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『技术专栏』关于叶片系列二:透平机的类型
 
上期在《关于叶片系列》第1部分中讲述了涡轮发动机,我们回顾了涡轮叶片的历史。本周我们将重点介绍什么是透平机,它们是如何工作的,以及它们的区别……
 
什么是透平机?
 
透平机是一种通过水、蒸汽、燃气、风或其他流体的快速流动从而推动装有叶片的转子旋转,进而产生持续动力的一种机器。
 
例如胡佛水坝或宏大的尼亚加拉大瀑布,水流通过透平机,透平机在落水的压力下旋转,产生近 490 万千瓦的电力,为 380 万个家庭供电。您知道吗,截至 2020 年,德国拥有 7,254 座水电站!还有荷兰著名的古老风车,它是当今风力透平机的先驱,风力透平机是一种有效的、低成本的可再生的发电方式。
 
不同种类的透平机
 
机械工程中的透平机,是指在转子和流体之间传递能量的机械,包括透平机和压气机,通常用于汽车(涡轮增压器)、航空航天(飞机涡轮机)、能源(燃气和蒸汽透平机)和工业(压气机)应用。
 
透平机按流动介质的流动方向进行划分主要分为三类,分别为:轴流式、离心式和斜流式。按照流动介质来分类主要分四类,分别是蒸汽式、燃气式、水流式和风能式。所有透平机都很重要并在行业中发挥着重要作用,但我们将只关注介质为蒸汽和燃气的轴流式透平机和离心式透平机。
 
轴流式透平机和离心式透平机有什么区别?使用离心式透平机,水流平稳地垂直于旋转轴,它驱动透平机的方式与水驱动水车的方式相同。结果是机械应力更小(在热工作流体的情况下热应力更小),与轴流式透平机相比,这使得离心式透平机更简单、更稳固且更高效(在类似的功率范围内)。通过轴流式透平机,工作流体的流动与轴流式压缩机平行,将流体的流动转化为旋转机械能。
 
所有透平机都很重要,但我们跟更专注于测量的是喷气透平机的复杂轮廓
 
轴流式透平机和压气机
 
所有关于叶片系列的内容都是和透平叶片有关,因此我们要专注于轴流式涡轮机!
 
压气机与透平机由多级组成,每一级都包含一组转子叶片和一组静子叶片。转子叶片与转子相连;静子叶片与机匣外壳相连。转子叶片的主要作用是保证气流与转轴之间的能量传递。静子叶片为进入下一级旋转叶片整流,并将通过的气流从前一组叶片导向下一组叶片。这使压缩空气、高能蒸汽或废气通过透平/压气机引导流动,以传递尽可能多的能量。
 
轴流式透平机和压气机是不同类型的涡轮机,它们具有相同的基本原理,只是工作方式相反。
 
透平机被高能气体注入,这些气体再通过透平机,压力降低、体积增大,逐级地把能量转移到转子叶片上。因此转子叶片和静子叶片的尺寸沿气体的轴向流动路径也是逐级增加。
 
最后,所有能量都转移到转子叶片上,因此转子最终驱动另一台机器。在发电厂发电的情况下,透平机连接到发电机以产生电流。
 
压气机反向工作,由发动机驱动。当空气被旋转叶片吸入时,它会被推动通过压气机。每组转子叶片/静子叶片都逐级变小,从而为空气增加了更多的能量和压力。
 
相辅相成,合二为一,燃气轮机
 
飞机涡轮发动机有一个压气机和一个涡轮机,在两者之间你可以找到燃烧室。空气被吸入压气机、压缩后与燃料混合以进行燃烧(点火),从而产生推力。此外,涡轮机被从燃烧室排出的高温气流推动工作,而涡轮机的转子与压气机相连,因此通过涡轮机与压气机的机械连接来驱动压气机工作。但是排出的高温气流的主要能量还是用于通过增加其通过喷嘴的速度来产生推力。
 
这个基本原理可以在涡轮喷气发动机/喷气式发动机中找到,它们是最简单的飞机燃气轮机类型。
 
 
涡扇发动机是当今喷气式飞机上最常见的发动机类型。基本原理是一样的,只是组件比较复杂。此外,您还可以找到风扇和旁通流道系统,它们可以进一步提高发动机的效率和稳定性。
 
 
涡轴式发动机通常用于需要持续高功率输出、高可靠性、小尺寸和轻重量的应用中。您会在直升机、辅助动力装置、船只、坦克、气垫船和固定设备中找到这种应用。
 
 
叶片
 
转子叶片和静子叶片具有不同的功能,但具有相同的几何元素。静子叶片改变气流方向,而转子叶片在气流和转轴之间传递能量。转子叶片必须在高转速和高温下运行,而静子叶片则以最佳效率将旋转叶片推动的气流引导至下一个透平级。转子叶片和静子叶片都必须抗氧化、抗腐蚀和抗磨损,并提供使用寿命。
 
这是公司衡量改进叶片的关键方面之一,从而提高性能并延长转子叶片和静子叶片的使用寿命。
 
测量带来最佳性能
 
转子叶片和静子叶片的结构和功能
 
转子叶片和静子叶片包括三个方面:
 
(1)、叶根部分负责把叶片安装到转子或者是机匣上。根槽数可能会根据机械负载、所需安装精度和制造成本的不同而不同,我们将在未来深入讨论这个问题。
 
(2)、翼面是为了保证翼型和气流之间产生正确的相互作用而设计的,静子叶片的翼面改变了流道的方向,进而改变了气流的方向,使得转子叶片在气流和转轴之间传输能量。
 
(3)、根据叶冠的应用,护罩是可选的。带护罩的转子叶片/静子叶片控制并最大限度地减少叶片尖端和叶片之间的气流泄漏,并限制振动幅度以确保形成稳定的外环。
 
温泽设备可更快的测量更多的零件
 
WENZEL CORE M
 
叶片制造需要有各种各样的形状、尺寸,以满足各种应用的需求。配置文件的设计是为了最大限度地提高所需的输出。无论大小、表面积或交货时间,CORE 都不受限制。光学高速扫描系统专为在生产环境的恶劣条件下工作而设计。CORE M 的特点是温度稳定性、防尘性和抗振性。6 轴测量系统基于高动态线性驱动器和稳固的机械结构可实现高速测量。
 
温泽公司研制的新型光学高强度测头,可以在高反射表面或难以接触的部件上快速捕获点,无需花费大量时间重新定位零件或对表面进行预处理。
 
CORE M 的测量体积为 500 mm x 500 mm x 2500 mm,因此非常适合测量大型部件。机器外壳内有一个动态平衡系统,可抵消扫描仪在高速运动过程中产生的力,确保即使在非常高的测量速度下也不会损失精度。温泽综合软件包中的叶片分析软件由温泽与合作伙伴协同开发,可对叶片进行简单、快速的评估。
 
正如您可能意识到的那样,我们专注于测量结构复杂、表面光滑的透平叶片。这些具有重大影响的小部件使我们能够通过旅行去探索世界、建设我们的经济并保护我们的国家和亲人,这些都是重要的原因。如果有机会,您可以坐上一艘老式蒸汽船,参观尼亚加拉瀑布,赴一场放松的河上游船之旅,您必将惊叹于巨大的风力透平机,回头看看几个世纪以来我们走过的路,并认真思考我们即将前行的路。请记住,测量使我们进步,测量技术的出类拔萃,或许可以改变世界。
 
关于温泽
德国温泽集团是计量领域创新的先驱。温泽多样化的产品提供了三维测量、计算机断层扫描、光学高速扫描等多个行业的独特解决方案。温泽集团的技术解决方案在汽车、航空航天、发电及医疗等众多行业中有大量应用。温泽在全球范围内已交付安装超过10,000台测量设备。其子公司和业务伙伴在超过50个国家销售产品,并提供售后服务以满足客户需求。
 
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