1、19:16:20,1,第三部分第一章 压气机,第一节轴流式压气机的工作原理,2,19:16:20,3,19:16:20,4,19:16:20,基元级速度三角形叶片与气体间作用力（动量方程）叶片对气体做功（动量矩方程）功能转化与速度三角形的关系反动度与速度三角形的关系提高叶片对气体做功的途径压气机的增压比和效率,（一） 压气机级的工作原理,5,19:16:20,轴流式压气机原理和结构,轴流式压气机的工作原理压气机的特性曲线压气机的喘振及防喘措施轴流式压气机的结构,6,19:16:20,一、轴流压气机的基元级,高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，
2、并且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。,1.基元级的概念,7,19:16:20,用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出 很小的一段，这样就得到了构成压气机一级的微元单位基元级，压气机的一级由很多基元级沿叶高叠加而成。,8,19:16:20,基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。因 非常小，气体在基元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动。,9,19:16:20,为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级。,C = w + u
3、,2.轴流压气机基元级的速度三角形,10,19:16:20,简化速度三角形,11,19:16:20,只需要确定 、 、 和 四个参数，则简化形式的基元级速度三角形就完全确定了。,称为扭速，在气流沿圆柱面流动的情况下， ，可得到,轴流压气机基元级的速度三角形,12,19:16:20,问1：基元级的分析方法有何优点？问2：为什么轴流压气机要动叶和静叶配合？或者说动叶和静叶的作用各是什么？,轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形,13,19:16:20,离心式叶片机的速度三角形,14,19:16:20,3.动量方程,15,19:16:20,叶片在轴向方向对气体的作用力为,叶片在切向方向对气体的作用力
4、为,叶片作用在气体上的力，与气体作用在叶片上的力大小相等，方向相反,动量方程,16,19:16:20,4.叶轮对气体施加的理论功（轮缘功）,推导一（动量方程）：,（单位质量）,17,19:16:20,叶轮对气体施加的理论功（轮缘功）,推导二（动量矩方程）：,（单位质量）,叶片对流体的合力矩=流体单位时间动量矩变化,18,19:16:20,涡轮机械的基本方程式,单位重力的流体所获得的能量为,19,19:16:20,压气机,轴流式压气机：流量大和效率高，在大中型燃气轮机中获得广泛的应用。,离心式压气机：空气流量小，效率高于轴流式的，简化了机组的结构，主要用在小功率燃气轮机中。,20,19:16:2
5、0,5. 基元级的空气能量的转换关系,动叶栅加给气流的机械功的大小取决于圆周速度u和气流的扭速cu。要提高压气机的增压能力，就需要提高基元级的机械外功lc，即增大u和cu。,21,19:16:20,超音速和跨音速 基元级速度三角形,超声速基元级工作原理,22,19:16:20,无论是超声速还是亚声速基元级，动叶对气体的加工都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使 实现的，而气流流过动叶后静压升高则都是通过减小气流的相对速度实现的，只是超声速基元级和亚声速基元级在加功和增压的方式上有一些差别。,基元级的空气能量的转换关系,23,19:16:20,基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。,24,19
6、:16:20,基元级中静叶的作用,25,19:16:20,静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为下一级的动叶提供合适的进气方向。静叶的气流通道沿流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减速和增压。基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。,26,19:16:20,在轴流式压气机的级中，空气增压的过程及其原因：外界通过工作叶轮上的动叶栅把一定数量的压缩轴功lc传递给流经动叶栅的空气，使气流的绝对速度动能增高，同时使气流的相对速度动能降低，以促使空气的压力得以增高一部分。随后，由动叶栅流出的高速气流在扩压静叶栅中逐渐减速，这样就可以使气流绝对速度动能中的一部分(c22c32)/2 进一步
7、转化成为空气的压力势能，使气体的压力进一步增高。,27,19:16:20,基元级的速度三角形分析,多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。,28,19:16:20,设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。,29,19:16:20,速度三角形中的 、 、 和 的选取规律以及它们对基元级性能的影响。,(1)扭速 的选取 ，增大扭速可以增大基元级
8、的加功量。,亚声速基元级,增加导致： 增大；W2减小，逆压梯度增大；流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。,30,19:16:20,叶背流动分离,31,19:16:20,超、跨声速基元级，扭速 是靠强烈的激波系获得。如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。,32,19:16:20,为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基元级，都不能任意增大扭速 。 增大扭速 还会使动叶出口速度 增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。,33,19:16:20,静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；
9、出现超声速流动区域和激波，激波损失；流量易堵塞。,34,19:16:20,(2)动叶圆周速度u的选取,提高动叶圆周速度u，可以增大动叶对气体的加功量; 在相同的 条件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。现圆周速度u可达500米/秒左右， Mw1在1.61.8 ；叶片材料的强度是限制u提高 的因素之一。,35,19:16:20,6.气体流经压气机级的参数变化,36,19:16:20,7.基元级的反力度,气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高在动叶和静叶之间的分配比例问题。 基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对于基元级对气体的加
10、功量和基元级的效率有较大的影响。 为了表示出这一比例关系，通常采用反动度的概念，它是基元级的基本参数之一。,37,19:16:20,反力度定义,通常，可以认为基元级出口绝对速度 的大小和方向都十分接近于基元级进口的绝对速度 ，即 。,反力度的物理意义：动叶中的静压升高占整个基元级静压升高的百分比。,38,19:16:20,反动度的定义： 气流在动叶栅内的静焓增量与滞止焓增量之比。,39,19:16:20,如果反力度过低，则气体通过动叶后静压升高不多，表明动叶加给气体的机械能主要是动能，这样动叶出口的 速度就会很大，而且方向也很斜。这样会加大静叶的设计难度，因此，需要尽量避免反力度过低的现象发生
11、。 反动度过高，则静叶减速增加的作用没有得到充分的发挥，转子负担过重。,40,19:16:20,8.轴流压气机的增压比和效率,压气机的增压比定义,41,19:16:20,压气机的总增压比发展历程,42,19:16:20,压气机的绝热效率定义,43,19:16:20,用热焓形式能量方程、绝热条件、等熵过程的气动关系式 和,44,19:16:20,二、压气机平面叶栅的基本参数,动叶和静叶的叶栅通道以及气流相对于动叶和静叶的流动都有着共同的特点：气流在沿流向扩张的通道中减速扩压流动；气流的角度发生偏转，由与轴向的夹角大，偏转到与轴向的夹角小。,亚声速基元级,45,19:16:20,可以用单独一排叶片
12、来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。,46,19:16:20,平面叶栅由多个形状相同的叶片（通常7片以上）按一定的要求排列起来组成，几何参数包括叶型几何参数和叶栅几何参数。,叶型几何参数,1.中弧线 2.弦长b 3.最大挠度fmax及其位置a 和 4.最大厚度cmax及其位置e 和,1. 平面叶栅的几何参数,47,19:16:20,5.叶型前缘角 和后缘角6.叶型弯角 ， 7.叶型表面座标 ，选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等）和上述26参数后，将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。叶背表面也称为叶
13、片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。,48,19:16:20,2.叶栅位置几何参数1).叶型安装角 2).栅距 t3).叶栅稠度 ,4).几何进口角 和 几何出口角,49,19:16:20,3. 平面叶栅中的气动参数,当叶栅进口 比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流 在气动上被称为临界 。,前缘小圆的半径大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因素，都会使叶栅的临界 减小。,50,19:16:20,叶片表面附近的马赫数分布,叶片表面静压分布,51,19:16:20,（a）尾迹总压亏损（b）附面层分离（c）激波附面层 干涉
14、,52,19:16:20,激波附面层干涉,53,19:16:20,叶栅出口平均气流角,落后角,54,19:16:20,气体沿曲线流动时，所受离心力与从压力面到吸力面的压力梯度相抗衡，接近尾缘时，由于该压力梯度减小，气流趋向于靠近压力面一侧流动，叶型的弯角越大，这一倾向越明显，即落后角越大。,55,19:16:20,在叶栅出口处叶片压力面与额线的夹角小于叶型中弧线与额线的夹角，因此，叶型尾缘附近的厚度也对落后角有较大的影响，叶片尾缘越厚，落后角越大。,56,19:16:20,叶栅中的流动损失由以下各项组成：（1）附面层内气体的摩擦损失；（2）逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波 附面层干涉
15、会加重分离，导致分离损失急剧增加；（3）激波造成的总压损失；（4）尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生 的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失。以上损失也称为叶型损失。,57,19:16:20,平面叶栅的气动参数,1.进气角2.攻角3.落后角4.气流转角5.总压损失系数6.进口 和出口7.静压增压比,58,19:16:20,平面叶栅试验,亚声速平面叶栅风洞,59,19:16:20,平面叶栅攻角特性,不同攻角下的叶片表面气流分离,60,19:16:20,平面叶栅攻角特性,特性1 来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的出气角2基本不变。特性2 来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的总压损
16、失也基本不变，并维持在较低水平。,61,19:16:20,不同进口M1下的叶栅攻角特性, 0.60.7以后，随着进口马赫数的增大，低损失系数的攻角范围变窄。,62,19:16:20,(1) 串列叶栅理论,第二排叶片的附面层重新生成；第二排叶片的来流攻角变化不大；第一排叶片负荷轻，第二排叶片可以负荷重一些；串列叶栅在气流偏转角度比较大时，流动稳定性好，抗分离能力强。,特殊叶栅理论,63,19:16:20,(2) 轴流压气机大小叶片理论,在转子通道的后半部分局部增加小叶片，增大转子的作功能力。Wennerstrom于七十年代提出，并进行了试验验证。九十年代以后，采用CFD技术进行优化设计。,64,
17、19:16:20,4.超声速进口气流在平面叶栅中的流动特征,现阶段进口气流的相对速度马赫数大于1.0情况只发生在转子上，即动叶进口气流的相对马赫数 1.0。动叶进口气流的轴向速度马赫数 仍然小于1.0。由叶片产生的对气流的扰动（激波和膨胀波）可以传播到叶栅进口（额线）以前并影响栅前流场。,65,19:16:20,66,19:16:20,三、压气机一级中的流动,当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就出现了：端壁附面层流动； 端壁角区流动；端壁间隙产生的间隙流动；端壁半径变化产生的径向流动。压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。,67,19:16:20,（1）端区附面层流动,在端壁角区，端
18、壁附面层和叶片表面附面层中低能气体的相互阻滞;角区的附面层增长很快，使得角区比其它区域更加容易产生流动分离。,叶栅内部流动,68,19:16:20,（2）径向间隙流动,倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位压气机的加功和增压能力下降、效率下降。,倒流,泄漏流,69,19:16:20,（3）通道涡流动,静子叶栅的通道涡,主流区压力面静压高，端壁区压力面静压低;压力面附近的气流从静压高处流向低静压处，占据了端壁的气流通道;沿端壁流向静压更低的吸力面，在吸力面角区卷起，形成横跨整个叶栅通道的旋涡流动。,70,19:16:20,动叶中的通道涡也是由压力面附近高静压的气体通过端壁附面层流向吸
19、力面而产生的。 动叶尖部的间隙涡与尖部通道涡的旋向相反，二者之间有相互抑制作用，,71,19:16:20,（4）叶片表面附面层潜移流动,动叶表面附面层内的潜流,流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 产生的离心力 相平衡的压力梯度;动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转，离心力是 ，而u cu。,72,19:16:20,在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是潜移流动的方向与动叶相反，由叶尖向叶根潜移流动 。叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的流动损失。,73,19:16:20,（5）二次流动损失,在叶轮机领域
20、，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、潜流、间隙流和通道涡）称为二次流动，由二次流动造成的损失被称为二次流损失。一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要集中在叶根、叶尖两个端区。设计轴流压气机，可在动叶的端区多安排一些加功量，抵消端区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。,74,19:16:20,（6）超音流动易堵塞,动叶从叶根到叶尖都出现了横跨整个槽道的贴体激波时，反压变化的信息不能前传，降低出口反压，流量也不再增加了，即出现了流动堵塞现象。多级压气机中，如果进口级是超、跨声速级，则进口级的气流通过能力对整个压气机空气流量的大小起决定性的作用。,75,19:16:20,题目,压气机的增压比,压气机的绝热效率,
