火(>600℃/min)得到马氏体组织。后两者须经过高温回火。三者在580℃和600℃长时间持久强度试验表明，马氏体高温回火的组织具有最高的持久强度，粒状贝氏体高温回火的组织次之，铁素体一珠光体组织最低，试验结果见下表。

热处理制度580℃600℃

但持久塑性，则具有铁素体—珠光体组织的最高，粒状见氏体高温回火组织的最低，马氏体高温回火组织的居中。因此，可以通过热处理来改变耐热钢的组织，来获得提高蠕变和持久强度的一个途径。

五、结论

通过上述研究可得到以下结论：

(1)耐热钢中的合金元素的比例含量对耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀性、强度有着重大有影响

(2)耐热钢的显微组织的不同对耐热钢的强度、塑性同样也有着很大的影响

(3)钢中有害杂质元素对耐热钢的力学性能有着不利的影响。

(4)在设计耐热钢时，应根据耐热钢的工作温度、承载能力，使用寿命等方面来进行加入的合金元素比例，制定正确热处理工艺来获得合理的显微组织。

摘要：材料的化学成份和组织结构决定了材料的性能。因此，利用材料不同的化学成份和组织结构就可以得到能够满足人们某种需要的材料。基于这一思想，在过去的几十年里，人们已经探索出了许多能够满足人们某种需要的新材料。本论文也是基于上述思想对耐热钢进行设计的。

涡轮设计论文范文第8篇

古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学.科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等，只是最近几百年的事.在牛顿的时代里，科学和哲学还没有完全分家.牛顿划时代的著作名为“自然哲学的数学原理”，就是一个明证.物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学.17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端.从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论;克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论;库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论.至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立.然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了.

在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础.本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科.什么是物理学?试用一句话来概括，可以说:物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科.尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即一与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求.物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的.当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理.前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源.可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科.物理学和化学从来就是并肩前进的.

如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理.物理学和生物学的关系怎么样?对于如何解释生命现象的问题，历史卜有吁两种极端相反的看法:一是“生机沦”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，水远不能在物理和化学的基础上得到解释;另一是“还原论认为一切生命现象都可归结(或者说，还原)为物理和化学过程.1824年沃勒成功地在实验室内用无机物合成了’尿素之后，生机论动摇了.但是、能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢?回答这个问题为时尚早.不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的.可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用.物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内.物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如D、、双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点.现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理.不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的.

2物理学与技术

社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别.科学解决理论问题，技术解决实际问题.科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去.科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划.历史上，物理学和技术的关系有两种模式.回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式.17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵;18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力.其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车;那时的热机效率只有5一8%.1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据.

到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%.19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律.这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术~物理~技术.电气化的进程提供了第二朽模式.从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究.此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来.有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明.当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展.这种模式是物理~技术~物理.本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉.但几乎所有重大的新技术领域(如电子学、原子能、激光和信息技术)的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的.没有1909年卢瑟福的。

粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生.当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命.整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的.大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路.70年代后期出现了大规模集成电路.殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验_L的准备:1925一1926年建立了量子力学;1926年建立了费米一狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射;1928年索末菲提出能带的猜想;1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在;同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表.总之，当前的第二次工业革命主要是按物理一，技术，物理的模式进行的.

3物理学的方法和科学态度

现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学.物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为:1)提出命题命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的.2)推测答案答案可以有不同的层次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推测对现象作定性的解释;根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释;当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等.3)理论预言作为一个科一学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言.这是真、伪科学的分野.为什么说.‘证伪”而不说“证实”?因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的.为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵.你怎么驳倒他?对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误.我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断.4)实验检验物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则.

理论不是唯一的，一布、理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论.5)修改理论当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就面临着修改或被推翻.不过，那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的，只是部分地被修改，或确定其成立范围.以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化的进程.但是物理学中的许多重大突破和发现，并不都是按照这个模式进行的，预感、直觉和顿悟往往起很大作用.此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现.顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人，平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇.所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸.科学实验的结果，远非尽如人愿.不管你喜欢不喜欢，实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的.在科学研究中，一相情愿的如意算盘是行不通的，弄虚作假迟一早会暴露.

失误任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是勇于承认.1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文，遭到爱因斯坦的批评.次年，爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后，公开声明自己被说服了.据伽莫夫回忆，爱因斯坦说，这是他一生中最大的疏忽.伟大科学家这种坦荡的襟怀，是所有人的楷模.基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要.根据公开发表的文献，人人可以自己判断，独立思考.所以，在科学的王国里，直理面前人人平等.这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从.“实践是检验真理的唯一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决.实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认.自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的.实验的结果验证了理论，固然可喜;与理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋，世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的.40多年的历史表明，除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由.高能物理学界把这看作正常现象.1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后，曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果.人们反而说:现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事.这便是物理学界极富进取精神的得失观.因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的.他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”.理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图象来;实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理.因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科，而要放眼于更广阔的天地.人们公认，当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的.

4怎样教导学生学好物理学?