1、1,第二篇 压气机,叶 片 机 原 理,授课教师：陈焕龙哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院推进理论与技术研究所,2, 离心式压气机主要部件及作用, 离心式压气机气体流动特点, 概述,第八章 离心式压气机,3,航空发动机-容积流量较小的高压级采用离心压气机,航空发动机,新型离心压气机特性,4,20世纪40年代,涡喷发动机初期,离心压气机,成功应用于活塞发动机增压器,迎风面积大效率低流量小,20世纪60年代,考虑三维流动特点的管式超声扩压器,12级轴流压气机/风扇+单级离心压气机,小型涡轮轴发动机小型涡扇发动机,轴流压气机,在增压比和流量较小时，燃气涡轮发动机用离心式压气机比用轴流式压气机合适,5
2、,8.1离心式压气机主要部件及其作用,进气装置（a-a和1-1之间）：把气体以一定方向或分布规律引入工作轮，为减少损失，略有加速减压,工作轮（1-1和2-2之间）：工作轮加入轮缘功，气体流经它在离心惯性力作用下作向外的径向运动，增压且加速,扩压器（2-2和3-3之间）：气体仍有较高动能，先经过无叶片环形空间即无叶扩压器（2-2和2-2之间）增压减速，再在叶片扩压器（2-2和3-3之间，类似轴流压气机静子）中减速增压,集气管（3-3和K-K之间）：进一步减速增压并引气体入燃烧室,结构示意图,气流参数沿流程变化,离心式压气机主要由4部件组成：,6,8.2离心式压气机气体流动特点,进气装置中的气体流
3、动,预旋片的作用是使工作轮进口有一定的切向速度C1u的分布,分气盆,预旋片,双面进气的离心压气机,进气装置由 组成,预旋片,分气盆,分气盆的作用是将经过预旋片的气体分为数层，以便将气体较均匀地充满工作轮叶片通道进口,为减少流动损失，进气装置中的流道应稍有收敛，使气体速度略增,7,工作轮中的气体流动,轴流式：动能 压力能 增压,D,圆柱体切割,展开,前缘,离心式：气体径向运动 参数变化 增压,轴流式与离心式压气机增压原理的不同,受逆压梯度下附面层发展和分离的限制小,首先达到涡喷发动机对压比、效率的要求,导风轮,8,工作轮前缘U,前缘沿U向扭转，1k-1=24,大型离心压气机：单独制造小型离心压气
4、机：整体件,导风轮与叶轮本体分开制造,气体微团与叶片撞击,引起流动损失,1随r增加而减小 扭转随r增加而增加,导风轮：特别扭转过的叶片前缘,导风轮易受风沙冲击损坏,导风轮扭转,9,假设气流是定常、周向均匀、忽略摩擦力及重力,流线与压气机轴线夹角,截面相距dl,离心式压气机增压原理,沿流动方向压力,流体微团加速度 ，惯性力,工作轮匀转速 ，离心惯性力在流动方向投影,根据力的平衡,略去二次以上微量,离心力做功占主导地位,W,p,A,W+dW,p+dp,A+dA,dAW,p+dp/2,dl,p+dp/2,10,对 进行积分, r 一定，,离心式压气机基本工作原理, W一定，,利用气体作径向向外流动后
5、参数的变化来达到增压的目的,动坐标系统中不考虑摩擦时的机械能形式的能量方程式,工作轮进口1-1截面工作轮出口2-2截面,动坐标系统中考虑摩擦时的机械能形式的能量方程式,11,工作轮中气流微团因惯性产生的与U相反的旋转运动，环流速度Wu,在工作轮通道中，气流相对速度W沿通道宽度不是均匀分布,合成平均W2方向与径向存在落后角,功率系数/ 滑动因子,从中心向工作轮外缘的径向均匀流动Wr,+,=,WrWu,WrWu 倒流,C2uWu,C1a=Wr=(0.250.35)U2,C2u,U2= C2u,12,气体在扩压器中的流动,工作轮出口MaC2=1.1-1.2,b2,2,2,扩压器将动能转变为压力升高，
6、进一步气体压力,扩压器的作用,扩压器的组成,b2,2-2截面-3-3截面,2-2截面-2-2截面 环形缝隙/无叶扩压器,2-2截面-3-3截面 安装叶片，叶片间为扩压通道,叶片组成扩压流道,环形缝隙,轴向扩压器,13,环形缝隙,叶片组成扩压流道,气体微团以C2离开工作轮,流线上每点切线与过该点圆切线间夹角为常数-具有这种特点的流线为“对数螺旋线”,b2,b2,2,2,气体在环形缝隙中的流动,对微团用动量矩定理,径向分速度由连续方程得到,流线上每点的切线与过该点圆上切线的夹角,若,14,r,C 增加直径可提高无叶扩压器增压能力,超声速气流可在缝隙中实现无激波减速扩压,叶片之间构成扩压流道,同理可
7、证明,为避免流动分离,迎风面积,过大缝隙，螺旋线轨迹长，摩擦损失 ,航空发动机离心压气机缝隙部分很小,b2,b2,2,2,气体在叶片扩压器中的流动,叶片采用圆弧弯成，沿圆周均匀分布,工作原理与轴流式压气机整流器一样，气流速度，压力,同样内、外径之下，扩压能力大于无叶扩压器,15,出气管与燃烧室相连接，作用之一是将压缩气体导入燃烧室,出气管出口气流速度100m/s120m/s,气体在出气管中的流动,出气管作用之二是气流速度，气流压力,为减少损失，出气管转弯处有导流叶片,从叶片扩压器出口到出气管出口分两个区域,截面3-3-3-3,截面3-3-K-K,为减少流动损失，为相等截面或稍微收敛,增压在此之
8、间完成,16,8.3离心压气机流动损失和效率,流动损失,Le=Lu+Lr,Lr -工作轮旋转时，由于气体粘性，包围在叶轮四周及流道内的气体与机壳壁面摩擦产生，包括以下3项：,叶轮侧表面所带动的与叶轮一起旋转的气体与机壳表面摩擦,叶片两侧压力不同，气体沿着叶轮与机壳间轴向间隙从一个流道潜流到相邻流道，其方向与叶轮旋转方向相反,叶轮前后与机壳间鼓风损失叶轮前p出p进导致气体沿壁面与叶轮间隙向进口倒流，叶轮后粘性作用下，与叶轮背面一起转动的气体质点在离心惯性力作用下被甩出去引起,着重探讨流过工作轮的损失,有效功Le：在工作轮轴上所需的功,圆盘摩擦损失Lr：工作轮转动时克服摩擦和其他损失所需功,潜流现
9、象,鼓风作用,Lr的意义,17,效率,Lr的估算方法,根据试验研究结果，工程计算中采用,-由试验确定系数，目前常用压气机,轴向进气条件下,离心式压气机效率的定义与轴流式压气机效率定义相同,等熵压缩过程所需功 / 实际压缩过程所需功,为预旋导流片前气流总压,为出气管出口处气流总压,18,8.4超声速离心式压气机,由跨声速导风轮 + 高速高负荷工作轮 + 超声速扩压器组成,跨声速导风轮,进口相对Ma从根顶，若在某半径处起速度超声速,20世纪70年代后高增压比离心式压气机,叶尖Maw11,整体普通叶轮,压气机增压比，并保持较高的效率 提高发动机推重比,早期的高增压比离心式压气机,叶尖Maw11,跨声
10、速导风轮,跨声速导风轮的设计采用跨声速轴流式压气机的设计经验,串列叶轮,导风轮与叶轮分开,导风轮进口顶部采用跨声速轴流压气机设计技术,按照先进跨声速轴流压气机转子设计方法设计导风轮,导风轮与叶轮连在一起,19,射流-尾迹模型-气流在导风轮叶片吸力面分离后形成近似为等Ma射流区，然后冲向工作轮叶片压力面流出，即分离点后叶轮内部流动包括射流区和相对静止尾迹区，后者充满了由流动中各种损失产生的大量低能流体，在哥氏力影响下两区互不混合，其分界线在流动中保持相对稳定,高速高负荷工作轮,叶轮负荷分布,工作轮中新的流动模型,主流,尾迹,径向速度剖面,高速高负荷工作轮的研制从以下几方面展开：,目前计算方法一般
11、建立在位流理论基础上，没有考虑附面层增长对流动分离影响,20世纪60年代提出射流-尾迹模型，低速情况下得到实验证实,研究最佳叶轮负荷分布规律（子午流道、回转面）,20,工作轮叶片的三种形式,前弯叶轮气流出口绝对速度比后弯叶轮高,后弯叶轮的新发展,缺点是与径向叶轮相比，为达到相同压比需要较高的U，同时还增加了叶片弯曲应力，叶片应力高,优点是当压气机沿等转速线流量减少时，输入功增加，工作稳定性提高，提供了控制叶轮负荷分布的手段，并降低扩压器进口Ma，使其可适应较大攻角变化范围，有利于改善非设计点性能,前弯叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离,前弯叶轮流道出口速度更加不均匀,目前广泛采用的是径向叶轮
12、和后弯叶轮,21,超声速扩压器,早期C*=4.0 目前C*=6.0 研制C*12.0,超声速扩压器 20世纪60年代末管式扩压器,C*3.0Mac21.0 C*=10.0Mac21.4,若切向孔相交 叶轮外径与管式扩压器内径形成缝隙/无叶扩压器，利于降低扩压器进口速度,喇叭形下游扩散段,管式扩压器,整体环形金属板,喇叭形下游扩散段,前段：圆柱形直孔后段：带扩张角锥形孔,均匀切向孔,气流转弯为轴向,中心线与叶轮出口圆周近于相切,离心压气机的级增压比增长很快,若圆柱孔与环形金属板内圆柱面相交 锐边前缘,22,轮盘、机匣、叶片表面附面层,不均匀速度场,工作轮出口超声速气流,缝隙扩压器减速、调匀,锐边
13、前缘减弱激波且进一步调匀气流,经直喉道进入锥形段减速扩压,喇叭形扩压段减速扩压且转为轴向,喇叭形扩压段减速扩压且转为轴向,Ma由1.3降至0.3,迎风面积大，只适用不考虑该因素的小流量发动机,试验结果表明，装有管式扩压器的离心压气机C*=5.42时，=81.8%,优点,缺点,锐边前缘适于超声速来流且可调匀来流，减少损失,小流量高压比离心压气机扩压器轴向宽度短，叶片扩压器角区二次流损失高，而管式扩压器圆管通道损失小,加工方便、成本低,工作范围窄，亚声速时效果不好,喇叭形下游扩散段,管式扩压器,23,1. 设有一离心式压气机，轴向进气，出口处2=60、2=20，外径处圆周速度U2=400m/s，试
14、求该压气机的轮缘功是多少？,2. 设某离心式压气机的增压比为C* =4.8，在温度为20C时的进气质量流量为50kg/s，试问带动该压气机需要多少千瓦的动力？（设压气机的效率为C*=0.82）,24,在一台多级压气机设计中，第一级和第十级对气流的加功量都是29400J/kg，级效率都是0.86，问第一级压气机和第十级压气机的级增压比是否相同？为什么？,用大于、等于、小于符号表示气流经压气机动叶进口1-1截面、动叶出口和静叶进口2-2截面和静叶出口3-3截面上气流参数的相对大小关系。（1）T1*、T2*和T3*；（2）p1*、p2*和p3*；（3）p1、p2和p3；（4）c1、c2和c3；（5）w1和w2 ； （2）pw1*、pw2*和pw3* 。,压气机甲共有6级，总的滞止增压比为8.85，压气机乙共有5级，总的滞止增压比为6.2，问哪一台压气机的平均级滞止增压比大？,
